Comment sélectionner le bon relais pour un système électrique : un guide professionnel

Dans la conception de systèmes de commande électrique, la sélection des relais est loin d'être une simple comparaison de paramètres. Il s’agit d’une décision globale qui équilibre les performances du système, la sécurité et la rentabilité.

Les relais sont un composant essentiel de contrôle et de protection des systèmes électriques. La sélection correcte des relais a un impact direct sur la fiabilité opérationnelle de l'ensemble du système. Cela a également un impact sur sa vitesse de réponse et sa durée de vie. Qu'il s'agisse de la protection du système électrique ou du contrôle de l'automatisation industrielle, le choix du relais approprié nécessite une réflexion systématique et une méthodologie professionnelle.

Bases du relais : du principe de fonctionnement à la sélection du type

Bref aperçu du principe de fonctionnement du relais

Un relais est essentiellement un interrupteur à commande électrique qui utilise un signal de commande à faible courant pour faire fonctionner un circuit de travail à courant élevé. Le principe fondamental est que lorsque la bobine est alimentée, elle génère un champ magnétique qui magnétise le noyau et attire l'armature, la faisant bouger et modifiant l'état du contact. Selon la conception, les contacts peuvent ouvrir, fermer ou commuter des circuits.

Analyse complète des types de relais

Relais électromagnétique : Il fonctionne grâce à des effets électromagnétiques et présente une structure simple et une forte capacité anti-interférence. Comprend des structures d'armature rotatives de type clapet et équilibrées, ces dernières offrant une meilleure résistance aux vibrations.

Relais statique (SSR) : Utilise des dispositifs semi-conducteurs pour réaliser une commutation sans contact. Les avantages de ce type de mémoire sont qu'elle a une longue durée de vie, qu'elle est très rapide et qu'elle ne rebondit pas lorsqu'elle est allumée. Les inconvénients incluent le courant de fuite de coupure. Des mesures de dissipation de la chaleur sont également nécessaires. Le coût est plus élevé. Il y a une chute de tension de sortie.

Relais numérique/microprocesseur : Il intègre un microprocesseur. Cela offre des fonctionnalités puissantes et programmables. Il est souvent utilisé dans la protection des systèmes électriques complexes.

Types de relais spécialisés :

Relais temporisé : Fournit un contrôle précis du retard. La sélection doit être coordonnée en fonction des exigences du système (par exemple, précision, plage de retard, alimentation électrique de fonctionnement).

Relais auxiliaire/intermédiaire : Augmente le nombre et la capacité des contacts, transmet des signaux intermédiaires dans les circuits de commande.

Relais de protection : Il est spécialement conçu pour la protection des systèmes électriques et comprend des relais de surintensité, des relais de sous-tension et des relais de protection de distance.

Explication détaillée des paramètres de base pour la sélection des relais

Paramètres de la bobine – Considérations clés pour le côté contrôle

Tension et résistance nominales de la bobine : La tension de la bobine doit être compatible avec le circuit de commande. La plupart des bobines de relais nécessitent plus de courant que la capacité de pilotage des ports d'E/S du microcontrôleur, vous devez donc les piloter via des transistors ou des puces de pilotage dédiées.

Paramètres caractéristiques opérationnels :

Tension d'appel : La tension de bobine minimale requise pour un fonctionnement fiable du relais.

Tension de libération/décrochage : C'est la tension maximale de la bobine. Le relais se déclenche de manière fiable à cette tension.

Puissance nominale : Puissance consommée par la bobine en fonctionnement normal.

Remarque : La bobine du relais est une charge inductive. La génération d'une force contre-électromotrice (back-EMF) est le résultat de sa désactivation. Une diode flyback/roue libre doit être connectée en parallèle aux bornes de la bobine pour protéger le circuit de commande.

Paramètres de contact – Considérations essentielles pour le côté charge

Indice de contact (capacité de charge) : Fait référence aux valeurs de tension et de courant que les contacts peuvent commuter en toute sécurité. Ceci doit être déterminé en fonction de la tension et du courant du circuit contrôlé. Les valeurs nominales ne doivent jamais être dépassées.

