Contrôle-commande et protection des moteurs HT

CT 165 édition décembre 1992

J.Y. Blanc

Diplomé ingénieur SUPELEC en1979, il entre chez Merlin Gerin en1981 comme ingénieur d'étudesdiélectriques Moyenne Tension.Toujours à la Division MT, il estsuccessivement chef de projet dedéveloppement :- d'équipements et postes primairesde la gamme Fluair,- de disjoncteurs à protectionintégrée SF set.Actuellement il est responsable dudéveloppement des disjoncteurs etéquipements primaires MT.

n° 165contrôle-commandeet protection desmoteurs HT

Cahier Technique Merlin Gerin n° 165 / p.2


contrôle-commande et protection desmoteurs HT

sommaire

1. Rappels sur les différents types Moteurs asynchrones à cage p. 4Moteurs asynchrones à rotorbobiné p. 5Moteurs synchrones p. 6Tolérances de dimensionnement p. 7Tenue et essais diélectriques p. 7

2. Les procédés classiques de Démarrage statorique directsous pleine tension p. 8Démarrage statorique soustension réduite p. 8Démarrage statorique aveccondensateurs p. 10Démarrage rotorique p. 10Choix du mode de démarrage p. 12

3. Appareillage de contrôle commande Solutions électromécaniques p. 14Solutions électroniques p. 16

4. Protection des moteurs HT Principaux types de défauts p. 19Principes de protection p. 19Evolution technologique p. 23

Annexe 1 : détermination du mode de Hypothèses de calcul p. 24Démarche globale p. 24

Annexe 2 : coordination des protections p. 27

Dans l'industrie et le grand tertiaire, lapuissance unitaire des machinestournantes dépasse souvent 100 kW ;lorsque c'est le cas et/ou si la longueurde la ligne d'alimentation est importante(chute de tension, pertes), il devientavantageux d'utiliser des moteurshaute tension.L'objet de ce cahier technique est defaire le point sur ces moteurs, leurssystèmes de démarrage et sur lesdifférentes protections utilisables ; ceciafin de faciliter les choix techniques.

de moteurs à courant alternatif

démarrage en HT

démarrage d'un moteur


1. rappels sur les différents types de moteurs à courant alternatif

Les moteurs à courant alternatif aussibien haute que basse tension offrentune grande variété de caractéristiquesélectriques, dynamiques ou techno-logiques. Néanmoins, mis à part unpetit nombre de moteurs spécifiques àdes applications particulières, unclassement en trois familles peut êtrefait :■ moteurs asynchrones à cage,■ moteurs asynchrones à rotor bobiné,■ moteurs synchrones.

Ils se différencient, entre autres, par :■ les valeurs du couple et du courantde démarrage,■ la variation de vitesse en marchenormale,■ les valeurs du facteur de puissanceet du rendement en fonction de lacharge.

Les moteurs HT sont alimentés sousune tension qui excède rarement7,2 kV ; leur puissance va de 100 kW àplus de 10 MW, 800 kW étant lapuissance moyenne.

moteurs asynchrones àcageCes moteurs HT sont de deux typesprincipaux suivant la constitution durotor qui peut être à simple cage ou àdouble cage.Ceci permet de choisir lescaractéristiques de couple et d’intensitéde démarrage :■ les rotors à simple cage ont :■ ■ un couple de démarrage relativementfaible (0,6 à 1 Cn),■ ■ un couple maximal de l’ordre de 2 à2,2 Cn,■ ■ une intensité de démarrage variantde 4,5 à 5,5 In,(Cn : couple nominal, In : courantnominal).■ les rotors à double cage ou les rotorsà encoches profondes ont : ■ ■ un couple de démarrage légèrementplus élevé (0,8 à 1,2 Cn),■ ■ un couple maximal de l’ordre de 2 à2,2 Cn (un peu plus élevé dans le casd’encoches profondes),■■ une intensité de démarrage variantde 5 à 6,5 In.

fig. 2 : courbes C(N) et I(N) d’un moteur asynchrone à double cage.

fig. 1 : courbes C(N) et I(N) d’un moteur asynchrone à simple cage.

Les figures 1 et 2 donnent l’allure deces courbes, en fonction de la vitesse(N/Ns).

