MISE EN ROUTE DES INSTALLATIONS ÉLECTRIQUES INDUSTRIELLES (partie 1/2)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : 1. Expliquer le principe de fonctionnement d’un moteur monophasé et d’un moteur asynchrone triphasé. 2. Réaliser le câblage et la mise en route d’un moteur monophasé en un sens et en deux sens de marche. 3. Mettre en œuvre le démarrage étoile‑triangle d’un moteur asynchrone triphasé, y compris l’inversion de sens. 4. Différencier les démarrages rotorique et statorique, les mettre en service et justifier le choix selon l’application. 5. Appliquer les règles de sécurité électrique (NF C 15‑100, décret n° 2005‑1213 du 30 / 09 / 2005) lors des interventions sur les installations industrielles. **Prérequis** : - Notions de base en électrotechnique (tension, courant, puissance, loi d’Ohm). - Lecture de schémas électriques unifilaires et multifilaires. - Utilisation des instruments de mesure (multimètre, pince ampèremétrique). - Connaissance des symboles des appareils (contacteur, relais thermique, temporisateur, condensateur, résistance). ## Introduction Dans les entreprises camerounaises, qu’il s’agisse d’une usine de transformation agroalimentaire à Douala, d’une scierie à Yaoundé ou d’une station de traitement d’eau à Garoua, les moteurs électriques constituent le cœur des installations industrielles. Leur mise en route doit être fiable, sûre et adaptée aux contraintes de démarrage (courant d’appel, couple de démarrage, sens de rotation). Ce chapitre présente, de façon progressive, les trois procédés de démarrage étudiés au programme de Première F5 : monophasé (un et deux sens), triphasé étoile‑triangle (un et deux sens) et enfin les démarrages rotorique et statorique. Chaque partie s’appuie sur des exemples d’atelier réels, des procédés pas à pas et les références réglementaires en vigueur au Cameroun. ## I. TP 13 : Démarrage des moteurs électriques monophasés : Un sens de marche et deux sens de marche ### A. Principes de fonctionnement du moteur monophasé Un moteur monophasé possède deux enroulements statoriques : un enroulement principal et un enroulement auxiliaire (de démarrage). Pour produire un champ tournant, il faut créer un déphasage entre deux courants : l’enroulement principal et l’enroulement auxiliaire auquel on ajoute un condensateur. Ce condensateur fournit un courant avancé de 90° qui, combiné au courant de l’enroulement principal, génère un couple de démarrage. > **Un moteur monophasé nécessite un condensateur de démarrage pour créer le déphasage indispensable au lancement du rotor.** ### B. Schéma de câblage pour un sens de marche Le câblage type comprend : - L’alimentation monophasée 230 V (phase + neutre). - L’enroulement principal connecté entre la phase et le neutre. - L’enroulement auxiliaire en série avec un condensateur de démarrage (valeur typique 4 µF à 20 µF selon la puissance). - Un contacteur de puissance (ou un relais) qui alimente l’ensemble lors de la mise en marche. - Un dispositif de protection (disjoncteur magnétothermique adapté au courant nominal). ### C. Schéma de câblage pour deux sens de marche (inversion de sens) Pour inverser le sens de rotation, il suffit d’inverser les connexions de l’enroulement auxiliaire (les deux fils qui le relient au condensateur) par rapport à l’enroulement principal. En pratique, on utilise un inverseur à deux positions qui commute les deux fils de l’enroulement auxiliaire. > **L’inversion de sens d’un moteur monophasé s’obtient en permutant les bornes de l’enroulement auxiliaire relativement à l’enroulement principal.** ### D. Procédure de mise en route pas à pas 1. Vérifier l’absence de tension avec un multimètre (position VAC). 2. Contrôler la continuité des enroulements (résistance faible, quelques ohms). 3. Mesurer la capacité du condensateur (doit être dans la tolérance ±10 %). 4. Effectuer le serrage des vis de puissance selon le couple recommandé (généralement 2,5 Nm). 5. Mettre sous tension l’alimentation, actionner le bouton de marche : le moteur démarre dans le sens prévu. 6. Pour changer de sens, actionner l’inverseur, attendre l’arrêt complet puis redémarrer. 