Dépannage des relais potentiels

Lorsque le rotor d'un moteur électrique tourne à proximité immédiate des enroulements du moteur, une tension de choc ou une force contre-électromotrice (EMF) est générée. La force contre-électromotrice (BEMF) générée à travers l'enroulement de démarrage est supérieure à celle générée à travers l'enroulement de marche. Ce phénomène se produit parce que l'enroulement de démarrage a généralement un fil plus long, un fil de plus petit diamètre ou plus de tours de fil, a donc une plus grande réactance inductive que l'enroulement de marche. Pour cette raison, les relais de potentiel sont parfois appelés relais de tension car ils dépendent de la BEMF ou de la tension générée par le moteur pour leur fonctionnement.

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Si le relais potentiel fonctionne mal, le moteur du compresseur risque de ne pas démarrer, de caler, de bloquer le rotor ou même de brûler. De nombreux enroulements de moteur ont été ouverts ou affaiblis par des relais de potentiel défectueux. Pour cette raison, il est de la plus haute importance pour les techniciens de service de comprendre non seulement comment fonctionne ce relais de démarrage, mais également comment dépanner les composants qui composent le relais potentiel.

La fonction d'un relais de potentiel est simplement d'aider au démarrage du moteur électrique. Les relais de potentiel se trouvent couramment sur de nombreux petits moteurs monophasés à démarrage par condensateur et à condensateur dans l'industrie HVACR.

Le relais de potentiel se compose d'une bobine à très haute résistance et d'un ensemble de contacts normalement fermés, tous deux enfermés dans un petit boîtier en plastique. Un condensateur de fonctionnement et de démarrage peut également accompagner le relais de potentiel (voir Figure 1, haut de page). Ces trois composants sont souvent appelés un kit de démarrage difficile. La bobine de relais est câblée entre les contacts 2 et 5, tandis que les contacts normalement fermés sont câblés entre les contacts 1 et 2 (voir Figure 2). D'autres désignations de bornes sur le relais sont généralement destinées à connecter des fils et à agir comme des écrous de fil. Ils sont souvent utilisés pour l'alimentation entrante, les ventilateurs ou les connexions de fils de condensateur et sont appelés bornes inactives ou de commodité.

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FIGURE 2:La bobine de relais est câblée entre les contacts 2 et 5, tandis que les contacts normalement fermés sont câblés entre les contacts 1 et 2. (Avec l'aimable autorisation de John Tomcyzk)

Une fois l'alimentation fournie au moteur monophasé, les enroulements de marche et de démarrage seront dans le circuit en série avec l'enroulement de démarrage. Cela se produit parce que les contacts entre les bornes 1 et 2 du relais de potentiel sont normalement fermés. Le rotor du moteur va maintenant commencer à tourner ou à tourner. Dans la figure 3, notez que les condensateurs de marche et de démarrage sont câblés en parallèle l'un à l'autre, mais qu'ils sont tous deux en série avec l'enroulement de démarrage. La capacité des condensateurs câblés en parallèle donnera au moteur plus de couple de démarrage car les condensateurs sont en série avec l'enroulement de démarrage.

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FIGURE 3: Les condensateurs de fonctionnement et de démarrage sont câblés en parallèle les uns aux autres, mais les deux sont en série avec l'enroulement de démarrage. (Avec l'aimable autorisation de John Tomcyzk)

Au fur et à mesure que le rotor du moteur tourne de plus en plus vite, essayant d'atteindre sa vitesse synchrone, un effet de tension génératrice est créé à partir du rotor étant une grande masse métallique tournant très près des enroulements du moteur. Étant donné que l'enroulement de démarrage est enroulé avec un fil plus long et plus fin, plus de tension ou de BEMF sera générée à travers celui-ci qu'à travers l'enroulement de marche.