A noter que :■ les moteurs à simple cageprésentent un couple minimal

intensité

couple

0

1

2

CCn

II n

2

4

25 % 50 % 75 % 100 % (N/N )s

1

25

4

6

3

2

1

CCn

II n

Cn

I n

intensité

couple

0 25 % 50 % 75 % 100 % (N/N )

I d

s


(0,5 à 0,6 Cn), alors que la courbe ducouple, fonction de la vitesse desmoteurs à double cage ou à encochesprofondes, est continuellementcroissante jusqu’au couple maximal.■ l’emploi de ces moteurs est toutindiqué pour les usages intensifs et lesatmosphères dangereuses, du fait :■■ de la simplicité de conception desrotors en court-circuit qui leur confèreune grande robustesse mécanique etélectrique,■■ de l’absence de balais.Ces deux particularités concourent àune maintenance des plus réduites.

Les caractéristiques de couple desmoteurs asynchrones à cage sontparticulièrement bien adaptées auxmachines telles que : pompescentrifuges, compresseurs, groupesconvertisseurs, machines-outils etventilateurs.

Toutefois, un inconvénient inhérent àtous ces moteurs réside dans leurfacteur de puissance relativement bas,de l’ordre de 0,8 à 0,9 à pleine charge,et qui décroît lorsqu’ils travaillent àfaible charge (cf. fig. 3).

Si la puissance installée en moteursasynchrones est importante, il estnécessaire de mettre en œuvre unecompensation de puissance réactive.Celle-ci peut être globale, par groupede moteurs ou par moteur (grossesunités).

moteurs asynchrones àrotor bobinéDu fait que ces moteurs ont unenroulement rotorique raccordé sur desbagues, la résistance de ce circuit peutêtre modifiée par l’introduction derésistances extérieures.Dans la zone de stabilité du moteur, quicorrespond à la pente positive de lacourbe C = f (g) (cf. fig. 4), leglissement «g» est proportionnel à larésistance rotorique :

g =1

ARr . C

avec g % = Ns − N

Ns

. 100

dans laquelle

Ns : vitesse de synchronisme,N : vitesse de fonctionnement.

fig. 3 : courbes rendement η (P) facteur de puissance cos ϕ (P) d’un moteur asynchrone àdouble cage.

fig. 4 : courbe C(g) d’un moteur asynchrone à rotor bobiné.

cos

0 2/4 3/4 4/4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

cos ϕηη

ϕ

(P/P )n

CM

C

R r R' > Rr r R'' > R'r r

CnCd

C'd

C''d

10,50

0,51 2 g

fonctionnementen génératrice

fonctionnementen moteur

fonctionnementen freinage àcontre-courant

zone de stabilitérotor en court-circuit


l’alimentation du circuit d’excitation aumoment où le glissement est minimal.Ce dispositif est pratiquementindispensable lorsque le moteursynchrone représente une fractionimportante de la puissance totaleinstallée.■ soit appliquer le courant d’excitationen deux temps de façon automatiqueou manuelle.

Les sources d’excitation peuvent êtresoit séparées :■ groupe moteur, excitatrice,■ redresseur à thyristors,soit placées en bout d’arbre du moteur,■ générateur inversé,■ alternateur inversé à «induit etredresseur à diodes» tournant.

Les techniques les plus courammentutilisées sont le redresseur à thyristoret les «diodes tournantes».Ce dernier procédé élimine les balais,supprime l’armoire d’excitation et, deplus, possède souvent un dispositif desynchronisation et de réaccrochage encas de rupture de synchronisme.

Ces moteurs sont capables de fournirde l’énergie réactive par augmentationdu courant d’excitation. Leur emploi estsouvent motivé par cette particularitéqui permet de compenser les chargesréactives d’un réseau.

Les courbes de la figure 5 montrent lavariation de courant statorique enfonction du courant d’excitation pourune charge donnée constante (courbesde Mordey). L’usage de ce type demoteur pour les petites puissances estassez peu répandu. Par contre, audessus de 2 000 kW, son emploi est

A = 3 V2

. p

ω .

M

L1

= constante

avec :V : tension simple d’alimentation,p : nombre de paires de pôles,ω : pulsation des courantsd’alimentation,M : inductance mutuelle stator-rotor,L1 : self totale du stator,(L1 = M + Ls),Rr : résistance rotorique = résistancepropre du rotor + résistancesextérieures,C : couple moteur.

En faisant décroître la résistanceextérieure au cours du démarrage, onobtient une translation de lacaractéristique C(g) et l’adaptation ducouple de démarrage au couple de lamachine entraînée. A noter que lavaleur du couple maximal estindépendante de la résistancerotorique.

