Protection des moteurs électriques : relais thermique, fusible et MPCB, quel défaut gèrent-ils ?

Lorsque nous ouvrons l'armoire électrique d'un moteur de pompe grillé, nous retrouvons souvent le même tableau : le relais thermique est en place, les contacts sont intacts, mais le bouton de réglage indique 32 A. Or la plaque signalétique du moteur indique 21 A. Le relais n'a jamais déclenché, car même lorsque le moteur absorbait 28 A, il restait sous le seuil de réglage. Le bobinage a surchauffé pendant plusieurs semaines et l'isolation a fini par lâcher. L'armoire semblait « protégée », mais la protection avait été réglée d'après la taille du contacteur, et non d'après le moteur.

En matière de protection moteur, l'essentiel n'est pas la présence d'un appareil, mais de savoir quel appareil répond à quel défaut et de régler chacun à la bonne valeur. Le relais thermique, le fusible, le disjoncteur-moteur (MPCB), le relais de protection de phase et les capteurs noyés dans le bobinage ne se remplacent pas les uns les autres ; chacun détecte un danger différent.

Quatre situations qui grillent un moteur

Avant de bâtir la chaîne de protection, il faut distinguer ce contre quoi l'on se protège. Sur le terrain, la perte d'un moteur s'explique généralement par l'une de ces quatre situations :

• Surcharge à évolution lente : roue de pompe usée, convoyeur surchargé ou courroie trop tendue. Le courant dépasse la valeur nominale de 10 à 30 % et cette situation dure des heures. Le moteur continue de tourner, tandis que le bobinage vieillit peu à peu.
• Court-circuit et défaut à la terre : connexion desserrée dans la boîte à bornes, câble écrasé, bobinage percé. Le courant monte en quelques millisecondes à plusieurs dizaines de fois la valeur nominale.
• Perte de phase et déséquilibre : un fusible qui fond ou un contact qui brûle. Le moteur triphasé continue de tourner sur deux phases, absorbe un courant excessif sur les phases restantes et chauffe.
• Perte de refroidissement : capot de ventilateur obstrué par la poussière, température ambiante en hausse ou moteur fonctionnant longtemps à bas régime sur variateur de fréquence. Le courant paraît normal, mais la température du bobinage dépasse sa limite.

Ce dernier point est important : aucun appareil fonctionnant par mesure du courant ne peut détecter directement la quatrième situation. Il est donc trompeur de penser qu'un seul appareil assure une « protection complète ».

Relais thermique : où lire la valeur de réglage ?

Le relais thermique de surcharge évalue le courant en fonction du temps. Il tolère les dépassements de courte durée, comme le courant de démarrage ; plus le dépassement se prolonge, plus le temps de déclenchement se raccourcit. Ce qui rend ce comportement utile, c'est uniquement le bon courant de réglage, et cette valeur se lit sur la plaque signalétique du moteur, sur la ligne de courant correspondant à la tension à laquelle le moteur est réellement raccordé. Sur un réseau 400 V, pour un moteur dont la plaque indique 230/400 V, on retient le courant le plus faible, correspondant à 400 V ; pour un moteur 400/690 V, on retient le courant de la ligne 400 V (triangle). Pour interpréter correctement la plaque, on peut se reporter à l'explication ligne par ligne de l'article sur la lecture de la plaque signalétique d'un moteur IE3.

La classe de déclenchement du relais est aussi importante que le réglage. En pratique courante, la Class 10 suffit pour les pompes et ventilateurs dont le démarrage s'achève en quelques secondes. Un ventilateur à forte inertie, un mélangeur démarrant en charge ou un concasseur mettent plus de temps à démarrer. Si l'on ne choisit pas une Class 20 ou 30 pour ces charges, le relais déclenche avant que le moteur n'atteigne sa vitesse, et l'opérateur « résout » souvent le problème en augmentant le réglage. Le moteur se retrouve alors sans protection.

Fusible et MPCB : qui est responsable du court-circuit ?

