MACHINES ELECTRIQUES (partie 5/7)

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de :** - Expliquer le principe du démarrage direct d’un moteur asynchrone triphasé et en déterminer le courant d’appel. - Décrire le schéma de couplage étoile‑triangle, en justifier l’utilisation et réaliser le calcul des courants de ligne et de phase pendant chaque étape. - Identifier les principaux types de moteurs spéciaux (synchrone à aimants permanents, pas à pas, servomoteur, moteur à rotor bobiné) et en citer une application typique au Cameroun. - Appliquer les règles de sécurité électrique lors de la mise en service et du dépannage de ces démarrages. **Prérequis :** - Notions de base des circuits triphasés (tensions ligne/phase, courants ligne/phase, facteur de puissance). - Connaissance du fonctionnement d’un moteur asynchrone triphasé (couple, glissement, plaque signalétique). - Lecture de schémas électriques simples et utilisation du multimètre. --- ## Introduction contextualisée Dans les installations industrielles camerounaises (usines de transformation du cacao, scieries, stations de pompage d’eau, ateliers de soudure), les moteurs électriques représentent plus de 60 % de la consommation énergétique. Le choix du mode de démarrage influence directement la durée de vie du moteur, la qualité du réseau et la sécurité des opérateurs. Le démarrage direct, bien que simple, provoque des courants d’appel pouvant atteindre 6 à 8 fois le courant nominal, provoquant des chutes de tension nuisibles aux autres équipements. Le démarrage étoile‑triangle atténue ce phénomène en réduisant le courant d’appel à environ 2 fois le courant nominal. Enfin, les moteurs spéciaux répondent à des besoins de précision, de vitesse variable ou de couple élevé que les moteurs asynchrones classiques ne peuvent pas satisfaire. Ce chapitre présente ces trois thèmes conformément au programme officiel MINESEC/IGE, série MIE, niveau Première. --- ## I. Démarrage direct ### 1. Principe de fonctionnement Le démarrage direct consiste à appliquer immédiatement la tension ligne du réseau aux bornes du moteur, en le connectant en triangle (ou en étoile selon la plaque signalétique). Le moteur subit alors un courant d’appel **Iₐ** nettement supérieur au courant nominal **Iₙ** : \[ I_{a} \approx k \, I_{n} \quad \text{avec } k = 6 \text{ à } 8 \] > Le courant d’appel dépend de l’impédance du stator à l’arrêt et de la tension appliquée. ### 2. Avantages et inconvénients | Avantages | Inconvénients | |-----------|---------------| | Schéma de câblage simple, coût faible | Courant d’appel élevé → chute de tension, déclenchement des protections | | Démarrage immédiat, pas de dispositif supplémentaire | Usure mécanique accrue (couple de démarrage élevé) | | Adapté aux faibles puissances (< 5 kW) | Non recommandé pour les moteurs > 7,5 kW sur réseau faible | ### 3. Procédure de mise en service (atelier) 1. Vérifier la conformité de la tension du réseau avec la plaque signalétique (ex. 380 V ligne). 2. S’assurer que le disjoncteur de protection est réglé sur 1,2 × Iₙ (ex. Iₙ = 10 A → réglage à 12 A). 3. Effectuer un test d’isolement (mégaohmmètre ≥ 1 MΩ). 4. Fermer le contacteur d’alimentation, observer le démarrage et mesurer le courant de ligne avec une pince ampèremétrique. 5. Noter le temps nécessaire pour atteindre 90 % de la vitesse nominale (généralement < 2 s). ### 4. Exemple de calcul Un moteur asynchrone de 4 kW, 380 V, cos φ = 0,85, rendement η = 0,88. Courant nominal : \[ I_{n}= \frac{P}{\sqrt{3}\,U\, \cos\phi \, \eta}= \frac{4000}{\sqrt{3}\times 380 \times 0,85 \times 0,88}\approx 8,1\;A \] Courant d’appel estimé (k = 7) : \[ I_{a}=7 \times I_{n}\approx 56,7\;A \] > Le disjoncteur doit donc supporter au moins 1,25 × Iₐ ≈ 71 A sans déclencher intempestivement. --- ## II. Démarrage étoile‑triangle ### 1. Principe de fonctionnement Le moteur est initialement connecté en étoile (chaque