Démarrage direct des moteurs asynchrones : principe et protections

Le démarrage direct d’un moteur asynchrone consiste à alimenter ses enroulements à la tension du réseau, dans le couplage prévu par sa plaque signalétique. Cette solution est simple et économique, mais elle impose de vérifier le courant d’appel, le couple disponible et la coordination des protections.

Cet article explique le fonctionnement du moteur asynchrone triphasé, les contraintes du démarrage direct et les critères de choix du disjoncteur, du relais de surcharge et du contacteur. Il présente également les principales solutions de démarrage alternatives.

Le moteur asynchrone transforme l’énergie électrique en énergie mécanique par induction électromagnétique. Sa robustesse et sa simplicité expliquent son utilisation dans les pompes, les ventilateurs, les compresseurs et de nombreuses machines industrielles. Son adéquation à un environnement difficile dépend toutefois de son indice de protection, de son refroidissement et de ses conditions de service.

• Le stator est la partie fixe. Ses enroulements triphasés produisent le champ magnétique tournant.
• Le rotor est la partie mobile. Dans un moteur à cage, il comporte des barres conductrices, généralement en aluminium ou en cuivre, reliées par des anneaux de court-circuit. Les moteurs à rotor bobiné constituent une autre famille.
• Les roulements guident l’arbre en limitant les frottements.
• Le dispositif de refroidissement, souvent un ventilateur, évacue une partie de la chaleur produite.

Le champ du stator induit des courants dans le rotor. Leur interaction avec le champ magnétique crée le couple électromagnétique. En fonctionnement moteur établi, la vitesse du rotor reste inférieure à celle du champ tournant : cet écart relatif est le glissement.

Le glissement permet l’induction nécessaire à la production du couple. Il ne résulte pas d’un mécanisme par lequel les pertes amèneraient le rotor au synchronisme.

Vitesse de synchronisme : n_s = 60 × f / p, avec f en hertz et p le nombre de paires de pôles. Le glissement s’écrit g = (n_s − n) / n_s.

Le contacteur établit directement l’alimentation du moteur. Le courant initial peut représenter plusieurs fois le courant nominal ; sa valeur exacte doit être recherchée dans les données du moteur. Elle dépend notamment de sa conception, de la tension disponible et du mode de démarrage.

Cet appel de courant peut provoquer une chute de tension et solliciter la source, les câbles et l’appareillage. L’accélération peut aussi imposer des contraintes à la transmission et à la machine entraînée.

Le démarrage direct convient lorsque le réseau supporte cet appel et que le moteur fournit un couple suffisant sur toute la phase d’accélération. Le choix ne repose donc pas uniquement sur la puissance du moteur.

Le couple moteur est un moment mécanique exprimé en newtons-mètres (N·m). Il se distingue de la puissance, exprimée en watts. Le couple résistant correspond aux efforts opposés à la rotation par la charge et les frottements.

La différence entre ces deux couples constitue le couple accélérateur : C_m − C_r = J × dω/dt, où J représente l’inertie équivalente ramenée à l’arbre. Cette différence sert à accélérer l’ensemble ; elle ne représente pas directement des pertes d’énergie.

En régime permanent à vitesse constante, les couples s’équilibrent. Pendant le démarrage, le couple moteur doit permettre de franchir les points difficiles de la courbe de charge.

La protection par coupure automatique dépend du schéma de liaison à la terre, de la continuité du conducteur de protection et des caractéristiques du circuit.

• En schéma TT, le choix du dispositif différentiel doit tenir compte de la prise de terre et des temps de coupure. La condition R_A × I_Δn ≤ U_L doit être respectée. Une sensibilité de 300 mA ne peut pas être déclarée suffisante dans tous les cas ; des exigences de protection complémentaire peuvent aussi s’appliquer.
• En schéma TN, la coupure peut être assurée par la protection contre les surintensités si le courant de défaut permet son fonctionnement dans le temps requis. Il faut vérifier la boucle de défaut et les réglages.

