Contacteur et relais thermique : schéma de commande et de puissance

Pompe de relevage, ventilation de parking, compresseur d'atelier : dès qu'un moteur triphasé est commandé à distance, on retrouve le même trio, contacteur, relais thermique et boutons-poussoirs. C'est le premier montage d'automatisme que l'on câble en bac pro, et celui qu'un dépanneur relit le plus souvent. Ce cours pose les bases sur le démarrage direct ; le démarrage étoile-triangle et l'inversion du sens de marche, qui reprennent les mêmes briques avec plusieurs contacteurs verrouillés, font l'objet du chapitre suivant : démarrage direct, inversion de sens et étoile-triangle.

Les quatre fonctions d'un départ moteur

Avant de dessiner quoi que ce soit, il faut savoir ce que l'on demande à l'équipement qui alimente un moteur. Quatre fonctions reviennent toujours.

Le sectionnement isole le départ du réseau pour intervenir en sécurité ; il doit pouvoir être condamné par cadenas, comme le montre le cours sur l'habilitation et la consignation. La protection contre les courts-circuits coupe très vite un courant de défaut de plusieurs centaines d'ampères ou plus. La protection contre les surcharges surveille un courant à peine trop élevé mais qui dure : roulement qui force, phase perdue. La commutation, enfin, met le moteur en marche et l'arrête.

La solution classique répartit ces fonctions sur trois appareils : un sectionneur porte-fusibles Q1 équipé de fusibles aM (sectionnement et courts-circuits), un contacteur KM1 (commutation) et un relais thermique F1 (surcharges). La solution plus compacte, très répandue aujourd'hui, remplace Q1 et F1 par un disjoncteur-moteur : sectionnement, courts-circuits et surcharges dans un seul boîtier, associé au contacteur.

Pourquoi des fusibles aM et pas gG ? Au démarrage, un moteur à cage appelle cinq à huit fois son courant nominal pendant quelques secondes. Le fusible aM, dit « accompagnement moteur », est conçu pour laisser passer cette pointe sans fondre ; il ne protège que contre les courts-circuits et laisse la surcharge au relais thermique.

Le contacteur : une bobine qui manœuvre des pôles

Un contacteur est un interrupteur commandé à distance par un électroaimant. Quand on alimente sa bobine, entre les bornes A1 et A2, l'électroaimant attire une armature mobile qui ferme les pôles de puissance. Quand on coupe la bobine, un ressort rouvre les pôles : c'est un appareil monostable, qui revient toujours au repos quand on lui retire sa tension de commande. Tout l'intérêt du schéma de commande repose sur cette propriété.

On y distingue la bobine, dont la tension (24 V ou 230 V alternatif, 24 V continu…) doit correspondre au circuit de commande ; les trois pôles de puissance, dimensionnés pour le moteur ; et les contacts auxiliaires, de petit calibre, qui servent au schéma de commande. Beaucoup de contacteurs en portent deux d'origine, un NO et un NF ; on en ajoute avec un bloc additif clipsé en face avant. Le contacteur n'est pas fait pour couper un court-circuit : c'est le rôle des fusibles ou du disjoncteur-moteur placés en amont.

Repérage normalisé des bornes

Le repérage des bornes est normalisé, et c'est une chance : une fois la logique comprise, on câble n'importe quel contacteur sans notice.

La bobine est toujours repérée A1 et A2. Les pôles de puissance portent un chiffre impair côté arrivée et le chiffre pair suivant côté départ : 1/L1 vers 2/T1, 3/L2 vers 4/T2, 5/L3 vers 6/T3. Les contacts auxiliaires portent deux chiffres. Celui des unités indique la fonction : 1-2 pour un contact à ouverture (NF, normalement fermé), 3-4 pour un contact à fermeture (NO, normalement ouvert), 5-6 et 7-8 pour les contacts à fonctionnement spécial, temporisés par exemple. Celui des dizaines est un numéro d'ordre sur l'appareil. D'où les repères que l'on lit partout : 13-14 est le premier contact, un NO ; 21-22 le deuxième, un NF ; un bloc additif ajoutera par exemple 53-54 et 61-62.

