Comment protéger les machines coûteuses à l'aide de relais de contrôle 3 phases économiques

La plupart des machines commerciales et industrielles utilisées dans les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC), le traitement de l'eau, la manutention, les machines-outils, la marine et l'aviation sont alimentées par des moteurs triphasés. Ces dispositifs fiables peuvent être endommagés par une série de conditions de défaut qui, si elles ne sont pas traitées rapidement, peuvent conduire à une défaillance ou au moins à une réduction de la durée de vie, entraînant des temps d'arrêt et des coûts de réparation importants.

Les relais de contrôle de phase peuvent être utilisés pour détecter ces défauts, avertir les opérateurs et arrêter la machine avant qu'elle ne subisse des dommages irréversibles. Ces relais peuvent détecter si les trois phases sont présentes, si la séquence est correcte et si les tensions de phase se situent dans une plage correcte. Si une erreur se produit, le relais peut ouvrir un ensemble de contacts pouvant déclencher une condition d'alarme ou mettre la machine hors tension.

Une grande variété de relais de détection de phase est disponible pour gérer une large gamme de tensions, de configurations triphasées et de conditions d'erreur. Cet article présente brièvement les modes de défaillance potentiels des moteurs et le fonctionnement des relais de détection de phase. Il décrit ensuite la sélection et l'application des relais de contrôle 3 phases à l'aide d'exemples concrets de Carlo Gavazzi.

Modes de défaillance des moteurs triphasés

Parmi les défauts les plus fréquents dans de nombreuses industries figurent ceux liés à la source d'alimentation triphasée et à ses effets sur les moteurs. La perte de l'une des trois phases ou un déséquilibre des tensions de phase peut entraîner des courants supérieurs à la normale dans les autres phases du moteur, ce qui entraîne une perte de puissance mécanique et des vibrations mécaniques excessives. De même, les conditions de sous-tension et de surtension obligent le moteur à augmenter le courant afin d'entraîner la même charge, ce qui peut réduire la durée de vie du moteur.

La séquence de phases peut également être incorrecte et provoquer une inversion de sens du moteur, ce qui peut avoir des résultats désastreux du côté de la charge du moteur.

Fonctions du relais de contrôle de phase

Les relais de contrôle de phase sont dotés d'une série de fonctions liées à l'état de la source d'alimentation triphasée. Ils sont alimentés par les lignes triphasées qu'ils surveillent. Ils surveillent tous la séquence de phases et la perte de toute tension de phase. Les relais s'activent lorsque toutes les phases sont présentes et que la séquence d'alimentation est correcte. En cas de perte d'une des phases ou d'une séquence de phases incorrecte, le relais est mis hors tension. Certains relais de contrôle de phase surveillent également les niveaux de tension des trois phases. La détermination de la tension utilise une mesure de la valeur efficace vraie (TRMS) et désactive le relais lorsque l'amplitude tombe en dessous d'un seuil prédéfini. Certains dispositifs offrent la même détection d'amplitude mais ont des paramètres de limite réglables par l'utilisateur. Une gamme de modèles de relais permet de contrôler l'asymétrie et la tolérance de phase. Tous les relais offrent un délai avant le déclenchement dû à des problèmes d'asymétrie ou de niveau de tension afin d'éviter les activations intempestives. Sur certains modèles, le délai est programmable.

Options des relais de contrôle de phase

Le DPA01CM44 de Carlo Gavazzi Inc. est un exemple de relais sensible à la phase pour les configurations à trois fils (Figure 1). La série est alimentée par une source triphasée, avec des modèles disponibles fonctionnant à des tensions de 230, 400, 600 et 690 volts CA (VCA). Ces relais sont destinés à être montés sur un rail DIN. Des versions enfichables sont également disponibles. Les configurations de sortie des relais sont soit un contact unipolaire bidirectionnel (SPDT), soit deux contacts SPDT.

