Asg 4 Demarrage Protection Moteurs

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chapitreDmarrage et protection des moteursPrsentation : Type de dmarrage et de freinage des moteurs Protection des moteurs et analyse des dfaillances Tableau de choix des fonctions de protection et des produits concerns

4. Dmarrage et protection des moteurs

Sommaire

1 24.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 Dmarrage des moteurs induction Freinage lectrique des moteurs asynchrones triphass Les dmarreurs multifonctions La protection des moteurs Pertes et chauffement dans les moteurs Les diffrentes causes de dfauts et leurs consquences Les fonctions et les produits de protectionPage

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 M

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4. Dmarrage et protection des moteurs

4.1

Dmarrage des moteurs induction

Ce chapitre est exclusivement consacr au dmarrage, au freinage et la protection des moteurs asynchrones de tous types. Pour un descriptif physique et lectrique des moteurs, veuillez consulter le chapitre moteur. Ce chapitre naborde pas le fonctionnement vitesse variable des moteurs. La variation de vitesse, qui peut tre considre comme un dpart moteur sophistiqu est trait dans le chapitre consacr cette fonction. la protection des personnes est traite en partie dans le chapitre sur la scurit des personnes et des biens et dans le Guide de lInstallation Electrique dit par lInstitut Schneider Formation.

4.1

Dmarrage des moteurs inductionb IntroductionLors de la mise sous tension dun moteur, lappel de courant sur le rseau est important et peut, surtout si la section de la ligne dalimentation est insuffisante, provoquer une chute de tension susceptible daffecter le fonctionnement des rcepteurs. Parfois, cette chute de tension est telle quelle est perceptible sur les appareils dclairage. Pour remdier ces inconvnients, les rglements de quelques secteurs interdisent, au-dessus dune certaine puissance, lemploi de moteurs dmarrant en direct. Se reporter aux pages K34 K39 du catalogue Distribution BT 1999/2000 et aux tableaux des chutes de tension admissibles selon la norme NFC 15-100. En fonction des caractristiques du moteur et de la charge, plusieurs mthodes de dmarrages sont utilises. Le choix sera dict par des impratifs lectriques, mcaniques et conomiques. La nature de la charge entrane aura galement une grande incidence sur le mode de dmarrage retenir.

b Les principaux modes de dmarrage Introductionv Dmarrage directC'est le mode de dmarrage le plus simple dans lequel le stator est directement coupl sur le rseau (C Fig.1). Le moteur dmarre sur ses caractristiques naturelles. Au moment de la mise sous tension, le moteur se comporte comme un transformateur dont le secondaire, constitu par la cage du rotor trs peu rsistante, est en court-circuit. Le courant induit dans le rotor est important. Il en rsulte une pointe de courant sur le rseau : I dmarrage = 5 8 l nominal Le couple de dmarrage est en moyenne : C dmarrage = 0.5 1.5 C nominal. Malgr les avantages qu'il prsente (simplicit de l'appareillage, couple de dmarrage lev, dmarrage rapide, prix faible), le dmarrage direct ne peut convenir que dans les cas o : - la puissance du moteur est faible par rapport la puissance du rseau, de manire limiter les perturbations dues l'appel de courant, - la machine entrane ne ncessite pas une mise en vitesse progressive o comporte un dispositif amortisseur qui rduit le choc du dmarrage, - le couple de dmarrage peut tre lev sans incidence sur le fonctionnement de la machine ou de la charge entrane.

A Fig. 1

Dmarrage direct

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4. Dmarrage et protection des moteurs

4.1

Dmarrage des moteurs induction

v Dmarrage toile-triangleCe mode de dmarrage (C Fig.2) ne peut tre utilis qu'avec un moteur sur lequel les deux extrmits de chacun des trois enroulements statoriques sont ramenes sur la plaque bornes. Par ailleurs, le bobinage doit tre ralis de telle sorte que le couplage triangle corresponde la tension du rseau : par exemple, pour un rseau triphas 380 V, il faut un moteur bobin en 380 V triangle et 660 V toile. Le principe consiste dmarrer le moteur en couplant les enroulements en toile sous la tension rseau, ce qui revient diviser la tension nominale du moteur en toile par 3 (dans l'exemple ci-dessus, la tension rseau 380 V = 660 V/3). La pointe de courant de dmarrage est divise par 3 : - Id = 1.5 2.6 In En effet, un moteur 380 V/660 V coupl en toile sous sa tension nominale 660 V absorbe un courant 3 fois plus faible qu'en couplage triangle sous 380 V. Le couplage toile tant effectu sous 380 V, le courant est divis une nouvelle fois par 3 donc au total par 3. Le couple de dmarrage tant proportionnel au carr de la tension d'alimentation, il est lui aussi divis par 3 : - Cd = 0.2 0.5 Cn La vitesse du moteur se stabilise quand les couples moteur et rsistant s'quilibrent, gnralement entre 75 et 85 % de la vitesse nominale. Les enroulements sont alors coupls en triangle et le moteur rejoint ses caractristiques naturelles. Le passage du couplage toile au couplage triangle est command par un temporisateur. La fermeture du contacteur triangle s'effectue avec un retard de 30 50 millisecondes aprs l'ouverture du contacteur toile, ce qui vite un court-circuit entre phases, les deux contacteurs ne pouvant tre ferms simultanment. Le courant qui traverse les enroulements est interrompu l'ouverture du contacteur toile. Il se rtablit la fermeture du contacteur triangle. Ce passage en triangle s'accompagne d'une pointe de courant transitoire trs brve mais trs importante, due la force contre-lectromotrice du moteur. Le dmarrage toile-triangle convient aux machines qui ont un faible couple rsistant ou qui dmarrent vide (ex : machine bois). Pour limiter ces phnomnes transitoires, des variantes peuvent tre ncessaire, au-del d'une certaine puissance. Lune consiste en une temporisation de 1 2 secondes au passage toile-triangle. Cette temporisation permet une diminution de la force contre-lectromotrice, donc de la pointe de courant transitoire. Ceci ne peut tre utilis que si la machine a une inertie suffisante pour viter un ralentissement trop important pendant la dure de la temporisation. Une autre est le dmarrage en 3 temps : toile-triangle + rsistance-triangle. La coupure subsiste, mais la rsistance mise en srie, pendant trois secondes environ, avec les enroulements coupls en triangle, rduit la pointe de courant transitoire. Une variante est le dmarrage toile-triangle + rsistance-triangle sans coupure. La rsistance est mise en srie avec les enroulements immdiatement avant l'ouverture du contacteur toile. Ceci vite toute interruption de courant, donc l'apparition de phnomnes transitoires. L'utilisation de ces variantes se traduit par la mise en uvre de matriel supplmentaire, ce qui peut avoir pour consquence une augmentation non ngligeable du cot de l'installation.

4

A Fig. 2

Dmarrage toile triangle

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4. Dmarrage et protection des moteurs

4.1

Dmarrage des moteurs induction

v Dmarrage de moteurs enroulements partags part windingCe systme (C Fig.3), peu utilis en Europe, l'est surtout sur le march nord-amricain (tension 230/460 V, rapport gal 2). Ce type de moteur comporte un enroulement statorique ddoubl en deux enroulements parallles avec six ou douze bornes sorties. Il est quivalent deux demi moteurs" dgale puissance. Au dmarrage, un seul demi moteur" est coupl en direct sous la pleine tension du rseau, ce qui divise le courant de dmarrage et le couple approximativement par deux. Ce dernier est nanmoins suprieur au couple que fournirait un moteur cage de mme puissance dmarrant en toile-triangle.A Fig. 3 Dmarrage enroulements partags

En fin de dmarrage, le second enroulement est coupl sur le rseau. A ce moment, la pointe de courant est faible et de courte dure, car le moteur na pas t spar du rseau dalimentation et na plus quun faible glissement.

v Dmarrage statorique rsistanceLe principe (C Fig.4) consiste dmarrer le moteur sous tension rduite en insrant des rsistances en srie avec les enroulements. Lorsque la vitesse se stabilise, les rsistances sont limines et le moteur est coupl directement sur le rseau. Cette opration est gnralement commande par un temporisateur. Dans ce mode de dmarrage, le couplage des enroulements du moteur n'est pas modifi. Il n'est donc pas ncessaire que les deux extrmits de chaque enroulement soient sorties sur la plaque bornes. La valeur de la rsistance est calcule en fonction de la pointe de courant au dmarrage ne pas dpasser, ou de la valeur minimale du couple de dmarrage ncessaire compte tenu du couple rsistant de la machine entrane. En gnral, les valeurs de courant et de couple de dmarrage sont : - Id = 4.5 In - Cd = 0.75 Cn Pendant la phase d'acclration avec les rsistances, la tension applique aux bornes du moteur n'est pas constante. Cette tension est gale la tension du rseau diminue de la chute de tension dans la rsistance de dmarrage. La chute de tension est proportionnelle au courant absorb par le moteur. Comme le courant diminue au fur et mesure de l'acclration du moteur, il en est de mme pour la chute de tension dans la rsistance. La tension applique aux bornes du moteur est donc minimale au moment du dmarrage, et elle augmente progressivement. Le couple tant proportionnel au carr de la tension aux bornes du moteur, il augmente plus rapidement que dans le dmarrage toiletriangle o la tension reste fixe pendant tout le temps du couplage toile. Ce mode de dmarrage convient donc bien aux machines ayant un couple rsistant croissant avec la vitesse, comme par exemple les ventilateurs ou les pompes centrifuges. Il prsente l'inconvnient d'une pointe de courant relativement importante au dmarrage. Cette pointe pourrait tre rduite en augmentant la valeur de la rsistance, mais cela entranerait une chute de tension supplmentaire aux bornes du moteur, et par consquent une diminution importante du couple de dmarrage. En revanche, l'limination de la rsistance en fin de dmarrage se fait sans qu'il y ait interruption de l'alimentation du moteur, donc sans phnomne transitoire.