7. Mesurer le courant de fonctionnement avec une pince ampèremétrique ; il doit être proche du courant indiqué sur la plaque signalétique. ### E. Normes de sécurité et exemple d’atelier - Porter des gants isolants et des lunettes de protection. - Vérifier la mise à la terre du châssis du moteur (résistance < 1 Ω). - Respecter les distances de sécurité minimale (0,5 m autour des parties sous tension). - Exemple : Dans un atelier de menuiserie à Bafoussam, un moteur monophasé de 1,5 kW entraîne une scie à ruban. Le technicien suit la procédure ci‑dessus, vérifie le condensateur de 12 µF, puis effectue le démarrage en un sens pour le sciage et inverse le sens pour le retour de la pièce. ## II. TP 14 : Démarrage des moteurs électriques asynchrones triphasés : Un sens de marche et deux sens de marche (Étoile - triangle) ### A. Moteur asynchrone triphasé : principe Le stator comporte trois enroulements décalés de 120° alimentés par un réseau triphasé. Le champ tournant induit un courant dans le rotor (court‑circuité ou à cage) qui produit un couple. Au démarrage, le courant d’appel peut atteindre 5 à 7 fois le courant nominal (In). ### B. Démarrage en étoile (réduction du courant de démarrage) En connectant les trois extrémités des enroulements en étoile, chaque enroulement reçoit la tension de ligne divisée par √3 (≈ 0,577 Uline). Le courant de démarrage tombe à environ 1/3 du courant d’appel en triangle, réduisant ainsi les contraintes mécaniques et électriques. > **Le démarrage étoile‑triangle réduit le courant de démarrage à environ un tiers du courant d’appel en démarrage direct (ou du courant de blocage), limitant ainsi les chutes de tension sur le réseau.** ### C. Démarrage en triangle (pleine puissance) Après un délai réglé (généralement 5 à 15 s selon l’inertie de la charge), le moteur est basculé en triangle : chaque enroulement reçoit alors la tension de ligne complète, permettant au moteur de développer son couple nominal. ### D. Inversion de sens (échange de deux phases) Le sens de rotation d’un moteur triphasé s’inverse en permutant deux de ses trois alimentations (ex. : L1 ↔ L2). Cette opération ne modifie pas la tension appliquée à chaque enroulement, seulement la séquence du champ tournant. > **Le sens de rotation d’un moteur triphasé s’inverse en permutant deux de ses trois alimentations.** ### E. Schéma de commande (contacteur, temporisateur) Un schéma typique comprend : - Un contacteur KM1 (étoile) qui alimente le moteur en configuration étoile. - Un contacteur KM2 (triangle) qui alimente le moteur en configuration triangle. - Un temporisateur (TR) qui, après expiration du temps réglé, déenergise KM1 et energise KM2. - Un bouton de marche/arrêt, un arrêt d’urgence et un relais thermique de protection sur chaque ligne. ### F. Procédure de mise en route pas à pas 1. Couper l’alimentation, vérifier l’absence de tension. 2. Contrôler la continuité et l’isolement des enroulements (valeur résistive quelques ohms, isolement > 1 MΩ). 3. Vérifier le réglage du temporisateur selon la notice du constructeur (ex. : 10 s pour une pompe centrifuge de 7,5 kW). 4. Serrer les connexions de puissance selon le couple prescrit (souvent 3 Nm). 5. Mettre sous tension, appuyer sur le bouton de marche : le moteur démarre en étoile (courant réduit). 6. Après le délai du temporisateur, le moteur bascule automatiquement en triangle (pleine puissance). 7. Pour inverser le sens, actionner l’inverseur de phases (ou le commutateur dédié) avant toute mise sous tension. 8. Mesurer les courants de ligne en étoile et en triangle ; ils doivent correspondre aux valeurs théoriques (le courant de ligne en étoile pendant la phase de démarrage vaut environ un tiers du courant de démarrage en triangle, tandis qu’en régime permanent en triangle le courant de ligne vaut le courant nominal In). ### G. Sécurité et exemple d’atelier - Utiliser des équipements conformes à la norme NF C 15‑100 (section 462). - Vérifier que le disjoncteur de protection est réglé sur 1,2 × In. - Porter un casque antibruit si le moteur est installé près d’une machine bruyante. - Exemple : Dans une usine de transformation du cacao à Kribi, un moteur triphasé de 11 kW entraîne un broyeur. Le technicien règle le temporisateur à 12 s, vérifie le relais thermique à 16 A (In≈ 13,5 A), puis effectue le démarrage étoile‑triangle. En cas de maintenance, il coupe l’alimentation, attend la décharge des condensateurs du