Figure 1 : Le DPA01CM44 est un relais de contrôle de phase à montage sur rail DIN pour les lignes triphasées de 208 à 480 VCA avec une sortie de contact de relais SPDT. (Source de l'image : Carlo Gavazzi Inc.)

En conditions de tensions normales, le relais est activé, ce qui signifie que le(s) contact(s) normalement ouvert(s) (NO) de la sortie du relais est/sont fermé(s) et que le(s) contact(s) normalement fermé(s) (NC) de la sortie est/sont ouvert(s). Le fonctionnement du relais se produit dans un délai de 100 millisecondes (ms). Les LED d'état sur le panneau avant indiquent la mise sous tension et l'activation des relais.

Le relais de contrôle de phase DPA01 peut être installé pour surveiller toute ligne triphasée (Exemple 1, dans la Figure 2), ou il peut être associé à un moteur triphasé (Exemple 2).

Figure 2 : Exemples d'application pour le relais de contrôle 3 phases série DPA01. L'Exemple 1 (à gauche) le montre connecté pour surveiller une ligne triphasée. L'Exemple 2 (à droite) illustre son utilisation pour la surveillance d'un moteur triphasé. (Source de l'image : Carlo Gavazzi Inc.)

Lorsqu'une condition d'erreur se produit dans l'une ou l'autre application, un contacteur connecté au relais de manière appropriée ouvre le circuit triphasé continu, tandis que le relais de contrôle reste connecté à la source d'alimentation. Lors de la connexion pour surveiller une ligne triphasée sans moteur, il n'y a aucun problème pour détecter une phase morte, car le niveau de l'entrée manquante baisse de manière significative. Lorsqu'un moniteur est connecté à un moteur, le fonctionnement du moteur aura tendance à régénérer la phase manquante en raison du couplage inductif interne. Le relais est réglé pour détecter une phase manquante tant que l'amplitude est inférieure à 85 % de la tension triphasée nominale. Par conséquent, il est important de vérifier que la régénération du moteur est inférieure à 85 % de la tension de ligne nominale.

Dans les applications qui nécessitent un seuil de surtension ou de sous-tension personnalisé, le relais de contrôle de phase multifonction DPB01CM48 de Carlo Gavazzi peut être utilisé. Ce relais détecte les conditions de surtension et de sous-tension, ainsi que les pertes de phase et les séquences de phases incorrectes. Les niveaux de seuil de surtension et de sous-tension sont réglables par l'utilisateur via un commutateur sur le panneau avant (Figure 3).

Figure 3 : Le relais de contrôle de phase multifonction DPB01CM48 surveille la perte de phase, la séquence de phases et les seuils de surtension et de sous-tension sélectionnables à l'aide des commandes sur le panneau avant. Le délai opérationnel pour le déclenchement de surtension et de sous-tension est réglable par l'utilisateur afin de minimiser l'activation transitoire. (Source de l'image : Carlo Gavazzi Inc.)

Ce relais se monte également sur rail DIN et prend en charge les topologies triphasées en triangle et en étoile. Il présente des plages de tensions programmables par l'utilisateur, sélectionnables comme suit : 380, 400, 415, 480 VCA ligne-à-ligne, et 220, 230, 240 et 277 VCA ligne-à-neutre. La topologie du circuit et les plages de tensions sont définies à l'aide d'un commutateur DIP interne. Un modèle séparé de la gamme DPB01 gère les plages de tensions inférieures.

Il y a trois boutons de contrôle sur le panneau avant du relais. Le bouton du haut permet de régler le seuil de tension inférieur de -2 à -22 % de la tension nominale, le bouton du milieu permet de régler le seuil de tension supérieur de 2 à 22 % de la tension nominale, et le bouton du bas est utilisé pour définir le délai opérationnel entre 10 ms et 30 secondes (s). Ce délai est utilisé pour éviter que des transitoires de tension de courte durée ne déclenchent accidentellement le relais.