A Fig. 4

Dmarrage statorique par rsistance

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4. Dmarrage et protection des moteurs

4.1

Dmarrage des moteurs induction

v Dmarrage par autotransformateurLe moteur est aliment sous tension rduite par l'intermdiaire d'un autotransformateur qui est mis hors circuit quand le dmarrage est termin (C Fig.5). Le dmarrage s'effectue en trois temps : - au premier temps, l'autotransformateur est d'abord coupl en toile, puis le moteur est coupl au rseau travers une partie des enroulements de l'autotransformateur. Le dmarrage s'effectue sous une tension rduite qui est fonction du rapport de transformation. L'autotransformateur est gnralement muni de prises permettant de choisir le rapport de transformation, donc la valeur de la tension rduite la mieux adapte, - avant de passer au couplage pleine tension, l'toilage est ouvert. La fraction de bobinage raccorde au rseau constitue alors une inductance en srie avec le moteur. Cette opration est effectue lorsque la vitesse d'quilibre est atteinte la fin du premier temps, - le couplage pleine tension intervient aprs le deuxime temps gnralement trs court (de lordre dune fraction de seconde). La portion de bobinage de l'autotransformateur en srie avec le moteur est court-circuite, puis l'autotransformateur est mis hors circuit. Le courant et le couple de dmarrage varient dans les mmes proportions. Ils sont diviss par (U rseau/U rduite). Les valeurs obtenues sont les suivantes : Id = 1.7 4 In Cd = 0.5 0.85 CnA Fig. 5 Dmarrage par auto-transformateur

4

Le dmarrage s'effectue sans qu'il y ait interruption du courant dans le moteur. De ce fait, les phnomnes transitoires lis une telle interruption n'existent pas. En revanche, si certaines prcautions ne sont pas prises des phnomnes transitoires de mme nature peuvent apparatre lors du couplage sous pleine tension. En effet, la valeur de l'inductance en srie avec le moteur, aprs ouverture de l'toilage, est grande par rapport celle du moteur. Il s'ensuit une chute de tension importante qui entrane une pointe de courant transitoire leve au moment du couplage sous pleine tension. Pour viter cet inconvnient, le circuit magntique de l'autotransformateur comporte un entrefer dont la prsence conduit une diminution de la valeur de l'inductance. Cette valeur est calcule de telle faon qu'au moment de l'ouverture de l'toilage au deuxime temps, il n'y ait pas de variation de tension aux bornes du moteur. La prsence de l'entrefer a pour consquence une augmentation du courant magntisant de l'autotransformateur. Ce courant magntisant augmente l'appel de courant dans le rseau lors de la mise sous tension de l'autotransformateur. Ce mode de dmarrage est gnralement utilis en BT pour des moteurs de puissance suprieure 150 kW. Mais il conduit des quipements relativement coteux en raison du prix lev de l'autotransformateur.

v Dmarrage des moteurs baguesUn moteur bagues ne peut dmarrer en direct, avec ses enroulements rotoriques court-circuits, sinon il provoquerait des pointes de courant inadmissibles. Il est ncessaire, tout en alimentant le stator sous la pleine tension du rseau, dinsrer dans le circuit rotorique des rsistances (C Fig.6) qui sont ensuite court-circuites progressivement.

A Fig. 6

Dmarrage dun moteur bagues 69

4. Dmarrage et protection des moteurs

4.1

Dmarrage des moteurs induction

Le calcul de la rsistance insre dans chaque phase permet de dterminer de faon rigoureuse la courbe couple-vitesse obtenue. Il en rsulte que celle-ci doit tre insre en totalit au moment du dmarrage et que la pleine vitesse est atteinte lorsqu'elle est entirement courtcircuite. Le courant absorb est sensiblement proportionnel au couple fourni ou, du moins, n'est que peu suprieur cette valeur thorique. Par exemple, pour un couple de dmarrage gal 2 Cn, la pointe de courant est d'environ 2 In. Cette pointe est donc considrablement plus faible et le couple maximal de dmarrage plus lev qu'avec un moteur cage, pour lequel les valeurs typiques, en couplage direct sur le rseau, sont de l'ordre de 6 In pour 1.5 Cn. Le moteur bagues, avec un dmarrage rotorique, s'impose donc dans tous les cas o les pointes de courant doivent tre faibles et pour des machines dmarrant pleine charge. Par ailleurs, ce type de dmarrage est extrmement souple, car il est facile d'ajuster le nombre et l'allure des courbes reprsentant les temps successifs aux impratifs mcaniques ou lectriques (couple rsistant, valeur d'acclration, pointe maximale de courant, etc.).

v Dmarrage/ralentissement par dmarreur lectronique (soft starter)Cest un mode de dmarrage performant (C Fig.7) qui permet un dmarrage et un arrt en douceur (reportez-vous la section consacre aux dmarreurs lectroniques dans le chapitre 5 Dparts Moteurs pour de plus amples dtails). Il peut tre utilis : - en limitation de courant, - en rgulation de couple.A Fig. 7 Dmarrage multi-moteurs avec un dmarreur lectronique

Le contrle par limitation de courant permet de fixer un courant maximum (3 4 x In) pendant la phase de dmarrage au dtriment des performances en couple. Ce contrle est particulirement adapt aux turbomachines (pompes centrifuges, ventilateurs). Le contrle par rgulation de couple permet doptimiser les performances en couple au dmarrage au dtriment de lappel de courant sur le rseau. Celui-ci est adapt aux machines couple constant. Ce type de dmarreur permet une multitude de schma : - un sens de marche, - deux sens de marche, - shuntage de lappareil en fin de dmarrage, - dmarrage et ralentissement de plusieurs moteurs en cascade, (C Fig.7). - etc.

v Dmarrage par convertisseur de frquenceCest un mode de dmarrage performant (C Fig.8) utilis ds quil est ncessaire de contrler et de faire varier la vitesse (reportez-vous la section consacre la variation de vitesse lectronique dans le chapitre 5 Dparts moteurs pour de plus amples dtails). Il permet entre autre : - de dmarrer des charges de forte inertie, - de dmarrer des charges importantes sur un rseau de faible pouvoir de court-circuit, - doptimiser la consommation dnergie lectrique en fonction de la vitesse sur les turbomachines. Ce type de dmarrage sapplique sur tous types de machines. Cette solution est utilise pour le rglage de la vitesse du moteur et accessoirement pour le dmarrage.

