Protection des moteurs : Types, défauts et dispositifs
Un système de protection de moteur est un ensemble d'appareils et de méthodes qui protègent un moteur électrique contre diverses pannes et dommages. Un moteur électrique est un composant crucial de nombreuses applications industrielles et domestiques, allant des petits appareils aux grandes machines. Il est donc important d'assurer le bon fonctionnement et la sécurité du moteur et de son circuit.
Dans cet article, nous discuterons des types de pannes de moteur, des types de dispositifs de protection de moteur, et comment les sélectionner conformément au Code National de l'Électricité (CNE) et aux caractéristiques du moteur.
Qu'est-ce qu'une panne de moteur?
Une panne de moteur est une condition qui cause un fonctionnement anormal ou un dysfonctionnement du moteur. Les pannes de moteur peuvent être classées en deux catégories principales :
Pannes externes : Ce sont des pannes qui proviennent du réseau d'alimentation ou de la charge connectée au moteur. Voici quelques exemples de pannes externes :
Tensions non équilibrées : Cela se produit lorsque les tensions triphasées ne sont pas égales en magnitude ou en angle de phase. Cela peut causer des courants de séquence négative dans le moteur, qui produisent des pertes supplémentaires, un chauffage et des pulsations de couple.
Sous-tension : Cela se produit lorsque la tension d'alimentation tombe en dessous de la valeur nominale du moteur. Cela peut causer une réduction du couple, une augmentation du courant et un surchauffage du moteur.
Séquence de phase inversée : Cela se produit lorsque l'ordre des phases d'alimentation est inversé. Cela peut causer une rotation inverse du moteur, ce qui peut endommager la charge ou le moteur lui-même.
Perte de synchronisme : Cela se produit lorsque un moteur synchrone perd son verrouillage magnétique avec la fréquence d'alimentation. Cela peut causer un glissement excessif, des oscillations et une instabilité du moteur.
Pannes internes : Ce sont des pannes qui proviennent du moteur ou de la machine entraînée. Voici quelques exemples de pannes internes :
Défaillance des roulements : Cela se produit lorsque les roulements qui supportent l'arbre du moteur s'usent ou bloquent en raison de frottements, de problèmes de lubrification ou de contraintes mécaniques. Cela peut causer du bruit, des vibrations, un désalignement de l'arbre et un blocage du moteur.
Surchauffe : Cela se produit lorsque la température du moteur dépasse sa limite thermique en raison d'un surcharge, d'un refroidissement insuffisant, de conditions ambiantes ou d'une dégradation de l'isolation. Cela peut causer une détérioration de l'isolation, des dommages aux enroulements et une réduction de l'efficacité du moteur.
Défaillance des enroulements : Cela se produit lorsque les enroulements du moteur sont court-circuités ou ouverts en raison de la dégradation de l'isolation, de contraintes mécaniques ou de pannes externes. Cela peut causer des étincelles, de la fumée, un incendie et une perte de couple dans le moteur.
Défaut à la terre : Cela se produit lorsque un conducteur de phase du moteur entre en contact avec une partie mise à la terre du circuit ou de l'équipement. Cela peut causer des courants de défaut élevés, des dommages à l'isolation et à l'équipement, et des risques de choc électrique.
Les pannes de moteur peuvent avoir des conséquences graves pour les performances, la sécurité et la durée de vie du moteur et de son circuit. Il est donc essentiel de les détecter et de les protéger en utilisant des dispositifs et des méthodes appropriés.
Qu'est-ce qu'un dispositif de protection de moteur ?
Un dispositif de protection de moteur est un appareil qui surveille et contrôle un ou plusieurs paramètres du moteur ou de son circuit, tels que le courant, la tension, la température, la vitesse ou le couple. Le but d'un dispositif de protection de moteur est de prévenir ou de minimiser les dommages au moteur et à son circuit en cas de panne ou de condition anormale.
Il existe différents types de dispositifs de protection de moteur en fonction de leur fonction, de leur principe et de leur application. Voici quelques types courants :
Fusibles : Ce sont des appareils qui interrompent le circuit lorsqu'un courant élevé y circule en raison d'un court-circuit ou d'une surcharge. Ils sont constitués d'une bande ou d'un fil métallique qui fond lorsqu'il est chauffé par le courant de défaut. Les fusibles sont des appareils simples, peu coûteux et fiables qui offrent une protection rapide contre les courts-circuits. Cependant, ils présentent certains inconvénients, tels que :
Ils ne sont pas réutilisables et doivent être remplacés après chaque opération.
