Les scénarios de fonction et d'application des relais

I. La fonction principale des relais

La fonction des relais s'articule autour de trois aspects principaux : « conversion de signal », « contrôle de circuit » et « protection de sécurité ». Grâce à l'activation/désactivation de contacts mécaniques ou de structures sans contact, ils réalisent des fonctions de contrôle électrique multidimensionnelles. Plus précisément, ils peuvent être classés dans les cinq grandes catégories suivantes :

(1) Amplification du signal et conversion de puissance

C'est l'une des fonctions les plus fondamentales d'un relais. Dans les boucles de contrôle, les signaux émis par les contrôleurs (tels que les micro-ordinateurs monopuces, les automates programmables et les capteurs) sont souvent des courants faibles et faibles (généralement au niveau du milliampère), qui ne peuvent pas piloter directement des charges de forte puissance telles que des moteurs et des radiateurs. Les relais convertissent les signaux électriques faibles en force électromagnétique via des bobines électromagnétiques, entraînant la fermeture ou l'ouverture des contacts et contrôlant ainsi l'activation et la désactivation de courants importants (niveau ampère ou même kiloampère) dans le circuit principal. Par exemple, le signal de déclenchement de 10 mA détecté par le capteur, après avoir été amplifié par le relais, peut contrôler le démarrage d'un moteur de 10 A, réalisant la conversion de puissance d'un « petit signal contrôlant une puissance élevée » et résolvant le problème d'inadéquation entre la capacité de sortie du contrôleur et la demande de charge.

(2) Isolation des circuits et protection de sécurité

Le circuit de bobine et le circuit de contact d'un relais sont complètement isolés électriquement, une caractéristique qui en fait un élément clé pour la protection de la sécurité des circuits. D'une part, isolez les circuits haute et basse tension pour empêcher la haute tension de pénétrer dans le circuit de commande et d'endommager les dispositifs de contrôle de précision. Par exemple, dans les équipements industriels, le circuit principal 380 V et le circuit de commande 24 V sont isolés via des relais pour empêcher la haute tension de détruire l'automate ou le micro-ordinateur monopuce. D'autre part, isolez les circuits de signaux forts et faibles, réduisez les interférences électromagnétiques et assurez la stabilité des signaux de contrôle. De plus, lorsque les contacts du relais sont déconnectés, ils peuvent résister à une résistance au claquage de tension relativement élevée, coupant efficacement les circuits défectueux, empêchant la propagation des risques tels que les courts-circuits et les fuites et améliorant la sécurité du système de circuit.

(3) Contrôle logique et conversion de signal

Les relais peuvent réaliser des opérations logiques complexes et des fonctions de conversion de signal grâce à des conceptions telles que des combinaisons multi-contacts et des structures de retard. Par exemple, en utilisant des combinaisons série et parallèle de plusieurs relais, des contrôles logiques de base tels que « et », « OU » et « non » peuvent être obtenus, répondant ainsi aux exigences de liaison de processus dans le système d'automatisation. Les relais temporisés peuvent convertir des signaux de déclenchement instantanés en signaux marche-arrêt retardés, permettant un démarrage retardé et un contrôle séquentiel des équipements (comme une commutation retardée dans le démarrage étoile-triangle des moteurs). Les relais intermédiaires peuvent étendre un signal unique à plusieurs sorties, permettant à un signal de commande de piloter le fonctionnement synchrone de plusieurs charges et simplifiant la conception du circuit de commande.

(4) Liaison de télécommande et d'automatisation

Les relais prennent en charge le contrôle à distance via des signaux électriques, éliminant ainsi le besoin d'un contact manuel direct avec des circuits à haute tension et à haut risque. Ce sont des composants essentiels des systèmes d’automatisation et de contrôle à distance. En automatisation industrielle, les signaux électriques envoyés par l'opérateur via la console de commande pilotent le fonctionnement des équipements de production via des relais. Dans les maisons intelligentes, les signaux sans fil envoyés par les applications de téléphonie mobile sont convertis en signaux électriques, puis utilisés pour contrôler l'allumage et l'extinction d'appareils tels que les lumières, les climatiseurs et les serrures de porte via des relais. Dans le système électrique, les instructions à distance du centre de répartition sont transmises via des relais pour fermer et ouvrir à distance les lignes de transmission et les transformateurs, améliorant ainsi la commodité et la flexibilité du contrôle.