phase reçoit U/√3). Après un délai réglé (généralement 5 à 10 s) par un relais temporisé, le basculeur commute le couplage en triangle (chaque phase reçoit U). Cette séquence réduit la tension appliquée à chaque enroulement pendant la phase étoile, diminuant ainsi le courant d’appel. > Le courant d’appel dépend de l’impédance du stator à l’arrêt et de la tension appliquée. ### 2. Courants pendant chaque étape - **Étoile** : tension de phase = U/√3 → courant de ligne Iₗₑ = Iₚₕₑ (car Iₗ = Iₚ en étoile). \[ I_{lé} \approx \frac{k}{3}\, I_{n} \approx 2\, I_{n} \] (en pratique, le courant d’appel en étoile vaut environ 1/3 du courant d’appel en triangle). - **Triangle** : tension de phase = U → courant de ligne Iₗₜ = √3 × Iₚₕₜ. Le courant d’appel en triangle revient à la valeur du démarrage direct, mais il ne dure que quelques secondes après la commutation. > Le courant d’appel maximal observé lors du démarrage étoile‑triangle est environ 2 × Iₙ. ### 3. Avantages et inconvénients | Avantages | Inconvénients | |-----------|---------------| | Réduction du courant d’appel (≈ 2 Iₙ) → moins de perturbations réseau | Nécessite un relais temporisé et un basculeur (coût supplémentaire) | | Démarrage progressif → moindre contrainte mécanique | Temps de démarrage plus long (5‑15 s) | | Adapté aux moteurs de 5 kW à 75 kW sur réseau faible | Nécessite six fils de connexion (plus de câblage) | ### 4. Procédure de mise en service (chantier) 1. Vérifier que le moteur est conçu pour le couplage étoile‑triangle (plaquette indiquant « Y/Δ »). 2. Installer le contacteur principal, le contacteur de commutation et le relais temporisé selon le schéma fourni par le fabricant. 3. Régler le relais temporisé sur 6 s (valeur typique pour un moteur de 15 kW). 4. Effectuer un test d’isolement et de continuité. 5. Mettre sous tension, observer le démarrage en étoile (courant de ligne mesuré ≈ 2 Iₙ), puis la commutation en triangle (courant de ligne monte à ≈ 2 Iₙ pendant 1‑2 s puis se stabilise à Iₙ). 6. Noter les temps et les courants dans le registre de maintenance. ### 5. Exemple de calcul dimensionnement du câble Moteur : 15 kW, 380 V, cos φ = 0,86, η = 0,90 → Iₙ ≈ 29 A. Courant d’appel en étoile‑triangle ≈ 2 Iₙ = 58 A. Choix du câble cuivre : selon la norme NFC 15‑100, pour 58 A en installation intérieure, section minimale = 10 mm² (IS = 57 A). > Toujours ajouter un facteur de sécurité de 1,25 pour les démarrages fréquents → section 16 mm² recommandée. --- ## III. Moteurs spéciaux ### 1. Moteur synchrone à aimants permanents (MSAP) - **Principe** : Le rotor comporte des aimants permanents qui créent un champ magnétique fixe ; le stator, alimenté en triphasé, produit un champ tournant à vitesse synchronique \( n_s = \frac{120 f}{p} \). - **Caractéristiques** : Pas de courant d’excitation, facteur de puissance proche de 1, rendement élevé (> 94 %), couple disponible à zéro vitesse. - **Application camerounaise** : Pompes à vitesse variable dans les stations de traitement d’eau (ex. Yaoundé), où l’on cherche à réduire la consommation énergétique. ### 2. Moteur pas à pas - **Principe** : Le rotor se déplace par pas angulaires définis (ex. 1,8°) lorsqu’on séquence l’alimentation des bobines du stator. - **Types** : bipolaire (un seul enroulement par phase) et unipolaire (enroulement central tapé). - **Avantages** : Positionnement précis sans capteur de retour, couple de maintien élevé. - **Inconvénients** : Résonance à certaines fréquences, perte de pas en surcharge. - **Application** : Tables de découpe laser dans les ateliers de métallurgie à Douala. ### 3. Servomoteur (moteur à rétroaction) - **Principe** : Moteur courant continu ou brushless couplé à un encodeur ou un résolveur qui fournit la position réelle au régulateur (boucle fermée). - **Caractéristiques** : Large bande passante, accélération élevée, contrôle de couple précis. - **Application** : Bras robotisés pour