Démarrages moteur asynchrone triphasé
Cette partie est exclusivement consacrée au démarrage, des moteurs asynchrones de tous types. Pour un descriptif physique et électrique des moteurs, veuillez consulter la partie ‘moteur :schéma équivalent et caractéristique mécanique’. Cette partie n’aborde pas le fonctionnement à vitesse variable des moteurs. La variation de vitesse, qui peut être considérée comme un départ moteur sophistiqué est traité dans la partie consacrée à cette fonction.
III.1 Démarrage des moteurs à induction
1.1 Introduction
Lors de la mise sous tension d’un moteur, l’appel de courant sur le réseau est important et peut, surtout si la section de la ligne d’alimentation est insuffisante, provoquer une chute de tension susceptible d’affecter le fonctionnement des récepteurs. Parfois, cette chute de tension est telle qu’elle est perceptible sur les appareils d’éclairage. Pour remédier à ces inconvénients, les règlements de quelques secteurs interdisent, au-dessus d’une certaine puissance, l’emploi de moteurs démarrant en direct. En fonction des caractéristiques du moteur et de la charge, plusieurs méthodes de démarrages sont utilisées. Le choix sera dicté par des impératifs électriques, mécaniques et économiques. La nature de la charge entraînée aura également une grande incidence sur le mode de démarrage à retenir.
1.2 Les principaux modes de démarrage Introduction :
1.2.1 Démarrage direct:
C'est le mode de démarrage le plus simple dans lequel le stator est directement couplé sur le réseau (Fig.1). Le moteur démarre sur ses caractéristiques naturelles. Au moment de la mise sous tension, le moteur se comporte comme un transformateur dont le secondaire, constitué par la cage du rotor très peu résistante, est en court-circuit. Le courant induit dans le rotor est important. Il en résulte une pointe de courant sur le réseau : I démarrage = 5 à 8 I nominal. Le couple de démarrage est en moyenne : C démarrage = 0.5 à 1.5 C nominal. Malgré les avantages qu'il présente (simplicité de l'appareillage, couple de démarrage élevé, démarrage rapide, prix faible), le démarrage direct ne peut convenir que dans les cas où : - la puissance du moteur est faible par rapport à la puissance du réseau, de manière à limiter les perturbations dues à l'appel de courant, - la machine entraînée ne nécessite pas une mise en vitesse progressive où comporte un dispositif amortisseur qui réduit le choc du démarrage, - le couple de démarrage peut être élevé sans incidence sur le fonctionnement de la machine ou de la charge entraînée.
1.2.2 Démarrage étoile-triangle:
Ce mode de démarrage (Fig.2) ne peut être utilisé qu'avec un moteur sur lequel les deux extrémités de chacun des trois enroulements statoriques sont ramenées sur la plaque à bornes. Par ailleurs, le bobinage doit être réalisé de telle sorte que le couplage triangle corresponde à la tension du réseau : par exemple, pour un réseau triphasé 380 V, il faut un moteur bobiné en 380 V triangle et 660 V étoile. Le principe consiste à démarrer le moteur en couplant les enroulements en étoile sous la tension réseau, ce qui revient à diviser la tension nominale du moteur en étoile par √3 (dans l'exemple ci-dessus, la tension réseau 380 V = 660 V/√3). La pointe de courant de démarrage est divisée par 3 : - Id = 1.5 à 2.6 In. En effet, un moteur 380 V/660 V couplé en étoile sous sa tension nominale 660 V