temporisateur, puis intervient. ## III. TP 15 : Démarrage des moteurs électriques asynchrones : Rotorique et Statorique ### A. Démarrage rotorique (résistance au rotor) Cette technique s’applique aux moteurs à rotor bobiné (à bagues) où l’on peut insérer une résistance variable dans le circuit du rotor. Au démarrage, la résistance est maximale, limitant le courant de rotor et donc le courant d’appel du stator. Au fur et à mesure que le moteur accélère, la résistance est progressivement court-circuitée (par des contacts ou un variateur), permettant au couple d’augmenter jusqu’à sa valeur nominale. > **Un démarreur rotorique introduit une résistance variable dans le circuit du rotor pour limiter le courant de démarrage.** ### B. Démarrage statorique (variateur de fréquence ou démarreur progressif) Le démarrage statorique agit directement sur l’alimentation du stator : - **Variateur de fréquence (VFD)** : fait varier la fréquence et la tension appliquées, permettant un démarrage en douceur et un contrôle précis de la vitesse. - **Démarreur progressif (soft‑starter)** : utilise des thyristors en angle de déclenchement pour augmenter progressivement la tension appliquée au stator, réduisant le courant d’appel sans changer la fréquence. ### C. Comparaison des deux méthodes | Critère | Démarrage rotorique | Démarrage statorique (VFD/soft‑starter) | |---|---|---| | Courant d’appel | Réduit à 30‑50 % In (selon résistance) | Réduit à 20‑40 % In (soft‑starter) ou à 0 % (VFD à fréquence très basse) | | Couple de démarrage | Couple réduit proportionnellement à la résistance | Couple pouvant être ajusté (VFD) ou limité (soft‑starter) | | Complexité | Nécessite accès au rotor, entretien des bagues | Pas d’accès au rotor, mais coût électronique plus élevé | | Applications typiques | Machines à forte inertie (broyeurs, centrifugeuses) où le coût du VFD est prohibitif | Pompes, ventilateurs, convoyeurs où le contrôle de vitesse est souhaité | | Rendement | Légère perte dans la résistance rotorique (chaleur) | Pertes électroniques faibles (VFD moderne > 95 %) | ### D. Procédure de mise en route pas à pas (exemple rotorique) 1. Isoler le moteur, vérifier l’absence de tension. 2. Contrôler l’état des bagues et des collecteurs (pas de brûlure, bonne conductivité). 3. Installer le banc de résistance (rheostat ou résistance fixe avec commutateur) sur le circuit du rotor. 4. Régler la résistance à sa valeur maximale (ex. : 10 Ω pour un moteur de 5 kW). 5. Effectuer le serrage des connexions selon le couple prescrit. 6. Mettre sous tension, donner le ordre de marche : le moteur démarre lentement, courant mesuré faible. 7. À l’aide d’un bouton ou d’un automate, réduire progressivement la résistance (pas de 1 Ω toutes les 2 s) jusqu’à court‑circuit complet. 8. Vérifier que le moteur atteint sa vitesse nominale sans à‑coups. 9. Mesurer le courant en régime permanent ; il doit être proche du courant indiqué sur la plaque. ### E. Procédure de mise en route pas à pas (exemple statorique – soft‑starter) 1. Couper l’alimentation, vérifier l’absence de tension. 2. Vérifier le branchement du soft‑starter en série avec l’alimentation du moteur (L1‑L2‑L3). 3. Régler le temps de montée (rampe) et le courant de limitation selon la charge (ex. : 8 s, 30 A pour un moteur de 7,5 kW). 4. Serrer les connexions de puissance. 5. Mettre sous tension, donner le ordre de marche : le soft‑starter augmente progressivement la tension, le courant reste limité. 6. À la fin de la rampe, le moteur fonctionne à pleine tension et vitesse. 7. Mesurer le courant et la tension aux bornes du moteur pour confirmer le respect des réglages. ### F. Normes de sécurité et exemple d’application industrielle au Cameroun - Respecter la NF C 15‑100, partie 462 (protection contre les surintensités). - Utiliser des dispositifs de coupure d’urgence clairement identifiés et accessibles. - Vérifier la mise à la terre du châssis et des armoires de commande. - Exemple : Dans une cimenterie à Figuil, un moteur asynchrone de 45 kW entraîne un broyeur à boulets. Le choix s’est porté sur un démarreur rotorique car le coût d’un VFD de cette puissance était prohibitif pour le budget local. Le technicien a installé un rheostat de 15 Ω avec commutateur à pas, suivi la procédure ci‑dessus, et a constaté