Fonction du relais thermique
Le relais thermique protège les moteurs électriques contre les surcharges prolongées, le blocage du rotor et les pertes de phase. Contrairement au disjoncteur ou au fusible, il ne coupe pas directement le circuit de puissance. À la place, son mécanisme ouvre son contact auxiliaire NF (95-96) inséré dans le circuit de commande de la bobine du contacteur principal, coupant ainsi l'alimentation.
Paramètres clés
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Plage de réglage (A) : Intervalle de courant thermique ajustable sur le cadran rotatif (ex : 4,0 - 6,3 A).
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Seuil de réglage (Iréglage) : Courant FLA (Full Load Amps) réglé sur le cadran pour correspondre à la plaque du moteur.
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Classe de déclenchement : Détermine le profil de tolérance au démarrage (Classe 10, 20 ou 30).
Modélisation physique et mathématique
Le simulateur résout en temps réel l'équation thermique du bilame :
dx / dt = [ (I / Iréglage)2 - x ] / τheat
Où :
• x(t) représente l'état thermique normalisé (0 ≤ x ≤ 1,2). Le relais déclenche à x(t) ≥ 1,0.
• I est le courant efficace (RMS) maximum mesuré sur les trois phases.
• τheat est la constante de temps d'échauffement : τheat = 35,0 × classe_de_relais.
• τcool est la constante de temps de refroidissement : τcool = 6,0 × classe_de_relais.
• La température simulée des bilames est donnée par : T = 20,0 + x × 75,0 (°C) (déclenchement à 95 °C).
Classes de déclenchement (Trip Class)
Les classes définissent le temps de déclenchement maximal sous une surcharge de 7,2 fois le courant de réglage à froid (selon IEC 60947-4-1 et UL 60947-4-1) :
| Classe |
Déclenchement à 7,2 × Ir |
τheat simulé |
Applications types |
| Classe 10A |
2 s à 10 s |
175 s |
Moteurs ultra-sensibles, électronique ou ventilateurs à démarrage instantané. |
| Classe 10 |
Moins de 10 s |
350 s |
Standard IEC mondial. Moteurs standards, pompes, compresseurs à démarrage rapide. |
| Classe 20 |
Moins de 20 s |
700 s |
Standard NEMA industriel. Convient aux moteurs américains et charges à forte inertie. |
| Classe 30 |
Moins de 30 s |
1050 s |
Démarrages extra-lourds à forte inertie (broyeurs industriels, ventilateurs géants). |
Différences réglementaires et règles de réglage
1. Standard Européen / IEC (CEI)
Le cadran est réglé **exactement à 100 % du courant de pleine charge (FLA)** du moteur. La protection thermique possède une tolérance intégrée : non-déclenchement conventionnel à 1,05 fois le réglage et déclenchement conventionnel obligatoire sous 1,20 fois le réglage (dans l'heure).
2. Standard Nord-Américain / NEMA (NEC Article 430 & CSA C22.1)
En Amérique du Nord (normes NEC / NFPA 70 et CSA C22.1), le réglage d'un relais de surcharge dépend directement du facteur de service (SF pour Service Factor) inscrit sur la plaque signalétique du moteur. Le principe fondamental est de régler le relais sur le courant de réglage (Ir) calculé à partir du courant nominal à pleine charge (FLA).
Les coefficients de multiplication maximaux à appliquer (NEC Article 430.32) sont :
| Facteur de Service (SF) |
Multiplicateur maximal |
Courant de réglage (Ir) |
| SF ≥ 1,15 |
125 % |
Ir = FLA × 1,25 |
| SF < 1,15 (ou SF = 1,0) |
115 % |
Ir = FLA × 1,15 |
Note de conception : La majorité des relais thermiques bimétalliques modernes (conçus selon l'IEC ou certifiés NEMA compensés) intègrent déjà une marge de déclenchement d'environ 115 % à 125 % dans leur courbe. Pour ces relais ajustables, la règle de l'industrie consiste à régler le cadran directement sur la valeur FLA du moteur si le relais compense lui-même cette marge, ou d'appliquer manuellement les ratios ci-dessus pour les relais standard. Il est impératif de vérifier la notice du fabricant.