A Fig. 8

Schma de principe dun convertisseur de frquence

70

4. Dmarrage et protection des moteurs

4.1

Dmarrage des moteurs induction

v Tableau rcapitulatif des diffrents modes de dmarrage des moteurs triphass (C Fig.9)Enroulements partags 6 enroulements ++ 2 In Moteurs bagues Spcifique +++ Env 2 In Convertisseur de frquence Standard ++++ In

Direct

Etoile triangle

rsistances

Autotransformateur

Soft starter

Moteur Cot Courant moteur de dmarrage

Standard + 5 10 IN

Standard ++ 2 3 In

Standard +++ Env 4.5 In

Standard +++ 1.7 4 In

Standard +++ 4 5 In

Creux de tension

Elev

Elev au changement de couplage

Faible

Faible

Faible, prcautions prendre au couplage direct

Faible

Faible

Faible

Harmoniques tension et courant Facteur de puissance Nombre de dmarrages possibles Couple disponible Sollicitation thermique Chocs mcanique Type de charge recommande Charges forte inertie

Elev

Modr

Modr

Modr

Modr

Faible

Elev

Elev

4

Faible

Faible

Modr

Modr

Faible

Modr

Faible

Elev

Limit

2 3 fois plus quen direct

3 4 fois plus quen direct

3 4 fois plus quen direct

3 4 fois plus quen direct

2 3 fois plus quen direct

Limit

Elev

Env 2.5 Cn

0.2 0.5 Cn

2 Cn

Cn

Env 0.5 Cn

Env 2cn

Env 0.5 Cn

1.5 2 Cn

Trs importante

Importante

Modre

Importante

Modre

Modre

Modre

Faible

Trs lev

Modr

Modr

Modr Pompes et ventilateurs Non

Modr Pompes et ventilateurs Non

Faible

Modr Pompes et ventilateurs Non

Faible

Toutes

A vide

Couple croissant

Toutes

Toutes

Oui*

Non

Non

Oui

Oui

* peut ncessiter un dimensionnement particulier du moteur A Fig. 9 Tableau rcapitulatif

v Dmarrage des moteurs monophassUn moteur monophas ne pouvant dmarrer seul, diffrents artifices sont utiliss pour le lancer.

v Dmarrage par phase auxiliaireSur ce type de moteur (C Fig.10), le stator comprend deux enroulements dcals gomtriquement de 90. Lors de la mise sous tension, du fait de la diffrence de construction des bobinages, un courant I1 traverse la phase principale et un courant plus faible I2, sensiblement dphas de /2, circule dans la phase auxiliaire. Les champs engendrs tant produits par deux courants dphass, lun par rapport lautre, le champ tournant rsultant est suffisant pour provoquer le dmarrage vide du moteur. Lorsque le moteur atteint environ 80 % de sa vitesse, la phase auxiliaire peut tre mise hors circuit (coupleur centrifuge), ou maintenue en service. Le stator du moteur se trouve ainsi transform, au moment du dmarrage ou en permanence, en stator diphas. Pour inverser le sens de rotation, il suffit d'inverser les connexions dune phase. Le couple fourni lors du dmarrage tant faible, il convient pour l'accrotre d'augmenter le dcalage entre les deux champs produits par les bobinages.71

A Fig. 10

Moteur monophas phase auxiliaire

4. Dmarrage et protection des moteurs

4.1

Dmarrage des moteurs induction

v Dmarrage par phase auxiliaire et rsistanceUne rsistance place en srie dans la phase auxiliaire en augmente limpdance et accrot le dcalage entre l1 et l2. Le fonctionnement en fin de dmarrage est identique celui avec phase auxiliaire seule.

v Dmarrage par phase auxiliaire et inductanceLe principe est le mme que prcdemment, mais la rsistance est remplace par une inductance qui, monte en srie dans la phase auxiliaire, accrot le dcalage entre les deux courants.

v Dmarrage par phase auxiliaire et condensateurCest le dispositif le plus utilis (C Fig.11). Il consiste placer un condensateur dans la phase auxiliaire. La valeur pratique de la capacit pour le condensateur permanent est d'environ 8 F pour un moteur de 200 W. Pour le dmarrage, un condensateur supplmentaire de 16 F peut tre ncessaire et est limin ds que le dmarrage est termin. La prsence du condensateur provoquant un dphasage inverse celui dune inductance, le fonctionnement en priode de dmarrage et en marche normale est voisin de celui dun moteur diphas champ tournant. Dautre part, le couple et le facteur de puissance sont plus importants. Le couple de dmarrage Cd est sensiblement gal 3 fois le couple nominal Cn et le couple maximum Cmax atteint 2 Cn. Une fois le dmarrage effectu, il est prfrable de maintenir le dphasage entre les deux courants, mais la capacit du condensateur peut tre rduite car limpdance du stator a augment. Le schma (C Fig.11) reprsente un moteur monophas avec un condensateur connect en permanence. Dautres dispositions sont utilises, comme louverture du circuit de dphasage par un interrupteur centrifuge partir dune certaine vitesse. Un moteur triphas (230/400 V) peut tre utilis sur un rseau monophas 230 V, en le munissant dun condensateur de dmarrage et dun condensateur de marche connect en permanence au dtriment de la puissance utile (dclassement de 0.7 environ), du couple de dmarrage et de la rserve thermique. Seuls les moteurs quatre ples de faible puissance (4 kW max) se prtent ce mode de fonctionnement. Les constructeurs fournissent des tableaux permettant de slectionner les condensateurs de valeur approprie.

A Fig. 11

Moteur monophas condensateur de dmarrage

v Dmarrage par bague de dphasageCest le dispositif (C Fig.12) utilis dans les moteurs de trs faible puissance (de lordre de la centaine de watts). Les ples comportent des encoches dans lesquelles sont insres des bagues conductrices en court circuit. Le courant induit, gnr de cette manire provoque une distorsion du champ tournant qui permet le dmarrage. Le rendement est faible mais acceptable dans cette gamme de puissance.

A Fig. 12 72

Moteur bagues de dphasage

4. Dmarrage et protection des moteurs4.2

4.2

Freinage lectrique des moteurs asynchrones triphass

Freinage lectrique des moteurs asynchrones triphassb IntroductionDans un grand nombre d'applications, l'arrt du moteur est obtenu simplement par dclration naturelle. Le temps de dclration dpend alors uniquement de l'inertie et du couple rsistant de la machine entrane. Mais il est souvent ncessaire de rduire ce temps. Le freinage lectrique apporte dans ce cas une solution efficace et simple. Par rapport aux freinages mcanique et hydraulique, il offre l'avantage de la simplicit et de ne mettre en uvre aucune pice d'usure.

b Freinage par contre-courant : principeLe principe consiste, aprs avoir isol le moteur du rseau alors qu'il tourne encore, le reconnecter sur le rseau en sens inverse. C'est un mode de freinage trs efficace avec un couple, en gnral suprieur au couple de dmarrage, qui doit tre arrt suffisamment tt pour viter que le moteur ne reparte en sens inverse. Divers dispositifs automatiques sont employs pour commander l'arrt ds que la vitesse approche de zro : - dtecteurs d'arrt friction, dtecteurs d'arrt centrifuges, - dispositifs chronomtriques, - relais de mesure de la frquence ou de la tension au rotor (rotor bobin), etc.

4

v Moteur cageAvant dadopter ce systme (C Fig.13), il faut absolument sassurer que le moteur est capable de supporter des freinages en contre-courant avec le service envisag. En effet, outre les contraintes mcaniques, ce procd impose des contraintes thermiques importantes au rotor, I'nergie correspondant chaque freinage (nergie de glissement prise au rseau et nergie cintique) tant dissipe dans la cage. Les sollicitations thermiques, pendant le freinage sont trois fois plus importantes que pour une mise en vitesse. Au moment du freinage, les pointes de courant et de couple sont nettement suprieures celles produites lors du dmarrage. Afin dobtenir un freinage sans brutalit, il est souvent insr, lors du couplage en contre-courant, une rsistance en srie avec chaque phase du stator. Le couple et le courant sont alors rduits comme dans le cas du dmarrage statorique. Les inconvnients du freinage par contre-courant dun moteur cage sont tels que, ce procd nest utilis que sur certaines applications avec des moteurs de faible puissance.

A Fig. 13

Principe du freinage contre courant

v Moteur rotor bobin (Moteur bagues)Afin de limiter la pointe de courant et de couple, il est impratif, avant de coupler le stator du moteur en contre-courant, de rinsrer Ies rsistances rotoriques ayant servi au dmarrage, et souvent mme dajouter une section supplmentaire dite de freinage (C Fig.14). Le couple de freinage peut tre facilement rgl la valeur dsire en choisissant une rsistance rotorique convenable. Au moment de linversion, la tension rotorique est presque le double de la tension rotorique larrt, ce qui impose quelquefois des prcautions particulires disolement. Comme pour les moteurs cage, une nergie importante est produite dans le circuit rotorique. Elle est dissipe en totalit (aux pertes prs) dans les rsistances.A Fig. 14

Principe du freinage contre courant pour une machine asynchrone bagues

La commande automatique de larrt la vitesse nulle peut tre faite par l'un des dispositifs cits plus haut, ou bien par Iaction d'un relais de tension ou de frquence insr dans le circuit rotorique.73

4. Dmarrage et protection des moteurs

4.2

Freinage lectrique des moteurs asynchrones triphass

Avec ce systme, il est possible de retenir une charge entranante une vitesse modre. La caractristique est trs instable (fortes variations de vitesse pour faibles variations de couple).

b Freinage par injection de courant redressCe mode de freinage est utilis sur les moteurs bagues et cage (C Fig.15). Par rapport au systme contre-courant, le prix de la source de courant redress est compens par un moindre volume des rsistances. Avec les variateurs et dmarreurs lectroniques, cette possibilit de freinage est offerte sans supplment de cot. Le procd consiste envoyer du courant redress dans le stator pralablement spar du rseau. Ce courant redress cre un flux fixe dans l'entrefer du moteur. Pour que la valeur de ce flux corresponde un freinage convenable, le courant doit tre environ 1.3 fois le courant nominal. Lexcdent de pertes thermiques d cette lgre surintensit est gnralement compens par le fait que le freinage est suivi dun temps darrt.A Fig. 15