Les relais de protection utilisent la dizaine 9 : sur le relais thermique, 95-96 est le contact NF qui s'ouvre au déclenchement et 97-98 le contact NO qui se ferme au même moment, pour allumer un voyant de défaut ou prévenir un automate.

Chaque appareil porte aussi un repère : KM pour un contacteur, F pour les protections, Q pour le sectionneur ou le disjoncteur-moteur, S pour les boutons, H pour les voyants, M pour le moteur. Certains dossiers récents emploient les codes de la norme NF EN 81346-2 (QA pour un contacteur, SF pour un bouton-poussoir) : l'essentiel est de rester cohérent sur un même dossier.

Relais thermique et disjoncteur-moteur

Le relais thermique se monte directement sous le contacteur : ses trois broches se vissent dans les bornes 2/T1, 4/T2 et 6/T3. Chaque phase traverse un bilame chauffé par le courant du moteur. En cas de surcharge, les bilames se déforment et font basculer un mécanisme qui ouvre 95-96 et ferme 97-98. Il réagit aussi à un déséquilibre ou à la perte d'une phase, grâce à un dispositif différentiel qui compare la déformation des trois bilames : c'est précieux, car un moteur qui tourne sur deux phases chauffe très vite. Les modèles courants sont compensés en température ambiante, pour ne pas déclencher plus tôt dans une armoire chaude.

Retenez bien ce point, c'est une question d'examen classique : le relais thermique ne coupe pas le courant du moteur. Il n'a pas de pôles de coupure. Il ouvre son contact 95-96 dans le circuit de commande, la bobine du contacteur n'est plus alimentée, et c'est le contacteur qui coupe la puissance. Un relais thermique dont le 95-96 n'est pas câblé ne protège rien.

En face avant, on trouve le cadran de réglage en ampères, un bouton de réarmement manuel ou automatique, un bouton d'arrêt et souvent un bouton de test. Sur machine, on laisse le réarmement en manuel : quelqu'un doit constater le défaut avant de relancer.

Le disjoncteur-moteur intègre les deux protections. Son déclencheur thermique se règle comme un relais thermique, sur le courant nominal du moteur ; son déclencheur magnétique, fixé par le constructeur, laisse passer la pointe de démarrage et coupe le court-circuit. Sa manette assure le sectionnement et se cadenasse, et des contacts auxiliaires renvoient son état au circuit de commande. La logique des déclencheurs est celle des disjoncteurs de distribution, détaillée dans le cours sur le disjoncteur et le différentiel.

Schéma de commande et de puissance : commencer par la puissance

Un départ moteur se dessine toujours en deux schémas séparés. Le schéma de puissance se lit de haut en bas, du réseau au moteur, en multifilaire : un trait par conducteur, PE compris.

Dans l'ordre : Q1, le sectionneur porte-fusibles avec ses fusibles aM ; KM1, les trois pôles du contacteur, repérés 1-3-5 en haut et 2-4-6 en bas ; F1, le relais thermique ; M1, le moteur, raccordé sur U1, V1, W1. Le couplage étoile ou triangle se fait sur la plaque à bornes du moteur selon la tension du réseau, comme expliqué dans le cours sur le monophasé et le triphasé.

Les sectionneurs porte-fusibles de départ moteur portent souvent un contact de précoupure : câblé dans la commande, il s'ouvre avant les pôles de puissance et fait retomber le contacteur, si bien que le sectionneur, qui n'a pas de pouvoir de coupure, ne s'ouvre jamais en charge.

Le schéma de commande : l'auto-maintien marche-arrêt

Le schéma de commande se dessine entre deux traits horizontaux, la phase de commande en haut et le neutre (ou le 0 V du transformateur) en bas. La commande se prend en aval de Q1, par son contact de précoupure quand il existe : sinon elle reste sous tension sectionneur ouvert, et la vérification d'absence de tension doit aussi porter sur elle. Chaque branche verticale se termine par un récepteur, bobine ou voyant, et tous les contacts sont dessinés au repos : bobines non alimentées, relais thermique non déclenché.