La BEMF peut être mesurée avec un voltmètre à travers l'enroulement de démarrage pendant que le moteur tourne. La BEMF est souvent supérieure à la tension de ligne et peut atteindre 500 volts ou plus, selon la conception et la vitesse du moteur. La polarité du BEMF s'oppose à la polarité de la tension de ligne, de sorte que ses amplitudes ne seront pas ajoutées. Tous les moteurs génèrent des valeurs BEMF différentes, les relais de potentiel doivent donc être dimensionnés et choisis individuellement pour chaque compresseur.

Étant donné que la bobine du relais de potentiel est câblée en parallèle à l'enroulement de démarrage, cette même tension (BEMF) se produira à travers la bobine du relais. Un circuit électrique avec tension et courant sera généré dans l'enroulement de démarrage et la bobine de relais, provoquant l'excitation de la bobine de relais et l'ouverture des contacts entre les contacts 1 et 2. Cette action se produit car la bobine de relais est enroulée autour d'un noyau de fer qui magnétiser une fois la bobine alimentée. Cette ouverture des contacts provoque la sortie du condensateur de démarrage du circuit. Le moteur continuera à fonctionner comme un moteur à capacité divisée permanente (PSC) avec uniquement un condensateur de marche en série avec l'enroulement de démarrage. Une fois que la commande de fonctionnement s'ouvre et que l'alimentation est retirée du moteur, la vitesse du moteur diminue progressivement avec la BEMF générée. La bobine de relais se désexcite et les contacts entre les bornes 1 et 2 reviennent à leur position normalement fermée lorsque le moteur s'arrête.

Un simple ohmmètre suffit pour dépanner un relais potentiel. Après avoir retiré tous les fils de connexion du relais, mesurez la résistance entre les bornes 1 et 2. La résistance doit être proche de zéro, car ce sont normalement des contacts fermés. Si le lecteur lit l'infini, les contacts sont bloqués ouverts et le relais doit être jeté et remplacé. Des contacts ouverts empêcheront le condensateur de démarrage d'être dans le circuit. Cela peut bloquer le rotor et provoquer des ampères à rotor bloqué (LRA) dans certaines conditions, ouvrant ainsi le dispositif de protection du compresseur. Un court-cyclage sur les dispositifs de protection du compresseur peut entraîner une surchauffe et ouvrir un enroulement à temps.

Les contacts de relais peuvent également être collés ou former un arc en position fermée. Dans ce cas, le condensateur de démarrage ne serait jamais retiré du circuit et un grondement avec des tirages d'ampères élevés ouvrirait les dispositifs de protection du moteur. Si les contacts sont bloqués en position fermée, le relais devra être vérifié en mode marche, car les contacts entre 1 et 2 sont normalement fermés lorsqu'ils ne fonctionnent pas. Une fois que le moteur est en marche, utilisez un voltmètre pour mesurer la tension aux bornes 1 et 2. Une lecture de tension de zéro volt prouverait que les contacts ne s'ouvrent pas. De plus, une forte consommation d'ampères dans le circuit d'enroulement de démarrage est un signe révélateur que les contacts ne se sont pas ouverts.

Pour le dépannage de la bobine, après avoir débranché tous les fils du relais, ohmez la bobine entre les bornes 2 et 5 du relais. Étant donné que cette bobine doit avoir une résistance très élevée, assurez-vous d'utiliser la bonne échelle sur l'ohmmètre s'il n'est pas à mise à l'échelle automatique. L'échelle RX 100 est bonne à utiliser, car l'échelle RX 1 peut tromper un technicien en lui faisant croire qu'il y a une bobine ouverte en raison de la résistance extrêmement élevée de la bobine. Il n'est pas rare d'avoir la résistance lue dans les plusieurs milliers d'ohms. Si l'ohmmètre indique l'infini sur l'échelle RX 100, la bobine du relais s'est ouverte, le relais doit être jeté et un nouveau installé. Une bobine de relais ouverte empêchera les contacts entre 1 et 2 de s'ouvrir en raison de l'absence de magnétisme dans le noyau de fer de la bobine de relais. Ceci, encore une fois, entraînera des tirages d'ampli élevés et un grondement du condensateur restant trop longtemps dans le circuit.