Exemples pratiques :
• Moteur SF = 1,15 (cas le plus fréquent) : FLA = 10 A. Le réglage thermique maximal autorisé est de 10 A × 1,25 = 12,5 A.
• Moteur SF = 1,0 (moteur standard ou étanche) : FLA = 16 A. Le réglage thermique maximal autorisé est de 16 A × 1,15 = 18,4 A.
Exceptions et ajustements (NEC 430.32(C)) :
Si le relais thermique ainsi réglé déclenche de manière intempestive lors du démarrage, le NEC autorise une augmentation exceptionnelle de la protection sans dépasser les limites absolues suivantes :
- Pour un SF ≥ 1,15 : Maximum 140 % du FLA.
- Pour un SF < 1,15 : Maximum 130 % du FLA.
3. Sensibilité différentielle (Perte de phase)
Les relais thermiques conformes à l'IEC intègrent un mécanisme de détection différentiel : si une phase est coupée, la déformation différentielle mécanique fait déclencher le relais thermique beaucoup plus rapidement (courbe accélérée) pour éviter la surchauffe destructrice des bobinages restants.
Contacts auxiliaires (95-96 et 97-98)
• 95-96 (NF) : Placé en série avec la bobine du contacteur de puissance. Il s'ouvre lors d'une surcharge pour couper le circuit de puissance du moteur.
• 97-98 (NO) : Se ferme lors du déclenchement. Utilisé pour piloter un voyant de défaut ou remonter une alarme à un automate (PLC).
Thermal Overload Relay Function
The thermal overload relay protects electric motors from sustained overcurrents, locked rotor conditions, and phase loss. Unlike a circuit breaker or fuse, it does not interrupt the high-power circuit directly. Instead, its mechanical trip system opens a built-in NC auxiliary contact (95-96) wired in series with the control coil of the main contactor, shutting down the motor.
Key Parameters
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Current Range (A) : Adjustable thermal current window on the selector dial (e.g., 4.0 - 6.3 A).
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Trip Setting (Isetting) : The specific FLA (Full Load Amps) set on the dial to match the motor nameplate.
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Trip Class : Determines the starting inrush tolerance profile (Class 10, 20, or 30).
Physical and Mathematical Modeling
The simulator solves the bimetallic thermal heat equation in real-time:
dx / dt = [ (I / Isetting)2 - x ] / τheat
Where:
• x(t) represents the normalized thermal state (0 ≤ x ≤ 1.2). The relay trips when x(t) ≥ 1.0.
• I is the maximum RMS current measured among the three phases.
• τheat is the heating time constant: τheat = 35.0 × relay_class.
• τcool is the cooling time constant: τcool = 6.0 × relay_class.
• Simulated bimetal temperature is given by: T = 20.0 + x × 75.0 (°C) (trips at 95 °C).
Trip Classes
Trip classes define the maximum time a cold relay takes to trip under a overload current of 7.2 times the setting current (per IEC 60947-4-1 and UL 60947-4-1):
| Class |
Trip time at 7.2 × Ir |
Simulated τheat |
Typical Applications |
| Class 10A |
2 s to 10 s |
175 s |
Ultra-sensitive motors, electronic loads or instant-start fans. |
| Class 10 |
Less than 10 s |
350 s |
Standard global IEC default. General-purpose motors, pumps, quick-start compressors. |
| Class 20 |
Less than 20 s |
700 s |
Standard NEMA industrial. Best for American motors and high-inertia loads. |
| Class 30 |
Less than 30 s |
1050 s |
Extra-heavy starting loads (industrial crushers, heavy grinding mills, huge fans). |
Regulatory Differences and Setting Rules
1. European / IEC Standard
The dial is set **exactly to 100% of the motor Full Load Amps (FLA)**. IEC devices have built-in tolerance: no-trip convention under 1.05x setting and mandatory thermal trip under 1.20x setting within 2 hours.