Le panneau avant comporte trois LED qui indiquent l'état du relais. Une LED verte signale la mise sous tension. Une LED jaune indique que le relais est activé. S'il y a un événement d'alarme, la LED jaune est éteinte et le relais est désactivé après un délai, tandis que la LED rouge clignote. Si l'erreur est une condition de surtension ou de sous-tension, la LED rouge clignote à une fréquence de 2 Hertz (Hz) et le relais est désactivé après le délai d'attente. En cas de phase perdue ou de séquence de phases incorrecte, le relais est désactivé dans un délai de 200 ms, et la LED rouge clignote à une fréquence de 5 Hz pendant la durée de la condition d'erreur.

Le relais de contrôle de phase DPC01DM69 offre le jeu de fonctions le plus complet de Carlo Gavazzi (Figure 4). Ce relais à montage sur rail DIN surveille la séquence de phases et la perte de phase, ainsi que la sous-tension et la surtension, la symétrie de phase et la tolérance.

Figure 4 : Le DPC01DM69 est un relais de contrôle de phase à montage sur rail DIN avec des LED sur le côté gauche indiquant l'état du relais (jaune), l'état d'alarme (rouge) et l'état d'alimentation (vert). Les boutons permettent de régler les seuils de tolérance/asymétrie ou de surtension/sous-tension, ainsi que les délais des relais. (Source de l'image : Carlo Gavazzi Inc.)

Le DPC01DM69 fonctionne de manière similaire au DPB01CM48 en termes de sélection de la plage de tensions de fonctionnement et de la topologie triphasée. Il est doté de commutateurs DIP supplémentaires pour le délai de mise sous tension (1 s ou 6 s), la configuration de sortie (double jeu de contacts SPDT ou un seul jeu de contacts bipolaires bidirectionnels (DPDT)) et les fonctions de surveillance pour la surtension/sous-tension ou la tolérance/asymétrie.

Le DPC01CM69 fonctionne dans trois modes différents en fonction du type d'alarme. Une perte de phase ou une séquence de phases incorrecte entraîne la désactivation des relais de sortie 1 et 2. Un événement de surtension ou d'asymétrie entraîne la désactivation du relais de sortie 1 à la fin du délai prédéfini 1, et un événement de sous-tension ou hors tolérance entraîne la désactivation du relais de sortie 2 à la fin du délai prédéfini 2. Cette configuration à double sortie permet une plus grande flexibilité en réponse aux différents événements d'alarme.

L'asymétrie est un indicateur de la qualité de la source d'alimentation et elle est définie comme la valeur absolue de la déviation maximale des tensions de ligne, divisée par la tension nominale du système triphasé. La tolérance est un autre indicateur de la qualité de la source d'alimentation et elle est définie comme la valeur absolue de la déviation maximale des tensions de ligne par rapport à la tension nominale, divisée par la tension nominale du système triphasé (Figure 5).

Figure 5 : Équations pour l'asymétrie et la tolérance d'une source triphasée. (Source de l'image : Carlo Gavazzi Inc.)

En général, le déséquilibre des lignes triphasées doit être inférieur à 2 % afin d'éviter la surchauffe dans un moteur triphasé. Notez que les échelles d'asymétrie et de tolérance sur le DPC01CM69 couvrent des plages de 2 à 22 %.

Conclusion

Dans un large éventail d'industries, la surveillance du courant alternatif triphasé est essentielle pour éviter les temps d'arrêt coûteux dus à des moteurs endommagés. Pour garantir un processus de surveillance simple et efficace, Carlo Gavazzi propose un vaste choix de relais de contrôle 3 phases conçus à l'aide des techniques de mesure les plus sophistiquées, offrant une installation aisée. Les relais s'étendent de simples dispositifs qui surveillent la perte de phase et la séquence de phases à des moniteurs plus complexes qui détectent en plus les conditions de surtension et de sous-tension, ainsi que l'asymétrie et la tolérance de phase. Ces relais de contrôle de phase garantissent que les problèmes de source d'alimentation triphasée ne causeront pas de dommages aux machines coûteuses.