Le rôle premier du fusible n'est pas de protéger le moteur, mais de protéger le câble et l'armoire électrique contre le court-circuit. Sur les circuits moteur, on choisit des fusibles qui tolèrent le courant de démarrage : le fusible de classe aM est conçu uniquement pour la protection contre les courts-circuits et doit impérativement être associé à un élément de protection contre les surcharges ; le fusible gG est à usage général et peut devoir être choisi un calibre au-dessus sur un circuit moteur. Surdimensionner le fusible pour qu'il ne fonde pas au démarrage allonge le temps de coupure en cas de court-circuit et augmente le risque d'endommager le câble et le contacteur.

Le MPCB, lui, réunit le déclenchement thermique et magnétique dans un même boîtier. Il dispose d'une plage de courant réglable, et la plage de l'appareil choisi doit couvrir le courant nominal du moteur au milieu ou près du milieu. Pour les petites et moyennes puissances, c'est une solution pratique en termes d'encombrement dans l'armoire et de câblage. Il faut en outre vérifier que son pouvoir de coupure en court-circuit couvre le courant de court-circuit présumé de l'installation à cet endroit. Le choix de la plage et la logique du réglage pas à pas sont détaillés dans l'article consacré au choix et au réglage du MPCB.

Un exemple chiffré : moteur de pompe 11 kW, 4 pôles

Prenons un moteur IE3 de 11 kW, 4 pôles, fonctionnant sur un réseau 400 V. Pour estimer son courant nominal, on utilise la formule I = P / (√3 × U × cosφ × η). Pour la classe IE3, la limite de rendement à 4 pôles pour cette puissance est de 91,4 %. Si l'on retient un facteur de puissance typique de 0,84 :

I ≈ 11 000 / (1,732 × 400 × 0,84 × 0,914) ≈ 20,7 A

Il ne s'agit que d'un calcul de contrôle ; pour le réglage, on utilise toujours la valeur de la plaque signalétique. Supposons que la plaque indique une valeur d'environ 21 A :

• Démarrage direct (DOL) : le MPCB ou le relais thermique est choisi parmi les modèles dont la plage couvre largement la valeur de 21 A, puis réglé sur 21 A. Côté court-circuit, c'est le fusible aM supportant le courant de démarrage ou la partie à déclenchement magnétique du MPCB qui intervient.
• Démarrage étoile-triangle : si le relais thermique est raccordé après le contacteur principal, sur la branche d'enroulement, il voit le courant d'enroulement. Ce courant vaut 1/√3 du courant de ligne : 21 × 0,58 ≈ 12,2 A. Si le relais est réglé sur 21 A, le moteur reste sans protection même avec une surcharge d'environ 70 %. Si le relais est placé sur la ligne d'alimentation, c'est-à-dire en amont des contacteurs, le réglage se fait de nouveau d'après le courant de ligne.

Dans un circuit étoile-triangle, aucun réglage ne doit être effectué sans avoir vérifié sur le schéma la position du relais. Cette méthode n'est utilisable que sur les moteurs fonctionnant en triangle sous 400 V, c'est-à-dire à bobinage 400/690 V.

Perte de phase : le courant paraît correct, mais le moteur force

De nombreux relais thermiques et MPCB détectent l'écart de courant entre deux phases et déclenchent plus vite en cas de perte de phase. Toutefois, cette protection n'est efficace que lorsque le moteur est en charge et que le courant augmente nettement. Un moteur qui perd une phase à faible charge peut rester sous le courant de réglage, mais le courant déséquilibré provoque un échauffement supplémentaire du rotor. Dans les zones où les fluctuations de tension sont fréquentes, sur les chantiers alimentés par groupe électrogène ou dans les stations de pompage fonctionnant sans surveillance, un relais de protection de phase distinct est judicieux. Ce relais surveille l'ordre des phases, la sous-tension et la surtension ainsi que le déséquilibre. La logique de la protection multifonction utilisée sur les gros moteurs est expliquée, numéro par numéro, dans l'article sur les fonctions de relais de protection 46, 37, 49 et 48.