(V) Protection contre les surcharges et les défauts

Certains relais spécialisés (tels que les relais thermiques, les relais de surintensité et les relais de sous-tension) sont équipés de fonctions de détection de défauts et de protection. Ils peuvent surveiller des paramètres tels que le courant et la tension dans le circuit en temps réel. Lorsqu'une anomalie se produit, ils coupent automatiquement le circuit pour protéger la sécurité des équipements et des lignes. Par exemple, un relais thermique détecte le courant dans l'enroulement du moteur. Lorsque le courant est surchargé, le bilame interne se déforme à cause de la chaleur, ce qui entraîne l'ouverture du contact et la coupure de l'alimentation du moteur, empêchant ainsi le moteur de griller en raison d'une surchauffe. Le relais de sous-tension se déclenche automatiquement lorsque la tension du réseau est trop basse, empêchant ainsi l'équipement de fonctionner en surcharge à basse tension. Les relais de surintensité peuvent couper rapidement les courants de court-circuit et prévenir les accidents de sécurité tels que les incendies de ligne.

II. Scénarios d'application typiques des relais

Les scénarios d'application des relais couvrent plusieurs domaines tels que la production industrielle, la maison intelligente, les transports, les systèmes électriques et les équipements électroniques. Leur sélection et leurs fonctions sont adaptées aux exigences fondamentales de différents scénarios. Voici une explication détaillée des scénarios d’application les plus représentatifs :

(1) Domaine de l'automatisation industrielle

L'automatisation industrielle est le scénario d'application le plus important pour les relais. Presque tous les équipements de production automatisés ne peuvent se passer du contrôle et de la protection des relais. Les applications principales incluent :

Liaison du système de contrôle PLC : le PLC (Programmable Logic Controller) est au cœur du contrôle industriel, mais la capacité de charge de l'interface de sortie PLC est limitée (généralement ≤ 0,5 A) et il ne peut pas piloter directement des actionneurs tels que des contacteurs et des électrovannes. À ce stade, un relais intermédiaire est nécessaire comme « relais ». Le signal de sortie du PLC déclenche la bobine du relais intermédiaire, et le contact de grande capacité du relais intermédiaire entraîne ensuite la bobine du contacteur, contrôlant ainsi le démarrage et l'arrêt des équipements de haute puissance tels que les moteurs, les bandes transporteuses et les bras mécaniques. Par exemple, dans une chaîne de production automobile, le PLC contrôle le mouvement des robots de soudage, la marche/arrêt des équipements de peinture et le réglage de la vitesse des chaînes d'assemblage via des relais intermédiaires, réalisant ainsi une liaison précise dans le processus de production automatisé.

Contrôle et protection des moteurs : les moteurs constituent la principale source d’énergie de la production industrielle. Leur démarrage, leur arrêt, leur rotation avant et arrière, ainsi que leur protection contre les défauts nécessitent tous la participation de relais. Par exemple, lorsqu'un moteur démarre, un contacteur (essentiellement un relais haute puissance) est utilisé pour contrôler la marche/arrêt du circuit principal, un relais thermique assure la protection contre les surcharges et un relais temporisé réalise la commutation retardée du démarrage étoile-triangle (réduisant l'impact du courant de démarrage sur le réseau électrique). Dans les équipements de machines-outils, les relais peuvent également réaliser le contrôle de rotation avant et arrière des moteurs (comme la rotation avant et arrière de la broche d'un tour et la commutation du mouvement d'avance) et empêcher les défauts de court-circuit grâce au verrouillage des contacts.

Contrôle séquentiel de la chaîne de production : dans la production sur la chaîne de montage, des relais sont utilisés pour réaliser le démarrage et l'arrêt séquentiels de l'équipement, garantissant ainsi la continuité du processus de production. Par exemple, dans une ligne de production d'emballages alimentaires, la bande transporteuse doit être démarrée en premier, suivie par l'équipement de remplissage, l'équipement de scellage, l'équipement d'étiquetage et enfin l'équipement de détection. Grâce à la combinaison de relais temporisés et de relais intermédiaires, le retard de démarrage de chaque appareil est réglé pour obtenir un contrôle séquentiel de « démarrer d'abord puis arrêter ». Dans la production chimique, les relais contrôlent la séquence de chauffage, d’agitation, d’alimentation et de décharge des cuves de réaction. Pendant ce temps, la pression et la température à l’intérieur du récipient de réaction sont surveillées via des relais de pression et des relais de température. Lorsque les paramètres dépassent la norme, l'équipement concerné est automatiquement coupé pour assurer la sécurité de la production.

