Le relais thermique se monte juste sous le contacteur, et le courant des trois phases allant au moteur traverse les bilames qu’il contient. Plus le courant augmente, plus les bilames chauffent et se courbent ; à un certain point, le mécanisme déclenche, le contact auxiliaire s’ouvre et la bobine du contacteur n’est plus alimentée. Sa réaction ressemble à l’échauffement du moteur : il ouvre au bout de quelques minutes pour un petit dépassement, en quelques secondes pour un grand. Le courant de démarrage étant bref, il ne fait pas déclencher le relais. Un relais déclenché ne peut être réarmé que quelques minutes plus tard, une fois les bilames refroidis.
Le bouton de réglage se place sur l’intensité nominale inscrite sur la plaque du moteur ; le relais n’ouvre pas jusqu’à environ 1,05 fois cette valeur, et ouvre en moins de deux heures à 1,2 fois. La classe de déclenchement se choisit selon la durée de démarrage : la classe 10 ouvre en 10 secondes au plus à 7,2 fois le courant de réglage et convient à la plupart des compresseurs et des ventilateurs. Le relais ne protège pas contre le court-circuit ; il doit être précédé d’un fusible ou d’un disjoncteur moteur. On choisit un relais dont la plage de réglage est centrée sur l’intensité du moteur.
La plupart des relais thermiques actuels sont sensibles à la perte de phase : si l’une des phases est coupée, les bilames se courbent différemment et le relais ouvre plus tôt que la normale. Un relais de contrôle de phases séparé assure néanmoins une protection plus rapide et plus sûre. Les compresseurs hermétiques et semi-hermétiques comportent en outre des sondes de température noyées dans le bobinage (thermistances) et leur module ; le relais thermique surveille le courant, la thermistance directement la température du bobinage. Les relais électroniques de surcharge font le même travail avec plus de précision et ne sont pas influencés par la température ambiante.
Si le thermique a déclenché, on n’appuie pas sur le bouton pour passer à autre chose sans en avoir trouvé la cause. Les causes habituelles sont les suivantes : haute pression de condensation (condenseur encrassé, ventilateur arrêté), tension basse ou déséquilibrée, coupure d’une phase, blocage mécanique, contact de contacteur affaibli et borne desserrée. Augmenter le réglage ne résout pas le problème, cela laisse le moteur sans protection. La position de réarmement automatique n’est pas recommandée pour les compresseurs frigorifiques ; on laisse le relais en réarmement manuel afin que le défaut soit remarqué. Quand le relais a déclenché, l’intensité et la tension des trois phases sont mesurées et consignées.