Suivons la branche principale de haut en bas. F2, placé en tête, protège tout le circuit de commande, voyants compris. Le contact 95-96 de F1 vient ensuite, puis le bouton d'arrêt S1, à ouverture, puis le bouton de marche S2, à fermeture, en parallèle avec le contact 13-14 de KM1, et enfin la bobine A1-A2.

On appuie sur S2 : la bobine attire, les pôles se ferment, le moteur démarre, et le contact 13-14 se ferme en même temps. On relâche S2 : le courant passe désormais par 13-14. Le contacteur s'alimente lui-même, c'est l'auto-maintien. Un appui sur S1 ouvre la branche : la bobine retombe, 13-14 s'ouvre avec elle, et le relâchement de S1 ne change plus rien. Même effet si le relais thermique ouvre 95-96. Les deux autres branches signalent : H1 par un NO de KM1 (53-54 d'un bloc additif) quand le moteur tourne, H2 par 97-98 quand F1 a déclenché.

Pourquoi pas un simple interrupteur ?

Un interrupteur à deux positions ferait aussi marcher le moteur. La différence apparaît à la coupure de courant : resté sur « marche », il relance le moteur seul au retour du réseau, peut-être pendant qu'un opérateur a la main dans la machine. Avec l'auto-maintien, la coupure fait retomber le contacteur, 13-14 s'ouvre, et le retour de tension ne relance rien : il faut un nouvel appui volontaire sur S2. C'est ce que l'INRS rappelle pour les machines, qui ne doivent pas démarrer intempestivement au retour de l'énergie.

Deuxième règle, tout aussi importante : l'arrêt est prioritaire. S1 est en série, en amont du bloc S2 / 13-14 : appui simultané sur les deux boutons, la bobine n'est pas alimentée. Et comme S1 et 95-96 sont des contacts NF, un fil coupé provoque un arrêt, jamais une commande ou une protection inopérante. L'arrêt d'urgence, bouton coup-de-poing rouge sur fond jaune à contacts à ouverture positive, est une fonction distincte de ce simple bouton d'arrêt.

Les verrouillages

Un verrouillage empêche une commande d'agir tant qu'une condition n'est pas remplie. Il en existe trois familles, que l'on combine souvent.

Le verrouillage électrique utilise un contact auxiliaire. Pour interdire à deux contacteurs d'être fermés en même temps, on place le NF 21-22 de KM1 en série avec la bobine de KM2, et le NF 21-22 de KM2 en série avec la bobine de KM1. Tant que l'un est fermé, l'autre ne peut pas être alimenté. C'est la base de l'inversion du sens de marche et du démarrage étoile-triangle, qui seront traités au chapitre suivant.

Le verrouillage mécanique est un bloc monté entre deux contacteurs côte à côte, qui interdit physiquement leur fermeture simultanée. Il double le verrouillage électrique en cas de contact collé ou d'erreur de câblage.

Le verrouillage séquentiel impose un ordre de marche. Sur une chaîne de deux convoyeurs, le convoyeur 2 ne doit tourner que si le convoyeur 1, qui l'évacue, tourne déjà : on place un contact NO de KM1 en série dans la branche de KM2 (voir l'exercice 5).

Catégories d'emploi AC-1 et AC-3

Un contacteur n'a pas un calibre unique : son courant d'emploi dépend de ce qu'il commande. Les catégories d'emploi de la norme IEC 60947 fixent les conditions d'établissement et de coupure que l'appareil doit supporter.

Conséquence concrète : un même contacteur affiche des calibres très différents selon la catégorie. Un Schneider TeSys LC1D09, par exemple, est donné pour 9 A en AC-3 sous 400 V (moteur de 4 kW) et pour 25 A en AC-1 (jusqu'à 60 °C ambiant). Lire le chiffre AC-1 pour un moteur, c'est choisir un contacteur près de trois fois trop petit ; lire le chiffre AC-3 pour des résistances, c'est surdimensionner.