D’autre part, pour les faiblesglissements, le courant rotorique estinversement proportionnel à larésistance rotorique. Son module estdonné par :

Ud

Un

avec

B = V . M

L1

Le courant statorique suit la même loiau rapport de transformation et aucourant magnétisant près.

En conséquence, le choix de larésistance rotorique de départ permetde résoudre pratiquement tous lesproblèmes de couple important audémarrage ou d’appel de courant sur leréseau et de concilier ces deuximpératifs. Les différentes possibilitésd’utilisation des moteurs asynchrones àrotor bobiné les rendent aptes àl’entraînement des machines à fortcouple de démarrage telles quebroyeurs, malaxeurs, transporteurs,etc.

De plus, les machines nécessitant unfort freinage à contre courant utilisentégalement ce type de moteur.

Comme pour les moteurs asynchronesà cage le facteur de puissance enmarche normale est relativement bas ;

fig. 5 : moteur synchrone : courbes deMordey.

cette caractéristique et la présence debagues et de résistances rotoriquesfont que son emploi tend à disparaîtreau profit des moteurs à double cage ouà encoches profondes.

La figure 4 représente les courbescaractéristiques C(g) suivant la valeurde la résistance rotorique ainsi que leszones de stabilité. Ces courbes fontapparaître l’intérêt d’introduire unerésistance importante dans le circuitrotorique pour obtenir un freinageefficace à contre courant.

moteurs synchronesCes moteurs diffèrent principalementdes moteurs asynchrones par :■ leur vitesse constante (vitesse desynchronisme),■ le circuit rotorique alimenté encourant continu,■ le facteur de puissance qui peut êtreréglé par le courant d’excitation.Ils sont technologiquement identiquesaux alternateurs.

Pour obtenir un couple asynchrone etéviter des oscillations, les rotors sontmunis d’une cage d’amortissement :elle permet de démarrer les moteurssynchrones avec faible couple résistantd’une façon analogue à celle desmoteurs asynchrones à simple cage(dont ils ont sensiblement les mêmescourbes caractéristiques de couple etd’intensité). Pour éviter des surtensionsdans le circuit d’excitation, celui-ci estshunté pendant le démarrage et lorsd’un déclenchement, par unerésistance dont la valeur est choisieentre 5 et 10 fois la résistance du circuitd’excitation.

Etant donné que le couple asynchronetend vers zéro quand on s’approche dela vitesse de synchronisme,l’accrochage en fin de démarrage deces moteurs sur le réseau ne peut sefaire à la vitesse de synchronismecomme pour les alternateurs. Ceci setraduit toujours par un régimetransitoire plus ou moins importantsuivant la vitesse acquise à la fin dudémarrage, et la puissance du moteur.Pour limiter ce régime transitoire, il estpossible d’utiliser :■ soit un relais contrôlant le glissementpar la mesure de la fréquence ducourant rotorique traversant larésistance de démarrage. Il commande

0 (i) excitation

(I) stator

limite

de

stabil

ité pleine charge1/2 charge

1/4 charge

cos ARϕ cos AVϕcos = 1ϕ


fréquent en raison de son bonrendement et de la maîtrise de sonfacteur de puissance. Pour lesmouvements très réguliers, le moteursynchrone s’impose : cependant lesmachines entraînées doivent avoir uncouple résistant relativement faiblependant le démarrage et ledimensionnement de la caged’amortissement limite la cadence dedémarrage.

tolérances dedimensionnementLes caractéristiques électromécaniquesdes moteurs sont définies par la normeCEI 34-1. Pour certaines grandeurscaractéristiques assignées, la normedéfinit les tolérances que doit respecterle constructeur. Il est intéressant deconnaître ces tolérances car, pourcertaines caractéristiques, elles ont uneinfluence directe sur le choix de lapuissance du moteur et del’appareillage ainsi que sur le réglagedes protections.

Le tableau de la figure 6 donne lestolérances des principales grandeurscaractéristiques.

tenue et essaisdiélectriquesLes moteurs, comme les autrescomposants des réseaux électriques,sont soumis aux diverses surtensions.Ils sont particulièrement sensibles auxsurtensions à front raide, ou fréquenceélevée, car celles-ci sont «bloquées»par les premières spires des bobinagesstatoriques.