une réduction du courant d’appel de 650 A à 250 A lors du démarrage, préservant ainsi le transformateur de l’usine. ## Synthèse du chapitre - **Moteur monophasé** : besoin d’un condensateur de démarrage pour créer un déphasage ; inversion de sens par permutation de l’enroulement auxiliaire. - **Démarrage étoile‑triangle** : réduit le courant de démarrage à environ un tiers du courant d’appel en démarrage direct (ou du courant de blocage) ; inversion de sens par échange de deux phases. - **Démarrage rotorique** : résistance variable dans le rotor pour limiter le courant d’appel ; nécessite accès au rotor et entretien des bagues. - **Démarrage statorique** : soft‑starter ou VFD agit sur la tension/fréquence du stator ; permet un démarrage progressif et, pour le VFD, un contrôle de vitesse. - **Sécurité** : couper l’alimentation, vérifier l’absence de tension, utiliser des EPI, respecter les distances de sécurité, mettre à la terre, utiliser des disjoncteurs adaptés. - **Applications typiques au Cameroun** : moteurs monophasés pour scies à ruban, moteurs triphasés étoile‑triangle pour pompes et broyeurs, démarreurs rotorique pour broyeurs à boulets, soft‑starter ou VFD pour ventilateurs et systèmes de ventilation. ## Glossaire - **Condensateur de démarrage** : composant électronique qui crée un déphasage de courant permettant au moteur monophasé de produire un couple de démarrage. - **Enroulement principal** : bobinage statorique directement alimenté par la ligne, responsable du champ magnétique principal. - **Enroulement auxiliaire** : bobinage supplémentaire utilisé avec un condensateur pour créer le déphasage nécessaire au démarrage. - **Courant d’appel (Inrush)** : courant transitoire élevé au moment de la mise sous tension d’un moteur, pouvant atteindre plusieurs fois le courant nominal. - **Configuration étoile** : connexion des extrémités des enroulements triphasés en un point commun, réduisant la tension appliquée à chaque enroulement. - **Configuration triangle** : connexion des enroulements en boucle fermée, chaque enroulement reçoit la tension de ligne complète. - **Temporisateur** : dispositif qui déclenche un changement d’état après un délai prédéfini (ex. : passage étoile → triangle). - **Soft‑starter** : dispositif à base de thyristors qui augmente progressivement la tension appliquée au stator pour limiter le courant d’appel. - **Variateur de fréquence (VFD)** : appareil qui fait varier la fréquence et la tension de l’alimentation moteur, permettant le contrôle de vitesse et un démarrage en douceur. - **Rotorique** : relatif au rotor ; dans le contexte du démarrage, désigne l’insertion d’une résistance dans le circuit du rotor. - **Statorique** : relatif au stator ; désigne les méthodes qui agissent sur l’alimentation du stator (soft‑starter, VFD). - **Disjoncteur magnétothermique** : dispositif de protection qui combine déclenchement magnétique (court‑circuit) et thermique (surcharge). - **EPI** : Équipement de Protection Individuelle (gants isolants, lunettes, casque). - **Mise à la terre** : connexion conductrice d’une masse métallique au potentiel de terre pour assurer la sécurité des personnes. ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Moteur monophasé à deux sens **Consigne** : Un atelier de menuiserie possède un moteur monophasé de 1,2 kW, 230 V, avec un condensateur de 10 µF. Dessinez le schéma de câblage pour un sens de marche et indiquez comment inverser le sens. Puis, calculez la valeur approximative du courant de démarrage sachant que le condensateur crée un déphasage de 90° et que la tension aux bornes du condensateur est égale à la ligne (230 V). **Corrigé** : - Schéma : alimentation 230 V (phase + neutre) → enroulement principal directement relié entre la phase et le neutre. Enroulement auxiliaire en série avec le condensateur 10 µF, relié entre la phase et le neutre. Un contacteur KM alimente l’ensemble. - Inversion de sens : permuter les deux fils de l’enroulement auxiliaire (les deux connexions au condensateur) tout en laissant l’enroulement principal inchangé. - Courant dans le condensateur : Ic = V × 2πfC. Avec f = 50 Hz, V = 230 V, C = 10 µF → Ic = 230 × 2π × 50 × 10×10⁻⁶ ≈ 0,72 A. - Le courant total d’appel est approximativement la somme vectorielle du courant