MISE EN ROUTE DES INSTALLATIONS ÉLECTRIQUES INDUSTRIELLES (partie 2/2)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - expliquer le principe de fonctionnement d’un moteur électrique asynchrone triphasé ; - choisir et mettre en œuvre le mode de démarrage adapté (direct, étoile‑triangle, autotransformateur ou variateur de fréquence) selon la puissance et les contraintes du chantier ; - réaliser le câblage d’un moteur asynchrone en respectant les normes de sécurité (NFC 15‑100, NF C 13‑200) ; - mettre en service une installation industrielle comportant un moteur asynchrone, effectuer les essais de mise en route et rédiger un rapport d’activité ; - diagnostiquer les pannes fréquentes au démarrage, effectuer les mesures de contrôle et proposer les interventions correctives appropriées. **Prérequis** : connaissances de base en électrotechnique (loi d’Ohm, loi des nœuds, loi des mailles), lecture de schémas unifilaires et multifilaires, utilisation du multimètre et de la pince ampèremétrique, notions de protection thermique et magnétique, règles de sécurité électrique (isolement, mise à la terre, EPI). > **À retenir** : le moteur asynchrone fonctionne grâce au champ tournant créé par le stator qui induit un courant dans le rotor, produisant un couple électromagnétique. ## Introduction contextualisée Dans les entreprises industrielles camerounaises (usines de transformation agroalimentaire, ateliers de métallurgie, centrales de traitement d’eau), les moteurs électriques asynchrones représentent plus de 70 % de la puissance installée. Leur mise en route doit être fiable, sûre et économique afin d’éviter les arrêts de production coûteux. Le présent chapitre s’inscrit dans la logique du référentiel de compétences du MINESEC/IGE : l’élève doit passer de la théorie à la pratique en réalisant un TP complet (TP 16), puis intégrer ces acquis dans une activité d’intégration (AI 4) et enfin consolider ses connaissances par une activité de remédiation (AR 4). ## I. TP 16 : Démarrage des moteurs électriques asynchrones ### A. Principe de fonctionnement du moteur asynchrone Un moteur asynchrone triphasé comporte un stator enroué alimenté par un réseau triphasé (U, V, W) et un rotor court‑circuité (souvent en cage d’écureuil). Le champ tournant du stator induit une tension dans les barres du rotor ; le courant qui y circule crée un champ magnétique qui interagit avec celui du stator, développant un couple. La vitesse de rotation du rotor est légèrement inférieure à la vitesse synchronique : \[ n_s = \frac{120 \cdot f}{p} \] où *f* est la fréquence du réseau (50 Hz au Cameroun) et *p* le nombre de pôles. Le glissement *s* = (n_s – n)/n_s varie généralement entre 2 % et 5 % à pleine charge. > **À retenir** : le glissement permet au moteur de développer du couple ; sans glissement, aucun courant ne serait induit dans le rotor. ### B. Types de démarrage | Mode de démarrage | Principe | Avantages | Inconvénients | Application typique | |-------------------|----------|-----------|---------------|---------------------| | Démarrage direct (DOL) | Application immédiate de la tension réseau | Simple, faible coût | Courant d’appel élevé (5‑7 × In) | Moteurs < 5 kW, charges peu inertielles | | Démarrage étoile‑triangle | Début en étoile (réduction de tension √3), puis passage en triangle | Réduction du courant d’appel à ≈ 3 × In | Nécessite 6 fils, deux temps de commutation | Moteurs 5‑30 kW, démarrage fréquent | | Autotransformateur | Réduction de tension via un autotransformateur (taps 50 %, 65 %, 80 %) | Courant d’appel réglable, faible choc mécanique | Coût supplémentaire, encombrement | Moteurs > 30 kW, démarrage lourd | | Variateur de fréquence (VFD) | Conversion AC‑DC‑AC, variation de fréquence et de tension | Démarrage progressif, contrôle de vitesse, économies d’énergie | Investissement initial élevé, besoin de refroidissement | Applications nécessitant variation de vitesse (pompes, convoyeurs) | ### C. Schéma de câblage et consignes de sécurité Le schéma de puissance comprend : disjoncteur de protection magnétothermique (Q1), contacteur de ligne (K1), relais thermique (RT), éventuel