(2) Domaines de la maison intelligente et de l'automatisation des bâtiments

Avec le développement de la technologie Internet des objets (iot), les relais sont devenus des composants de contrôle essentiels dans les maisons intelligentes et l'automatisation des bâtiments, permettant un « contrôle sans contact » et un « fonctionnement à distance ». Les applications principales incluent :

Contrôle des appareils électroménagers et de l'éclairage : dans un système de maison intelligente, le module relais est la clé pour connecter les signaux sans fil (Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee) aux appareils électroménagers. Par exemple, les commutateurs intelligents sont équipés de relais intégrés. Grâce aux instructions émises par des applications de téléphonie mobile ou des assistants vocaux (tels que Xiaoai et Tmall Genie), ils peuvent contrôler l'allumage et l'extinction d'appareils tels que les lumières, les prises, les climatiseurs et les téléviseurs. Le rideau intelligent réalise l'ouverture et la fermeture automatiques du rideau en faisant tourner le moteur vers l'avant et vers l'arrière via un relais. La serrure de porte intelligente contrôle l'interrupteur électromagnétique du corps de la serrure via un relais pour réaliser le déverrouillage à distance et la fermeture de la serrure de porte après le déverrouillage par mot de passe.

Verrouillage de sécurité des bâtiments et de protection incendie : Dans les immeubles de bureaux, les quartiers résidentiels et autres bâtiments, des relais sont utilisés pour le contrôle de verrouillage des systèmes de sécurité et de protection incendie. Par exemple, lorsque le capteur de fumée ou l'alarme infrarouge détecte une anomalie, il déclenche l'action du relais, qui à son tour active l'alarme sonore et lumineuse pour déclencher l'alarme, l'ascenseur pour effectuer un atterrissage d'urgence, la porte du volet roulant coupe-feu pour se fermer et l'éclairage de secours pour allumer. Dans le système de protection incendie, les relais peuvent également contrôler le démarrage des pompes d'arrosage et des ventilateurs de désenfumage, ainsi que la pressurisation des bouches d'incendie, assurant l'évacuation du personnel et les besoins de lutte contre l'incendie en cas d'incendie.

Contrôle CVC : Dans le système de climatisation central des bâtiments, des relais sont utilisés pour contrôler le démarrage et l'arrêt des unités de climatisation, régler la vitesse des ventilateurs et ouvrir et fermer les électrovannes. Par exemple, le capteur de température détecte la température intérieure. Lorsque la température dépasse la valeur définie, le contrôleur déclenche le relais pour démarrer le compresseur et le ventilateur. Lorsqu'elle descend en dessous de la valeur définie, l'alimentation électrique est coupée. Dans le système d'air frais, le relais contrôle le démarrage et l'arrêt du ventilateur d'air frais et le réglage du volume d'air, et en même temps, il relie la marche et l'arrêt du purificateur d'air pour améliorer la qualité de l'air intérieur.

(3) Secteur des transports

Les systèmes électriques des véhicules de transport (automobiles, trains, navires, avions) sont complexes et ont des exigences extrêmement élevées en matière de fiabilité, de résistance aux vibrations et de résistance aux hautes et basses températures des relais. Les applications principales incluent :

Systèmes électriques automobiles : les relais dans les automobiles sont largement utilisés dans le contrôle de l'éclairage, les systèmes de démarrage, les systèmes de climatisation, les systèmes antivol, etc. Par exemple, le contrôle des phares, des clignotants et des feux stop des voitures doit être effectué via des relais (les relais spécifiques à l'automobile ont des caractéristiques d'étanchéité et anti-vibrations) pour éviter que les interrupteurs ne soient directement soumis à des courants importants et ne grillent. Dans le système de démarrage, le commutateur d'allumage déclenche le relais de démarrage et le contact haute puissance du relais de démarrage connecte l'alimentation électrique du démarreur, entraînant le démarrage du moteur (le courant de fonctionnement du démarreur peut atteindre plusieurs centaines d'ampères et un relais est nécessaire pour obtenir un petit contrôle de courant). De plus, l'embrayage du compresseur de la climatisation de la voiture, le moteur de levage des portes et fenêtres électriques et le dispositif d'alarme du système antivol, etc., sont tous contrôlés et protégés par des relais.