principal (Ip ≈ P/(V×cosφ) ; en supposant cosφ≈0,8, Ip≈1,2 kW/(230×0,8)≈6,5 A) et du courant du condensateur (déphasé de 90°). Le module ≈ √(Ip² + Ic²) ≈ √(6,5² + 0,72²) ≈ 6,54 A. Ainsi le courant d’appel reste proche du courant nominal, le condensateur servant surtout à créer le couple de démarrage. ### Exercice 2 – Démarrage étoile‑triangle d’un moteur triphasé **Consigne** : Un moteur asynchrone triphasé de 7,5 kW, 400 V, 50 Hz, est couplé en étoile‑triangle. Le courant nominal est 15 A. Le temporisateur est réglé à 8 s. a) Déterminez la tension appliquée à chaque enroulement en étoile. b) Calculez le courant théorique d’appel en étoile (en supposant que le courant d’appel en triangle serait 5 × In). c) Après le délai du temporisateur, quelle est la tension appliquée en triangle et quel est le courant nominal en régime permanent ? **Corrigé** : a) En étoile, chaque enroulement voit la tension de ligne divisée par √3 : Uphase = 400 V / √3 ≈ 230 V. b) Courant d’appel en triangle ≈ 5 × In = 5 × 15 A = 75 A. En étoile, le courant d’appel est réduit du même facteur que la tension, donc I appel étoile ≈ 75 A / √3 ≈ 43,3 A. c) En triangle, la tension redevient la tension de ligne : 400 V par enroulement. Le courant nominal en régime permanent reste In = 15 A (la charge mécanique n’a pas changé). ### Exercice 3 – Choix entre démarreur rotorique et soft‑starter **Consigne** : Une usine de traitement d’eau doit installer une pompe centrifuge de 11 kW, 400 V, entraînée par un moteur asynchrone. Le réseau montre une sensibilité aux chutes de tension lors des démarrages. Le budget autorise un équipement de 800 € maximum. Un démarreur rotorique (rheostat + commutateur) coûte 600 €, un soft‑starter de même puissance coûte 950 €. Lequel choisir et pourquoi ? **Corrigé** : - Le démarreur rotorique respecte le budget (600 € < 800 €) alors que le soft‑starter le dépasse. - Le démarreur rotorique limite le courant d’appel en insérant une résistance dans le rotor ; pour une pompe de 11 kW, le courant d’appel peut être réduit de 60 % à 70 % (c’est‑à‑dire qu’il ne représente plus que 30‑40 % du courant d’appel direct), ce qui suffit à atténuer les chutes de tension sur un réseau modeste. - Le soft‑starter offrirait une meilleure précision et un contrôle de vitesse, mais son coût dépasse le budget alloué. - Donc, le démarreur rotorique est le choix adapté compte tenu des contraintes financières et de l’objectif de réduction du courant d’appel. ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de sécurité / bonne pratique | |---|---|---|---| | 1 | Oublier de couper l’alimentation avant de travailler sur le moteur | Risque de choc électrocuteur, endommagement du matériel | Toujours vérifier l’absence de tension avec un multimètre avant toute intervention (verrouillage‑étiquetage). | | 2 | Ne pas serrer les connexions de puissance au couple recommandé | Suréchauffage, desserrage, risque d’arc électrique | Utiliser une clé dynamométrique et respecter le couple indiqué par le fabricant (souvent 2,5‑3 Nm pour les bornes de puissance). | | 3 | Régler le temporisateur étoile‑triangle trop court (< 5 s) pour une charge à forte inertie | Le moteur ne parvient pas à atteindre la vitesse avant le passage en triangle → surintensité, déclenchement du relais thermique | Ajuster le temps en fonction du temps de montée de la charge (ex. : 8‑12 s pour une pompe centrifuge). | | 4 | Utiliser un condensateur de valeur inadéquate sur un moteur monophasé | Couple de démarrage insuffisant, surchauffe du condensateur, éventuelle explosion | Vérifier la valeur du condensateur sur la plaque signalétique du moteur ou dans la notice technique ; remplacer uniquement par un condensateur de même capacité et de même tension nominale. | | 5 | Négliger la mise à la terre du châssis du moteur | Risque de potentiel de touche en cas de défaut d’isolement | Mesurer la résistance de terre (< 1 Ω) avant la mise sous tension ; renouveler le contrôle périodiquement. | | 6 | Intervenir sur un démarreur rotorique sans décharger les résistances | Risque de brûlure ou de choc dû à l’énergie stockée dans les résistances | Après coupure d’alimentation, attendre la décharge naturelle (quelques secondes) ou utiliser une résistance de décharge si nécessaire. | --- *Fin du cours.*