Regarder à l'intérieur du bobinage : PTC et PT100

Un capot de ventilateur obstrué ou un fonctionnement prolongé à bas régime sur variateur chauffe le bobinage sans faire monter le courant. La thermistance PTC noyée dans le bobinage augmente brusquement sa résistance à une température donnée et fait retomber le contacteur via un relais à thermistance distinct. La sonde PT100, elle, mesure la température en continu ; on peut définir deux seuils, préalarme et déclenchement. Sur les séries triphasées HEM Motor, les sondes de température de bobinage PTC et PT100 sont proposées en option et doivent être précisées à la commande. Sur le terrain, on rencontre étonnamment souvent des moteurs équipés de sondes qui ne sont pas raccordées au relais à thermistance. Pour le choix des sondes et les détails de raccordement, l'article sur la surveillance de la température du bobinage moteur peut être utile.

Erreurs de protection fréquentes en armoire

• Régler le relais thermique d'après le courant du contacteur ou du câble.
• Régler sur le courant de ligne dans un circuit étoile-triangle sans vérifier la position du relais.
• Utiliser un relais Class 10 sur une charge à démarrage long, puis augmenter le réglage.
• Conserver tel quel le réglage de protection de l'ancien moteur lors d'un remplacement. À puissance égale en kW, un nombre de pôles différent signifie un courant différent.
• Laisser le câble PTC non raccordé dans la boîte à bornes.
• Augmenter le fusible de deux calibres parce qu'il fond au démarrage.

Pensez la chaîne de protection dès la commande

Une bonne protection n'est pas un accessoire que l'on ajoute après coup, mais un système planifié avec le moteur. Si l'on connaît le courant nominal du moteur, le mode de démarrage, la durée de démarrage de la charge et les conditions ambiantes, le choix du relais, du fusible et des sondes est clair dès le départ. La liste de contrôle des équipements à demander avec le moteur figure dans l'article équipements de protection. Si vous avez besoin d'un moteur électrique triphasé équipé de sondes PTC ou PT100, préparez les informations de votre application et contactez notre équipe technique.

Questions fréquentes

Est-il correct de régler le relais thermique légèrement au-dessus du courant indiqué sur la plaque du moteur ?

En pratique courante, le réglage est égal au courant nominal indiqué sur la plaque. Le relais thermique tolère déjà les dépassements de courte durée. Si le moteur dépasse en permanence le courant de plaque, le problème ne vient pas du réglage, mais de la charge ou du choix du moteur ; augmenter le réglage ne fait que masquer ce problème.

Un relais thermique est-il nécessaire en plus du fusible ?

Oui. Le fusible n'est pas choisi pour réagir à une surcharge de 20 à 30 % durant des heures ; comme il ne doit pas fondre au courant de démarrage, sa valeur est bien supérieure au courant du moteur. La surcharge à évolution lente est coupée par le relais thermique ou par la partie thermique du MPCB.

Sur quelle intensité régler le relais thermique dans un circuit étoile-triangle ?

Si le relais est raccordé sur la branche d'enroulement, c'est-à-dire en sortie du contacteur principal, le réglage doit valoir environ 0,58 fois le courant de ligne indiqué sur la plaque. Si le relais est raccordé en amont des contacteurs, sur la ligne d'alimentation, il est réglé sur le courant de ligne. Avant de décider, il faut vérifier la position du relais sur le schéma de l'armoire.

Un moteur équipé d'une sonde PTC a-t-il aussi besoin d'un relais thermique ?

Oui, les deux surveillent des choses différentes. La PTC mesure la température du bobinage et détecte la perte de refroidissement ; le relais thermique, lui, surveille le courant et peut réagir plus vite aux situations à évolution rapide comme le rotor bloqué. Utilisées ensemble, les deux protections couvrent mutuellement leurs angles morts.