Principe du freinage courant continu pour une machine asynchrone

La valeur du courant tant fixe par la seule rsistance des enroulements du stator, la tension de la source de courant redress est faible. Cette source est gnralement constitue de redresseurs ou fournie par les variateurs. Ceux-ci doivent pouvoir supporter les surtensions transitoires produites par les enroulements qui viennent dtre dconnects du rseau alternatif ( 380 volts efficaces, par exemple). Le mouvement du rotor reprsente un glissement par rapport un champ fixe dans l'espace (alors que, dans le systme contre-courant, le champ tourne en sens inverse). Le moteur se comporte comme un gnrateur synchrone dbitant dans le rotor. Les caractristiques obtenues avec un systme de freinage par injection de courant redress prsentent, par rapport celles rsultant dun systme contre-courant, des diffrences importantes : - Inergie dissipe dans les rsistances rotoriques ou dans la cage est moins importante. Il sagit uniquement de lquivalent de lnergie mcanique communique par les masses en mouvement. La seule nergie prise au rseau est lexcitation du stator, - si la charge n'est pas entranante, le moteur ne redmarre pas en sens inverse, - si la charge est entranante, le systme fournit un freinage permanent qui retient cette charge faible vitesse. Il s'agit donc d'un freinage de ralentissement et non d'un freinage d'arrt. La caractristique est beaucoup plus stable quen contre-courant. Dans le cas d'un moteur bagues, les caractristiques couple-vitesse sont fonction du choix des rsistances. Dans le cas dun moteur cage, ce systme permet de rgler facilement le couple de freinage en agissant sur le courant continu d'excitation. Cependant, le couple de freinage sera faible quand le moteur tourne vitesse leve. Afin dviter les chauffements inutiles, il faut prvoir un dispositif coupant le courant dans le stator une fois le freinage ralis.

b Freinage lectroniqueLe freinage lectronique s'obtient aisment avec un variateur de vitesse muni d'une rsistance de freinage. Le moteur asynchrone se comporte alors comme une gnratrice et l'nergie mcanique est dissipe dans la rsistance de freinage sans augmentation des pertes dans le moteur. Pour obtenir des renseignements complmentaires consultez la section consacre la variation de vitesse lectronique dans le chapitre 5 Dparts moteurs.

74

4. Dmarrage et protection des moteurs

4.2

Freinage lectrique des moteurs asynchrones triphass

b Freinage par fonctionnement en hyper-synchroneCest le cas o le moteur est entran par sa charge au-dessus de la vitesse de synchronisme. Il se comporte alors comme une gnratrice asynchrone et dveloppe un couple de freinage. Aux pertes prs, Inergie est rcupre par le rseau. Sur un moteur de levage, la descente de la charge la vitesse nominale correspond ce type de fonctionnement. Le couple de freinage quilibre alors exactement le couple d la charge et amne non pas un ralentissement, mais une marche vitesse constante. Sil sagit dun moteur bagues, il est essentiel de court-circuiter tout ou partie des rsistances rotoriques, pour viter que le moteur ne soit entran trs au-del de sa vitesse nominale, avec les risques mcaniques que cela comporterait. Ce fonctionnement possde les qualits idales dun systme de retenu de charge entranante : - la vitesse est stable, pratiquement indpendante du couple entranant, - Inergie est rcupre et renvoye au rseau. Il ne correspond cependant qu une seule vitesse, cest--dire approximativement la vitesse nominale. Le freinage hyper synchrone se rencontre galement sur les moteurs plusieurs vitesses lors du passage de la grande la petite vitesse. Le freinage en hyper synchrone est aisment ralisable avec un variateur de vitesse lectronique, le seul fait de baisser la consigne de frquence entrane automatiquement ce type de fonctionnement.

4

b Autres systmes de freinageOn rencontre encore parfois le freinage en monophas qui consiste alimenter le moteur entre deux phases du rseau et runir la borne libre l'une des deux autres relies au rseau. Le couple de freinage est limit au 1/3 du couple maximum moteur. Ce systme ne peut freiner la pleine charge et ncessite donc d'tre complt par un freinage contre-courant. Ce fonctionnement saccompagne de dsquilibres et de pertes importantes. Citons galement le freinage par ralentisseur courants de Foucault. Cest un principe analogue celui utilis sur les vhicules industriels en complment des freins mcaniques (ralentisseurs lectriques). Lnergie mcanique est dissipe en chaleur dans le ralentisseur. Le rglage du freinage se fait facilement par un enroulement dexcitation. Mais laugmentation importante de linertie est un inconvnient.

v Inversion du sens de marcheLinversion du sens de marche des moteurs asynchrones triphass (C Fig.16) se fait simplement par linversion du champ tournant dans le moteur, ce qui se ralise en croisant deux enroulements. Cette inversion se fait en gnral larrt. Dans le cas contraire, linversion des phases conduit un freinage contre courant (voir le paragraphe Moteur rotor bobin ). Les autres types de freinage comme dcrit plus haut sont galement possibles. Linversion du sens de rotation des moteurs monophass est galement possible si lon a accs tous les enroulements.A Fig. 16 Principe dinversion du sens de marche dun moteur asynchrone

b Dfinition des services typesLe nombre de dmarrages et le nombre de freinages par unit de temps a une incidence majeure sur lchauffement des moteurs. La norme CEI 60034-1 (caractristiques assignes et caractristiques de fonctionnement) dfinit des services types qui permettent de calculer une image thermique et de dimensionner les moteurs en fonction de lutilisation prvue. Les paragraphes qui suivent donnent un aperu des services types. Pour plus dinformations, consulter la norme et les catalogues des fabricants de moteurs.75

4. Dmarrage et protection des moteurs

4.2

Freinage lectrique des moteurs asynchrones triphass

v Service continu - service type S1 (C Fig.17)Fonctionnement charge constante dune dure suffisante pour atteindre lquilibre thermique.

v Service temporaire - service type S2 (C Fig.18)Fonctionnement charge constante pendant un temps dtermin, moindre que celui requis pour atteindre lquilibre thermique, suivi dun temps de repos permettant de rtablir un quilibre thermique 20 prs entre la machine et le fluide de refroidissement.A Fig. 17 Service continu/Service S1

v Service intermittent priodique - service type S3 (C Fig.19)Suite de cycles identiques comportant chacun une priode de fonctionnement et de repos. Dans ce type de service, le cycle est tel que le courant de dmarrage naffecte pas lchauffement de manire significative.

v Service intermittent priodique dmarrage - service type S4(C Fig.20) Suite de cycles identiques comportant chacun une priode de fonctionnement et de repos. Dans ce type de service, le cycle est tel que le courant de dmarrage naffecte pas lchauffement de manire significative.A Fig. 18 Service intermittent/Service S2

v Service intermittent priodique freinage lectrique - service type S5 (C Fig.21)Suite de cycles de services comportant chacun une priode de dmarrage, une priode de fonctionnement charge constante, une priode de freinage lectrique rapide et une priode de repos.

A Fig. 19

Service intermittent priodique/ Service S3

A Fig. 20

Service intermittent priodique dmarrage/Service S4

A Fig. 21

Service intermittent priodique freinage lectrique/Service S5

76

4. Dmarrage et protection des moteurs

4.2

Freinage lectrique des moteurs asynchrones triphass

v Service ininterrompu priodique charge intermittente - service type S6 (C Fig.22)Suite de cycles de services identiques comportant chacun une priode de fonctionnement charge constante et une priode de fonctionnement vide. Il nexiste pas de priode de repos.

v Service ininterrompu priodique freinage lectrique - service type S7 (C Fig.23)Suite de cycles de services identiques comportant chacun une priode de dmarrage, une priode de fonctionnement charge constante et une priode de freinage lectrique. Il nexiste pas de priode de repos.A Fig. 22 Service interrompu priodiques charge intermittente/Service S6

v Service ininterrompu priodique changements lis de charge et de vitesse - service type S8 (C Fig.24)Suite de cycles de services identiques comportant chacun une priode de fonctionnement charge constante correspondant une vitesse de rotation prdtermine suivie dune ou plusieurs priodes de fonctionnement dautres charges constantes correspondant diffrentes vitesses de rotation (ralises par le changement du nombre de ples par exemple). Il nexiste pas de priode de repos.

4

v Service variations non priodiques de charge et de vitesse - service type S9 (C Fig.25)Service dans lequel, gnralement, la charge et la vitesse ont une variation non priodique dans la plage de fonctionnement admissible. Ce service inclut frquemment des surcharges qui peuvent tre largement suprieures la pleine charge.

v Service rgimes constants distincts - service type S10 (C Fig.26)Service comportant au plus quatre valeurs distinctes de charge (ou de charges quivalentes), chaque valeur tant applique pendant une dure suffisante pour que la machine atteigne lquilibre thermique. La charge minimale pendant un cycle de charge peut avoir la valeur zro (fonctionnement vide ou temps de repos).