autotransformateur ou VFD, et le moteur (M). Le schéma de commande intègre les boutons START/STOP, les contacts auxiliaires du contacteur et du relais thermique. **Consignes de sécurité** : - Vérifier l’absence de tension avant toute intervention (utiliser un vérificateur d’absence de tension – VAT). - S’assurer que la mise à la terre du moteur et du châssis est conforme (résistance < 1 Ω). - Porter les EPI appropriés (gants isolants, lunettes de protection, chaussures de sécurité). - Respecter les distances de sécurité minimale définies par la NF C 13‑200 (au moins 0,5 m autour des parties sous tension). > **À retenir** : avant toute mise sous tension, effectuer un test d’isolement (mégaohmmètre) entre les phases et la terre ; la valeur doit être supérieure à 1 MΩ pour une installation de 400 V. ### D. Procédure pas à pas de mise en service 1. **Lecture du schéma** : repérer les repères de phase (L1, L2, L3), le neutre (si présent) et les borniers du moteur. 2. **Vérification mécanique** : s’assurer que l’arbre tourne librement, que les couplages sont bien alignés et que les protections mécaniques (couvercles, garde‑fous) sont en place. 3. **Contrôle d’isolement** : mesurer entre chaque phase et la terre avec un mégaohmmètre (500 V DC). 4. **Installation des protections** : régler le relais thermique sur 1,1 × In (courant nominal du moteur) et choisir le déclencheur magnétique du disjoncteur à 10 × In. 5. **Câblage** : connecter les phases aux borniers du moteur selon le schéma (étoile ou triangle selon le mode de démarrage choisi). 6. **Mise sous tension progressive** : actionner le bouton START, observer le démarrage, vérifier l’absence de bruits anormaux et de vibrations excessives. 7. **Mesures de fonctionnement** : relever le courant de ligne avec une pince ampèremétrique, la tension aux bornes du moteur, et la vitesse de rotation (tachymètre laser). 8. **Essai de charge** : appliquer progressivement la charge nominale (par exemple, via une freinage électromagnétique) et confirmer que le moteur reste dans les limites de température (≤ 80 °C pour l’enrouleur stator). 9. **Rédaction du rapport** : consigner les réglages, les mesures, les observations et toute anomalie détectée. ### E. Exemple chiffré : calcul du courant de démarrage et choix du dispositif de protection **Données** : moteur asynchrone 15 kW, 400 V triphasé, 4 pôles, rendement η = 0,88, facteur de puissance cos φ = 0,85, courant nominal In. 1. Courant nominal : \[ I_n = \frac{P}{\sqrt{3}\,U\,\eta\,\cos\phi} = \frac{15000}{\sqrt{3}\times400\times0,88\times0,85} \approx 29,2\;A \] 2. Courant d’appel en démarrage direct (facteur ≈ 6) : \[ I_{appel} \approx 6 \times I_n \approx 175\;A \] 3. Choix du disjoncteur : déclencheur magnétique réglé à 10 × In ≈ 300 A (pour garantir la tenue au courant d’appel) et déclencheur thermique réglé à 1,2 × In ≈ 35 A (protection contre surcharge). 4. Si l’on opte pour un démarrage étoile‑triangle, le courant d’appel tombe à ≈ 3 × In ≈ 88 A, permettant l’utilisation d’un disjoncteur de 125 A en magnétique et d’un relais thermique de 35 A. > **À retenir** : le choix du mode de démarrage influence directement le calibre du dispositif de protection et le coût de l’installation. ## II. Activité d’intégration N° 4 ### A. Mise en situation L’élève doit installer un poste de travail composé d’un convoyeur à bande entraîné par un moteur asynchrone de 7,5 kW, alimenté depuis un tableau général basse tension (TGBT) situé à 12 m du poste. Le chantier se trouve dans une usine de transformation de cacao à Yaoundé. ### B. Étapes d’intégration | Étape | Action | Outils / Documents | Contrôle | |-------|--------|--------------------|----------| | 1 | Analyse du cahier des charges (puissance, vitesse, type de démarrage) | Cahier des charges, schéma unifilaire | Vérification de la conformité avec les besoins du procédé | | 2 | Lecture du schéma multifilaire du moteur et du tableau | Schéma électrique, notice du moteur | Repérage des borniers, identification du type de démarrage (étoile‑triangle choisi) | | 3 | Sélection des composants (disjoncteur, contacteur, relais