2. North-American / NEMA Standard (NEC Article 430 & CSA C22.1)
In North America (per NEC / NFPA 70 and CSA C22.1 standards), the overload relay adjustment depends directly on the Service Factor (SF) found on the motor nameplate. The core principle is to set the overload relay to the trip current setting (Ir) calculated from the motor's Full Load Amps (FLA).
The maximum multipliers to be applied (NEC Article 430.32) are:
| Service Factor (SF) |
Max. Multiplier |
Trip Setting (Ir) |
| SF ≥ 1.15 |
125 % |
Ir = FLA × 1.25 |
| SF < 1.15 (or SF = 1.0) |
115 % |
Ir = FLA × 1.15 |
Design Note: Most modern bimetallic overload relays (designed to IEC or NEMA ambient-compensated specs) already incorporate a 115% to 125% safety margin within their trip curve. For these adjustable relays, the standard industry practice is to set the dial directly to the motor FLA if the relay compensates for the SF automatically, or manually apply the ratios above for standard non-compensated relays. Always verify manufacturer directives.
Practical Examples:
• Motor SF = 1.15 (most common): FLA = 10 A. The maximum permitted thermal setting is 10 A × 1.25 = 12.5 A.
• Motor SF = 1.0 (standard or sealed motor): FLA = 16 A. The maximum permitted thermal setting is 16 A × 1.15 = 18.4 A.
Exceptions and Adjustments (NEC 430.32(C)):
If the calculated overload setting causes nuisance trips during startup, the NEC permits a higher setting not exceeding the following absolute limits:
- For SF ≥ 1.15: Maximum 140% of FLA.
- For SF < 1.15: Maximum 130% of FLA.
3. Phase Loss Sensitivity (Differential Mechanism)
IEC compliant overloads include a differential mechanism: if one phase is lost, mechanical differential shifting accelerates the trip curves, preventing burnout of the remaining motor windings.
Auxiliary Contacts (95-96 and 97-98)
• 95-96 (NC) : Wired in series with the contactor coil. Opens on overload to shut down the main motor loop.
• 97-98 (NO) : Closes on trip. Used to trigger indicator lights, alarms, or input signals to PLCs.
Función del relé térmico
El relé térmico protege a los motores eléctricos contra sobrecargas prolongadas, rotor bloqueado y pérdidas de fase. A diferencia de un disyuntor o fusible, no corta directamente la potencia del motor. Su mecanismo abre un contacto auxiliar NC (95-96) conectado en serie con la bobina del contactor principal, cortando así la alimentación.
Parámetros Clave
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Rango de ajuste (A) : Rango de corriente ajustable en el dial giratorio (ej: 4,0 - 6,3 A).
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Corriente de ajuste (Iajuste) : Corriente FLA (Full Load Amps) configurada en el dial para coincidir con la placa del motor.
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Clase de disparo : Determina el perfil de tolerancia en el arranque (Clase 10, 20 o 30).
Modelado Físico y Matemático
El simulador resuelve en tiempo real la ecuación térmica del bimetal:
dx / dt = [ (I / Iajuste)2 - x ] / τheat
Donde:
• x(t) representa el estado térmico normalizado (0 ≤ x ≤ 1,2). El relé se dispara cuando x(t) ≥ 1,0.
• I es la corriente máxima eficaz (RMS) medida entre las tres fases.
• τheat es la constante de tiempo de calentamiento: τheat = 35,0 × clase_del_rele.
• τcool es la constante de tiempo de enfriamiento: τcool = 6,0 × clase_del_rele.
• La temperatura simulada de los bimetales es dada por: T = 20,0 + x × 75,0 (°C) (disparo a 95 °C).