l’assemblage de panneaux solaires dans les zones rurales du Nord. ### 4. Moteur à rotor bobiné (type wound‑rotor) - **Principe** : Le rotor possède des enroulements accessibles via des bagues collectrices, permettant l’insertion de résistances externes pour varier le couple de démarrage et la vitesse. - **Avantages** : Démarrage à couple élevé avec courant d’appel réduit, possibilité de variation de vitesse par résistance. - **Inconvénients** : Entretien des bagues et des résistances, rendement moindre que le moteur à cage. - **Application** : Broyeurs de minerais dans les sites d’exploitation artisanale du Sud-Ouest. > Le choix d’un moteur spécial dépend principalement du besoin de précision de position, de la plage de vitesse requise et des contraintes d’entretien sur le terrain. --- ## Synthèse du chapitre - **Démarrage direct** : mise sous tension immédiate, courant d’appel 6‑8 Iₙ, adapté aux faibles puissances (< 5 kW). - **Démarrage étoile‑triangle** : phase étoile (U/√3) → courant d’appel ≈ 2 Iₙ, puis triangle (U) → courant nominal, adapté aux moteurs de 5‑75 kW sur réseau faible. - **Moteurs spéciaux** : - MSAP : haut rendement, facteur de puissance ≈ 1, utilisé pour pompes à vitesse variable. - Pas à pas : déplacement angulaire précis, utilisé en découpe laser. - Servomoteur : boucle fermée avec encodeur, utilisé en robotique. - Rotor bobiné : démarrage à couple élevé avec résistance externe, utilisé en broyage. - **Sécurité** : vérifier l’isolement, respecter les réglages des disjoncteurs, utiliser des EPI (gants isolants, lunettes), couper l’alimentation avant toute intervention sur les bagues collectrices ou les contacts de commutation. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Courant d’appel (Iₐ) | Courant transitoire élevé lors de la mise sous tension d’un moteur, avant que le champ magnétique ne s’établisse. | | Couplage étoile (Y) | Connexion où les extrémités des enroulements sont reliées à un point neutre ; tension de phase = U/√3. | | Couplage triangle (Δ) | Connexion où chaque enroulement est relié entre deux lignes ; tension de phase = U. | | Relais temporisé | Dispositif qui introduit un délai réglable avant de commuter un contacteur, utilisé dans le démarrage étoile‑triangle. | | Moteur synchrone à aimants permanents (MSAP) | Moteur dont le rotor comporte des aimants permanents, tournant à vitesse synchronique sans excitation externe. | | Moteur pas à pas | Moteur qui avance par pas angulaires définis lorsqu’on séquence l’alimentation de ses bobines. | | Servomoteur | Moteur asservi à un dispositif de rétroaction (encodeur, résolveur) permettant un contrôle précis de position, vitesse ou couple. | | Rotor bobiné | Rotor comportant des enroulements accessibles via des bagues collectrices, permettant l’ajout de résistances externes. | | Facteur de puissance (cos φ) | Rapport entre la puissance active et la puissance apparente d’un circuit alternatif. | | Rendement (η) | Rapport entre la puissance mécanique utile et la puissance électrique absorbée. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Calcul du courant d’appel en démarrage direct Un moteur asynchrone de 7,5 kW, 400 V ligne, cos φ = 0,84, η = 0,88 est installé dans un atelier de menuiserie à Bafoussam. **Données** : - P = 7500 W - U = 400 V - cos φ = 0,84 - η = 0,88 **Questions** : 1. Calculer le courant nominal Iₙ. 2. En admettant un facteur k = 7 pour le courant d’appel, déterminer Iₐ. 3. Quelle est la section minimale de câble cuivre recommandée si le facteur de sécurité est 1,25 ? (Utiliser la règle : section (mm²) ≈ I (A) / 6 pour une installation intérieure). **Corrigé** : \[ I_{n}= \frac{P}{\sqrt{3}\,U\, \cos\phi \, \eta}= \frac{7500}{\sqrt{3}\times 400 \times 0,84 \times 0,88}\approx 14,7\;A \] \[ I_{a}=7 \times I_{n}\approx 102,9\;A \] Courant de conception = 1,25 · Iₐ = 1,25 × 102,9 ≈ 128,6 A (≈ 129 A). Section ≈ 129 / 6 ≈ 21,5 mm² → on choisit la section commerciale supérieure : **25 mm²** (cuivre). --- ### Exercice 2 – Schéma de démarrage étoile‑triangle et réglage du relais Un moteur de 18 kW, 380 V, cos φ = 0,86, η = 0,90 doit être démarré par un démarreur étoile‑triangle. Le courant nominal calculé est Iₙ ≈ 35 A. **Consignes** : 1. Dessiner le schéma simplifié (contacteur principal K1, contacteur de commutation K2, relais temporisé RT). 