Systèmes de transport ferroviaire : les systèmes de commande électrique des chemins de fer à grande vitesse, des métros et autres systèmes de transport ferroviaire s'appuient sur des relais pour assurer la liaison des signaux et la protection de la sécurité. Par exemple, dans le système de traction d’un train, des relais contrôlent le démarrage, la régulation de vitesse et le freinage du moteur de traction. Dans le système de signalisation, les signaux de détection du circuit de voie sont convertis en signaux de commande via des relais pour réaliser le blocage de section du train (afin d'éviter les collisions par l'arrière). Dans le contrôle des portes, le relais relie le moteur de l'interrupteur de porte et le verrou de sécurité pour garantir que les portes s'ouvrent et se ferment précisément lorsque le train arrive en gare et restent verrouillées pendant le fonctionnement du train. De plus, des relais sont également utilisés pour contrôler les systèmes de climatisation, d'éclairage et de ventilation des trains afin d'assurer le confort des passagers.

Systèmes électriques des navires et des avions : le système d'alimentation électrique, le système de navigation et le système de communication des navires nécessitent tous un contrôle par relais. Par exemple, le démarrage et l'arrêt du moteur principal d'un navire, la commande de direction de l'appareil à gouverner et l'entraînement des équipements de pont (grues, grues d'ancrage) sont tous réalisés grâce à des relais pour contrôler les équipements de haute puissance à basse tension, et ils ont également les caractéristiques d'être étanches et résistants à la corrosion par brouillard salin. Dans le système avionique d'un avion, les relais sont utilisés pour contrôler des équipements tels que le démarrage du moteur, la rétraction et l'extension du train d'atterrissage, la climatisation de la cabine et les feux de vol. Ils doivent avoir une fiabilité extrêmement élevée (avec une tolérance aux pannes extrêmement faible) et la capacité de résister à des environnements extrêmes (températures élevées et basses, altitudes élevées et fortes vibrations).

(4) Système électrique et domaine énergétique

Les liaisons de production, de transport et de distribution d'électricité du système électrique ont des exigences extrêmement élevées en matière de sécurité et de stabilité. Les relais, en tant que composants essentiels de contrôle et de protection, garantissent le fonctionnement fiable du réseau électrique.

Contrôle des lignes de transport et de distribution : dans les lignes de transport à haute tension, des relais (tels que des relais à vide et des relais SF6) sont utilisés pour le contrôle de fermeture et d'ouverture des lignes. Le centre de répartition déclenche l'action des relais via des signaux à distance, permettant ainsi le contrôle à distance des lignes de transmission. Dans les transformateurs de distribution, les relais sont utilisés pour la protection contre les surcharges et la protection contre les gaz (pour les transformateurs immergés dans l'huile). Lorsqu'une surcharge ou un défaut interne se produit dans le transformateur, le relais coupe rapidement l'alimentation électrique pour empêcher le défaut de s'étendre.

Automatisation des sous-stations : les sous-stations sont les « hubs » du système électrique et leur contrôle automatique repose sur un grand nombre de relais. Par exemple, le relais de tension surveille la tension du bus et déclenche l’action du dispositif de régulation de tension lorsque la tension est trop élevée ou trop basse. Le relais de courant surveille le courant de ligne pour obtenir une protection contre les surintensités. Les relais temporisés sont utilisés dans les dispositifs de réenclenchement (après le déclenchement d'un défaut de ligne, ils se ferment automatiquement après un délai pour améliorer la fiabilité de l'alimentation). De plus, les relais sont également utilisés dans le contrôle des dispositifs de compensation de puissance réactive dans les sous-stations. En commutant les batteries de condensateurs, ils régulent le facteur de puissance du réseau électrique et réduisent la consommation d'énergie.

Nouveaux systèmes de production d'énergie : dans les nouveaux systèmes de production d'énergie tels que l'énergie photovoltaïque et éolienne, des relais sont utilisés pour la commutation des circuits et la protection de sécurité. Par exemple, la commutation connecté au réseau/hors réseau entre les onduleurs photovoltaïques et le réseau électrique doit être réalisée via des relais. Lorsqu'une panne du réseau électrique se produit, le relais coupe rapidement le circuit connecté au réseau pour empêcher le système photovoltaïque de transmettre le courant de défaut au réseau électrique. Dans les systèmes éoliens, les relais contrôlent le démarrage et l'arrêt des éoliennes, la direction du système de lacet (suivi de la direction du vent) et, en même temps, les relais de surintensité protègent les générateurs pour empêcher un fonctionnement en surcharge lorsque la vitesse du vent est trop élevée.