Les surtensions de manœuvreElles résultent des phénomènestransitoires qui apparaissent lors dechangements d’états du réseaud’alimentation.Les phénomènes ci-après, spécifiquesaux circuits inductifs donc aux moteurs,sont à prendre en considération :■ arrachement de courant lors del’interruption du courant,■ réallumages multiples à l’interruptionet préamorçages à l’établissement ducourant dans le cas où l’appareil decoupure est capable de couper lescourants hautes fréquencescorrespondant à ces phénomènes.

Les surtensions à front raideElles résultent des coups de foudredirects ou indirects ; elles se propagentsur le réseau et créent une contraintediélectrique qui, même limitée parl’emploi de parafoudres, peut êtreimportante.L’étude des surtensions est développéedans le Cahier Technique n° 151«Surtensions et coordination del’isolement» et la sensibilité particulièredes moteurs dans le Cahier Techniquen° 143 «Disjoncteurs au SF6 etprotection des moteurs HT».Pour vérifier la tenue des moteurs àces différentes surtensions, ceux-cisont soumis à des essais de typeeffectués selon la norme CEI 34-1.

La tension d’essais est appliquée entrel’enroulement soumis à l’essai et lacarcasse de la machine à laquelle sontreliés les circuits magnétiques et tousles autres enroulements statoriques etrotoriques.

Deux types d’essais sont prescrits parles normes : les essais à fréquenceindustrielle et les essais de choc.

Essai à fréquence industrielleLa tenue aux surtensions demanoeuvre est, en accord avec lanorme CEI 71, vérifiée par l’essai detenue à fréquence industrielle. L’essaicommence avec une tension inférieure

à U/2 qui est augmentéeprogressivement jusqu’à 2 U + 1 000 V,niveau où elle est maintenue pendantune minute.

Pour le stator, U est la tension spécifiéed’alimentation. Pour le rotor, U est latension qui apparaît, circuit rotoriqueouvert, lorsque la tension d’alimentationspécifiée au stator est appliquée alorsque le rotor est bloqué en rotation. Si lemoteur est réversible, (changement dusens de rotation moteur lancé), latension d’essais appliquée au rotorsera 4 U + 1 000 V.

Essai de chocIl consiste à appliquer une onde detension représentative de la foudre :■ temps de montée : 1,2 µs■ temps de descente à Ucrête/2 : 50 µs

■ tension d’essais :

Ucrête = 4 U + 5 000 V

Les enroulements sont soumis àplusieurs ondes positives et négatives.

Les essais de choc ne sont pas obliga-toires dans l’état actuel de la norma-lisation ; ils peuvent en effet contribuerà un vieillissement prématuré del’isolation des têtes de bobine. Plusgénéralement les essais diélectriquesne doivent pas être répétés ; si unsecond essai est effectué, il sera fait à80 % des tensions indiquées ci-dessus.

fig. 6 : tolérances sur les principales grandeurs caractéristiques selon norme CEI 34-1.

grandeur tolérance

moteurs asynchrones

courant à rotor bloqué + 20 % du courant garantiet en court-circuit (pas de limite inférieure)

couple à rotor bloqué - 15 % à + 25 % du couple garanti

couple minimal - 15 % du couple garanti pour les moteurs à cagependant le démarrage Cd ≥ au tiers du couple assigné et ≤ à la moitié du

couple rotor bloqué, ceci à pleine tension.

couple maximal - 10 % du couple garanti sous réserve qu'aprèsapplication de cette tolérance, le couple reste ≥ 1,6 foisle couple assigné

moteurs synchrones

courant à rotor bloqué + 20 % de la valeur garantie

couple à rotor bloqué - 15 % à + 25 % du couple garanti

couple de décrochage - 10 % de la valeur garantie sous réserve qu'aprèsapplication de cette tolérance le couple reste≥ 1,35 fois le couple assigné (1,5 pour les moteurssynchrones à pôles saillants)


2. les procédés classiques de démarrage en HT

Les principaux procédés de démarragedes moteurs HT sont les suivants :■ démarrage statorique direct souspleine tension,■ démarrage statorique sous tensionréduite par couplage étoile-triangle, parréactance ou par autotransformateur,■ démarrage statorique parcondensateurs,■ démarrage rotorique.

démarrage statorique directsous pleine tensionCe mode de démarrage est employépour les moteurs asynchrones avecrotor à cage et les moteurs synchrones.

