Démarrage des moteurs asynchrones : méthodes et exercices

ÉLECTROTECHNIQUE · MACHINES

Pourquoi le démarrage d'un moteur asynchrone provoque un appel de courant important, quels modes de démarrage existent et comment choisir le bon selon le réseau et la charge.

Introduction — Le problème du démarrage

Au moment où un moteur asynchrone est mis sous tension, son rotor est encore immobile. La vitesse relative entre le champ tournant et le rotor est maximale, ce qui provoque un appel de courant très élevé — bien supérieur au courant nominal.

Découvrir

Point clé

Le courant de démarrage (I_D) d'un moteur asynchrone à cage peut atteindre 5 à 8 fois le courant nominal (I_N), selon la puissance et la technologie. Ce pic dure de quelques dixièmes à plusieurs secondes.

\displaystyle \displaystyle I_D \approx (5\text{ à }8) \times I_N

Comparaison des ordres de grandeur

Courant et couple au démarrage selon le mode (valeurs typiques)
Mode de démarrage	Courant de démarrage	Couple de démarrage
Direct	5 à 8 × I_N	0,5 à 1,5 × C_N
Étoile-triangle	1,5 à 2,7 × I_N	0,2 à 0,5 × C_N
Rotorique	1,5 à 2,5 × I_N	0,5 à 2 × C_N
Progressif (variateur)	1 à 3 × I_N	Réglable

Vérifions votre compréhension

1. Pourquoi le courant de démarrage d'un moteur asynchrone est-il si élevé ?Parce que le rotor est immobile, la vitesse relative champ/rotor est maximaleParce que le moteur n'a pas encore de champ magnétiqueParce que la tension est doublée au démarrage

Le démarrage direct

Le démarrage direct consiste à alimenter le moteur avec la pleine tension du réseau dès l'instant initial. C'est le mode le plus simple : un seul contacteur relie le moteur au réseau.

Caractéristiques du démarrage direct

Avantages : simplicité, coût minimal, couple de démarrage élevé.
Inconvénients : appel de courant important (5 à 8 × I_N), chutes de tension sur le réseau, contraintes mécaniques sur la charge et le couplage.

⚠ Attention

Le démarrage direct n'est généralement autorisé que pour les petits moteurs (en pratique ≤ 3 kW sur réseau BT) ou lorsque le réseau peut supporter l'appel de courant sans chute de tension excessive.

Défi : quand accepter le démarrage direct ?

Un moteur de 5,5 kW, I_N = 11 A, est alimenté par un réseau 400 V dont l'impédance de court-circuit est 40 mΩ. La chute de tension admissible au démarrage est de 8 %. Le démarrage direct est-il acceptable ?

Données : I_D ≈ 7 × I_N ; ΔU = I_D × Z_réseau ; U = 400 V

Indice

Calculez I_D, puis la chute de tension ΔU = I_D × Z, et comparez à 8 % de 400 V.

Voir le corrigé détaillé

I_D ≈ 7 × 11 = 77 A. ΔU = 77 × 0,040 = 3,08 V, soit 3,08 / 400 ≈ 0,77 % < 8 %. La chute de tension est acceptable. Oui, le démarrage direct est envisageable sur ce réseau, à condition que les contraintes mécaniques le permettent.

À vous de jouer

1. Un moteur a un courant nominal de 15 A. En démarrage direct, estimez le courant de démarrage (facteur 7).A

2. Dans quel cas le démarrage direct est-il généralement évité ?Pour un moteur de 1 kW sur un réseau rigidePour un moteur de 30 kW sur un réseau avec impédance élevéeQuand le moteur tourne à vide

Le démarrage étoile-triangle

Le démarrage étoile-triangle (Y-Δ) consiste à démarrer le moteur en couplage étoile, puis à basculer en couplage triangle une fois la vitesse suffisante. En étoile, la tension aux bornes de chaque enroulement est divisée par √3.