Ils ne protègent pas contre les surcharges ou les sous-tensions.
Ils ne fournissent pas d'indication ou d'isolement de l'emplacement de la panne.
Disjoncteurs : Ce sont des appareils qui interrompent le circuit lorsqu'un courant élevé y circule en raison d'un court-circuit ou d'une surcharge. Ils sont constitués d'une paire de contacts qui s'ouvrent ou se ferment par un mécanisme électromécanique déclenché par un élément de détection. Les disjoncteurs sont plus avancés que les fusibles car ils offrent les avantages suivants :
Réutilisabilité et remise à zéro après chaque opération.
Protection contre les surcharges et les sous-tensions en ajustant leurs paramètres de déclenchement.
Indication et isolement de l'emplacement de la panne par opération manuelle ou automatique.
Relais de surcharge : Ce sont des appareils qui interrompent le circuit lorsqu'un courant élevé y circule en raison d'une surcharge. Ils sont constitués d'un élément de détection qui mesure le courant et d'un contact qui s'ouvre ou se ferme par un mécanisme électromécanique ou électronique. Les relais de surcharge sont conçus pour protéger les moteurs contre la surchauffe et la dégradation de l'isolation en raison de surcharges prolongées ou de tensions non équilibrées. Il existe deux types principaux de relais de surcharge :
Réponse plus rapide et meilleure protection contre les courants de court-circuit ou les défauts à la terre.
Immunité à la température ambiante et absence de besoin d'ajustement.
Précision et reproductibilité accrues grâce au traitement numérique.
Fonctionnalités supplémentaires telles que la détection de la perte de phase, la détection de la rotation inverse, la communication et la diagnostic.
Ils sont lents à répondre et peuvent ne pas protéger contre les courants de court-circuit ou les défauts à la terre.
Ils sont affectés par la température ambiante et peuvent nécessiter un ajustement en conséquence.
Ils ont une précision et une reproductibilité limitées en raison de l'usure mécanique.
Relais de surcharge thermique : Ce sont des appareils qui utilisent une lame bimétallique ou un élément chauffant pour mesurer la montée en température du courant du moteur. Lorsque le courant dépasse la valeur prédéfinie, l'élément thermique se courbe ou fond, causant l'ouverture ou la fermeture du contact. Les relais de surcharge thermique sont des appareils simples, peu coûteux et fiables qui offrent une protection à temps inverse, c'est-à-dire qu'ils déclenchent plus rapidement pour des surcharges plus importantes. Cependant, ils présentent certains inconvénients, tels que :
Relais de surcharge électronique ou numérique : Ce sont des appareils qui utilisent un transformateur de courant ou une résistance shunt pour mesurer le courant du moteur et un microprocesseur ou un circuit à semi-conducteurs pour contrôler le contact. Lorsque le courant dépasse la valeur prédéfinie, l'élément électronique envoie un signal pour ouvrir ou fermer le contact. Les relais de surcharge électronique ou numérique sont plus avancés que les relais de surcharge thermique car ils offrent :
Relais de protection différentielle : Ce sont des appareils qui comparent les courants aux bornes d'entrée et de sortie du moteur ou de son enroulement. Lorsque la différence entre les courants dépasse une certaine valeur, indiquant un défaut d'enroulement, le relais interrompt le circuit. Les relais de protection différentielle sont des appareils très sensibles et fiables qui offrent une protection rapide contre les défauts phase-à-phase et phase-à-la-terre dans les moteurs basse et haute tension.
Relais de protection contre la rotation inverse : Ce sont des appareils qui détectent le sens de rotation du moteur et l'empêchent de tourner en sens inverse. La rotation inverse peut endommager le moteur ou la charge, en particulier dans des applications telles que les convoyeurs, les pompes ou les ventilateurs. Les relais de protection contre la rotation inverse peuvent utiliser différentes méthodes pour détecter le sens de rotation, telles que :
Détection de la séquence de phase : Cette méthode utilise un relais de tension ou un relais de puissance pour mesurer la séquence de phase de la tension d'alimentation. Si la séquence de phase est inversée, indiquant une rotation inverse, le relais interrompt le circuit.
