Protection thermique contre les surcharges du moteur

Pour comprendre la protection thermique de surcharge du moteur dans le moteur à induction, nous pouvons discuter du principe de fonctionnement du moteur à induction triphasé. Il y a un stator cylindrique et un enroulement triphasé distribué symétriquement sur la périphérie interne du stator. En raison d'une telle distribution symétrique, lorsque l'alimentation triphasée est appliquée à l'enroulement du stator, un champ magnétique rotatif est produit. Ce champ tourne à la vitesse synchrone. Le rotor est créé principalement par des barres de cuivre solide qui sont court-circuitées aux deux extrémités de manière à former une structure cage cylindrique. C'est pourquoi ce moteur est également appelé moteur à induction cage de écureuil. Revenons au point fondamental du moteur à induction triphasé - qui nous aidera à comprendre clairement la protection thermique de surcharge du moteur.

Lorsque le flux magnétique rotatif coupe chaque conducteur de barre du rotor, il y aura un courant induit circulant à travers les conducteurs de barre. Au démarrage, le rotor est immobile et le champ stator est en rotation à la vitesse synchrone, la vitesse relative entre le champ rotatif et le rotor est maximale. Par conséquent, le taux de coupures de flux avec les barres du rotor est maximal, le courant induit est maximal dans cette condition. Mais comme la cause du courant induit est cette vitesse relative, le rotor essaiera de réduire cette vitesse relative et donc il commencera à tourner dans le sens du champ magnétique rotatif pour atteindre la vitesse synchrone. Dès que le rotor atteindra la vitesse synchrone, cette vitesse relative entre le rotor et le champ magnétique rotatif devient nulle, il n'y aura donc plus de coupures de flux et, par conséquent, il n'y aura plus de courant induit dans les barres du rotor. Comme le courant induit devient nul, il n'y aura plus besoin de maintenir une vitesse relative nulle entre le rotor et le champ magnétique rotatif, la vitesse du rotor diminue.

Dès que la vitesse du rotor diminue, la vitesse relative entre le rotor et le champ magnétique rotatif reprend une valeur non nulle, ce qui provoque à nouveau un courant induit dans les barres du rotor, puis le rotor tentera à nouveau d'atteindre la vitesse synchrone et cela continuera jusqu'à ce que le moteur soit éteint. En raison de ce phénomène, le rotor n'atteindra jamais la vitesse synchrone tout comme il ne s'arrêtera jamais pendant le fonctionnement normal. La différence entre la vitesse synchrone et la vitesse du rotor par rapport à la vitesse synchrone est appelée glissement du moteur à induction.

Le glissement dans un moteur à induction en fonctionnement normal varie généralement de 1% à 3% selon la charge du moteur. Nous allons maintenant essayer de tracer les caractéristiques de courant en fonction de la vitesse du moteur à induction - prenons l'exemple d'un grand ventilateur de chaudière.

Dans les caractéristiques, l'axe Y représente le temps en secondes, l'axe X représente le pourcentage de courant stator. Lorsque le rotor est immobile, c'est-à-dire dans la condition de démarrage, le glissement est maximal, donc le courant induit dans le rotor est maximal et, en raison de l'action de transformation, le stator va également absorber un courant important de l'alimentation, qui serait autour de 600 % du courant stator nominal à pleine charge. À mesure que le rotor est accéléré, le glissement diminue, par conséquent, le courant rotor et donc le courant stator tombent à environ 500 % du courant nominal à pleine charge en 12 secondes lorsque la vitesse du rotor atteint 80 % de la vitesse synchrone. Après cela, le courant stator tombe rapidement à la valeur nominale lorsque le rotor atteint sa vitesse normale.