La tension de démarrage pour un relais de potentiel spécifique sera répertoriée comme un minimum et un maximum. La tension de démarrage réelle doit rester dans sa plage pour un fonctionnement correct. La tension de démarrage est la tension BEMF générée à travers l'enroulement de démarrage par le rotor du moteur lorsqu'il atteint environ ¾ de vitesse synchrone. Si la tension de démarrage générée par BEMF est inférieure au minimum, les contacts entre les bornes 1 et 2 ne s'ouvriront jamais. Le condensateur de démarrage restera alors dans le circuit, ce qui entraînera des appels d'ampères élevés et peut ouvrir les dispositifs de protection du moteur. Cependant, si la tension de démarrage générée par BEMF est supérieure au maximum, la bobine de relais a de bonnes chances de surchauffer et de s'ouvrir. Encore une fois, les contacts entre 1 et 2 resteraient fermés, provoquant des tirages d'ampères élevés si la bobine de relais ouvre le circuit.

Les relais potentiels ont une tension nominale de décrochage, qui est la tension BEMF qui doit être générée à travers la bobine de relais pour "maintenir" les contacts ouverts une fois qu'ils ont été captés (ouverts). Souvent, il faut plus de BEMF (tension de démarrage) pour capter et ouvrir les contacts que pour les maintenir ouverts. Une fois que la commande de cyclage ouvre le circuit, la vitesse du rotor diminue, générant ainsi moins de BEMF à travers l'enroulement de démarrage et la bobine de relais. Lorsque la BEMF descend en dessous de la tension de décrochage, les contacts entre 1 et 2 reviendront à leur position normalement fermée et seront prêts pour le prochain cycle de démarrage.

En raison de ces trois spécifications de tension nominale, les relais de potentiel doivent être dimensionnés pour chaque compresseur individuel. Consultez un manuel d'entretien, le fabricant du compresseur ou un fournisseur pour plus d'informations sur la sélection du relais de potentiel correct. Les relais de remplacement peuvent être référencés pour différents fabricants à l'aide de tableaux pratiques via Internet. Dans la mesure du possible, le numéro de modèle sur le nouveau relais doit être utilisé lors de la commande d'un nouveau relais. Il existe sur le marché des relais potentiels avec une plage de tension de démarrage réglable.

Les relais de potentiel ont également une tension nominale continue. Il s'agit de la BEMF maximale que la bobine du relais peut tolérer en continu sans surchauffe ni circuit d'ouverture.

Les compresseurs plus anciens, faibles ou endommagés à l'intérieur ne peuvent souvent pas maintenir une vitesse synchrone en raison d'un enroulement endommagé, d'un condensateur de fonctionnement faible, d'une charge excessive, d'une tolérance due à l'âge ou de nombreuses autres raisons. C'est pour ces raisons qu'ils peuvent avoir du mal à maintenir leurs vitesses synchrones une fois opérationnels. Une fois que leur vitesse diminue, moins de BEMF est généré et il peut être inférieur à leur tension de décrochage. Les contacts du relais se fermeront alors et le condensateur de démarrage sera de retour dans le circuit en série avec l'enroulement de démarrage. Ce scénario entraînera souvent la combustion ou l'ouverture d'un enroulement de moteur, l'ouverture de la surcharge, la défaillance du condensateur de démarrage en raison d'une surchauffe ou l'ouverture et la fermeture trop fréquentes des contacts de relais, provoquant leur fermeture d'arc. Souvent, un condensateur et/ou un relais potentiel sera remplacé et le système fonctionnera correctement pendant quelques semaines ou mois, puis le même scénario se reproduira. Dans ces cas, il est souvent avantageux de remplacer le compresseur vieillissant, le relais de potentiel et les deux condensateurs.

John Tomczyk est professeur émérite HVACR, Ferris State University, Big Rapids, Michigan, et co-auteur de Refrigeration & Air Conditioning Technology, publié par Cengage Learning. Contactez-le à [email protected].