\displaystyle \displaystyle U_{\text{étoile}} = \frac{U_{\text{triangle}}}{\sqrt{3}}

Effet sur le courant et le couple

En étoile, le courant de démarrage et le couple sont divisés par 3 par rapport au démarrage direct en triangle.

I_D,Y ≈ I_D,Δ / 3 et C_D,Y ≈ C_D,Δ / 3.

⚠ Condition impérative

Le moteur doit être couplé en triangle en régime normal pour que le démarrage étoile-triangle soit possible. La tension réseau doit correspondre à la tension de couplage triangle du moteur.

Comprendre le couplage

1. En couplage étoile, par combien est divisé le courant de démarrage par rapport au couplage triangle ?Par √3Par 3Par 2

2. Le démarrage étoile-triangle convient à toutes les charges, même celles nécessitant un couple de démarrage élevé.VraiFaux

Prédire puis vérifier

Avant de continuer : un moteur démarre en étoile mais le couple est insuffisant pour lancer la charge. Que va-t-il se passer au basculement en triangle ?

Si le moteur n'a pas atteint une vitesse suffisante en étoile, le basculement en triangle provoque un nouveau pic de courant presque aussi élevé qu'un démarrage direct. L'intérêt du démarrage étoile-triangle est alors perdu. C'est pourquoi ce mode convient aux charges dont le couple résistant diminue ou reste faible au démarrage.

Le démarrage rotorique

Le démarrage rotorique s'applique aux moteurs à bagues (rotor bobiné). Des résistances sont insérées en série avec le rotor via les bagues, ce qui augmente l'impédance rotorique et limite le courant de démarrage tout en conservant un couple élevé.

Principe

En augmentant la résistance rotorique au démarrage, on déplace le point de couple maximum vers la glissance g = 1 (au démarrage). Le moteur démarre avec un couple proche du couple maximum, tout en limitant le courant statorique.

\displaystyle \displaystyle C_{\max} = \frac{3\,V^2}{2\,\omega_s}\cdot\frac{1}{R_1 + \sqrt{R_1^2 + (X_1 + X_2')^2}}

Comprendre

Pourquoi le couple maximum ne dépend pas de la résistance rotorique ?

La valeur du couple maximum reste la même quelle que soit la résistance rotorique R₂'. Ce qui change, c'est la glissance à laquelle ce maximum se produit : en augmentant R₂', on déplace le maximum vers g = 1, donc on obtient un couple de démarrage élevé.

Défi : avantage du démarrage rotorique

Un moteur à bagues de 15 kW doit démarrer un convoyeur chargé (couple résistant élevé au démarrage). Comparez le démarrage rotorique avec l'étoile-triangle : lequel choisir et pourquoi ?

Données : Couple résistant au démarrage : 1,2 × C_N. Couple de démarrage étoile-triangle : ≈ 0,3 × C_N. Couple de démarrage rotorique : réglable, jusqu'à C_max ≈ 2 × C_N.

Indice

Comparez le couple disponible au démarrage avec le couple résistant dans les deux cas.

Voir le corrigé détaillé

En étoile-triangle, le couple de démarrage (≈ 0,3 × C_N) est insuffisant face au couple résistant (1,2 × C_N) : le moteur ne démarre pas. En démarrage rotorique, le couple de démarrage est réglable et peut dépasser 1,2 × C_N : le démarrage rotorique est le bon choix.

Maîtriser le démarrage rotorique

Le démarrage progressif et les variateurs

Les démarreurs progressifs (soft starters) réduisent la tension appliquée au moteur de façon progressive, en utilisant des thyristors. Les variateurs de fréquence contrôlent à la fois la tension et la fréquence, permettant un démarrage à couple constant.