Pour choisir l'appareil lui-même (référence, tension de bobine, contacteur modulaire ou industriel), voyez le guide du contacteur de puissance.

Relais thermique : choix et réglage

La méthode tient en quatre étapes, et elle part toujours de la plaque signalétique du moteur.

1. Lire le courant nominal à la bonne tension. Une plaque indique par exemple 230/400 V et 14,7/8,5 A. Sur un réseau 400 V entre phases, le moteur est couplé en étoile et absorbe 8,5 A. C'est cette valeur, et elle seule, qui sert au réglage.

2. Choisir le calibre : la plage de réglage doit contenir le courant nominal. Pour 8,5 A, un relais réglable de 7 à 10 A convient ; un 5,5 à 8 A ne peut pas monter assez haut. Si le courant tombe près d'une borne de plage, on préfère le calibre où il se situe vers le milieu.

3. Régler le cadran : Ir = In, soit 8,5 A, sans marge « pour être tranquille » : un relais réglé 20 % trop haut peut laisser le moteur en surcharge permanente sans jamais déclencher.

4. Choisir la classe de déclenchement en fonction du temps de démarrage. La norme IEC 60947-4-1 définit des classes, repérées par le temps maximal de déclenchement, en secondes, pour un courant égal à 7,2 fois le réglage, c'est-à-dire un courant de l'ordre du courant de démarrage.

Quelle que soit la classe, un relais ne doit pas déclencher à son courant de réglage, et il déclenche pour une surcharge qui dure : les courbes situent cette limite entre 1,05 et 1,2 fois le réglage. La courbe complète, avec le temps minimal de déclenchement, se lit dans la documentation du constructeur. Un démarrage qui dure 12 s avec un relais de classe 10 provoquera des déclenchements au démarrage ; le remède est de passer en classe 20, pas de dérégler le cadran.

Pour le calibre des autres appareils, les tableaux de coordination des constructeurs donnent l'association complète. Pour le moteur de 4 kW sous 400 V de l'exemple, le catalogue Schneider associe, en coordination de type 2, des fusibles aM de 10 A, un contacteur LC1D09 et un relais LRD14 réglable de 7 à 10 A.

Pour aller plus loin (BTS)

Retrouver In par le calcul. Si la plaque est illisible, on repart de la puissance utile : In = P / (√3 × U × cos φ × η), avec P la puissance mécanique en watts, η le rendement et cos φ le facteur de puissance à charge nominale. La méthode et le triangle des puissances sont repris dans le cours sur la puissance en triphasé. Sur le terrain, ce calcul reste une vérification : la valeur de la plaque, mesurée par le constructeur, prime.

Coordination de type 1 ou 2. La norme IEC 60947-4-1 définit ce que l'association protection + contacteur + relais doit supporter lors d'un court-circuit. En type 1, aucun danger pour les personnes ni l'installation, mais le départ peut devoir être réparé ou remplacé. En type 2, il doit pouvoir fonctionner ensuite ; une légère soudure des contacts est admise, facile à séparer. Le type 2 améliore la continuité de service ; il se choisit dans les tableaux de coordination du constructeur, jamais au hasard des références.

Durabilité et limites. En AC-3, l'usure des contacts dépend du courant coupé et du nombre de manœuvres : pour un moteur très souvent démarré, on choisit sur les courbes de durabilité du constructeur (exercice 7). Le bilame, lui, suit le courant et non la température des enroulements : sur un moteur à démarrages fréquents ou mal ventilé, on ajoute des sondes PTC noyées dans le bobinage, avec leur relais de contrôle. Enfin, dans un démarreur étoile-triangle, le relais placé dans les enroulements voit le courant de phase, In / √3 : on y revient dans le cours sur les démarrages moteur.

Les erreurs qui reviennent

La plus classique en atelier : brancher l'auto-maintien sur le mauvais bouton. Le 13-14 se câble aux bornes du bouton marche, et seulement de lui (voir l'exercice 2).