absorbe un courant √3 fois plus faible qu'en couplage triangle sous 380 V. Le couplage étoile étant effectué sous 380 V, le courant est divisé une nouvelle fois par √3 donc au total par 3. Le couple de démarrage étant proportionnel au carré de la tension d'alimentation, il est lui aussi divisé par 3 : - Cd = 0.2 à 0.5 CN La vitesse du moteur se stabilise quand les couples moteur et résistant s'équilibrent, généralement entre 75 et 85 % de la vitesse nominale. Les enroulements sont alors couplés en triangle et le moteur rejoint ses caractéristiques naturelles. Le passage du couplage étoile au couplage triangle est commandé par un temporisateur. La fermeture du contacteur triangle s'effectue avec un retard de 30 à 50 millisecondes après l'ouverture du contacteur étoile, ce qui évite un court-circuit entre phases, les deux contacteurs ne pouvant être fermés simultanément. Le courant qui traverse les enroulements est interrompu à l'ouverture du contacteur étoile. Il se rétablit à la fermeture du contacteur triangle. Ce passage en triangle s'accompagne d'une pointe de courant transitoire très brève mais très importante, due à la force contre-électromotrice du moteur. Le démarrage étoile triangle convient aux machines qui ont un faible couple résistant ou qui démarrent à vide (ex : machine à bois). Pour limiter ces phénomènes transitoires, des variantes peuvent être nécessaire, au-delà d'une certaine puissance. L’une consiste en une temporisation de 1 à 2 secondes au passage étoile-triangle
Cette temporisation permet une diminution de la force contre-électromotrice, donc de la pointe de courant transitoire. Ceci ne peut être utilisé que si la machine a une inertie suffisante pour éviter un ralentissement trop important pendant la durée de la temporisation. Une autre est le démarrage en 3 temps : étoile-triangle + résistance-triangle. La coupure subsiste, mais la résistance mise en série, pendant trois secondes environ, avec les enroulements couplés en triangle, réduit la pointe de courant transitoire. Une variante est le démarrage étoile-triangle + résistance-triangle sans coupure. La résistance est mise en série avec les enroulements immédiatement avant l'ouverture du contacteur étoile. Ceci évite toute interruption de courant, donc l'apparition de phénomènes transitoires. L'utilisation de ces variantes se traduit par la mise en œuvre de matériel supplémentaire, ce qui peut avoir pour conséquence une augmentation non négligeable du coût de l'installation
1.2.3 Démarrage de moteurs à enroulements partagés “part Win ding”
Ce système (Fig.3), peu utilisé en Europe, l'est surtout sur le marché nord-américain (tension 230/460 V, rapport égal à 2). Ce type de moteur comporte un enroulement statorique dédoublé en deux enroulements parallèles avec six ou douze bornes sorties. Il est équivalent à deux “demi moteurs" d’égale puissance. Au démarrage, un seul “demi moteur" est couplé en direct sous la pleine tension du réseau, ce qui divise le courant de démarrage et le couple approximativement par deux. Ce dernier est néanmoins supérieur au couple que fournirait un moteur à cage de même puissance démarrant en étoile-triangle. En fin de démarrage, le second enroulement est couplé sur le réseau. A ce moment, la pointe de courant est faible et de courte durée, car le moteur n’a pas été séparé du réseau d’alimentation et n’a plus qu’un faible glissement.