A Fig. 23

Service interrompu priodique freinage lectrique/Service S7

A Fig. 24

Service interrompu priodique changements lis de charge et de vitesse/Service S8

A Fig. 25

Service variations non priodiques de charge et de vitesse/Service S9

A Fig. 26

Service rgimes constants distincts/Service S10

77

4. Dmarrage et protection des moteurs4.3

4.3

Les dmarreurs multifonctions

Les dmarreurs multifonctionsLes besoins des utilisateurs voluant, les dparts-moteurs ont connu ces dernires annes une volution sensible. Parmi les besoins, citons : - la diminution du volume des produits pour faciliter lintgration et rduire la taille des quipements, - la rsolution aise des problmes de coordination, - la diminution du nombre de rfrences, - la facilit et la rapidit de cblage pour une rduction des cots de main duvre, - la ralisation de fonctions dautomatisme des prix attractifs, - les besoins de communication et le raccordement aux bus de terrain. En 1983, la srie Intgral de Telemecanique a t la premire rponse cette demande. Ce produit proposait pour la premire fois, runies dans un mme botier, les fonctions suivantes : - le sectionnement, - la commutation, - la protection contre les surcharges et contre les courts-circuits avec les performances des meilleurs appareils du march, voir la section 4.4 protection des moteurs pour des renseignements complmentaires.

A Fig. 27

Tesys U

Prs de vingt ans plus tard, lvolution des techniques aidant, Schneider Electrique propose Tesys U. Ce produit apporte une volution sensible dans la ralisation des quipements. Il garantit la coordination totale, cest dire que le dispositif est assur de redmarrer aprs un dclenchement. Par rapport une solution traditionnelle, le nombre de rfrences est divis par 10, le gain de cblage atteint 60 % et lencombrement rduit de plus de 40 %. Le dessin(C Fig.27) reprsente Tesys U avec une partie de ses additifs possibles. Comme lIntgral, il incorpore les fonctions essentielles des dpartsmoteurs auxquelles sajoutent par des additifs des fonctions de dialogue et des fonctions de commutation sophistiques permettant des schmas indits particulirement conomique. Tesys U comporte une base puissance qui intgre les fonctions de sectionnement, de commutation et de protection. Cest llment de base permettant la fonction lmentaire suivante.

A Fig. 28

Schma de principe de Tesys U

b Un sens de marcheLe schma (C Fig.28) reprsente la composition interne du produit. La base puissance inclut tous les composants ncessaires aux fonctions de sectionnement, protection contre les courts-circuits et les surcharges et la commutation puissance. Cette base puissance permet de raliser sans adjonction les schmas classiques suivants : - Commande 3 fils (C Fig.29), Commande par impulsion avec automaintien. - Ou la commande 2 fils (C Fig.30), Commande par commutateur 2 positions.

A Fig. 29

Commande 3 fils

A Fig. 30

Commande 2 fils

78

4. Dmarrage et protection des moteurs

4.3

Les dmarreurs multifonctions

b Deux sens de marcheLes dessins des figures 31 et 32, sont les reprsentations de la base puissance et de ladditif inverseur qui peut se connecter soit sur le ct du produit, soit se raccorder directement en constituant ainsi un produit compact. La base puissance ralise la fonction Marche/Arrt assure les fonctions de coupure et la protection thermique et contre les courts circuits. Linverseur ne commute jamais en charge, ce qui limine toute usure lectrique. Le verrouillage mcanique est inutile car llectro-aimant qui commande linverseur est bistable et laccs aux rteaux de linverseur est impossible ce qui interdit dagir sur sa position. Exemple de commande 3 fils (C Fig.33) : commande par impulsion avec auto-maintien et fins de course niveaux haut et bas.

4

A Fig. 31

Tesys U, avec module inverseur de marche (principe)

A Fig. 32

Tesys U, avec module inverseur de marche

A Fig. 33

Exemple dutilisation de Tesys U avec sa fonction inverseur

79

4. Dmarrage et protection des moteurs4.4

4.4

La protection des moteurs

La protection des moteursTout moteur lectrique a des limites de fonctionnement. Dpasser ces limites conduit, plus ou moins long terme, sa destruction, mais aussi celle des mcanismes quil anime, avec pour consquence immdiate des arrts et des pertes dexploitation. Ce type de rcepteur, qui transforme une nergie lectrique en nergie mcanique, peut-tre le sige dincidents dorigine lectrique ou mcanique. Electrique - surtension, chute de tension, dsquilibre et perte de phases qui provoquent des variations sur le courant absorb, - courts-circuits dont le courant peut atteindre des niveaux destructeurs pour le rcepteur. Mcanique - calage du rotor, surcharge momentane ou prolonge qui entranent une augmentation du courant absorb par le moteur, do un chauffement dangereux pour ses bobinages. Le cot de ces incidents peut-tre lev. Il doit prendre en compte les pertes de production, les pertes de matires premires, la remise en tat de loutil de production, la non-qualit de la production, les retards de livraison. La ncessit conomique daccrotre la comptitivit pour les entreprises implique la rduction des cots lis la perte de continuit de service et la non-qualit. Ces incidents peuvent avoir galement des consquences dramatiques sur la scurit des personnes en contact direct ou indirect avec le moteur. Pour saffranchir de ces incidents ou du moins limiter leurs consquences et viter quils nentranent la dtrioration du matriel, ainsi que des perturbations sur le rseau dalimentation, lutilisation de protections est ncessaire. Elles permettent disoler du rseau le matriel protger, en actionnant un organe de coupure par dtection et mesure des variations de grandeurs lectriques (tension, courant, etc.). Chaque dpart-moteur doit donc comporter - une protection contre les courts-circuits, pour dtecter et couper le plus rapidement possible des courants anormaux gnralement suprieurs 10 fois le courant nominal (In), - une protection contre les surcharges, pour dtecter des augmentations du courant jusqu environ 10 In et couper le dpart avant que lchauffement du moteur et des conducteurs nentrane la dtrioration des isolants. Ces protections sont assures par des appareils spcifiques, tels que des fusibles, disjoncteurs, relais de surcharge ou par des appareils plus intgrs offrants plusieurs types de protections.La protection contre les dfauts terre qui englobe la protection des personnes et contre les risques dincendie, nest pas traite dans ce document car elle est habituellement prvue au sein de la distribution lectrique pour un quipement, un atelier ou pour un btiment.

80

4. Dmarrage et protection des moteurs4.5

4.5 4.6

Pertes et chauffement dans les moteurs Les diffrentes causes de dfauts et leurs consquences

Pertes et chauffement dans les moteursb Schma quivalent du moteurLe moteur asynchrone cage peut tre reprsent par le schma quivalent suivant (C Fig.34). Une partie de la puissance lectrique fournie au stator est transmise larbre de sortie sous forme de puissance motrice ou puissance active. Lautre partie est transforme en chaleur dans le moteur (C Fig. 35) : - pertes joule dans les enrlements statoriques, - pertes joule au rotor dus aux courants induits qui y circulent (Consulter le chapitre concernant les moteurs), - pertes fer dans le rotor et le stator.

A Fig. 34

Schma quivalent dun moteur asynchrone

Ces pertes sont fonction des conditions dutilisation et des conditions de service (consulter la section concernant le dmarrage des moteurs), ce qui se traduit par un chauffement du moteur. Des anomalies dues soit la charge, soit la tension dalimentation, soit aux deux combines sont susceptibles dentraner un chauffement dangereux.

4

b Classes disolationLa plupart des machines industrielles ont des classes disolement de classe F (C Fig.36). La classe F autorise des chauffements (mesurs par la mthode de variation de rsistance) de 105K et des tempratures maximales aux points chauds de la machine de 155C (rf. CEI 85 et CEI 34-1). Pour des ambiances spciales, en particulier ambiance temprature leve en prsence de forte humidit, la classe H est souhaitable. Les machines de qualit sont dimensionnes pour que lchauffement maximal soit de 80 dans les conditions nominales dutilisation (ambiance de 40C, altitude infrieure 1 000 m, tension et frquence nominales et charge nominale). Il en rsulte, pour un moteur de classe F, une rserve dchauffement de 25K pour supporter les ventuelles variations autour du fonctionnement nominal.t Classe B Classe F Classe H A Fig. 36 80K 105K 125K Classes disolation T max 125C 155C 180C

A Fig. 35

Les pertes dun moteur asynchrone

4.6

Les diffrentes causes de dfauts et leurs consquencesAu niveau dune installation comportant des moteurs lectriques, nous pouvons distinguer deux types de dfauts : les dfauts dorigine interne au moteur, et les dfauts dorigine externe. Les dfauts dorigine interne - court-circuit phase - terre, - court-circuit entre phases, - court-circuit entre spires, - sur-chauffement des bobinages, - rupture dune barre dans les moteurs cage, - problmes lis aux roulements, - etc. Les dfauts dorigine externe Leurs sources sont localises en dehors du moteur lectrique, mais leurs consquences peuvent entraner des dgradations dans celui-ci.