Détection de la séquence négative : Cette méthode utilise un relais de courant ou un relais de puissance pour mesurer la composante de séquence négative du courant du moteur. Si la composante de séquence négative est élevée, indiquant une rotation inverse, le relais interrompt le circuit.
Détection de la vitesse : Cette méthode utilise un capteur de vitesse ou un tachymètre pour mesurer la vitesse de l'arbre du moteur. Si la vitesse est négative, indiquant une rotation inverse, le relais interrompt le circuit.
Comment sélectionner des dispositifs de protection de moteur ?
La sélection des dispositifs de protection de moteur dépend de plusieurs facteurs, tels que :
Le type et la taille du moteur
Les caractéristiques et les classements du moteur
Le type et la gravité des pannes possibles
Les exigences du CNE et d'autres normes
Le coût et la disponibilité des dispositifs
L'article 430 du CNE fournit des règles générales et des lignes directrices pour la sélection des dispositifs de protection de moteur en fonction de ces facteurs. Il est également important de consulter les recommandations et spécifications du fabricant pour chaque moteur et dispositif.
Voici quelques étapes générales pour sélectionner des dispositifs de protection de moteur :
Déterminez le courant nominal (CN) du moteur à partir de sa plaque signalétique ou à partir du tableau 430.250 du CNE pour les moteurs à courant alternatif ou du tableau 430.251(B) pour les moteurs à courant continu.
Sélectionnez un dispositif de protection contre la surcharge capable de gérer au moins 115 % du CN pour les moteurs avec un facteur de service de 1,15 ou supérieur ou avec une élévation de température de 40°C ou moins ; ou 125 % du CN pour les autres moteurs. Le dispositif de protection contre la surcharge peut être un relais de surcharge thermique, un relais de surcharge électronique ou numérique, ou un relais de protection différentielle, selon le type et la taille du moteur.
Sélectionnez un dispositif de protection contre les courts-circuits et les défauts à la terre capable de gérer au moins 150 % du CN pour les moteurs avec un facteur de service de 1,15 ou supérieur ou avec une élévation de température de 40°C ou moins ; ou 175 % du CN pour les autres moteurs. Le dispositif de protection contre les courts-circuits et les défauts à la terre peut être un fusible ou un disjoncteur, selon le type et la taille du moteur.
Sélectionnez un dispositif de protection contre la rotation inverse si le moteur ou la charge ne peuvent pas tolérer la rotation inverse. Le dispositif de protection contre la rotation inverse peut être un relais de détection de la séquence de phase, un relais de détection de la séquence négative, ou un relais de détection de la vitesse, selon le type et la taille du moteur.
Sélectionnez les tailles des conducteurs pour le circuit du moteur conformément au tableau 310.15(B)(16) du CNE pour le câblage général et au tableau 430.250 du CNE pour les circuits de branchement de moteur. Les conducteurs doivent avoir une capacité ampérique d'au moins 125 % du CN pour les moteurs avec un facteur de service de 1,15 ou supérieur ou avec une élévation de température de 40°C ou moins ; ou 115 % du CN pour les autres moteurs.
Sélectionnez les dispositifs et les méthodes appropriés pour le contrôle, le démarrage, l'arrêt, la régulation de la vitesse et la communication du moteur en fonction du type et de l'application du moteur.
Conclusion
La protection des moteurs est un aspect vital de l'ingénierie électrique qui assure la sécurité et l'efficacité des moteurs électriques et de leurs circuits. Les dispositifs de protection de moteur sont sélectionnés en fonction du type et de la taille du moteur, du type et de la gravité des pannes possibles, des exigences du CNE et d'autres normes, ainsi que du coût et de la disponibilité des dispositifs. Les dispositifs de protection de moteur incluent des fusibles, des disjoncteurs, des relais de surcharge, des relais de protection différentielle et des relais de protection contre la rotation inverse. Ces dispositifs surveillent et contrôlent des paramètres tels que le courant, la tension, la température, la vitesse et le couple pour prévenir ou minimiser les dommages au moteur et à son circuit en cas de panne ou de condition anormale.
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