2. Indiquer les valeurs de courant de ligne attendues pendant la phase étoile et pendant la phase triangle (juste après la commutation). 3. Proposer un réglage du relais temporisé sachant que le moteur atteint 90 % de sa vitesse nominale en 4 s en étoile. **Corrigé** : 1. Schéma (description texte) : - L’alimentation trois phases arrive sur les bornes du contacteur principal K1. - En sortie de K1, trois fils vont vers le contacteur de commutation K2 (qui réalise le basculement étoile‑triangle). - Le relais temporisé RT est en série avec la bobine de K2 ; il se ferme après son délai, permettant à K2 de commuter le couplage de l’étoile vers le triangle. - Le moteur est connecté en sortie de K2 selon le schéma étoile‑triangle classique. 2. Courant de ligne en étoile : - Tension de phase = U/√3 = 380/1,732 ≈ 219 V. - Le courant d’appel en étoile vaut environ 1/3 du courant d’appel en triangle, soit environ (k/3) Iₙ ≈ 2 Iₙ. Avec Iₙ ≈ 35 A, on obtient Iₗₑ ≈ 2 × 35 ≈ **70 A** (transitoire au démarrage). Après quelques secondes, lorsque le moteur approche la vitesse nominale en étoile, le courant diminue jusqu’à environ Iₙ. Courant de ligne juste après la commutation en triangle : - Le moteur voit soudainement la tension ligne complète (380 V) sur chaque enroulement, provoquant un courant d’appel proche du démarrage direct mais limité par l’inductance déjà établie. - Valeur typique : 2 × Iₙ ≈ **70 A** pendant 1‑2 s, puis il retombe à Iₙ ≈ **35 A** en régime stabilisé. 3. Puisque le moteur atteint 90 % de sa vitesse en 4 s en étoile, on choisit un délai légèrement supérieur pour garantir la complète montée en vitesse avant la commutation : **RT = 5 s** (réglage courant sur le relais). --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Sous‑estimer le courant d’appel en démarrage direct et choisir un disjoncteur trop faible. | Déclenchement intempestif du disjoncteur, interruption de production. | Toujours prendre un disjoncteur réglé à ≥ 1,25 × Iₐ (courant d’appel estimé). | | 2 | Oublier de vérifier l’isolement avant la mise sous tension d’un moteur à rotor bobiné. | Risque de choc électrique ou de court‑circuit sur les bagues collectrices. | Effectuer un test d’isolement (≥ 1 MΩ) avec un mégaohmmètre avant toute mise sous tension. | | 3 | Régler le relais temporisé trop bas (< 3 s) dans un démarreur étoile‑triangle. | Commution prématurée en triangle alors que le rotor n’est pas encore en synchronisme → courant d’appel élevé et choc mécanique. | Régler le relais à au moins le temps nécessaire pour atteindre 90 % de la vitesse nominale en étoile (généralement 4‑6 s). | | 4 | Utiliser un câble de section insuffisante pour le courant d’appel en étoile‑triangle. | Surchauffe du câble, dégradation de l’isolant, risque d’incendie. | Appliquer un facteur de sécurité de 1,25 sur le courant d’appel et choisir la section selon les tables de courant admissible (ex. 35 mm² pour 150 A). | | 5 | Négliger le port des EPI (gants isolants, lunettes) lors de l’intervention sur les contacts de commutation. | Brûlures ou projections d’arc électrique. | Toujours porter des EPI adaptés avant de travailler sous tension ou sur des pièces pouvant produire des arcs. | | 6 | Confondre les schémas étoile et triangle lors du câblage d’un démarreur étoile‑triangle. | Le moteur ne démarre pas ou fonctionne en régime anormal (surchauffe, bruit). | Vérifier le schéma fourni par le fabricant et réaliser un test de continuité des connexions avant mise sous tension. | --- *Fin du cours.*