Démarrage des moteurs asynchrones

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - expliquer le principe de chaque type de démarrage des moteurs asynchrones triphasés ; - réaliser le schéma de câblage correspondant et identifier les éléments de commande ; - dimensionner les résistances, réactances ou condensateurs nécessaires au démarrage d’un moteur donné ; - mettre en service un démarrage en toute sécurité en respectant les normes camerounaises (NF C 15-100, arrêté du 12 janvier 2002 sur les installations électriques) ; - diagnostiquer les défauts fréquents liés au démarrage et proposer les actions correctives. **Prérequis** : connaissances de base en électrotechnique (loi d’Ohm, loi des nœuds, puissance triphasée), notions de moteur asynchrone (couple, glissement, courant d’appel), lecture de schémas électriques et utilisation d’un multimètre. > **À retenir** : le courant d’appel d’un moteur asynchrone peut atteindre 5 à 7 fois son courant nominal (In). ## Introduction contextualisée Dans les ateliers de maintenance industrielle au Cameroun (scieries, usines de transformation agroalimentaire, centrales de traitement d’eau), les moteurs asynchrones triphasés sont largement utilisés pour entraîner des pompes, des compresseurs, des convoyeurs ou des machines-outils. Leur mise en marche doit être contrôlée afin de limiter les surtensions au réseau et les contraintes mécaniques sur l’arbre. Le chapitre présente les cinq méthodes de démarrage prescrites par le programme officiel : démarrage direct, étoile‑triangle, statorique, rotoriques et par condensateur. Chaque méthode est étudiée sous l’angle du principe de fonctionnement, du schéma de câblage, des avantages/inconvénients, de la procédure de mise en service et d’un exemple de dimensionnement adapté à un moteur typique de 7,5 kW, 400 V, 50 Hz. ## I. Démarrage direct ### Principe Le moteur est connecté directement au réseau triphasé. Le courant d’appel (I_d) est donc égal au courant de démarrage du moteur, sans aucune limitation. ### Schéma de câblage ``` L1 ----+----+----+----> U1 | | | L2 ----+----+----+----> V1 | | | L3 ----+----+----+----> W1 | | | +----+----+----> U2,V2,W2 (bornes du moteur) ``` Le dispositif de commande comprend un contacteur principal (K1) et un bouton d’arrêt d’urgence. ### Avantages / inconvénients - **Avantages** : simplicité, coût faible, aucune pièce supplémentaire. - **Inconvénients** : courant d’appel élevé (5‑7 In) pouvant provoquer une chute de tension du réseau et un choc mécanique sur l’arbre. ### Procédure de mise en service 1. Vérifier l’absence de tension sur les bornes du moteur (multimètre en position VAC). 2. S’assurer que le contacteur K1 est ouvert. 3. Fermer le disjoncteur de protection (calibré à 1,25 In). 4. Actionner le bouton de marche : K1 se ferme, le moteur démarre directement. 5. Surveiller le courant pendant les premières secondes avec une pince ampèremétrique. ### Exemple chiffré Moteur : Pn = 7,5 kW, V = 400 V, cos φ = 0,85, rendement η = 0,88. Courant nominal : In = Pn / (√3·V·cos φ·η) = 7500 / (1,732·400·0,85·0,88) ≈ 14,5 A. Courant d’appel estimé : Id ≈ 6·In ≈ 87 A. Le disjoncteur de protection doit donc être réglé à ≥ 1,25·In ≈ 18 A (type C) et le contacteur doit supporter au moins 1,5·Id ≈ 130 A en fermeture. > **À retenir** : pour un démarrage direct, le disjoncteur de protection doit être choisi selon la règle 1,25 In et le contacteur selon 1,5 Id. ## II. Démarrage étoile‑triangle ### Principe Le moteur est d’abord couplé en étoile (réduction de la tension appliquée à chaque enroulement à V/√3), puis, après un délai réglé (souvent 5‑10 s), il est basculé en triangle (tension pleine V). Le courant d’appel est ainsi réduit d’un facteur 3. ### Schéma de câblage (simplifié) - **Phase étoile** : contacteur Kétoile (KY) ferme les trois branches en étoile. - **Phase triangle** : contacteur Ktriangle (KΔ) ferme les branches en triangle après ouverture de KY. Un relais temporel (RT) commande la séquence KY → ouverture KY → fermeture KΔ. ### Avantages / inconvénients - **Avantages** : réduction du courant d’appel à ≈ 1/3 du démarrage direct, moindre contrainte mécanique. - **Inconvénients** : besoin de deux contacteurs et d’un temporisateur, coût légèrement supérieur, pas adapté aux démarrages fréquents (usure des contacts). ### Procédure de mise en service 1. Vérifier le câblage étoile (U1‑V2, V1‑W2, W1‑U2 reliés ensemble). 