Nous allons maintenant discuter de la surcharge thermique du moteur électrique ou du problème de surchauffe du moteur électrique et de la nécessité de la protection thermique de surcharge du moteur.
Lorsque nous pensons à la surchauffe d'un moteur, la première chose qui nous vient à l'esprit est la surcharge mécanique. En raison de la surcharge mécanique, le moteur absorbe un courant plus élevé de l'alimentation, ce qui conduit à une surchauffe excessive du moteur. Le moteur peut également être surchauffé de manière excessive si le rotor est bloqué mécaniquement, c'est-à-dire immobilisé par une force mécanique externe. Dans cette situation, le moteur absorbera un courant excessivement élevé de l'alimentation, ce qui entraîne également une surcharge thermique du moteur électrique ou un problème de surchauffe excessive. Une autre cause de surchauffe est la tension d'alimentation basse. Comme la puissance absorbée par le moteur dépend de la charge du moteur, pour une tension d'alimentation plus faible, le moteur absorbera un courant plus élevé du réseau pour maintenir le couple requis. La mono-phasing provoque également une surcharge thermique du moteur. Lorsqu'une phase de l'alimentation est hors service, les deux phases restantes absorbent un courant plus élevé pour maintenir le couple de charge requis, ce qui entraîne une surchauffe du moteur. Une déséquilibre entre les trois phases de l'alimentation provoque également une surchauffe de l'enroulement du moteur, car un système déséquilibré entraîne un courant de séquence négative dans l'enroulement stator. De plus, une perte soudaine et une rétablissement de la tension d'alimentation peuvent causer une surchauffe excessive du moteur. En raison de la perte soudaine de la tension d'alimentation, le moteur est décéléré et, en raison du rétablissement soudain de la tension, le moteur est accéléré pour atteindre sa vitesse nominale, et donc le moteur absorbe un courant plus élevé de l'alimentation.

Comme la surcharge thermique ou la surchauffe du moteur peut entraîner une défaillance de l'isolation et un dommage de l'enroulement, le moteur doit être protégé contre les conditions suivantes pour une protection thermique de surcharge du moteur adéquate

1. Surcharge mécanique,

2. Bloquage de l'arbre du moteur,

3. Tension d'alimentation basse,

4. Mono-phasing de l'alimentation,

5. Déséquilibre de l'alimentation,

6. Perte et rétablissement soudains de la tension d'alimentation.

Le schéma de protection le plus élémentaire du moteur est la protection thermique de surcharge, qui couvre principalement la protection de toutes les conditions mentionnées ci-dessus. Pour comprendre le principe fondamental de la protection thermique de surcharge, examinons le schéma de base du schéma de commande du moteur.

Dans la figure ci-dessus, lorsque le bouton START est fermé, le bobinage du démarreur est alimenté par le transformateur. Lorsque le bobinage du démarreur est alimenté, les contacts normalement ouverts (NO) 5 se ferment, de sorte que le moteur reçoit la tension d'alimentation à ses bornes et commence à tourner. Ce bobinage de démarrage ferme également le contact 4, ce qui maintient le bobinage du démarreur alimenté même si le bouton START est relâché. Pour arrêter le moteur, il y a plusieurs contacts normalement fermés (NF) en série avec le bobinage du démarreur, comme indiqué dans la figure. L'un d'entre eux est le contact du bouton STOP. Si le bouton STOP est pressé, ce contact s'ouvre et rompt la continuité du circuit du bobinage du démarreur, ce qui fait que le bobinage du démarreur est dé-énergisé. Par conséquent, les contacts 5 et 4 reviennent à leur position normalement ouverte. En l'absence de tension aux bornes du moteur, celui-ci finira par s'arrêter. De même, si l'un des autres contacts NF (1, 2 et 3) connectés en série avec le bobinage du démarreur s'ouvre, il arrêtera également le moteur. Ces contacts NF sont électriquement couplés à divers relais de protection pour arrêter le fonctionnement du moteur dans différentes conditions anormales.

Examinons le relais de surcharge thermique et son rôle dans la protection thermique de surcharge du moteur.
Les secondaires des CT en série avec le circuit d'alimentation du moteur sont connectés à une bande bimétallique du relais de surcharge thermique (49). Comme indiqué dans la figure ci-dessous, lorsque le courant à travers le secondaire de l'un des CT dépasse ses valeurs prédéterminées pendant un temps prédéterminé, la bande bimétallique est surchauffée et se déforme, ce qui finit par activer le relais 49. Dès que le relais 49 est activé, les contacts NF 1 et 2 s'ouvrent, ce qui dé-énergise le bobinage du démarreur et arrête le moteur.

Une autre chose à retenir lors de la mise en place de la protection thermique de surcharge du moteur. En réalité, chaque moteur a une tolérance de surcharge prédéterminée. Cela signifie que chaque moteur peut fonctionner au-delà de sa charge nominale pendant une période spécifique autorisée en fonction de sa condition de charge. Pendant combien de temps un moteur peut-il fonctionner en toute sécurité pour une charge particulière, c'est spécifié par le fabricant. La relation entre les différentes charges sur le moteur et les périodes correspondantes autorisées pour le faire fonctionner en toute sécurité est appelée courbe limite thermique du moteur. Examinons la courbe d'un moteur particulier, donnée ci-dessous.