La pointe de courant au démarrage estde l’ordre de 4 à 7 In suivant lescaractéristiques du moteur, et sa duréepeut varier de 1 à 10 secondes environ,en fonction du moment d’inertie total(moteur + machine), du couple moteuret du couple résistant.

L’adoption de ce mode de démarrageexige donc que cette surcharge decourant puisse être supportée par leréseau sans perturbations des autresrécepteurs et que la machine entraînéepuisse supporter le choc mécanique dûau couple moteur. La simplicité del’équipement et du moteur, l’économieréalisée font que ce mode dedémarrage est très utilisé et mêmeconseillé dans la mesure où la chute detension sur le réseau au démarrage estacceptable. C’est dans le rapportpuissance du moteur sur puissance decourt-circuit qu’est le facteurdéterminant.

démarrage statorique soustension réduiteDémarrage étoile-triangleCe mode de démarrage permet deréduire :■ le courant dans un rapport de 3 ,■ au tiers le couple de démarrage.

Il est utilisé en BT et pour les faiblespuissances mais rarement en HT en

raison des pointes de courant impor-tantes au passage en triangle. Il est rem-placé par le démarrage par réactance.

Tension réduite par résistanceBeaucoup utilisé en BT, son emploi estrare en HT du fait des calories àdissiper et des problèmes d’isolementde la résistance.

Tension réduite par réactanceCe mode de démarrage (voir schémade puissance figure n° 7) est celui quiréduit le plus simplement l’appel decourant sur le réseau ; le couple moteurau démarrage est faible et, de ce fait,les machines entrainées doivent avoirun couple résistant relativement faiblependant le lancement : compresseurs,pompes centrifuges, groupesconvertisseurs, etc.

En effet, le couple d’un moteurasynchrone varie suivant le carré de latension d’alimentation, alors que lecourant absorbé reste proportionnel àcette tension.

C'd = Cd . Ud

Un

2

avec :C’d : couple de démarrage à tensionréduite,Cd : couple de démarrage à pleinetension,Ud : tension de démarrage,Un : tension nominale de fonction-nement,

I'd = Id . Ud

Un

avec :I’d : courant de démarrage à tensionréduite,Id : courant de démarrage à pleinetension.

Ces relations s’écrivent aussi envaleurs relatives en utilisant lescaractéristiques nominales :

I'd

In =

Id

In .

Ud

Un

fig. 7 : courbes de démarrage sous tensionréduite (par réactance ou étoile-triangle).

Les courbes de la figure 7 donnent lesvariations des rapports en

fonction du rapportUd

Un

La tension aux bornes du moteuraugmente progressivement au cours dudémarrage : le lancement obtenu estsouple.

■ fonctionnement et schéma deprincipe■■ premier tempsmarche à tension réduite par lafermeture de CL contacteur de ligne.■■ deuxième tempsmarche normale par la fermeture deCC : contacteur de court-circuitage

■ détermination d’une réactance dedémarrage (cf. fig. 8)

La tension de démarrage estdéterminée par l’appel de courantmaximal I’d autorisé sur le réseau :

Ud = Un . I'd

Id

La chute de tension composée dans laréactance a pour valeur :

→Un −

→Ud = j . 3 . L . ω .

→I'd

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

0,2

0,4

0,6

0,8

1

I'dId

et C'dCd

UdUn

C'dCd

I'dId


U

U

I'

n

d

d

ϕd

CC : contacteur de court-circuitageCPN : contacteur de formation du pointneutre HTAT : autotransformateur.■■ premier tempsmarche à tension réduite par lafermeture de CPN qui provoque lafermeture de CL.■■ deuxième tempsmarche en inductance par l’ouverturede CPN

■■ troisième tempsmarche à pleine tension par lafermeture de CC.

Remarques■ le deuxième temps est en principecourt (de l’ordre de la seconde) car ilest, dans la plupart des cas, un tempsralentisseur.

fig. 11 : schéma de puissance : démarragepar autotransformateur.

fig. 9 : diagramme vectoriel permettant dedéterminer L.

fig. 8 : schéma de puissance : démarragepar réactance.

fig. 10 : courbe de démarrage sous tensionréduite par autotransformateur.

Le diagramme de la figure 9 montreque cette relation peut s’écrire arithmé-tiquement pour un moteur asynchrone,car le facteur de puissance au premierinstant du démarrage correspondpratiquement à celui de l’inductance dedémarrage d’où :

L . ω =U n − Ud

3 . I'd

Pour le dimensionnement en puissancede la réactance, il faut connaître ladurée du démarrage et la cadence demanœuvres.