Deuxième erreur : oublier le 95-96 dans la commande. Le relais est posé, réglé, il déclenche même, mais le moteur tourne toujours parce que son contact n'a jamais été relié. Au contrôle, on suit la branche de la bobine et on vérifie que 95-96 y figure en série.

Troisième erreur : régler le relais sur le mauvais courant, par exemple 14,7 A lu sur une plaque 230/400 V alors que le moteur est alimenté en 400 V. On prend le courant qui correspond à la tension du réseau et au couplage réellement câblé.

Dernière erreur, côté sécurité : réarmer sans chercher, voire tourner le cadran vers le haut. Un déclenchement signale un défaut : départ consigné, on contrôle la mécanique de la machine et le serrage des connexions ; puis, départ remis en service, on mesure l'intensité sur les trois phases à la pince, avec l'habilitation et les EPI qu'exige une mesure dans une armoire sous tension.

Exercices corrigés

Les six premiers exercices correspondent au niveau bac pro, le dernier au BTS. Cherchez avant d'ouvrir le corrigé.

Exercice 1. Un contacteur possède d'origine un contact 13-14 et un contact 21-22. Précisez la nature de chacun, puis indiquez entre quelles bornes vous câblez l'auto-maintien et où vous placez le contact du relais thermique.

Exercice 2. Un apprenti a câblé le contact 13-14 de KM1 en parallèle sur le bouton d'arrêt S1 au lieu du bouton marche S2. Décrivez le fonctionnement obtenu.

Exercice 3. La plaque d'un moteur indique : 4 kW, 230/400 V, 14,7/8,5 A. Son démarrage dure 3 s. Le réseau est en 400 V entre phases. Quel couplage, quel réglage, quelle plage et quelle classe pour le relais thermique ?

Exercice 4. On dispose d'un contacteur donné pour 9 A en AC-3 sous 400 V et 25 A en AC-1. Peut-il commander : a) une batterie de résistances de chauffage triphasée de 12 kW sous 400 V ; b) un moteur de 7,5 kW absorbant 15,5 A sous 400 V ?

Exercice 5. Deux convoyeurs sont commandés par KM1 et KM2, chacun avec son marche-arrêt et son auto-maintien. Le convoyeur 2 ne doit pouvoir tourner que si le convoyeur 1 tourne, et doit s'arrêter si celui-ci s'arrête. Quel contact ajoutez-vous, et où ?

Exercice 6. Plaque illisible sur un moteur de 5,5 kW, 400 V, cos φ = 0,83, rendement 0,87. Calculez son courant nominal, le courant de démarrage attendu en direct, et choisissez la classe du relais thermique sachant que le démarrage dure 14 s.

Exercice 7 (BTS). Le moteur de l'exercice 6 entraîne une presse démarrée plusieurs centaines de fois par jour. Le tableau de coordination du constructeur donne pour lui un contacteur de 12 A en AC-3. On suppose que ses courbes de durabilité électrique conduisent pourtant à un calibre de 18 A pour atteindre 3 millions de manœuvres (donnée d'énoncé). Expliquez l'écart, et dites ce qu'il faut vérifier si la presse fonctionne par à-coups.

Sources

• Schneider Electric, TeSys, coordination et normes (chapitre A6) : catégories d'emploi, coordination de type 1 et 2, tableaux de départs moteurs, courants des moteurs à cage.
• Schneider Electric, Guide de l'installation électrique 2017, chapitre N : courant de démarrage direct (figure N62), classes de déclenchement 10, 20 et 30 des relais de surcharge (figure N65a).
• INRS, Remise en service des installations après une coupure électrique : machines et redémarrage intempestif au retour de l'énergie.
• Éduscol STI, Référentiel du bac pro MELEC (2024).
• Normes IEC 60947-4-1 (contacteurs et démarreurs, classes de déclenchement) et NF EN 60204-1 (équipement électrique des machines).

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