Dans l'automatisation industrielle et les systèmes de commande électrique, les relais jouent un rôle essentiel dans la commutation des circuits, la protection des équipements et le maintien de la sécurité opérationnelle. Qu'il s'agisse d'un panneau compact de commande logique programmable ou d'un centre de commande de moteur haute puissance, les relais constituent l'épine dorsale des systèmes d'automatisation électrique.

Cet article explore ce qu'est un relais, son fonctionnement, ainsi que les principaux types de relais industriels utilisés dans l'automatisation et les systèmes de commande en usine.

Qu'est-ce qu'un relais en électricité et automatisation industrielle ?

Un relais est un dispositif électromécanique ou électronique qui ouvre ou ferme un circuit à l'aide d'un signal de commande. Il permet à un circuit d'en commander un autre, souvent avec un niveau de tension ou de courant différent. En termes pratiques, les relais agissent comme des interrupteurs électriques qui contrôlent automatiquement le passage du courant dans les tableaux d'automatisation, les circuits d'alimentation et les systèmes de sécurité. Lorsque la bobine d'entrée reçoit une tension, le relais change la position de ses contacts, complétant ou interrompant ainsi le circuit.

Les relais modernes sont conçus pour gérer tout, de la commutation de signaux basse puissance aux applications de moteurs à fort courant dans les systèmes PLC, DCS et d'automatisation d'usine .

Principe de fonctionnement de base d'un relais

Un relais typique comprend cinq bornes — alimentation positive, alimentation négative, sortie commune, normalement ouverte (NO) et normalement fermée (NF). Lorsque la bobine du relais n'est pas alimentée, les bornes commune et NF restent connectées. Une fois l'alimentation appliquée, la bobine s'active et la borne commune se connecte au contact NO . Ce changement s'effectue automatiquement et en quelques millisecondes.

Ce mécanisme permet une isolation électrique sûre entre les circuits de commande et de charge, protégeant les appareils sensibles des surtensions.

Principaux types de relais industriels

L'automatisation industrielle utilise différents types de relais selon la logique de commande, les exigences de sécurité et les conditions de fonctionnement. Les types les plus courants sont :

• Relais électromécanique

• Relais de surcharge

• Relais temporisé

• Relais à semi-conducteurs

• Relais à verrouillage

• Relais de sécurité

• Relais de défaut à la terre

Examinons chaque type en détail.

Relais électromécanique (REM)

Les relais électromécaniques sont des relais traditionnels qui fonctionnent par induction magnétique. Lorsque le courant traverse la bobine, un champ magnétique attire l'armature, modifiant la position des contacts. Ils sont économiques et largement utilisés dans les tableaux de commande industriels, les démarreurs de moteurs et les systèmes d'éclairage. Cependant, des commutations fréquentes peuvent provoquer des arc électriques et l'usure des contacts, réduisant la durée de vie du relais. Par conséquent, les REM conviennent mieux aux fréquences de commutation faibles à moyennes.

Relais de surcharge

Les relais de surcharge protègent les moteurs et équipements électriques contre les surintensités prolongées. Contrairement aux relais standards qui réagissent aux signaux de tension, les relais de surcharge réagissent à la chaleur générée par un courant excessif. Lorsque la température dépasse un seuil prédéfini, le relais ouvre le circuit pour éviter d'endommager l'équipement. Les opérateurs peuvent réarmer manuellement le relais une fois le système refroidi. Ces relais sont essentiels dans les circuits de commande de moteurs, tableaux MCC et machines lourdes.

Relais temporisé

Un relais temporisé intègre une fonction de retard qui décale la commutation du circuit soit à l'alimentation (retard à la mise sous tension), soit à la coupure (retard à la mise hors tension). Les relais temporisés sont courants dans le contrôle de séquences, les opérations de convoyeurs et la synchronisation de démarrage. Ils aident à commander les opérations des machines dans un ordre prédéfini, améliorant la précision de l'automatisation. De plus, les relais temporisés peuvent être mécaniques ou numériques, offrant un contrôle flexible pour les tâches d'automatisation basées sur le temps.