81

4. Dmarrage et protection des moteurs

4.6

Les diffrentes causes de dfauts et leurs consquences

v Ces disfonctionnements peuvent provenir de la source dalimentation - coupure dalimentation, - inversion ou dsquilibre de phases, - baisse de tension, - surtension, - etc. du mode dexploitation du moteur - rgimes de surcharge, - nombre de dmarrage et rgime de dmarrage, - inertie de la charge, - etc. de linstallation du moteur - dsalignement, - balourd, - efforts excessifs sur larbre, - etc.

A Fig. 37

Les enroulements sont, pour les moteurs, les parties les plus vulnrables aux dfauts lectriques et aux incidents dexploitation

b Les dfauts internes au moteurAvaries concernant lenroulement statorique ou rotorique Lenroulement statorique dun moteur lectrique est constitu de conducteurs en cuivre isols par du vernis. La rupture de cette isolation peut provoquer un court-circuit permanent, entre une phase et la masse, entre deux voire trois phases, ou entre spires dune mme phase (C Fig. 37). Elle peut-tre provoque par des phnomnes lectriques (dcharges superficielles, surtensions), thermiques (sur-chauffement) ou mme mcaniques (vibrations, efforts lectrodynamiques sur les conducteurs).A Fig. 38 Rsistance disolement en fonction de la temprature

Des dfauts disolement peuvent galement se produire au sein de lenroulement rotorique avec la mme consquence : la mise hors service du moteur. La cause la plus frquente davarie au niveau des enroulements dun moteur est une lvation trop importante de leur temprature. Cette lvation est souvent provoque par une surcharge impliquant une augmentation du courant circulant dans ces enroulements. La courbe de la figure 38 fournie par la plupart des constructeurs de moteurs lectriques, montre lvolution de la rsistance disolement en fonction de la temprature : plus la temprature augmente et plus la rsistance disolement diminue. La dure de vie des enroulements, et par consquent du moteur, se rduit donc fortement. La courbe de la figure 39, montre quune augmentation de 5 % du courant, quivalente une lvation de temprature denviron + 10, diminue de moiti la dure de vie des enroulements.

A Fig. 39

Dure de vie des moteurs en fonction de leur temprature de fonctionnement ou du courant consomm

Une protection contre les surcharges est donc ncessaire pour viter les sur-chauffements et rduire les risques davaries internes au moteur par rupture disolement des bobinages.

b Les dfauts externes au moteurPhnomnes lis lalimentation lectrique du moteur

v SurtensionsToute tension applique un quipement dont la valeur crte sort des limites dun gabarit dfini par une norme ou une spcification est une surtension (Cf Cahiers Techniques Schneider-Electric n151 et 179). Les surtensions (C Fig. 40) temporaires ou permanentes peuvent avoir diffrentes origines : - atmosphrique (coup de foudre), - dcharge lectrostatique, - manuvre d'appareils connects au mme rseau, - etc.A Fig. 40 Exemple de surtension

82

4. Dmarrage et protection des moteurs

4.6

Les diffrentes causes de dfauts et leurs consquences

Leurs principales caractristiques sont dcrites dans le tableau de la figure 41.Type de surtension Atmosphrique Dure Raideur du front /

frquenceEleve (10 MHz) Moyenne (1 200 kHz) Frquence du rseau

Amortissement

Trs courte (1 10s) Trs leve (1000 kV/s) Fort Trs fort Moyen nul

Dcharge lectrostatique Trs courte (ns) Manuvre Courte (1ms)

A frquence industrielle Longue (>1s)

A Fig. 41

Caractristiques de diffrents types de surtension

Ces perturbations, qui se superposent la tension du rseau, peuvent s'appliquer selon deux modes : - mode commun, entre les conducteurs actifs et la terre, - mode diffrentiel, entre les diffrents conducteurs actifs. Dans la majeure partie des cas, les surtensions se traduisent par un claquage dilectrique au niveau des enroulements du moteur, entranant sa destruction.

4

v Phases dsquilibresUn systme triphas est dsquilibr lorsque les trois tensions ne sont pas gales en amplitude et/ou ne sont pas dphases de 120 les unes par rapport aux autres.A Fig. 42 Relev de tensions dun systme triphas dsquilibr

Le dsquilibre (C Fig. 42) peut-tre provoqu par louverture dune phase (dfaut de dissymtrie), par la prsence de charges monophases dans lenvironnement proche du moteur, ou par la source elle-mme. Le calcul du dsquilibre peut-tre approch par lquation suivante : Dsquilibr(%) = 100 x MAX avec : Vmax tension la plus leve, Vmin tension la plus faible, (V1 + V2 + V3) Vmoy = 3 Les consquences dun dsquilibre des tensions appliques un moteur sont la diminution du couple utile et laugmentation des pertes ; les dsquilibres se traduisent par une composante inverse qui gnre de forts courants rotoriques provoquant un chauffement trs important du rotor et impliquant un sur-chauffement du moteur (C Fig.43 ).Valeur du dsquilibre (%) Courant statorique (A) Augmentation des pertes (%) Echauffement (%) Fig. 43 0 In 0 100 2 1,01 x In 4 105 3,5 1,04 x In 12,5 114 5 1,075 x In 25 128

(

Vmax Vmoy , Vmoy Vmin Vmoy Vmoy

)

Influence dun dsquilibre de tensions sur les caractristiques de fonctionnement dun moteur

A Fig. 44

Dclassement dun moteur en fonction dun dsquilibre de tensions de son alimentation

La norme CEI 60034-26 fournit une rgle de dclassement en fonction du dsquilibre des tensions (C Fig. 44) quil est conseill dappliquer lorsque ce phnomne est connu ou prvisible sur le rseau alimentant le moteur. Ce coefficient de dclassement permet, soit de surdimensionner un moteur pour tenir compte du dsquilibre, soit de diminuer le courant de fonctionnement dun moteur au regard de son courant nominal.

83

4. Dmarrage et protection des moteurs

4.6

Les diffrentes causes de dfauts et leurs consquences

v Baisses de tension et coupuresUn creux de tension (C Fig. 45) est une baisse brutale de la tension en un point dun rseau dnergie La norme EN50160 fixe la diminution de la tension une valeur situe entre 1 et 90 % de la tension nominale pendant une dure de 1/2 priode 50 Hz soit 10 ms jusqu une minute. Une coupure brve est un cas particulier du creux de tension. Sa profondeur est suprieure 90 % et elle est caractrise uniquement par sa dure (infrieure 3 minutes). Les coupures longues sont suprieures 3 minutes. On parle de microcoupure pour des dures de lordre de la milliseconde. Lorigine de ces variations de tension peut tre soit un phnomne alatoire extrieur lexploitation (dfaut sur la distribution publique ou court-circuit accidentel), soit un phnomne li linstallation elle-mme (branchement de fortes charges telles que des moteurs, des transformateurs). Linfluence des variations peut tre dramatique pour le moteur lui-mme. Consquences sur un moteur asynchrone Lors dun creux de tension, le couple dun moteur asynchrone (proportionnel au carr de la tension) diminue brutalement et provoque un ralentissement. Ce ralentissement est fonction de lamplitude et de la dure du creux, de linertie des masses tournantes et de la caractristique couple-vitesse de la charge entrane. Si, cet instant, le couple que le moteur dveloppe devient infrieur au couple rsistant, le moteur sarrte (dcrochage). Aprs une coupure, le retour de la tension engendre un appel de courant de r-acclration proche du courant de dmarrage et dont la dure dpend de la dure de la coupure. Lorsque linstallation comporte de nombreux moteurs, leurs r-acclrations simultanes peuvent provoquer une chute de tension dans les impdances amont du rseau. La dure du creux est alors allonge et peut rendre la r-acclration difficile (redmarrages longs avec sur chauffement) voire impossible (couple moteur infrieur au couple rsistant). La r-alimentation rapide (~ 150 ms) dun moteur asynchrone en cours de ralentissement sans prcaution peut conduire un r-enclenchement en opposition de phase entre la source et la tension rsiduelle entretenue par le moteur asynchrone. Dans ce cas, la premire crte du courant peut atteindre trois fois le courant de dmarrage (15 20 In) (cf. Cahier Technique Schneider Electric n161). Ces surintensits, et chutes de tension qui en dcoulent, ont plusieurs consquences sur le moteur : - chauffements supplmentaires et efforts lectrodynamiques dans les bobines pouvant engendrer des ruptures disolation, - -coups avec des contraintes mcaniques anormales sur les accouplements do une usure prmature voire une casse. Elles peuvent galement affecter dautres quipements tels que les contacteurs (usure voire soudure des contacts), provoquer le dclenchement des protections gnrales de linstallation et ainsi larrt dune chane de fabrication ou dun atelier. Consquences sur un moteur synchrone Les consquences sont peu prs identiques au cas des moteurs asynchrones. Les moteurs synchrones peuvent cependant, du fait de leur inertie gnralement plus importante et dune plus faible influence de la tension sur le couple, supporter des creux de tension plus importants (de lordre de 50 %) sans dcrocher. En cas de dcrochage, le moteur sarrte, il faut alors reprendre tout le processus de dmarrage qui peut-tre complexe.