thermique, câbles) | Catalogues fournisseurs, tables de sectionnement (NF C 15‑100) | Vérification de la section des câbles (ex. 4 G 6 mm² pour 20 A) | | 4 | Pré‑câblage sur banc d’essai | Pince à dénuder, tournevis, serre‑câbles | Test de continuité et d’isolement | | 5 | Installation sur site (fixation du moteur, passage des gaines, connexion au TGBT) | Perceuse, chevilles, colliers, niveaux à bulle | Vérification de l’alignement du moteur et de la tension des courroies | | 6 | Mise sous tension et essais de marche à vide | Multimètre, pince ampèremétrique, tachymètre | Relevé des courants, tensions, vitesse ; comparaison avec les valeurs théoriques | | 7 | Essai en charge (simulation du convoyeur chargé) | Banque de charge résistive, dynamomètre | Contrôle de la montée en température, du facteur de puissance | | 8 | Rédaction du rapport d’intégration | Modèle de rapport, photos | Inclusion des relevés, des écarts, des actions correctives éventuelles | ### C. Vérifications de conformité - **Continuité de terre** : résistance < 1 Ω mesurée entre le châssis du moteur et la barrette de terre du TGBT. - **Isolement** : valeur > 2 MΩ à 500 V DC entre chaque phase et la terre. - **Protection contre les surintensités** : le disjoncteur doit déclencher en moins de 0,2 s pour un courant de défaut de 5 kA (vérifié par courbe de déclenchement fournie par le fabricant). - **Étiquetage** : présence d’étiquettes de tension, de courant nominal et de consignes de sécurité sur le moteur et le tableau. ### D. Rapport d’activité Le rapport doit contenir : objet, références du schéma, liste du matériel avec références, procédure détaillée, tableau des mesures (courant, tension, vitesse, température), analyse des écarts, conclusion et signature de l’élève et du formateur. > **À retenir** : toute anomalie détectée lors des essais doit être consignée immédiatement et faire l’objet d’une action corrective avant la levée des réserves. ## III. Activité de remédiation N° 4 ### A. Diagnostique des pannes fréquentes au démarrage | Symptôme | Cause probable | Méthode de vérification | |----------|----------------|--------------------------| | Moteur ne démarre pas, bruit de claquement | Contacteur défectueux ou bobine brûlée | Mesure de la résistance de la bobine (ohmmètre) ; vérification de l’alimentation du contacteur | | Démarrage difficile, courant d’appel élevé, déclenchement du disjoncteur | Surcharge mécanique (rotor bloqué, courroie trop tendue) | Vérification manuelle de la rotation libre de l’arbre ; mesure du couple de démarrage avec dynamomètre | | Démarrage en étoile‑triangle ne passe pas en triangle | Défaut du temporisateur ou du relais de commutation | Contrôle du fonctionnement du temporisateur (chronométrage) ; mesure de la tension aux borniers pendant la commutation | | Surchauffe rapide du stator | Refroidissement insuffisant (ventilation obstruée) ou défaut d’isolement | Inspection des ailettes de refroidissement ; mesure d’isolement entre enroulements et terre | | Vibrations excessives | Désalignement du couplage ou défaut d’équilibrage du rotor | Utilisation d’un appareil d’analyse de vibrations ; contrôle de l’alignement laser | ### B. Méthodes de mesure - **Multimètre numérique** : mesure de tension (AC/DC), de résistance et de continuité. - **Pince ampèremétrique** : mesure du courant de ligne sans ouvrir le circuit (plage 0‑600 A, précision ±1,5 %). - **Mégaohmmètre (500 V DC)** : test d’isolement entre phases et terre, entre enroulements. - **Tachymètre laser** : mesure de la vitesse de rotation en tr/min. - **Caméra thermique** : détection de points chauds sur le stator ou le rotor. ### C. Interventions correctives 1. **Remplacement de la bobine du contacteur** : découper l’alimentation, desserrer les vis, retirer la bobine usée, installer une bobine de même caractéristique (ex. 230 V AC, 50 Hz), resserrer et remettre sous tension. 2. **Réglage du relais thermique** : ajuster le curseur à 1,1 × In mesuré à vide ; vérifier le déclenchement à l’aide d’un simulateur de surcharge. 