(V) Domaine des équipements électroniques et des communications

Dans les équipements de précision tels que l'électronique grand public, les appareils de communication et l'électronique médicale, les relais sont principalement utilisés pour la conversion du signal, l'isolation des circuits et le contrôle. Les applications principales incluent :

Contrôle des appareils électroniques grand public : dans les appareils électroménagers tels que les téléviseurs, les machines à laver et les réfrigérateurs, les relais sont utilisés pour la commutation de puissance, la commutation de mode et la protection contre les pannes. Par exemple, le démarrage et l'arrêt de la vanne d'arrivée d'eau, la pompe de vidange et le moteur de la machine à laver sont contrôlés par des relais pour réaliser l'enchaînement des programmes de lavage, de rinçage et de déshydratation. Le démarrage et l'arrêt du compresseur du réfrigérateur sont contrôlés par un relais. Lorsque la température à l’intérieur du caisson atteint la valeur réglée, le relais coupe l’alimentation électrique du compresseur. Une fois que la température remonte, il redémarre. Le relais de puissance du téléviseur peut permettre une commutation rapide entre le mode veille et le mode marche, réduisant ainsi la consommation d'énergie en veille.

Commutation de signal d'équipement de communication : dans les appareils de communication tels que les routeurs, les commutateurs et les stations de base, les relais sont utilisés pour la commutation de liaison de signal et la protection contre la foudre. Par exemple, dans les équipements des stations de base, des relais sont utilisés pour commuter les signaux radiofréquence (tels que la commutation des liaisons primaires et de secours), garantissant ainsi la continuité des signaux de communication. Le relais du routeur est utilisé pour la protection contre la foudre du port Ethernet. Lorsqu'il est frappé par la foudre, le relais court-circuite rapidement pour décharger le courant de foudre, protégeant ainsi les puces internes de l'appareil. Dans les centres de données, les relais sont également utilisés pour la commutation redondante des alimentations des serveurs. En cas de panne de l'alimentation principale, il passe rapidement à l'alimentation de secours pour garantir que les données ne soient pas perdues.

Contrôle des équipements électroniques médicaux : les équipements électroniques médicaux (tels que les ventilateurs, les appareils d'électrocardiogramme et les instruments de diagnostic à ultrasons) ont des exigences extrêmement élevées en matière de sécurité et de stabilité électriques. Les relais sont utilisés pour l'isolation des circuits et un contrôle précis. Par exemple, dans un ventilateur, des relais contrôlent l’ouverture et la fermeture de la vanne de débit d’air et le réglage du volume d’oxygène délivré. Les relais d'isolement sont utilisés pour empêcher les interférences électriques entre le circuit de commande et le circuit de contact du patient, garantissant ainsi la sécurité du patient. Dans un électrocardiographe, des relais sont utilisés pour la commutation des signaux (comme la commutation entre différentes dérivations) afin d'assurer la collecte précise des signaux de détection. Dans le système d'alimentation électrique des équipements médicaux, les relais sont également utilisés pour la protection contre les surcharges et les fuites afin d'éviter que les pannes de l'équipement ne causent des dommages au personnel médical et aux patients.

(6) Domaines de l’agriculture et de la sécurité

Contrôle d'automatisation agricole : Dans l'agriculture moderne, les relais sont utilisés dans les systèmes d'irrigation, le contrôle des serres et le contrôle automatisé des équipements d'élevage. Par exemple, dans une serre, un capteur d’humidité détecte l’humidité du sol. Lorsque l'humidité descend en dessous de la valeur définie, un relais déclenche le démarrage de la pompe à eau, réalisant ainsi une irrigation automatique. Le capteur de température contrôle l'allumage et l'extinction des lampes chauffantes et des ventilateurs de ventilation pour maintenir une température et une humidité constantes à l'intérieur de la serre. En aquaculture, les relais contrôlent le démarrage et l'arrêt des aérateurs (démarrage automatique lorsque l'oxygène dissous dans l'eau est insuffisant) et l'alimentation chronométrée des mangeoires, améliorant ainsi l'efficacité de l'aquaculture.

Système de surveillance de sécurité : dans les systèmes de sécurité, des relais sont utilisés pour la liaison entre les dispositifs d'alarme et les actionneurs. Par exemple, lorsque les détecteurs de faisceaux infrarouges et les capteurs magnétiques de portes et fenêtres détectent des intrus illégaux, ils déclenchent des actions de relais, qui à leur tour déclenchent des alarmes sonores et lumineuses, des caméras de surveillance pour enregistrer des vidéos et des systèmes de contrôle d'accès pour verrouiller. Dans les lieux importants comme les banques et les musées, les relais peuvent également être reliés au système de protection incendie et aux portes de passage de secours. En cas d'urgence, ils ouvriront automatiquement le passage de secours et couperont simultanément les sources d'énergie inutiles.