Tension réduite parautotransformateurCe mode de démarrage permet parfoisde concilier la réduction d’appel decourant sur le réseau et la valeur ducouple moteur. En effet, il présentel’avantage de réduire l’appel de courantsuivant le carré du rapport detransformation :

Id

In=

Id

In.

Ud

Un

2

C'd

Cn

=Cd

Cn

.Ud

Un

2

avec :I’d : courant de démarrage côté réseauà tension réduite.

Ces relations permettent de déterminerla valeur de la tension réduite en

fonction du rapport I'd

Inautorisé sur le réseau ou du

rapportC'd

Cn

autorisé par la machine

entraînée.

La courbe de la figure 10 donne la

variation de Ud

Un

en fonction deI'd

Inou

C'd

Cd

■ fonctionnement et schéma deprincipe (cf. fig. 11)CL : contacteur de ligne

M

point neutre

AT

3L

CL CC CPN

3L

J . L . ω .→I'd . 3

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

0,2

0,4

0,6

0,8

1

I'dId

et C'dCd

UdUn

C

CL

M

C

3L


L’emploi d’autotransformateur avecentrefers réduit notablement ce défaut,mais il nécessite la connaissance de lavaleur du courant absorbé par lemoteur à la fin du premier temps.

■ le passage à pleine tension se traduittoujours par un régime transitoire plusou moins important suivant la vitesseacquise à la fin du premier temps et lavaleur du courant absorbé.

■ l’intensité qui passe dans le pointneutre au démarrage est la différenceentre le courant moteur et le courant enligne, au courant magnétisant près del’autotransformateur. C’est ce quipermet de réduire le calibre ducontacteur de point neutre.

■ il existe une variante de ce schémaavec suppression du contacteur depoint neutre. Cette variante est àproscrire car le passage de la tensionréduite à la pleine tension oblige àcouper la liaison moteur-réseau.

Compte-tenu du temps relativementcourt de permutation et de la tensionrésiduelle aux bornes du moteur, unappel de courant supérieur au courantde démarrage se produirait en effet aumoment du passage en marchenormale : condition inadmissible pour leréseau et le moteur qui risquent deprovoquer le déclenchement desprotections.

démarrage statorique parcondensateursCe procédé permet de conserver lescaractéristiques de démarrage à pleinetension du moteur. Il estparticulièrement utilisé pour conserverle couple de démarrage des moteurssynchrones, par exemple dans lescimenteries et les installations debroyage.

Les condensateurs, en parallèle avec lemoteur, fournissent une partie del’énergie réactive, pendant la phase dedémarrage, le facteur de puissance dumoteur étant alors faible. L’appel de

puissance sur le réseau est réduitd’autant (cf. fig. 12).

La mise en œuvre de cette techniqueest délicate. Elle impose une étude del’ensemble moteur condensateurs pouréviter les résonances et les surtensionspar auto-excitation du moteur, et lesoscillations mécaniques sur le systèmede transmission.

D’autre part, les équipements decommande doivent être choisisspécialement pour la commutation descondensateurs.

démarrage rotoriqueCe mode de démarrage résoutpratiquement tous les problèmes quipeuvent se poser au démarrage soit :■ réduction de l’appel de courant sur leréseau avec augmentation du couplemoteur,■ adaptation du couple moteur aucouple résistant,■ démarrage long et progressif (parexemple, pour une charge de grandeinertie).

Il ne peut s’employer que pour lesmoteurs asynchrones à rotor bobiné oupour les moteurs asynchronessynchronisés (de moins en moinsutilisés dans l’industrie).

Il est surtout utilisé pour lesdémarrages en charge.

Exemple d’un démarrage rotoriqueen n temps.Ce démarrage est illustré par lesfigures 13 et 14. Le couple moteur varieentre deux valeurs à chaque cran. Lavaleur inférieure est prise égale aucouple nominal. A chaque cran, larésistance rotorique change de valeur,la caractéristique couple-vitesseévolue. Au dernier temps, la résistancerotorique se réduit à la résistanceinterne du rotor.

■ premier tempsalimentation statorique et démarragesur la totalité de la résistance rotoriquepar fermeture de CL.

fig. 13 : schéma de puissance : démarragerotorique.

puissance fourniepar le réseau

puissance active

puissancefourniepar lescondensateurs

puissanceapparente dumoteur audémarrage

puissanceréactiveselfique

fig. 12 : diagramme vectoriel du démarragepar condensateur.

