Chapitre 10 · Sujet 2 sur 5
Les modes de démarrage
Démarrage direct, étoile-triangle, démarreur progressif et variateur : effets sur le courant de ligne et le couple, et critères de choix.
Niveau 1
L'essentiel
- Au démarrage direct, un moteur asynchrone appelle plusieurs fois son courant nominal (souvent 5 à 8 fois, voir la fiche du fabricant).
- Ce pic provoque une chute de tension qui peut gêner les autres utilisateurs et faire déclencher des protections.
- Le démarrage étoile-triangle divise par 3 le courant de ligne et le couple au démarrage.
- Le démarreur progressif (soft starter) augmente la tension progressivement ; le variateur de fréquence démarre en douceur avec un courant proche du nominal.
- Le choix dépend de la puissance du moteur, de la machine entraînée et du réseau. Le RGIE demande un dispositif de démarrage adapté quand un démarrage direct perturbe anormalement les autres utilisations.
Comprendre
Pourquoi le courant est-il si fort ?
À l'arrêt, le rotor ne tourne pas : le glissement est maximal et le moteur se comporte un peu comme un transformateur dont le secondaire serait en court-circuit. Le courant est très élevé jusqu'à ce que le moteur prenne de la vitesse.
Démarrage direct
On applique directement la pleine tension. C'est le plus simple et le plus économique, avec le couple de démarrage le plus élevé. On l'utilise pour les petits moteurs ou quand le réseau est assez puissant.
Démarrage étoile-triangle
On démarre en étoile puis on passe en triangle quand le moteur a pris sa vitesse. Il faut que le moteur fonctionne en triangle à la tension du réseau et que ses six bornes soient accessibles :
- en 3N 400 V : moteur 400/690 V ;
- en 3 × 230 V : moteur 230/400 V.
Le démarreur comprend trois contacteurs (ligne, étoile, triangle) et une temporisation. Le couple de démarrage est divisé par 3 : cela convient aux ventilateurs et aux pompes, qui demandent peu de couple au démarrage, mais pas à un compresseur qui démarre en charge.
Démarreur progressif
Il contient des thyristors qui augmentent la tension progressivement. Le démarrage est doux, sans à-coup mécanique (utile pour les courroies et les pompes, contre les coups de bélier).
Variateur de fréquence
Il démarre le moteur à basse fréquence et l'accélère selon une rampe, avec un courant proche du nominal. Il permet aussi de faire varier la vitesse en fonctionnement (voir Les variateurs de fréquence).
Sur le terrain
Dans un immeuble à Uccle, un ventilateur d'extraction de 11 kW démarrait en direct. À chaque démarrage, l'éclairage du parking vacillait et un disjoncteur sensible déclenchait parfois. Le moteur, plaque 400/690 V, est raccordé en 3N 400 V. L'électricien installe un démarreur étoile-triangle avec une temporisation réglée pour que le ventilateur atteigne presque sa vitesse avant le passage en triangle. Les vacillements disparaissent.
Erreurs fréquentes
- Installer un étoile-triangle sur un moteur 230/400 V raccordé en 3N 400 V : en triangle, les enroulements recevraient 400 V au lieu de 230 V.
- Régler la temporisation trop courte : le passage en triangle se fait à basse vitesse et provoque un pic de courant presque aussi fort qu'en direct.
- Choisir l'étoile-triangle pour une machine qui démarre en charge : le moteur n'a pas assez de couple pour décoller.
- Inverser les connexions du triangle et faire tourner le moteur dans un sens différent entre étoile et triangle.
Niveau supérieur
L'essentiel
- Démarrage direct : Id = (Id/In) × In ; couple de démarrage Cd = (Cd/Cn) × Cn.
- Étoile-triangle : courant de ligne et couple divisés par 3 par rapport au démarrage direct.
- Démarreur progressif à tension réduite k × Un : courant ≈ k × Id, couple ≈ k² × Cd.
- La condition de démarrage : le couple moteur doit rester supérieur au couple résistant de la machine pendant toute l'accélération.
- La chute de tension au démarrage se vérifie avec le courant de démarrage et le cos φ de démarrage (faible).
Approfondir
Étoile-triangle : pourquoi 1/3 ?