Démarreur progressif vs variateur de fréquence

Démarreur progressif

Réduit la tension, fréquence fixe
Couple de démarrage limité
Pas de réglage de vitesse en marche
Coût modéré
Idéal pour pompes, ventilateurs

Variateur de fréquence

Contrôle tension ET fréquence
Couple de démarrage réglable, proche du nominal
Réglage de vitesse permanent
Coût plus élevé
Idéal pour processus, entraînements variables

Le démarreur progressif en bref

Le démarreur progressif réduit la tension au stator lors du démarrage (rampe de tension). Le courant et le couple sont réduits. Une fois la vitesse atteinte, un contacteur de shunt court-circuite les thyristors pour éliminer les pertes en régime nominal.

Simuler l'effet d'un démarreur progressif

Faites varier le pourcentage de tension appliquée au moteur et observez le courant de démarrage et le couple.

Tension appliquée 60,00 %

Courant de démarrage (× I_N)4,2 × I_N

Couple de démarrage (× C_N)0,4 × C_N

Hypothèses : moteur asynchrone triphasé, I_D/direct = 7 × I_N, C_D/direct = 1 × C_N. Le couple est proportionnel au carré de la tension.

Choisir le bon mode

1. Vous devez démarrer une pompe centrifuge de 22 kW sur un réseau sensible aux chutes de tension. Quelle solution est la plus adaptée ?Démarrage directDémarreur progressifDémarrage rotorique

2. Avec un démarreur progressif réglé à 70 % de la tension, quel est le couple de démarrage en fraction du couple nominal ? (le couple est proportionnel au carré de la tension)× C_N

Choisir le bon mode de démarrage

Le choix d'un mode de démarrage dépend de trois facteurs principaux : la puissance du moteur, la capacité du réseau à absorber l'appel de courant, et le couple résistant de la charge au démarrage.

Méthode de choix en 4 étapes

4 étape(s)

Évaluer le réseau
Impédance de court-circuit, chute de tension admissible au démarrage (souvent ≤ 3 à 8 % de U_N).
Étape réalisée
Caractériser la charge
Couple résistant au démarrage : faible (ventilateur), croissant (pompe), élevé (convoyeur, compresseur).
Étape réalisée
Calculer le courant de démarrage
Estimer I_D pour chaque mode et vérifier la chute de tension associée.
Étape réalisée
Vérifier le couple disponible
Le couple de démarrage doit dépasser le couple résistant, avec une marge de sécurité.
Étape réalisée

Guide de sélection rapide

Choix du mode de démarrage selon le contexte
Situation	Mode recommandé
Petit moteur (≤ 3 kW), réseau rigide	Démarrage direct
Moteur moyen (5–15 kW), charge à faible couple	Étoile-triangle
Moteur à bagues, charge à fort couple	Démarrage rotorique
Pompe ou ventilateur, réseau sensible	Démarreur progressif
Processus nécessitant réglage de vitesse	Variateur de fréquence

Mettre tout ensemble

1. Un moteur de 45 kW entraîne un compresseur (couple résistant élevé au démarrage). Le réseau tolère une chute de tension maximale de 5 %. Quel mode de démarrage choisir ?Démarrage directÉtoile-triangleVariateur de fréquencePas de démarreur, démarrer à vide

2. Quels modes de démarrage réduisent à la fois le courant ET le couple de démarrage ? (plusieurs réponses possibles)Étoile-triangleDémarreur progressifDémarrage rotoriqueDémarrage direct

À retenir

Les points essentiels

Le démarrage d'un moteur asynchrone provoque un appel de courant de 5 à 8 fois le courant nominal en démarrage direct.

Le démarrage direct est réservé aux petits moteurs sur réseaux rigides.

L'étoile-triangle divise le courant et le couple par 3

adapté aux charges à faible couple résistant.

Le démarrage rotorique limite le courant tout en gardant un couple élevé

idéal pour les charges lourdes (moteur à bagues uniquement).

Le démarreur progressif réduit la tension progressivement

bon compromis pour pompes et ventilateurs.

Le variateur de fréquence offre le contrôle le plus complet

couple réglable et variation de vitesse permanente.

Le choix dépend de trois critères

puissance du moteur, capacité du réseau, couple résistant de la charge.

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