Impact du type de charge :

Charges résistives (par exemple, lampes à incandescence, radiateurs) : Relativement facile à changer.

Charges inductives (par exemple, moteurs, transformateurs, solénoïdes) : Générez des pointes de tension basées sur l'induction pendant le processus de commutation. Cela exerce davantage de pression sur les contacts. Lorsqu'il s'agit de charges inductives importantes, telles que les compresseurs de climatiseurs, il est important d'utiliser des relais spécialement conçus pour ces applications. De plus, assurez-vous que le courant nominal présente une marge suffisante.

Charges capacitives (par exemple, alimentations à découpage) : peuvent générer un courant d'appel élevé lors de la mise sous tension.

Différences de charge CC et CA : les charges CC sont plus exigeantes en contacts que les charges CA. En effet, les arcs CA s’éteignent naturellement à chaque passage par zéro, alors que les arcs CC peuvent être entretenus.

Paramètres environnementaux – Facteurs de sélection à ne pas ignorer

Facteurs de stress climatique : incluent la température, l'humidité, l'altitude, etc. Les températures élevées accélèrent le vieillissement des matériaux internes du relais, tandis que les basses températures peuvent augmenter les effets de « soudage à froid » par contact. Sous une faible pression atmosphérique, la dissipation thermique du relais se détériore, entraînant des températures de bobine plus élevées.

Facteurs de contraintes mécaniques : principalement vibrations, chocs, impacts. Pour les vibrations provoquées par le fonctionnement du disjoncteur dans les appareillages à haute tension, il convient de sélectionner de petits relais auxiliaires dotés de mécanismes à induit équilibré.

Degré de pollution : Dans des environnements poussiéreux ou corrosifs, des relais entièrement scellés doivent être utilisés.

Guide de sélection pour les applications spécifiques

Sélection du relais de protection du système électrique

Protection des lignes entrantes : doit inclure au moins : une surintensité instantanée (ANSI 50), une surintensité temporelle (ANSI 51) et un défaut de terre temporel (ANSI 51N). Pour les lignes d'alimentation nominales égales ou supérieures à 630 A, une protection instantanée et temporisée contre les surintensités est requise.

Protection du transformateur : les commandes de déclenchement du relais Buchholz et de la température d'huile pour les transformateurs doivent être appliquées au mécanisme de déclenchement du disjoncteur d'arrivée.

Protection de la charge du moteur :

Protection contre les courts-circuits : La disposition est assurée soit par des fusibles, soit par le déclenchement magnétique d'un disjoncteur.

Protection contre les surcharges : assurée par des relais de surcharge thermique ou des disjoncteurs de protection moteur (MPCB).

Protection contre la perte de phase : utilisez des relais thermiques avec protection contre la perte de phase. Le réglage actuel doit être ajusté en fonction des conditions de démarrage du moteur.

Sélection de relais de contrôle industriel

Points clés pour la sélection du relais auxiliaire :

Déterminez le nombre requis et la configuration des contacts (combinaisons NO et NC).

Faites la distinction entre les charges résistives et inductives et clarifiez la tension et le courant de charge.

Tenez compte de la méthode de montage (par exemple, rail DIN ou soudure PCB).

Dans les environnements difficiles, préférez les types entièrement scellés.

Scénarios d'application de relais statique :

Situations nécessitant une commutation haute fréquence.

Environnements dangereux avec exigences antidéflagrantes.

Situations nécessitant un fonctionnement silencieux.

Techniques avancées et précautions pour la sélection des relais

Utilisations spéciales des configurations de contacts

Contacts en parallèle : n'augmente pas le courant nominal de charge mais peut réduire la probabilité de pannes de type "échec d'ouverture". Utilisé dans des endroits critiques, par exemple pour le verrouillage électrique tripolaire dans les disjoncteurs haute tension.

Contacts en série : peuvent augmenter la capacité de tenue à la tension de charge. Le facteur d'augmentation est le nombre de jeux de contacts en série. Cela améliore la fiabilité contre les pannes de type « soudure/échec d'ouverture ».