A Fig. 45

Exemple dun creux et dune coupure brve de tension

84

4. Dmarrage et protection des moteurs

4.6

Les diffrentes causes de dfauts et leurs consquences

Consquences sur les machines vitesse variable Les problmes poss par les creux de tension appliqus aux variateurs de vitesse sont : - impossibilit de fournir la tension suffisante au moteur (perte de couple, ralentissement), - disfonctionnement des circuits de contrle aliments directement par le rseau, - surintensit au retour de la tension (recharge du condensateur de filtrage des variateurs), - surintensit et dsquilibre de courant sur le rseau en cas de creux de tension sur une seule phase. Les variateurs de vitesse se mettent gnralement en dfaut pour une chute de tension suprieure 15 %.

v Prsence dharmoniquesToute fonction priodique (de frquence f) peut se dcomposer en une somme de sinusodes de frquence h x f (h : entier) :

4

Le taux de distorsion harmonique (DHT pour Distorsion Harmonique Totale) donne une mesure de la dformation du signal :

h total (h1+h5)

h1

h5

A Fig. 46

Relev dune tension sinusodale comportant des harmoniques de rang 5

Les courants et tensions harmoniques sont crs par des charges non linaires raccordes au rseau de distribution. La distorsion harmonique (C Fig. 46) est une forme de pollution du rseau lectrique susceptible de poser des problmes pour un taux suprieur 5 %. Les quipements dlectroniques de puissance (variateur de vitesse, onduleur, etc.) sont les principales sources injectant des harmoniques dans le rseau. Le moteur, ntant pas parfait, peut lui mme tre lorigine dharmonique de rang 3 ; dans le cas dun couplage en triangle un rquilibrage du flux peut alors apparatre gnrant un courant dans ses enroulements. La prsence dharmonique provoque, dans les moteurs, une augmentation des pertes par courants de Foucault do des chauffements supplmentaires. Ils peuvent galement engendrer des couples pulsatoires (vibrations, fatigue mcanique), des nuisances sonores et limiter lemploi des moteurs pleine charge (cf. Cahiers Techniques Schneider-Electric n 199).

85

4. Dmarrage et protection des moteurs

4.6

Les diffrentes causes de dfauts et leurs consquences

b Les dfauts externes au moteur : phnomnes lis lexploitation du moteur v Dmarrage trop long et/ou trop frquentLa phase de dmarrage dun moteur correspond la dure qui lui est ncessaire pour atteindre sa vitesse de rotation nominale. Le temps de dmarrage (tD) dpend du couple rsistant (Cr) et du couple moteur (Cm). avec J : moment dinertie global des masses en mouvement, N(tr.s-1) : vitesse de rotation du rotor. Compte tenu de ses caractristiques intrinsques, chaque moteur ne peut supporter quun nombre limit de dmarrages, gnralement prcis par son fabricant (nombre de dmarrages par heure).A Fig. 47Temps de dmarrage admissible des moteurs en fonction du rapport courant de dmarrage sur courant nominal

De mme, chaque moteur a un temps de dmarrage fonction de son courant de dmarrage (C Fig. 47).

v Blocage du rotorLe blocage dun moteur, pour une cause mcanique, provoque une surintensit sensiblement gale au courant de dmarrage. Mais lchauffement qui en rsulte est beaucoup plus important car les pertes dans le rotor sont maintenues leur valeur maximale durant tout le blocage et la ventilation est supprime si celle-ci est lie la rotation du rotor. Les tempratures rotoriques peuvent devenir trs importantes (350 C).

v Surcharge (ralentissement ou survitesse)La surcharge dun moteur est provoque par une augmentation du couple rsistant ou par une baisse de la tension rseau (> 10 % de Un). Laugmentation du courant consomm par le moteur engendre un chauffement qui rduit sa dure de vie et peut lui tre fatal plus ou moins long terme.

b SynthseCette synthse ralise sous la forme du tableau de la figure 48 prsente pour chaque type de dfaut ses origines possibles, ses effets probables et les consquences avres. Dans tous les cas, deux protections sont toujours ncessaires pour les moteurs : - protection contre les courts-circuits, - protection contre les surcharges (sur-chauffement).Dfauts Court circuit Origines Mise en contact de plusieurs phases, d'une phase et du neutre ou de plusieurs spires Foudre Dcharge lectrostatique Manuvre Ouverture d'une phase Charge monophas en amont du moteur Instabilit de la tension du rseau Branchement de fortes charges Polution du rseau par variateurs de vitesse, onduleurs, etc ... Effets Pointe de courant Efforts lectrodynamiques sur les conducteurs Claquage dilectrique au niveau des enroulements Diminution du couple utile Diminution du couple utile Augmentation des pertes Diminution du couple utile Augmentation des pertes Augmentation du temps de dmarrage Consquences sur le moteur Destruction des enroulements Destruction des enroulements par perte d'isolation Sur-chauffement(*) Sur-chauffement(*)

Surtension

Dsquilibre de tension Baisse et creux de tension Harmoniques

Sur-chauffement(*)

Dmarrage trop long Couple rsistant trop important Baisse de tension Blocage Problme mcanique Surintensit Augmentation du Augmentation du Surcharge couple rsistant courant consomm Baisse de tension (*) Puis, plus ou moins long terme, selon limportance du dfaut et/ou court-circuit et destruction des enroulements.

Sur-chauffement(*) Sur-chauffement(*) Sur-chauffement(*) sa frquence,

A Fig.48

Synthse des dfauts possibles pour un moteur avec leurs origines, effets et consquences

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4. Dmarrage et protection des moteurs4.7

4.7

Les fonctions et les produits de protection

Les fonctions et les produits de protectionb Protection contre les courts-circuitsv GnralitsUn court-circuit est une mise en relation directe de deux points qui sont des potentiels lectriques diffrents : - en courant alternatif : liaison entre phases, entre phase et neutre, entre phase et masse conductrice ou entre spires dune mme phase, - en courant continu : liaison entre les deux polarits ou entre une masse conductrice et la polarit qui en est isole. Diverses causes sont possibles : dtrioration du vernis isolant des conducteurs, desserrage, rupture ou dnudage de fils ou de cbles, prsence de corps mtalliques trangers, dpts conducteurs (poussires, humidit, etc.), pntration deau ou dautres liquides conducteurs, dtrioration du rcepteur, erreur de cblage la mise en route ou lors dune intervention. Un court-circuit se traduit par une augmentation brutale du courant qui peut atteindre en quelques millisecondes une valeur gale plusieurs centaines de fois le courant demploi. Un court-circuit peut avoir des effets dvastateurs et provoquer des dtriorations importantes sur le matriel. Il se caractrise par deux phnomnes : Un phnomne thermique Il correspond la quantit d'nergie libre dans le circuit lectrique parcouru par le courant de court-circuit I durant un temps t selon la 2 formule I2t et exprime en A s. Cet effet thermique peut provoquer : - la fusion des contacts du contacteur, - la destruction des lments thermiques dun relais bilame si la coordination est de type I, - la gnration darcs lectriques, - la calcination des matriaux isolants, - lincendie dans lquipement. Un phnomne lectrodynamique Il se traduit entre les conducteurs par des efforts mcaniques intenses, provoqus par le passage du courant avec les manifestations suivantes : - dformation des conducteurs formant les enroulements du moteur, - casse des supports isolants des conducteurs, - rpulsion des contacts ( lintrieur des contacteurs) pouvant entraner leur fusion et leur soudure. De telles manifestations sont dangereuses la fois pour les biens et pour les personnes. Il est donc impratif dutiliser contre les courts-circuits des dispositifs de protection chargs de dtecter le dfaut, et dinterrompre le circuit trs rapidement, avant que le courant natteigne sa valeur maximale. Pour cela, deux dispositifs de protection sont communment employs : - les fusibles (coupe-circuits) qui interrompent le circuit par leur fusion, laquelle ncessite ensuite leur remplacement, - les disjoncteurs dclencheur magntique, souvent dnomms plus simplement disjoncteurs magntiques, qui interrompent automatiquement le circuit par ouverture de leurs ples et dont la remise en service ne ncessite quune manuvre de r-enclenchement. La protection contre les courts-circuits peut aussi tre intgre des appareils fonctions multiples tels que les disjoncteurs-moteurs et les contacteurs-disjoncteurs.