M

point neutre

3L

CL

3L

C1

C2

Cn-1


fig. 15 : réglage de la vitesse par hacheur rotorique.

fig. 14 : diagramme de démarrage rotorique symétrique.

4e 3e 2e temps 1er temps

0 1 g

C

C

C

C

n

p

M

gn g4 g3 g2 g1

NI

I 0

R 1

I

N 0

R 2

H

L

- -

+ +N

M

3L

dynamo tachymétrique

■ deuxième tempscourt-circuitage de la première sectionde la résistance rotorique par lafermeture de C1.

■ troisième tempscourt-circuitage de la deuxième sectionde la résistance rotorique par lafermeture de C2.

■ Nième tempscourt-circuitage de la n-1 section de larésistance rotorique par la fermeture deCn- 1.

Le nombre de temps ou de crans n esttoujours supérieur de 1 au nombre desections ou contacteurs.

Ce nombre n est déterminéapproximativement par la formule :

n = log gn

logCn

Cp

ou encore

Cn

Cp

= gnn

où : Cp = couple de pointegn = le glissement nominal.

Selon les cas, Cp étant connu, n s’endéduit, ou inversement.

La détermination complète deséquipements de démarrage rotoriquenécessite la connaissance du service,(cadence horaire et de la durée dudémarrage). En raison des carences denormalisation pour les moteurs HT, ceséquipement sont déterminés cas parcas, par des spécialistes.

RemarqueIl est parfois nécessaire de disposerd’un démarrage linéaire. Celui-ci faitappel à l’électronique de puissance quipermet le contrôle de l’énergierotorique ; par exemple, à l’aide d’unpont de Graëtz et d’un hacheur quiréalisent une résistance continûmentvariable (cf. fig. 15).


choix du mode dedémarrageLe choix du mode de démarrage estconditionné par la bonne adéquationentre le couple moteur et le couplerésistant de la charge.

Il nécessite la connaissance du couplerésistant (cf. fig. 16).

Conditions de démarrageCompte-tenu des caractéristiques dudémarrage souhaité, il faut vérifier pourles types de démarrage envisagés quele démarrage peut effectivement avoirlieu dans de bonnes conditions auniveau du couple moteur, de l’appel decourant et de la durée de démarrage :■ le couple moteur reste toujourssupérieur au couple résistant(cf. fig. 17),■ l’appel de courant sur le réseau et lachute de tension correspondante sontadmissibles par le réseau,■ le temps de démarrage est compatibleavec les matériels utilisés.

Calcul approximatif de la durée dedémarrageLe fonctionnement de l’ensemblemoteur-machine entraînée est régi parl’équation mécanique :

Cm − Cr = J . dω

dt

avec :Cm : couple moteurCr ; couple résistantJ : inertie des masses tournantes(moteur et machine entraînée)

dω

dt: accélération angulaire.

Sur la durée totale du démarrage ∆t, lavitesse angulaire varie de 0 à ωn. Parailleurs, un couple accélérateur moyenCa, égal à la différence moyenne entreCm et Cr peut être défini :

Ce qui entraîne :

Ca = (Cm − Cr ) moyen

= J . ( ωn − 0)

∆t

d’où :

∆t = J . ωn

C a

caractéristiques exemples

couple constant compresseur à piston

couple parabolique pompe :vanne ouvertevanne fermée

couple important broyeurau décollage

fig. 16 : rappel des courbes de couple résistant des machines à entraîner (charges).

CCn

couple

1,8

0,9

0vitesse

ω

C

C'm

m

C'r

fig. 17 : cas de non démarrage.

■ la puissance du réseaud’alimentation et l’appel de courantmaximal autorisé,■ le couple et l’intensité du moteur àpleine tension en fonction de lavitesse de rotation,■ le couple résistant de la machineentraînée (cf fig. 16),■ le moment d’inertie des massestournantes.

Si le rapport entre la puissance duréseau d’alimentation et la puissancedu moteur est inférieur à 5, un soinparticulier doit être apporté au choixdu mode de démarrage comme àcelui de la coordination de l’ensembledes protections (cf. annexes 1 et 2).

Sachant que le couple moteur réelvarie en fonction du carré de sa tensiond’alimentation :

C'm

Cm

= Uréelle

Un

2

Le fait de réduire cette tension va, enconséquence, réduire Ca et doncaugmenter le temps de démarrage.

