Démarrage de moteurs asynchrones

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Un moteur asynchrone démarre avec un très fort appel de courant. En général cela n'a pas d'effet mécanique (le couple au démarrage est relativement faible), mais à cause du fort courant au démarrage il est nécessaire de prévoir des contacteurs plus puissants. Si plusieurs gros moteurs doivent démarrer ensemble, il faut les alimenter séquentiellement. Mais il existe plusieurs méthodes pour limiter le courant au démarrage.

Les méthodes de démarrage d'un moteur asynchrone sont les mêmes que celles d'un moteur synchrone à enroulement amortisseur. Cet enroulement qui ressemble à une cage d'écureuil permet le démarrage asynchrone.

Circuit pour le démarrage étoile-triangle

Autotransformateur pour le démarrage d'un moteur asynchrone de 45kW. On voit bien qu'il s'agit d'un autotransfo: chaque bobinage n'a que trois branchements.

Plaquette d'un auto-transformateur de démarrage

Au démarrage, le contacteur KM1 est fermé, avec son contact supplémentaire, il enclenche également KM2. Au bout d'un temps défini par le temporisateur, le contact KM1 est ouvert, KM2 s'ouvre également et KM3 est enclenché.

Relais de démarrage étoile-triangle

Le moteur asynchrone se comporte à l'arrêt comme un transformateur dont le secondaire serait cours-circuité. Le courant maximum n'est limité que par l'entrefer et par la construction de la cage d'écureuil. Mais l'appel de courant reste important et nécessite des mesures quand on démarre de gros moteurs.

Les moteurs monophasés (à condensateur de démarrage ou à bague de déphasage) ont également un courant de démarrage élevé, mais n'ont pas de systèmes de démarrage car ces moteurs sont généralement peu puissants.

1- Démarrage avec résistances statoriques

Ce type de démarrage n'est signalé que pour donner un apperçu complet. Ce type de démarrage n'est actuellement plus utilisé. Il utilise des résistances qui sont mises en série sur l'alimentation du stator. Une fois que le moteur a atteint une vitesse minimale, les résistances sont cours-circuitées.

Avantages:

Système simple
Fonctionne avec tous les moteurs
La tension au démarrage peut être adaptée par le choix des résistances

Inconvénients:

Perte de puissance dans les résistances au démarrage
Manque de couple au démarrage

A cause de ces inconvénients, le démarrage par résistances statorique a été remplacé par le démarrage à résistances rotoriques dans les applications plus pointues. Dans certains cas, le banc de résistances a été remplacé par un auto-transformateur.

2- Démarrage avec résistances rotoriques

Ce type de démarrage n'est possible qu'avec un moteur à cage bobinée. Le rotor est bobiné et trois bagues sur le rotor font contact avec des balais sur le stator. Ce système permet un démarrage avec un appel de courant moindre et un couple plus élevé. Certains moteurs ont des résistances sur le rotor même: elles sont cours-circuitées par un contact centrifuge. Ce système était souvent utilisé avec un rhéostat manuel. La puissance dissipée dans les résistances de démarrage est très faible en comparaison des résistances statoriques.

Avantages:

Couple plus élevé avec un appel de courant moindre
Fonctionnement automatique dans le cas de résistances sur le rotor et contacteur centrifuge

Inconvénients:

Système mécanique qui nécessite de l'entretien (bagues et balais ou contacteur centrifuge)
Nécessite un moteur spécial (moteur à cage bobinée).

Les moteurs à cage bobinée ne sont presque plus fabriqués: d'autres systèmes plus simples peuvent remplacer le moteur dans la plupart des cas.

3- Démarrage étoile - triangle

Le moteur est branché en étoile pendant le démarrage. La tension aux bornes des bobinages est alors 1.7× moindre et la puissance consommée environ 3× moindre. Après quelques secondes, le moteur est commuté en triangle et les bobinages reçoivent la tension de secteur normale.

Avantages:

Système très simple et standardisé
Ne nécessite pas de composants supplémentaires coûteux.

Inconvénients:

Le rapport de tension entre étoile et triangle est fixe, le couple au démarrage est parfois insuffisant (démarrage très lent)
N'est pas possible avec tous les moteurs (moteur à couplage de pôles de type dahlander ou moteurs qui sont toujours branchés en étoile, par exemple moteur 400V fonctionnant sur un réseau industriel 400/680V)

C'est le type de démarrage standard de gros moteurs industriels. Le démarrage doit se faire à vide ou à faible charge à cause du faible couple de démarrage.

4- Démarrage par auto-transformateur

On utilise un autotransformateur pour prélever une tension réduite pendant le démarrage. Contrairement au système étoile-triangle, le rapport de transformation peut être choisi librement: c'est souvent la raison du choix du démarrage par auto-transformateur. Comme le transformateur ne sert qu'au démarrage, il peut être moins puissant que la puissance du moteur.

Avantages:

Démarrage plus puissant qu'un démarrage par résistances statoriques
Rapport de transformation peut être spécifié à la commande
Peut être utilisé là où un démarrage étoile-triangle n'est pas possible à cause de la configuration du moteur (voir plus haut)

Inconvénients:

Nécessite un transformateur
Réduction du facteur de puissance à cause de la self-induction du transformateur.

Ce système est encore utilisé pour certains gros moteurs. On utilise un autotransformateur qui nécessite moins de cuivre (pas de secondaire).

La plaquette de l'autotransformateur indique que le démarrage peut durer 6 secondes au maximum, et les démarrages successifs 2 secondes. Maximum de 6 démarrages par heure.

Les (auto)transformateurs sont décits plus end étail ici.

Le relais à droite est utilisé pour la commutation étoile-triangle. Le relais est alimentée en 24V alternatif. Le double condensateur électrochimique est alimenté via une diode et une résistance et se charge en 500ms. Il n'y a pas de contrôle que le moteur ait atteint une vitesse suffisante. Le relais n'alimente pas directement le moteur, mais les gros contacteurs. le système peut être utilisé pour un démarrage étoile-triangle ou par auto transformateur.

5- Démarrage par soft starter

Le soft starter est un hacheur qui va augmenter progressivement la tension d'alimentation du moteur. Le hacheur doit avoir des circuits de filtrage pour éliminer les fréquences harmoniques.

Avantages:

Permet un démarrage graduel (programmable)
Plus petit qu'un auto-transformateur pour une puissance donnée

Inconvénients:

Peut produire des parasites sur le réseau et des parasites radio
Le soft starter est souvent remplacé par un variateur de fréquence qui a plus de fonctionalités.

6- Démarrage par variateur de fréquence

Le démarrage par variateur de fréquence est actuellement le système de référence pour le démarrage de gros moteurs industriels. En plus du démarrage, le variateur permet de varier la vitesse du moteur sans (trop) réduire le couple du moteur.

Avantages:

Permet un démarrage graduel programmable et une variation continue de la vitesse
Facteur de puissance plus élevé, le moteur est utilisé au meilleur de ses capacités
Permet d'alimenter un moteur triphasé à partir du réseau monophasé (puissances limitées)

Inconvénients:

Système plus cher, mais avec les avancées de l'électronique de puissance on trouve des variateurs relativement bon marché.

Ce système est utilisé chaque fois qu'une vitesse variable du moteur est nécessaire. Le variateur permet également une montée en vitesse programmable.

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