Les valeurs à retenir dépendent des règles applicables à l’installation et des conditions d’environnement.

Le départ moteur doit être protégé à la fois contre les courts-circuits et contre les surcharges. Ces fonctions peuvent être assurées par des appareils distincts ou intégrées dans un disjoncteur moteur, selon la solution retenue.

Le seuil magnétique doit tolérer le démarrage tout en assurant la protection du circuit en défaut. Les protections à courbe D, les déclencheurs magnétiques seuls et les disjoncteurs moteurs n’ont pas tous un seuil identique : il faut consulter leurs courbes et les tableaux de coordination du fabricant. Un appareil magnétique seul ne remplace pas la protection contre les surcharges.

Le choix des appareils nécessite de confronter la courbe de démarrage aux courbes de déclenchement et aux limites thermiques du moteur et du câble. Le dimensionnement doit aussi prendre en compte le courant admissible, la chute de tension et la tenue au court-circuit.

Les courbes ci-dessous sont des illustrations pédagogiques : elles ne constituent pas un réglage universel. Un temps de démarrage de quelques secondes ou de plusieurs dizaines de secondes doit être vérifié pour le moteur et la charge réellement étudiés.

Les relais thermiques ou électroniques protègent le moteur contre les surcharges suivant leur caractéristique de déclenchement. La classe se choisit selon la durée et le courant de démarrage, l’état thermique initial, la fréquence des démarrages et la tenue thermique du moteur.

Les classes 10A et 10 sont courantes pour les démarrages usuels ; les classes 20 ou 30 peuvent répondre à des démarrages plus difficiles. Une classe plus élevée n’est pas justifiée par la seule puissance du moteur. Elle ne doit pas être retenue simplement pour empêcher un déclenchement sans vérifier les limites du moteur.

Les numéros de classe ne sont pas des temporisations fixes indépendantes du courant. Il faut utiliser la courbe et les conditions d’essai indiquées dans la documentation du relais.

Le contacteur commande l’alimentation du moteur. Sa sélection dépend de la tension, du courant d’emploi, de la catégorie d’utilisation, de la fréquence des manœuvres et de l’endurance attendue. La tension de la bobine doit également correspondre au circuit de commande.

Une même référence peut avoir des courants d’emploi différents selon la catégorie. Le calibre AC-1 ne doit pas être utilisé comme s’il s’agissait du calibre AC-3.

Réduire le courant d’appel impose de vérifier le couple encore disponible. Le tableau suivant présente les différences de principe ; les performances réelles dépendent du moteur, de la charge et des réglages.

Le moteur doit disposer de six bornes accessibles et être prévu pour fonctionner en triangle à la tension du réseau. À conditions comparables, le courant de ligne et le couple au démarrage en étoile sont approximativement divisés par trois par rapport au démarrage direct en triangle. Il faut donc vérifier que la charge peut accélérer avec ce couple réduit.

1. Relever la plaque signalétique et les données de démarrage du moteur.
2. Identifier la charge, son inertie et sa courbe de couple résistant.
3. Vérifier la capacité de la source et la chute de tension au démarrage.
4. Choisir le mode de démarrage et le couplage adaptés.
5. Coordonner disjoncteur ou fusibles, contacteur, protection de surcharge et câble.
6. Contrôler le démarrage et les réglages lors de la mise en service.

Le démarrage direct reste une solution pertinente lorsqu’il est compatible avec le réseau et la machine entraînée. Une étude du départ moteur permet d’éviter de choisir les protections uniquement sur la base du courant nominal.

• Schneider Electric — Protection en schéma TT
• Schneider Electric — Choix des classes des relais de surcharge
• Schneider Electric — Catégories d’emploi AC-1 et AC-3
• Schneider Electric — Couplage du moteur et tension du réseau
• Pourquoi faire un bilan de puissance électrique ?