Ici, l'axe Y ou axe vertical représente le temps autorisé en secondes et l'axe X ou axe horizontal représente le pourcentage de surcharge. Il est clair à partir de la courbe que le moteur peut fonctionner en toute sécurité sans aucun dommage dû à la surchauffe pendant une longue période à 100 % de la charge nominale. Il peut fonctionner en toute sécurité pendant 1000 secondes à 200 % de la charge nominale. Il peut fonctionner en toute sécurité pendant 100 secondes à 300 % de la charge nominale. Il peut fonctionner en toute sécurité pendant 15 secondes à 600 % de la charge nominale. La partie supérieure de la courbe représente la condition de fonctionnement normal du rotor et la partie inférieure représente la condition de blocage mécanique du rotor.

Maintenant, la courbe de temps de fonctionnement versus courant d'actionnement du relais de surcharge thermique choisi doit être située en dessous de la courbe limite thermique du moteur pour un fonctionnement satisfaisant et sûr. Discutons-en plus en détail -

Rappelez-vous les caractéristiques du courant de démarrage du moteur - Lors du démarrage du moteur à induction, le courant stator dépasse 600 % du courant nominal, mais il reste pendant 10 à 12 secondes, après quoi le courant stator tombe soudainement à la valeur nominale. Donc, si le relais de surcharge thermique est activé avant ces 10 à 12 secondes pour un courant de 600 % du courant nominal, le moteur ne pourra pas démarrer. Il peut donc être conclu que la courbe de temps de fonctionnement versus courant d'actionnement du relais de surcharge thermique choisi doit être située en dessous de la courbe limite thermique du moteur mais au-dessus de la courbe des caractéristiques du courant de démarrage du moteur. La position probable des caractéristiques du relais de courant thermique est limitée par ces deux courbes, comme indiqué dans le graphique par la zone mise en évidence.

Une autre chose à retenir lors du choix du relais de surcharge thermique. Ce relais n'est pas un relais instantané. Il a un délai minimum de fonctionnement car la bande bimétallique a besoin d'un temps minimum pour être chauffée et déformée pour la valeur maximale du courant d'actionnement. D'après le graphique, on constate que le relais thermique sera activé après 25 à 30 secondes si le rotor est soudainement bloqué mécaniquement ou si le moteur ne parvient pas à démarrer. Dans cette situation, le moteur absorbera un courant très élevé de l'alimentation. Si le moteur n'est pas isolé rapidement, des dommages graves peuvent survenir.

Ce problème est résolu en fournissant un relais de surintensité avec un seuil élevé. Les caractéristiques de temps de courant de ces relais de surintensité sont choisies de telle sorte que, pour des valeurs de surcharge plus faibles, le relais ne s'active pas car le relais de surcharge thermique sera activé avant lui. Mais pour des valeurs de surcharge plus élevées et dans le cas d'un rotor bloqué, le relais de surintensité s'activera à la place du relais thermique, car le premier s'activera bien avant le second.
Ainsi, à la fois le relais de surcharge bimétallique et le relais de surintensité sont fournis pour une protection complète contre la surcharge thermique du moteur.
Il y a un inconvénient majeur du relais de surcharge thermique bimétallique, car le taux de chauffage et de refroidissement du bimétal est affecté par la température ambiante, les performances du relais peuvent différer selon les températures ambiantes. Ce problème peut être résolu en utilisant un RTD ou détecteur de température par résistance. Les moteurs plus grands et plus sophistiqués sont protégés contre la surcharge thermique de manière plus précise en utilisant un RTD. Les RTD sont placés dans les fentes du stator, le long de l'enroulement du stator. La résistance du RTD change avec la température et cette valeur résistive modifiée est détectée par un pont de Wheatstone.
Ce schéma de protection thermique de surcharge du moteur est très simple. Le RTD du stator est utilisé comme un bras d'un pont de Wheatstone équilibré. L'intensité du courant à travers le relais 49 dépend du degré de déséquilibre du pont. Lorsque la température de l'enroulement du stator augmente, la résistance électrique du détecteur augmente, ce qui perturbe l'équilibre du pont. En conséquence, un courant commence à circuler à travers le relais 49 et le relais sera activé après une valeur prédéterminée de ce courant déséquilibré, et finalement les contacts du démarreur s'ouvriront pour arrêter l'alimentation du moteur.

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