3. **Réglage du variateur de fréquence** : vérifier les paramètres de fréquence de base (50 Hz), de temps d’accélération/décélération, et de courant limite ; effectuer un auto‑test si disponible. 4. **Nettoyage et remise en état du système de refroidissement** : dépoussiérer les ailettes, vérifier le fonctionnement du ventilateur d’extraction, remplacer le filtre si nécessaire. 5. **Realignement du couplage** : utiliser un jeu de cales et un comparateur d’épaisseur pour obtenir un parallélisme < 0,05 mm entre les arbres moteur et charge. ### D. Exercices de remédiation guidés - **Exercice 1** : Un moteur de 11 kW ne démarre pas ; le disjoncteur se déclenche immédiatement. L’élève doit mesurer la résistance de la bobine du contacteur (valeur attendue 150 Ω ± 10 %). Si la bobine est ouverte, il doit la remplacer et vérifier que le démarrage se fait sans déclenchement. - **Exercice 2** : Lors d’un démarrage étoile‑triangle, le moteur reste en étoile et ne passe jamais en triangle. L’élève contrôle le temporisateur (réglé à 5 s) et constate qu’il ne commute pas ; il remplace le temporisateur par un modèle identique et confirme le passage en triangle après le délai programmé. - **Exercice 3** : Le moteur présente une température de stator de 95 °C en charge nominale (limite 80 °C). L’élève mesure l’isolement (0,4 MΩ) et détecte une détérioration de l’enroulement ; il préconise le rewinding du stator ou le remplacement du moteur selon l’évaluation économique. > **À retenir** : une mesure d’isolement inférieure à 1 MΩ indique une dégradation de l’isolation qui nécessite une intervention immédiate pour éviter les courts‑circuits et les risques d’incendie. ## Synthèse du chapitre - Le moteur asynchrone triphasé fonctionne par induction : champ tournant du stator → courants induits dans le rotor → couple électromagnétique. - Le glissement (2‑5 % à pleine charge) est indispensable au développement du couple. - Quatre principaux modes de démarrage existent : direct (DOL), étoile‑triangle, autotransformateur et variateur de fréquence, chacun avec ses avantages, inconvénients et domaines d’application. - Le choix du dispositif de protection (disjoncteur magnétothermique + relais thermique) dépend du courant d’appel et du courant nominal du moteur. - La mise en service suit une procédure rigoureuse : lecture du schéma, contrôle d’isolement, câblage conforme aux normes NFC 15‑100 et NF C 13‑200, essais à vide puis en charge, relevé des paramètres électriques et mécaniques, rédaction d’un rapport. - Les pannes fréquentes au démarrage concernent le contacteur, la surcharge mécanique, les défauts de commutation (étoile‑triangle) et l’isolement. - Le diagnostic s’appuie sur le multimètre, la pince ampèremétrique, le mégaohmmètre, le tachymètre et la caméra thermique. - Les interventions correctives vont du remplacement de composants (bobine contacteur, temporisateur) au réglage des protections, au nettoyage du refroidissement et au réalignement mécanique. - Le respect des EPI, de la mise à la terre et des distances de sécurité est obligatoire à chaque étape. ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Moteur asynchrone | Machine électrique où le rotor tourne à une vitesse légèrement inférieure à celle du champ tournant du stator, le couple étant produit par courants induits. | | Glissement | Rapport relatif entre la vitesse synchronique et la vitesse réelle du rotor ; s = (n_s – n)/n_s. | | Courant d’appel (Inrush) | Courant de pointe lors de la mise sous tension, généralement 5 à 7 fois le courant nominal pour un démarrage direct. | | Démarrage étoile‑triangle | Méthode réduisant le tension appliquée au démarrage en connectant le stator en étoile, puis en le passant en triangle après un délai. | | Variateur de fréquence (VFD) | Dispositif électronique qui convertit le réseau AC en DC puis en AC de fréquence variable, permettant un démarrage progressif et le contrôle de vitesse. | | Relais thermique | Dispositif de protection contre les surcharges, basé sur la déformation d’une lame bimetallique proportionnelle au courant. | | Disjoncteur magnétothermique | Appareil combinant protection magnétique (court‑circuit) et thermique (surcharge) dans un même boîtier. | | Isolement