2. Régler le relais temporel sur 6 s (valeur typique pour un moteur de 7,5 kW). 3. Fermer le disjoncteur de protection. 4. Actionner le bouton de marche : KY se ferme, moteur en étoile, démarrage doux. 5. Après le délai, RT ouvre KY et ferme KΔ : moteur passe en triangle, fonctionne à pleine tension. ### Exemple chiffré Moteur identique à la section I. Courant d’appel en étoile : Iy ≈ Id/3 ≈ 29 A. Le contacteur KY doit supporter au moins 1,5·Iy ≈ 44 A. Le contacteur KΔ, qui ne voit que le courant de fonctionnement (≈ In), doit être dimensionné à 1,5·In ≈ 22 A. Le relais temporel doit être réglé pour permettre au moteur d’atteindre 80 % de sa vitesse nominale avant le passage en triangle (environ 5‑7 s pour ce moteur). > **À retenir** : le démarrage étoile‑triangle réduit le courant d’appel d’un facteur 3 et nécessite un temporisateur pour le basculement. ## III. Démarrage statorique (résistance ou réactance en série) ### Principe On insère une résistance (ou une réactance) en série avec chaque enroulement du stator pendant la phase de démarrage. Cette impédance limite le courant d’appel. Après un temps prédéfini, l’impédance est court-circuitée (court‑circuitage des résistances ou des bobines) et le moteur fonctionne normalement. ### Schéma de câblage (résistance) Chaque phase comporte un contacteur de puissance (Kp) et un contacteur de court‑circuit (Kc) en parallèle avec une résistance Rs. Au démarrage, Kp est fermé, Kc ouvert → courant limité par Rs. Après délai, Kc ferme, Kp reste fermé → Rs court‑circuitée. ### Avantages / inconvénients - **Avantages** : courant d’appel réglable par le choix de Rs, aucune modification du couplage du moteur. - **Inconvénients** : pertes dans les résistances (chauffage), besoin de résistances de puissance élevée, encombrement. ### Procédure de mise en service 1. Calculer la résistance nécessaire pour limiter le courant à une valeur souhaitée (ex. 2 In). 2. Installer les résistances de puissance (type bobine de nichrome) avec une capacité de dissipation adaptée (ex. 50 W chacune). 3. Vérifier le câblage : chaque phase → Kp → Rs → Kc → borne moteur. 4. Régler le temporisateur sur le temps de court‑circuitage (souvent 3‑5 s). 5. Fermer le disjoncteur, actionner le marche : démarrage avec Rs, puis après délai, Kc ferme → moteur en fonctionnement normal. ### Exemple chiffré On veut limiter le courant d’appel à 2 In = 29 A. Tension phase‑neutre en étoile (ou phase‑phase en triangle) : Vph = 400 V (triangle) ou 230 V (étoile). En supposant un couplage triangle, Vph = 400 V. Impédance souhaitée : Zs = Vph / I_limite = 400 V / 29 A ≈ 13,8 Ω. L’impédance du moteur à l’arrêt (environ 0,5 Ω) est négligeable, donc Rs ≈ 13,8 Ω. Choisir une résistance de 15 Ω, 50 W (puissance dissipée au démarrage : P = I²·Rs ≈ 29²·15 ≈ 12,6 kW, mais seulement pendant quelques secondes, donc une résistance de 50 W avec refroidissement forcé ou une bobine de résistance de 500 W est utilisée en pratique). > **À retenir** : la résistance de démarrage statorique se calcule par Rs = Vph / I_limite – Rmoteur (≈ Vph / I_limite). ## IV. Démarrage rotoriques (résistance rotorique) ### Principe On introduit une résistance variable dans le circuit du rotor (via les bagues collectrices et un rheostat) afin d’augmenter le glissement et de réduire le courant d’appel du stator. Au fur et à mesure que le moteur accélère, la résistance est progressivement réduite jusqu’à zéro (court‑circuit du rotor). ### Schéma de câblage Le stator est connecté directement au réseau. Le rotor est relié à un rheostat à trois branches (une par phase) via les bagues collectrices. Un contacteur de court‑circuit (Krc) shunt le rheostat lorsqu’il est à zéro. ### Avantages / inconvénients - **Avantages** : démarrage très doux, courant d’appel fortement réduit, adapté aux machines à forte inertie (broyeurs, centrifugeuses). - **Inconvénients** : nécessité de bagues collectrices et d’un rheostat de puissance, entretien régulier, pertes dans le rheostat. ### Procédure de mise en service 1. Vérifier l’isolement des bagues collectrices. 