Clases de Disparo (Trip Class)
Las clases definen el tiempo máximo de disparo bajo una sobrecarga de 7,2 veces la corriente de ajuste partiendo de frío (según IEC 60947-4-1 y UL 60947-4-1):
| Clase |
Tiempo de disparo a 7,2 × Ir |
τheat simulada |
Aplicaciones típicas |
| Clase 10A |
2 s a 10 s |
175 s |
Motores muy sensibles, cargas electrónicas o ventiladores de arranque instantáneo. |
| Clase 10 |
Menos de 10 s |
350 s |
Estándar IEC mundial por defecto. Motores generales, bombas, compresores de arranque rápido. |
| Clase 20 |
Menos de 20 s |
700 s |
Estándar NEMA industrial. Adecuado para motores americanos y cargas con gran inercia. |
| Clase 30 |
Menos de 30 s |
1050 s |
Arranques extra pesados con gran inercia (trituradoras industriales, ventiladores gigantes). |
Diferencias de Normas y Reglas de Ajuste
1. Estándar del relé Europeo / IEC (CEI)
El dial se ajusta **exactamente al 100 % de la corriente nominal FLA** del motor. Los relés IEC poseen tolerancia interna: no se disparan por debajo de 1,05x el valor ajustado y se disparan obligatoriamente bajo sobrecargas de 1,20x el ajuste en menos de 2 horas.
2. Estándar del relé Norteamericano / NEMA (NEC Artículo 430 & CSA C22.1)
En América del Norte (según las normas NEC / NFPA 70 y CSA C22.1), el ajuste del relé térmico de sobrecarga depende directamente del factor de servicio (SF - Service Factor) indicado en la placa del motor. El principio consiste en ajustar el relé a la corriente de disparo (Ir) calculada a partir del FLA del motor.
Los coeficientes multiplicadores máximos a aplicar (NEC Artículo 430.32) son:
| Factor de Servicio (SF) |
Multiplicador máx. |
Corriente de ajuste (Ir) |
| SF ≥ 1,15 |
125 % |
Ir = FLA × 1,25 |
| SF < 1,15 (o SF = 1,0) |
115 % |
Ir = FLA × 1,15 |
Nota de diseño: La mayoría de los relés térmicos bimetálicos modernos (diseñados según IEC o certificados NEMA con compensación de temperatura) ya integran un margen de disparo de 115% a 125% en su curva. Para relés ajustables, la práctica estándar de la industria consiste en ajustar el dial directamente sobre el FLA del motor si el relé ya compensa el SF internamente, o aplicar los factores arriba mencionados de manera manual para relés estándar. Comprobar siempre las instrucciones del fabricante.
Ejemplos prácticos:
• Motor SF = 1,15 (caso común): FLA = 10 A. El ajuste térmico máximo permitido es 10 A × 1,25 = 12,5 A.
• Motor SF = 1,0 (motor estándar o sellado): FLA = 16 A. El ajuste térmico máximo permitido es 16 A × 1,15 = 18,4 A.
Excepciones y ajustes (NEC 430.32(C)):
Si el ajuste térmico calculado provoca disparos intempestivos al arrancar el motor, el NEC permite elevar la protección sin exceder los límites absolutos siguientes:
- Para SF ≥ 1,15: Máximo 140 % del FLA.
- Para SF < 1,15: Máximo 130 % del FLA.
3. Sensibilidad diferencial (Pérdida de fase)
Los relés térmicos IEC incorporan detección diferencial: si una fase falla, la deformación diferencial acelera el disparo del relé térmico para evitar que las bobinas sanas restantes se quemen por sobrecorriente.
Contactos auxiliaires (95-96 y 97-98)
• 95-96 (NC) : Conectado en serie con la bobina del contactor de potencia. Se abre durante una sobrecarga para detener el motor.
• 97-98 (NO) : Se cierra al dispararse el relé. Se utiliza para encender una luz de fallo o alertar a un autómata (PLC).