électrique | Résistance entre un conducteur actif et la terre ou entre conducteurs, mesurée en mégaohms, garantissant l’absence de fuite de courant. | | EPI | Équipements de Protection Individuelle (gants isolants, lunettes, chaussures de sécurité) obligatoires lors des interventions électriques. | | NFC 15‑100 | Norme française définissant les règles d’installation des équipements électriques à basse tension dans les bâtiments. | ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Dimensionnement d’un disjoncteur pour un moteur de 18,5 kW **Données** : moteur triphasé 400 V, rendement η = 0,90, cos φ = 0,86. 1. Courant nominal : \[ I_n = \frac{18500}{\sqrt{3}\times400\times0,90\times0,86} \approx 31,4\;A \] 2. Courant d’appel en démarrage direct (facteur 6) : \[ I_{appel} \approx 6 \times I_n \approx 188\;A \] 3. Choix du disjoncteur : - Déclencheur magnétique réglé à 12 × In ≈ 380 A (pour supporter le pic sans déclenchement intempestif). - Déclencheur thermique réglé à 1,2 × In ≈ 38 A (protection contre surcharge). **Réponse** : un disjoncteur de type **C** 400 A/40 A (magnétique 400 A, thermique 40 A) convient. ### Exercice 2 – Vérification d’isolement après réenroulement Un moteur de 7,5 kW a été réenroulé. Après remontage, on mesure entre chaque phase et la terre : 0,8 MΩ à 500 V DC. **Analyse** : la valeur minimale requise pour une installation de 400 V est 1 MΩ (selon NF C 15‑100). Le résultat indique une isolation insuffisante. **Action** : répéter le séchage des enroulements (four à 80 °C pendant 4 h), refaire la mesure. Si la valeur reste < 1 MΩ, envisager un remplacement du stator ou un traitement d’imprégnation supplémentaire. ### Exercice 3 – Passage d’un démarrage direct à un démarrage étoile‑triangle Un moteur de 10 kW est actuellement en démarrage direct. Le courant d’appel provoque des déclenchements intempestifs du disjoncteur (réglé à 100 A magnétique). **Solution** : passer en étoile‑triangle. Le courant d’appel tombe à environ 3 × In. - Calcul du courant nominal : In ≈ 21,5 A. - Courant d’appel en étoile‑triangle ≈ 3 × 21,5 ≈ 64,5 A, compatible avec un disjoncteur magnétique de 80 A. **Procédé** : remplacer le câblage du moteur par un schéma étoile‑triangle (6 fils), ajouter un temporisateur réglé à 6 s, vérifier le fonctionnement en marche à vide puis en charge. ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / Action corrective | |------------------|-------------|----------------------------------------| | Oublier de couper l’alimentation avant de travailler sur le bornier du moteur | Risque de choc électrique, arc électrique | Toujours isoler le circuit (disjoncteur OFF) et vérifier l’absence de tension avec un VAT avant toute manipulation. | | Serrer excessivement les vis du bornier, endommageant l’isolateur | Court‑circuit entre phases ou avec la terre | Utiliser le couple de serrage préconisé par le fabricant (généralement 2–3 Nm) ; contrôler avec une clé dynamométrique. | | Ne pas respecter la section des câbles (ex. utiliser du 2,5 mm² pour un courant de 25 A) | Surchauffe, dégradation de l’isolateur, risque d’incendie | Se référer aux tables de sectionnement NFC 15‑100 (ex. 4 G 6 mm² pour ≤ 32 A). | | Omettre la mise à la terre du châssis du moteur | Tension de défaut pouvant rendre les parties métalliques dangereuses | Vérifier la continuité de terre (< 1 Ω) après chaque intervention ; utiliser une barrette de terre dédiée. | | Régler le relais thermique au-dessus du courant nominal (ex. 1,5 × In) | Déclenchement tardif, risque de surchauffe du moteur | Régler le relais à 1,05–1,15 × In mesuré à vide ; vérifier le déclenchement avec un simulateur de surcharge. | | Utiliser un tournevis non isolé pour ajuster un contacteur sous tension | Court‑circuit, blessure | Toujours utiliser des outils isolés (classés VDE) lorsqu’on travaille sur des parties sous tension, même si l’on croit que le circuit est coupé. | > **À retenir** : la sécurité électrique repose sur trois piliers — isolation, mise à la terre et EPI — qui doivent être vérifiés à chaque étape d’une intervention sur une installation industrielle. --- *Fin du cours.*