Polarité de connexion des contacts : Dans la mesure du possible, il est préférable d'utiliser des contacts normalement ouverts (NO) plutôt que des contacts normalement fermés (NC) dans le contrôle d'automatisation de l'alimentation, car les contacts NO ont tendance à avoir moins de rebonds de contact pendant le fonctionnement.

Considérations spéciales pour les bobines de relais

Problème de connexion parallèle des bobines : dans les circuits de commande CC, la connexion de différents types de bobines de relais en parallèle peut entraîner un déclenchement retardé, des dysfonctionnements des contacts, etc. Il est recommandé de connecter un contact NC auxiliaire individuel en série avec le circuit de bobine de chaque relais.

Plage de tension de fonctionnement : la tension de fonctionnement appliquée ne doit pas dépasser la tension de fonctionnement maximale de la bobine du relais, ni descendre en dessous de 90 % de la tension nominale, car cela peut compromettre la durée de vie de la bobine et la fiabilité opérationnelle.

Idées fausses courantes en matière de sélection

Relais scellés ou non scellés : les relais non scellés offrent un fonctionnement visible et une analyse des pannes plus facile, mais ont une mauvaise tolérance à long terme aux conditions climatiques. Les relais entièrement scellés offrent d'excellentes performances dans les environnements difficiles et des performances de contact stables et fiables, ce qui en fait le choix préféré pour les systèmes de contrôle d'automatisation de l'alimentation.

Courant thermique nominal par rapport au courant de fonctionnement nominal : certaines fiches techniques ou plaques signalétiques de produits peuvent indiquer le courant thermique nominal du relais plutôt que son courant de fonctionnement nominal, il est donc important de vérifier quel courant est spécifié. Lors de la sélection, il est crucial de faire cette distinction, car ne pas le faire peut avoir un impact négatif sur la durée de vie du relais, voire conduire à un grillage des contacts.

Processus de sélection systématique

La sélection du relais approprié doit suivre ce processus systématique :

Analyser les exigences du système : déterminer les caractéristiques de la charge (type, tension de fonctionnement, courant et courant de crête) et les exigences de protection.

Déterminer le type de relais : sélectionnez le type et la série du relais. Cela doit être basé sur le scénario d’application. Les scénarios sont le contrôle, la protection et la conversion du signal.

Sélectionnez les paramètres de contact : choisissez des valeurs nominales de contact avec une marge suffisante en fonction du courant et de la tension de charge, en augmentant particulièrement la marge de manière substantielle pour les charges inductives.

Déterminer les paramètres de la bobine : la tension et la résistance de la bobine doivent être sélectionnées en fonction de la tension du circuit de commande et de sa capacité de commande.

Évaluer l'adéquation environnementale : choisissez le type de protection et les caractéristiques structurelles appropriés en fonction de la température ambiante, de l'humidité, de l'altitude, des conditions de vibration et du degré de pollution.

Confirmer la conformité et les normes : assurez-vous que le relais sélectionné est conforme aux normes industrielles pertinentes. Assurez-vous que le relais est conforme aux règles de sécurité en vigueur.

Vérification et tests : vérifiez les performances du relais dans des conditions réelles ou simulées pour garantir que tous les besoins de l'application sont satisfaits.

Conclusion

La sélection des relais est une tâche d'ingénierie système nécessitant une prise en compte approfondie des performances techniques, de l'adéquation environnementale et des aspects économiques. La sélection du bon produit garantit un fonctionnement stable du système électrique, améliorant considérablement sa sécurité et sa durée de vie. Avec les progrès technologiques, les produits relais continuent d'évoluer. Se tenir informé des nouvelles technologies et des nouveaux produits, ainsi que revoir et optimiser régulièrement les critères de sélection, est une tâche permanente pour tout ingénieur électricien.

En suivant ce guide complet, vous serez en mesure de sélectionner le relais le plus adapté à divers systèmes électriques, garantissant un fonctionnement sûr, fiable et économique, que ce soit dans des boucles de contrôle simples ou dans des systèmes de protection de puissance complexes.