2. Installer le rheostat de puissance (ex. 3 × 5 Ω, 200 W chacun). 3. Régler le rheostat à sa valeur maximale (résistance totale élevée). 4. Fermer le disjoncteur de protection du stator. 5. Actionner le marche : le moteur démarre avec une résistance rotorique élevée → faible courant statorique. 6. Au moyen d’un variateur manuel ou automatique, réduire progressivement la résistance du rheostat jusqu’à zéro, puis fermer Krc pour court‑circuiter le rotor. ### Exemple chiffré Moteur 7,5 kW, 400 V, In = 14,5 A. On veut limiter le courant statorique à 1,5 In ≈ 22 Au démarrage. Le facteur de réduction du courant dû à la résistance rotorique s’approche de Rr/(Rr+Rr0) où Rr0 est la résistance du rotor court‑circuit (≈ 0,2 Ω). En pratique, on choisit Rr ≈ 5 Ω pour obtenir un courant d’appel d’environ 20 A. Le rheostat doit donc pouvoir dissiper P = I²·Rr ≈ (20)²·5 ≈ 2 kW pendant quelques secondes ; on utilise donc un rheostat de 3 kW avec ventilation forcée. > **À retenir** : le démarrage rotoriques nécessite un rheostat de puissance placé dans le circuit du rotor et permet de réduire le courant d’appel en augmentant le glissement. ## V. Démarrage par condensateur (moteur asynchrone triphasé avec enroulement auxiliaire) ### Principe Bien que le condensateur soit principalement utilisé pour les moteurs monophasés, on peut l’appliquer à un moteur triphasé en créant un enroulement auxiliaire déphasé de 90° grâce à un condensateur placé en série avec cet enroulement. Lors du démarrage, l’enroulement auxiliaire crée un champ tournant qui aide à produire le couple de démarrage, puis il est coupé après atteinte d’une certaine vitesse (via un relais centrifuge ou un temporisateur). ### Schéma de câblage - Enroulement principal connecté directement au réseau (U1‑V1‑W1). - Enroulement auxiliaire (U2‑V2‑W2) en série avec un condensateur C. - Un relais de vitesse (ou un temporisateur) commande l’ouverture d’un contacteur Kc qui shunt le condensateur lorsque la vitesse atteint 70‑80 % de la vitesse synchrone. ### Avantages / inconvénients - **Avantages** : réduction du courant d’appel, couple de démarrage amélioré, aucune résistance de puissance. - **Inconvénients** : besoin d’un enroulement auxiliaire spécifique (pas présent sur tous les moteurs), dimensionnement précis du condensateur, entretien du relais de vitesse. ### Procédure de mise en service 1. Vérifier la présence de l’enroulement auxiliaire et son bon isolement. 2. Calculer la capacité nécessaire (voir exemple). 3. Installer le condensateur de type papier‑huile ou polypropylène, tension nominale ≥ 2 × Vligne (ex. 800 VAC pour du 400 V). 4. Monter le relais de vitesse sur l’arbre ou utiliser un temporisateur réglé à 5 s. 5. Fermer le disjoncteur, actionner le marche : le condensateur est en circuit, moteur démarre avec un déphasage auxiliaire. 6. Lorsque la vitesse atteinte, le relais ouvre le contacteur Kc, shuntant le condensateur ; le moteur fonctionne alors en mode normal triphasé. ### Exemple chiffré Moteur 7,5 kW, 400 V, 50 Hz. On veut créer un déphasage de 90° entre les courants principal et auxiliaire. La réactance du condensateur Xc = 1/(2πfC). Pour obtenir un courant auxiliaire Ia ≈ 0,3·In (valeur typique pour un bon couple de départ), on prend Ia = 0,3·14,5 ≈ 4,35 A. Tension auxiliaire ≈ Vligne = 400 V (l’enroulement auxiliaire est connecté entre deux phases). Donc Xc = V / Ia = 400 / 4,35 ≈ 92 Ω. Capacité C = 1/(2πfXc) = 1/(2·π·50·92) ≈ 34,6 µF. On choisit un condensateur de 35 µF, 800 VAC, type polypropylène. Le courant de décharge du condensateur au démarrage est Ic = V·2πfC ≈ 400·2·π·50·35e‑6 ≈ 4,4 A, conforme au calcul. > **À retenir** : pour un démarrage par condensateur sur moteur triphasé, la capacité se calcule par C = Ia / (2πf·Vaux) où Ia est le courant auxiliaire souhaité (souvent 0,3 In). ## Synthèse du chapitre - **Démarrage direct** : simple, coût faible, courant d’appel 5‑7 In. - **Démarrage étoile‑triangle** : courant d’appel réduit à ≈ Id/3, nécessite deux contacteurs et un temporisateur. - **Démarrage statorique** : résistance ou réactance en série, courant réglable par Rs, pertes thermiques. - **Démarrage rotoriques** : résistance dans le rotor via rheostat, démarrage très doux, entretien des bagues. - **Démarrage par condensateur** : enroulement auxiliaire + condensateur, réduit le courant d’appel et améliore le couple de départ, nécessite un relais de vitesse ou temporisateur. > **À retenir** : le choix du procédé dépend de la puissance du moteur, de la fréquence des démarrages, des contraintes du réseau et du budget de maintenance. ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Courant d’appel (Id) | Courant transitoire au moment de la mise sous tension, pouvant atteindre 5‑7 In. | | Couple de démarrage | Couple électromagnétique produit au démarrage, fonction du courant et du flux. | | Glissement (s) | Différence relative entre vitesse synchrone et vitesse réelle du rotor (s = (ns‑nr)/ns). | | Rheostat | Résistance variable utilisée pour modifier la résistance du circuit rotorique. | | Condensateur de démarrage | Composant qui crée un déphasage de 90° entre enroulements principal et auxiliaire. | | Contacteur | Dispositif électromécanique permettant l’ouverture/fermeture d’un circuit de puissance sous charge. | | Relais de vitesse | Dispositif qui ouvre ou ferme un contact en fonction de la vitesse de rotation de l’arbre. | | Temporisateur | Régulateur qui introduit un délai prédéfini entre deux actions de commande. | ## Exercices d'application corrigés **Exercice 1** – Un moteur asynchrone de 5,5 kW, 400 V, 50 Hz, cos φ = 0,8, η = 0,85 doit être démarré par étoile‑triangle. Calculer le courant d’appel en étoile et choisir la puissance nominale du contacteur KY. *Corrigé* : In = P / (√3·V·cos φ·η) = 5500 / (1,732·400·0,8·0,85) ≈ 11,6 A. Courant d’appel en triangle ≈ 6·In ≈ 70 A. En étoile, la tension appliquée à chaque enroulement est V/√3 = 230 V, donc le courant d’appel en étoile ≈ Id/3 ≈ 23 A. Le contacteur KY doit supporter au moins 1,5·Iy ≈ 35 A. On choisit un contacteur de 40 A, catégorie AC‑3. **Exercice 2** – Pour un moteur de 10 kW, 400 V, on désire limiter le courant d’appel à 2 In grâce à une résistance statorique. Déterminer la valeur de la résistance et la puissance dissipée pendant les 4 s de démarrage. *Corrigé* : In = 10000 / (1,732·400·0,85·0,88) ≈ 19,3 A. Courant limité souhaité = 2·In = 38,6 A. Impédance nécessaire Zs = Vph / I_limite = 400 / 38,6 ≈ 10,4 Ω. En négligeant la résistance du moteur (≈0,5 Ω), Rs ≈ 9,9 Ω → on prend 10 Ω, 5 kW (puissance nominale). Puissance dissipée au démarrage : P = I²·Rs = (38,6)²·10 ≈ 14,9 kW. Sur 4 s, l’énergie = P·t ≈ 60 kJ ; une résistance de 5 kW avec refroidissement forcé ou une bobine de 10 kW est donc adaptée. ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité 1. **Oublier de couper l’alimentation avant de intervenir sur le rheostat ou les résistances** → risque de choc électrique. Toujours vérifier l’absence de tension avec un multimètre avant toute manipulation. 2. **Sous‑dimensionner le contacteur de démarrage** → soudure des contacts sous courant d’appel élevé, leading to failure. Respecter la règle 1,5 × courant de fermeture. 3. **Ne pas prévoir de protection contre les surcharges thermiques des résistances de démarrage** → dégradation ou incendie. Utiliser un relais thermique ou un disjoncteur de réglage adapté. 4. **Utiliser un condensateur de tension insuffisante** → risque de perforation et de fuite de diélectrique. Choisir une tension nominale d’au moins 2 × Vligne. 5. **Ne pas régler correctement le temporisateur étoile‑triangle** → basculement trop tôt (courant d’appel excessif) ou trop tard (moteur reste en étoile, sous‑couplé). Effectuer un essai à vide et mesurer le courant pendant la séquence. 6. **Négliger l’entretien des bagues collectrices dans le démarrage rotoriques** → augmentation de la résistance de contact, étincelles, usure prématurée. Nettoyer périodiquement et vérifier l’isolement. > **À retenir** : toute intervention sur un circuit de puissance doit être effectuée hors tension, avec les équipements de protection individuelle (gants isolants, lunettes) et après consignation selon la procédure de verrouillage/étiquetage (Lockout‑Tagout). --- *Fin du cours.*