Fonctions de protection des moteurs

Ce sont les dispositions mises en œuvre afin d'éviter le fonctionnement des moteurs dans des conditions anormales qui pourraient entraîner des événements négatifs tels que : surchauffe, vieillissement prématuré, destruction des enroulements électriques, dommages dans la boîte de vitesses ou de l'attelage, ...

Trois niveaux de protection sont proposés : « Classique », « Avancée », « Haute performance », qui peuvent être adoptées en fonction de la complexité et de la puissance de la machine.

• Classique : ce niveau réunit toutes les fonctions habituelles de protection pour ce type de moteur employé dans des applications courantes.
• Avancée : ces fonctions de protection s'appliquent à des machines plus complexes demandant une attention particulière.
• Avancée + et Haute Performance : ce sont des fonctions de protection nécessaires pour des moteurs de haute puissance, spécifiques pour des applications exigeantes ou des moteurs participant à des processus critiques.

  Comme le montre la figure suivante, les protections "haute performance" ne sont pas fondées uniquement sur le courant, mais également sur la tension.

Protection	Classique	Avancée	Avancée +	Haute performance
Court-circuit / surintensité instantanée
Thermique (surcharge)
Déséquilibre de phases
Perte d'une phase
Surintensité (instantanée et temporisée)
Défaut terre
Démarrage trop long
Rotor bloqué
Baisse d'intensité
Inversion de phases (courants)
Surchauffe du moteur (par capteurs)
Démarrages trop fréquents
Délestage
Pas à pas / nombre de démarrages
Déséquilibre de tension
Perte de tension d'une phase
Inversion de phases (tensions)
Baisse de tension
Surtension
Baisse de puissance
Surpuissance
Baisse du facteur de puissance
Augmentation du facteur de puissance
Reprise à la volée

Fig. N64 – Classification des fonctions de protection

Voici une liste des fonctions de protection moteur et leur mode d'action.

Court-circuit

Déconnexion du moteur en cas de court-circuit entre les bornes du moteur ou dans ses enroulements.

Surintensité instantanée

Fonctionne sans retard intentionnel lorsque le courant dépasse une valeur prédéterminée.

Thermique (surcharge)

Déconnexion dans le cas d'un fonctionnement prolongé avec un couple supérieur à la valeur nominale. Cette surcharge est détectée par la détection d'un excès de courant statorique ou de l'élévation de température au sein du stator en utilisant des sondes PTC.

Déséquilibre de phases

Déconnexion en cas de déséquilibre élevé entre les courants de phase, déséquilibre provoquant une perte de puissance accrue et une surchauffe.

Perte d'une phase

Déconnexion si un courant de phase est égal à zéro, qui est révélateur de la rupture d'un câble ou d'une connexion.

Surintensité

Alarme ou déconnexion du moteur en cas d'une élévation de courant révélant un couple résistant trop important sur l'arbre.

Défaut à la terre ou défaut à la terre instantané

Déconnexion en cas de défaut d'isolement entre les circuits du moteurs et la terre. Une action rapide peut éviter une destruction complète du moteur qu'un courant de défaut même limité peut provoquer.

Démarrage trop long (décrochage)

Déconnexion en cas de d'un démarrage plus long que la normale pouvant avoir pour cause un problème mécanique ou une tension trop faible, ceci afin d'éviter la surchauffe du moteur.

Blocage du rotor

Déconnexion lorsque le moteur sous tension est arrêté (ex. : concasseur engorgé) afin d'éviter la surchauffe et des contraintes mécaniques.

Baisse d'intensité

Alarme ou déconnexion du moteur en cas d'une baisse de courant révélant un état de marche à vide tel que cavitation ou désamorçage d'une pompe de vidange ou encore arbre cassé.

Inversion de phases (courants)

Déconnexion quand une mauvaise séquence de phase est détectée.

Surchauffe du moteur (par des capteurs)

Alarme ou déconnexion en cas de température élevée détectée par des sondes.

Démarrages trop fréquents

Empêche tout nouveau démarrage pour éviter la surchauffe du moteur provoquée par des démarrages trop fréquents.

Délestage

Déconnexion du moteur quand une chute de tension est détectée, afin de réduire la charge de sa source d'alimentation et permettre un retour à la normale de la tension.

Pas à pas / nombre de démarrages

Nombre d'opérations spécifique successive dans un temps donné.

Déséquilibre de tensions

Déconnexion en cas d'un important déséquilibre de tension, pouvant provoquer une perte de puissance et une surchauffe.

Perte de tension d'une phase

Déconnexion lorsqu'une phase de la tension d'alimentation est manquante. Protection nécessaire pour éviter la marche en monophasé d'un moteur triphasé, car ce défaut entraîne une réduction du couple du moteur en mouvement et l'augmentation de son courant statorique, ou l'impossibilité de démarrer.

Inversion de phases (tensions)

Empêche le démarrage avec la rotation inversée du moteur en cas d'un mauvais raccordement des câbles aux bornes du moteur, erreur possible lors de la maintenance par exemple.

Baisse de tension

Empêche le démarrage du moteur ou le déconnecte, car une tension d'alimentation réduite ne peut pas assurer un fonctionnement correct du moteur.

Surtension

Empêche le démarrage du moteur ou le déconnecte, car une tension d'alimentation trop importante ne peut pas assurer un fonctionnement correct du moteur.

Baisse de puissance

Alarme ou déconnexion en cas de puissance inférieure à la normale, car cette situation est révélatrice d'un état de marche à vide tel que cavitation ou désamorçage d'une pompe de vidange ou encore arbre cassé.

Sur-puissance

Alarme ou déconnexion du moteur en cas de puissance plus élevée que la normale, cette situation est révélatrice d'une machine en surcharge.

Baisse du facteur de puissance

Alarme, protection utilisée pour détecter la baisse de puissance avec des moteurs ayant un courant à vide élevé.

Augmentation du facteur de puissance

Alarme, protection utilisée pour détecter la fin de la phase de démarrage.

Reprise à la volée

Rattrapage automatique avec recherche de vitesse (reprise à la volée).

Surcharge anormale d'un moteur

La conséquence d'une surchauffe anormale d'un moteur est une diminution de l'isolement de ses bobinages, conduisant ainsi à une réduction significative de la durée de vie du moteur. Ceci est illustré sur la figure N65, et justifie l'importance de la protection de surcharge ou de surchauffe.

Fig. N65 – Réduction de la durée de vie d'un moteur en fonction de sa surchauffe

Les relais de surcharge (thermique ou électronique) protègent les moteurs contre les surcharges, mais ils doivent permettre la surcharge temporaire causée par le démarrage sauf si le temps de démarrage est anormalement long.

Selon l'application, le temps de démarrage d'un moteur peut varier de quelques secondes (pas de charge au démarrage, faible couple résistant, etc) à plusieurs dizaines de secondes (pour un couple résistant élevé par exemple dû à la forte inertie de la charge entraînée). Il est donc nécessaire d'adapter les relais appropriés à la durée du démarrage.

Pour répondre à cette exigence, la norme CEI 60947-4-1 définit plusieurs classes de relais caractérisées par leurs courbes de déclenchement (voir Fig. N65a).

La courbe d'un relais doit être choisie en fonction du courant nominale du moteur et de son temps de démarrage.

Les relais de classe 10 sont adaptés aux moteurs d'usage courant.

Les relais de classe 20 sont recommandés pour les gros moteurs.

Les relais de classe 30 sont nécessaires pour les très longs démarrages de moteur.

Fig. N65a – Courbes de déclenchement des relais de surcharge