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4. Dmarrage et protection des moteursPouvoir de coupure (PC) 4.5kA < PC < 6kA 6kA < PC < 10kA 10kA < PC < 20kA 20kA < PC < 50kA 50kA < PC A Fig. 49 Cos 0.7 0.5 0.3 0.25 0.2 Pouvoir de fermeture (PF) 1.5 PC 1.7 PC 2 PC 2.1 PC 2.2 PC

4.7

Les fonctions et les produits de protection

v Dfinitions et caractristiquesLes principales caractristiques des protections contre les courts-circuits sont : - leur pouvoir de coupure : cest la plus grande valeur du courant prsum de court-circuit quun appareil de protection peut interrompre sous une tension donne, - leur pouvoir de fermeture : cest la plus grande valeur du courant que lappareil de protection peut tablir sous sa tension nominale dans des conditions spcifies. Le pouvoir de fermeture est gal k fois le pouvoir de coupure selon le tableau de la figure 49.

Pouvoirs de coupure et de fermeture, fixs par la norme CEI 60947-2 pour les disjoncteurs

v Les fusibles (coupe-circuits)Les fusibles ralisent une protection phase par phase (unipolaire), avec un pouvoir de coupure important sous un faible volume. Ils assurent la limitation des I2t et des contraintes lectrodynamiques (Icrte). Ils se montent : - soit sur des supports spcifiques appels porte-fusibles, - soit dans des sectionneurs en remplacement des douilles ou des barrettes (C Fig. 50). A noter que des cartouches fusibles munies dun percuteur peuvent tre associes un dispositif de coupure omnipolaire (souvent le contacteur de commande du moteur) pour empcher la marche en monophas lors de leur fusion.

A Fig. 50

Sectionneurs 32 et 125 A fusibles (LS1-D32 et GS1-K4 - Telemecanique)

Pour la protection des moteurs, les fusibles utiliss sont ceux de type aM. Leur particularit est de laisser passer les surintensits du courant magntisant la mise sous tension des moteurs. De fait, ils ne sont pas adapts la protection contre les surcharges (contrairement aux fusibles de type gG). Cest pourquoi, il est ncessaire dajouter un relais de surcharge dans le circuit dalimentation des moteurs. En gnral, leur calibre doit tre immdiatement suprieur au courant de pleine charge du moteur protger.

v Les disjoncteurs magntiquesCes disjoncteurs assurent, dans la limite de leur pouvoir de coupure et par lintermdiaire de leurs dclencheurs magntiques (un par phase), la protection des installations contre les courts-circuits (C Fig. 51). Les disjoncteurs magntiques ralisent dorigine une coupure omnipolaire : le fonctionnement dun seul dclencheur magntique suffit commander louverture simultane de tous les ples.A Fig. 51Disjoncteur magntique GV2-L (marque Telemecanique) et son symbole graphique

Pour des courants de court-circuit peu levs, le fonctionnement des disjoncteurs est plus rapide que celui des fusibles. Cette protection est conforme la norme CEI 60947-2. Pour interrompre efficacement un courant de court circuit, trois impratifs doivent tre respects : - dtecter trs tt le courant de dfaut, - sparer trs vite les contacts, - interrompre le courant de court-circuit. La plupart des disjoncteurs magntiques pour protger les moteurs sont limiteurs et contribuent ainsi la coordination (C Fig.52). Leur dure de coupure particulirement brve leur permet dinterrompre le courant de court-circuit avant quil natteigne son amplitude maximale. De fait, les effets thermiques et lectrodynamiques sont aussi limits, do une meilleure protection des cbles et de lappareillage.

A Fig. 52

Courbes de dclenchement des disjoncteurs magntiques

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4. Dmarrage et protection des moteurs

4.7

Les fonctions et les produits de protection

b Protection contre les surchargesv GnralitsLa surcharge est le dfaut le plus frquent sur les moteurs. Elle se manifeste par une augmentation du courant absorb par le moteur et par des effets thermiques. La classe disolation dtermine lchauffement normal dun moteur une temprature ambiante de 40C. Tout dpassement de la temprature limite de fonctionnement conduit une rduction de la dure de vie par vieillissement prmatur des isolants. Notons toutefois quune surcharge conduisant un chauffement suprieur la normale naura pas deffets nfastes immdiats si elle est limite dans le temps et peu frquente. Elle nimplique donc pas ncessairement un arrt du moteur, mais il est important de revenir rapidement des conditions de fonctionnement normales. Limportance dune bonne protection contre les surcharges est donc vidente : - elle prserve la dure de vie des moteurs en interdisant leur fonctionnement dans des conditions anormales dchauffement, - elle assure la continuit dexploitation en : - vitant des arrts intempestifs des moteurs, - permettant, aprs dclenchement, un redmarrage dans les meilleures conditions de scurit pour les hommes et les quipements. Les conditions relles d'emploi (temprature ambiante, altitude d'utilisation et service normalis) sont essentielles pour dterminer les valeurs d'emploi du moteur (puissance, courant) et pour pouvoir choisir une protection efficace contre les surcharges (C Fig.53). Ces valeurs d'emploi sont fournies par le constructeur du moteur.Altitude m 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 30C 1.07 1.04 1.01 097 0.93 0.89 0.83 35C 1.04 1.01 0.98 0.95 0.91 0.86 0.81 Temprature ambiante 40C 45C 50C 1.00 0.97 0.94 0.91 0.87 0.83 0.78 0.96 0.93 0.90 0.87 0.84 0.80 0.75 0.92 0.89 0.86 0.84 0.80 0.76 0.72 55C 0.87 0.84 0.82 0.79 0.76 0.72 0.68 60C 0.82 0.79 0.77 0.75 0.71 0.68 0.64

4

Les valeurs du tableau ci-dessus sont donnes titre indicatif. En effet, le dclassement d'un moteur est fonction de sa taille, de sa classe d'isolation, du mode de construction (moteur auto ventil ou moto ventil, degr de protection IP 23, IP 44, etc.), et varie suivant les fabricants. La valeur de puissance nominale qui apparat gnralement sur la plaque dun moteur est dfinie par le constructeur pour un service continu S1 (fonctionnement rgime constant et d'une dure suffisante pour atteindre l'quilibre thermique). Il existe d'autres services normaliss, tel que le service temporaire S2, ou les services intermittents priodiques S3, S4, et S5 pour lesquels le constructeur d'un moteur dfinit, dans chaque cas, une puissance d'emploi diffrente de la puissance nominale. A Fig. 53Coefficients de dclassement des moteurs selon leurs conditions d'emploi

Selon le niveau de protection souhait, la protection contre les surcharges peut-tre ralise par des relais : - de surcharge, thermique (bilames) ou lectroniques, qui au minimum protgent les moteurs dans les deux cas suivants : - surcharge, par le contrle du courant absorb sur chacune des phases, - dsquilibre ou absence de phases, par son dispositif diffrentiel, - sondes thermistances CTP ( Coefficient de Temprature Positif), - de sur-couple, - multifonctions.89

4. Dmarrage et protection des moteurs

4.7

Les fonctions et les produits de protection

Un relais de protection na pas de fonction de coupure. Il est destin commander louverture dun appareil de coupure, appareil qui doit avoir le pouvoir de coupure requis pour le courant de dfaut interrompre, en gnral un contacteur. A cet effet, les relais de protection disposent dun contact de dfaut (NC) qui est placer en srie avec l'alimentation de la bobine du contacteur.

v Les relais de surcharge (thermiques ou lectroniques) Gnralits Ces relais protgent les moteurs contre les surcharges, mais ils doivent admettre la surcharge temporaire due au dmarrage, et ne dclencher que si le dmarrage est anormalement long. Selon les applications, la dure de dmarrage des moteurs peut varier de quelques secondes (dmarrage vide, couple rsistant peu lev, etc.) quelques dizaines de secondes (couple rsistant important, forte inertie de la charge entrane, etc.). Il est donc ncessaire de disposer de relais adapts la dure de dmarrage. Pour rpondre ce besoin, la norme CEI 60947-4-1 dfinit plusieurs classes de relais de surcharge caractrises chacune par leur temps de dclenchement (C Fig.54).Temps de dclenchement partir de ltat : Froid Chaud Chaud Froid 1,05 x Ir 1,2 x Ir 1,5 x Ir 7,2 x Ir Classe 10 A 10 20 30(*)

Tolrances plus troites (bande E)

>2h >2h >2h >2h