En étoile, chaque enroulement reçoit U / √3 au lieu de U. Le courant dans l'enroulement est donc divisé par √3. En triangle, le courant de ligne vaut √3 fois le courant d'enroulement ; en étoile, le courant de ligne est égal au courant d'enroulement. Le courant de ligne en étoile vaut donc (1/√3) × (1/√3) = 1/3 du courant de ligne en démarrage direct triangle. Le couple, proportionnel au carré de la tension d'enroulement, est aussi divisé par (√3)² = 3.
Comparaison
| Mode | Courant de ligne au démarrage | Couple de démarrage | Remarques |
|---|---|---|---|
| Direct | Id | Cd | simple, pic de courant et à-coup |
| Étoile-triangle | Id / 3 | Cd / 3 | 6 bornes, pic de transition |
| Progressif à k × Un | ≈ k × Id | ≈ k² × Cd | réglage de rampe, pas de variation de vitesse |
| Variateur | proche de In, limité par le variateur | jusqu'au couple nominal et plus | variation de vitesse, harmoniques |
Chute de tension au démarrage
Le pic de courant crée une chute de tension dans le câble et en amont. Le cos φ au démarrage est faible (souvent de l'ordre de 0,3 à 0,5, à prendre sur la fiche) : on utilise la formule complète ΔU = √3 × I × (R × cos φ + X × sin φ). Voir La chute de tension. Une chute trop importante réduit le couple (∝ U²) et peut empêcher le démarrage.
Le pic de transition
Au passage étoile → triangle, le moteur est brièvement déconnecté puis reconnecté. Si sa vitesse est encore faible, ou si la tension rémanente est en opposition de phase, le pic peut être élevé. On règle la temporisation sur le temps réel d'accélération ; il existe des schémas à transition fermée pour les cas sensibles.
Ce que dit le RGIE
- Les moteurs sont munis, selon les règles de l'art, de dispositifs de commande appropriés si leur démarrage sans ces dispositifs perturbe anormalement le fonctionnement des autres utilisations (RGIE, Livre 1, 5.3.3.2 e).
- Sauf raison de sécurité prépondérante, la commande empêche la réalimentation automatique, après un arrêt, d'un moteur dont le redémarrage peut mettre des personnes en danger (même sous-section) : contacteur à auto-maintien plutôt que commande maintenue.
- Le RGIE ne chiffre pas de limite de courant de démarrage. Le gestionnaire de réseau peut en imposer selon le raccordement : renseignez-vous avant de démarrer un gros moteur en direct.
Protection pendant le démarrage
La protection contre les surcharges doit laisser passer le démarrage : la classe du relais thermique se choisit selon la durée de démarrage (voir Protéger un moteur).
Exemple chiffré
Ventilateur entraîné par un moteur 11 kW, plaque 400/690 V, raccordé en triangle sur 3N 400 V. In = 20,8 A, Id/In = 7, Cd/Cn = 2,2, Cn = 71,9 N·m.
- Direct : Id = 7 × 20,8 = 145,6 A ; Cd = 2,2 × 71,9 ≈ 158,2 N·m.
- Étoile-triangle : courant de ligne = 145,6 / 3 ≈ 48,5 A ; couple = 158,2 / 3 ≈ 52,7 N·m, soit 0,73 Cn.
- Démarreur progressif réglé à 50 % de Un au départ : courant ≈ 0,5 × 145,6 = 72,8 A ; couple ≈ 0,25 × 158,2 ≈ 39,5 N·m, soit 0,55 Cn.
Un ventilateur a un couple résistant faible au démarrage (il croît avec le carré de la vitesse) : les modes 2 et 3 conviennent. Pour un compresseur qui démarre en charge avec un couple résistant de 0,8 Cn, l'étoile-triangle (0,73 Cn) ne suffirait pas.
Erreurs fréquentes
- Diviser le courant de démarrage par √3 au lieu de 3 en étoile-triangle.
- Oublier que le couple aussi est divisé par 3.
- Calculer la chute de tension au démarrage avec le cos φ nominal.
- Choisir un démarreur progressif pour une application qui demande en réalité une variation de vitesse.
- Placer le relais thermique d'un étoile-triangle sans tenir compte du courant qui le traverse (ligne ou enroulement).