1.2.4 Démarrage statorique à résistance
Le principe (Fig.4) consiste à démarrer le moteur sous tension réduite en insérant des résistances en série avec les enroulements. Lorsque la vitesse se stabilise, les résistances sont éliminées et le moteur est couplé directement sur le réseau. Cette opération est généralement commandée par un temporisateur. Dans ce mode de démarrage, le couplage des enroulements du moteur n'est pas modifié. Il n'est donc pas nécessaire que les deux extrémités de chaque enroulement soient sorties sur la plaque à bornes. La valeur de la résistance est calculée en fonction de la pointe de courant au démarrage à ne pas dépasser, ou de la valeur minimale du couple de démarrage nécessaire compte tenu du couple résistant de la machine entraînée. En général, les valeurs de courant et de couple de démarrage sont : - Id = 4.5 In - Cd = 0.75 CN. Pendant la phase d'accélération avec les résistances, la tension appliquée aux bornes du moteur n'est pas constante. Cette tension est égale à la tension du réseau diminuée de la chute de tension dans la résistance de démarrage. La chute de tension est proportionnelle au courant absorbé par le moteur. Comme le courant diminue au fur et à mesure de l'accélération du moteur, il en est de même pour la chute de tension dans la résistance. La tension appliquée aux bornes du moteur est donc minimale au moment du démarrage, et elle augmente progressivement. Le couple étant proportionnel au carré de la tension aux bornes du moteur, il augmente plus rapidement que dans le démarrage étoile triangle où la tension reste fixe pendant tout le temps du couplage étoile. Ce mode de démarrage convient donc bien aux machines ayant un couple résistant croissant avec la vitesse, comme par exemple les ventilateurs ou les pompes centrifuges. Il présente l'inconvénient d'une pointe de courant relativement importante au démarrage. Cette pointe pourrait être réduite en augmentant la valeur de la résistance, mais cela entraînerait une chute de tension supplémentaire aux bornes du moteur, et par conséquent une diminution importante du couple de démarrage. En revanche, l'élimination de la résistance en fin de démarrage se fait sans qu'il y ait interruption de l'alimentation du moteur, donc sans phénomène transitoire
1.2.5 Démarrage par autotransformateur Le moteur est alimenté sous tension réduite par l'intermédiaire d'un autotransformateur qui est mis hors circuit quand le démarrage est terminé (Fig.5). Le démarrage s'effectue en trois temps : - au premier temps, l'autotransformateur est d'abord couplé en étoile, puis le moteur est couplé au réseau à travers une partie des enroulements de l'autotransformateur. Le démarrage s'effectue sous une tension réduite qui est fonction du rapport de transformation. L'autotransformateur est généralement muni de prises permettant de choisir le rapport de transformation, donc la valeur de la tension réduite la mieux adaptée, - avant de passer au couplage pleine tension, l'toilage est ouvert. La fraction de bobinage raccordée au réseau constitue alors une inductance en série avec le moteur. Cette opération est effectuée lorsque la vitesse d'équilibre est atteinte à la fin du premier temps, - le couplage pleine tension intervient après le deuxième temps généralement très court (de l’ordre d’une fraction de seconde). La portion de bobinage de l'autotransformateur en série avec le moteur est court-circuitée, puis l'autotransformateur est mis hors circuit. Le courant et le couple de démarrage varient dans les mêmes proportions. Ils sont divisés par (U réseau/U réduite). Les valeurs obtenues sont les suivantes : Id = 1.7 à 4 In Cd = 0.5 à 0.85 CN Le démarrage s'effectue sans qu'il y ait interruption du courant dans le moteur. De ce fait, les phénomènes transitoires liés à une telle interruption n'existent pas. En revanche, si certaines précautions ne sont pas prises des phénomènes transitoires de même nature peuvent apparaître lors du couplage sous pleine tension. En effet, la valeur de l'inductance en série avec le moteur, après ouverture de l'entoilage, est grande par rapport à celle du moteur. Il s'ensuit une chute de tension importante qui entraîne une pointe de courant transitoire élevée au moment du couplage sous pleine tension. Pour éviter cet inconvénient, le circuit magnétique de l'autotransformateur comporte un entrefer dont la présence conduit à une diminution de la valeur de l'inductance. Cette valeur est calculée de telle façon qu'au moment de l'ouverture de l'entoilage deuxième temps, il n'y ait pas de variation de tension aux bornes du moteur. La présence de l'entrefer a pour conséquence une augmentation du courant magnétisant de l'autotransformateur. Ce courant magnétisant augmente l'appel de courant dans le réseau lors de la mise sous tension de l'autotransformateur. Ce mode de démarrage est généralement utilisé en BT pour des moteurs de puissance supérieure à 150 kW. Mais il conduit à des équipements relativement coûteux en raison du prix élevé de l'autotransformateur
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