Relais à semi-conducteurs (RSS)

Les relais à semi-conducteurs remplacent les contacts mécaniques par des dispositifs de commutation à semi-conducteurs. Ils fonctionnent donc silencieusement et commutent beaucoup plus rapidement que les REM. Les RSS sont idéaux pour les applications nécessitant une commutation rapide et peu d'entretien, comme les régulateurs de température ou les machines d'emballage. Cependant, ils génèrent plus de chaleur et nécessitent une dissipation thermique adéquate pour assurer une longue durée de vie. Bien conçus, les RSS offrent une excellente fiabilité dans les systèmes modernes de commande industrielle.

Relais à verrouillage

Un relais à verrouillage maintient son état même lorsque l'alimentation est coupée. Il fonctionne de manière similaire à une bobine de mise en marche/arrêt dans la logique PLC — une fois activé, il reste verrouillé jusqu'à ce qu'une impulsion inverse le déverrouille. Ce type réduit la consommation d'énergie et est utile dans les systèmes économes en énergie ou dépendants de la mémoire, tels que les circuits d'alarme ou les commandes d'éclairage de secours.

Relais de sécurité

Les relais de sécurité sont des composants essentiels dans les dispositifs de sécurité des machines et d'arrêt d'urgence. Ils surveillent en continu les entrées et détectent les défauts tels que la défaillance de contact, les courts-circuits ou les ruptures de câble. Lorsqu'un défaut est détecté, le relais de sécurité interrompt immédiatement le circuit pour prévenir les dangers. Les ingénieurs utilisent des normes telles que ISO 12100 et IEC 62061 pour évaluer les risques et choisir le relais de sécurité adapté à une application. Les cas d'usage typiques incluent les cellules robotisées, presses mécaniques et zones de sécurité des convoyeurs.

Relais de défaut à la terre

Un relais de défaut à la terre détecte les courants de fuite entre les conducteurs électriques et la terre. En cas de fuite anormale, le relais déclenche le circuit, évitant ainsi les dommages aux équipements et protégeant le personnel contre les chocs électriques. Les relais de défaut à la terre sont largement utilisés dans la distribution électrique, les industries de procédés et les postes de transformation pour renforcer la sécurité électrique et assurer la conformité aux normes industrielles.

Conseil d'expert : choisir le relais adapté à votre application

Le choix du relais approprié dépend de la tension du système, du type de charge, de la fréquence de commutation et des exigences de sécurité.

• Utilisez les REM pour le contrôle général et les faibles fréquences de commutation.

• Choisissez les RSS pour une commutation rapide et silencieuse.

• Mettez en œuvre les relais de sécurité pour les applications nécessitant la conformité SIL (niveau d'intégrité de sécurité).

• Appliquez les relais de surcharge dans les circuits moteurs pour éviter les brûlures.

De plus, combiner la logique des relais avec le contrôle basé sur PLC améliore la souplesse, le diagnostic et la surveillance à distance — en accord avec les pratiques de la Industrie 4.0 .

Scénarios d'application pratiques

Scénario 1 – Système de protection moteur : Une usine utilise des relais de surcharge et de sécurité pour protéger des moteurs asynchrones triphasés contre la surchauffe et les courts-circuits.
Scénario 2 – Automatisation d'un système de convoyeur : Les relais temporisés contrôlent les délais de séquence entre les bandes transporteuses, assurant un transfert fluide des matériaux.
Scénario 3 – Fours à température contrôlée : Les relais à semi-conducteurs commandent les chauffages avec une régulation précise de la température et une usure minimale.

Conclusion

Les relais restent indispensables dans les systèmes d'automatisation industrielle et de commande électrique. Des interrupteurs électromécaniques de base aux relais de sécurité avancés, chaque type remplit une fonction spécifique pour améliorer la fiabilité, la sécurité et l'efficacité de l'automatisation. Comprendre les types de relais industriels aide les ingénieurs à concevoir des systèmes robustes répondant aux normes de sécurité et aux exigences opérationnelles des usines modernes.