Tableau de choix du mode dedémarrageLe tableau de la figure 18 résume lesavantages et inconvénients desprincipaux modes de démarrage pourles différentes applications.

Pour un couple déterminé, l’intensitéabsorbée sur le réseau s’établit dansl’ordre croissant suivant :■ démarrage rotorique,■ démarrage par auto-transformateur,■ démarrage par impédancestatorique,■ démarrage direct.

Le choix d’un mode de démarragenécessite une bonne communicationentre le fournisseur d’énergieélectrique, le constructeur du moteuret de la machine entraînée.

Les caractéristiques indispensables àce choix sont :

C

C

3 3

C

C

3 C

3 n

3 n

3 n

n

n


besoins de caractéristiques mode de commande par avantagesl'application de l'application démarrage inconvénients

process permanent machines nécessitant direct 1 ou 1 simplicité,ou quasi-permanent un fort couplage investissement réduit.démarrage ≤ 1/jour de démarrage au démarrage :

■ couple important,démarrages moteurs à faible appel direct 1 ■ appel de courant important,fréquents > 1/jour de courant ou de faible ■ fortes contraintes

puissance mécaniques.

pompes, machines démarrant statorique 2 réduction et deventilateurs sous faible couple par l'appel de courant aucompresseurs réactance démarragedémarrages (ajustage possible).fréquents

optimisation des lorsque l'intensité au statorique par 3 optimisation du couple (réduit)caractéristiques de démarrage doit être auto- et de l'appel de courant audémarrage réduite tout en transformateur démarrage

conservant le couple (ajustage possible).nécessaire audémarrage

optimisation des démarrages rotorique généralement faible appel de courant etcaractéristiques les plus difficiles 3 fort couple de démarrage.de démarrage àfort couple

fig. 18 : tableau de choix du mode de démarrage dans les cas les plus courants.


3. appareillage de contrôle commande

Le rôle de l’appareillage est triple :■ assurer la mise sous tension et l’arrêt(commande),■ déconnecter le moteur en cas dedéfaut (protection),■ assurer un certain contrôle du moteur(contrôle).

Par contrôle, il est sous-entendu quel’appareillage est capable (ou non) :■ de conduire le démarrage(automatisme de la séquence dedémarrage),■ d’agir sur la vitesse du moteur,■ de fournir des informations sur l’étatélectrique du moteur et aussi decontribuer à la protection.

Cette fonction contrôle faitessentiellement appel à l’électronique depuissance et aux courants faibles(technologie numérique) ; elle est enplein développement. La protection desmoteurs HT sera traitée dans le chapitresuivant.

solutionsélectromécaniquesLe choix entre les différents appareils(interrupteur, disjoncteur ou contacteur)dépend de :■ la cadence de manœuvres,■ l’endurance électrique,■ la puissance du moteur.Les principales caractéristiques desappareils de coupure sont résuméesdans le tableau de la figure 19.

Interrupteurs-fusiblesLes interrupteurs par conception mêmeont un pouvoir de coupure, uneendurance mécanique et électriquefaibles, ce qui limite leur emploi à depetites puissances (In = 50 Aenviron, 5 500 V) et à des cadences dedeux à trois manœuvres par jour.

Par ailleurs, le faible pouvoir de coupurede ces appareils rend le choix desprotections délicat.

DisjoncteursLes disjoncteurs sont en généralemployés pour les fortes puissances demoteur, plus de 300 A, à faible cadencede manœuvres et pour des tensions deservice supérieures à 6,6 kV.

Bien entendu, leur emploi peut êtreétendu à des puissances plus faibles,manœuvrables par interrupteur oucontacteur.

Contacteurs fusibles■ cadence de manœuvresLa mécanique de commande simple, larobustesse et la simplicité de sescontacts permettent au contacteur unecadence de fonctionnement élevée.Cette cadence ne peut être supportéepar un disjoncteur même spécial etmoins encore par un interrupteur.

Certaines installations utilisent descontacteurs à accrochage mécaniquepour éliminer la consommationpermanente de l’électro-aimant defermeture, ce qui peut diminuerl’endurance du fait de la plus grandecomplexité de la chaîne cinématique.

■ puissance de court-circuit du réseauCe facteur intervient peu sur unéquipement à contacteur grâce à laprésence des fusibles placésimmédiatement après le sectionneurd’isolement ou près des pincesd’embrochage, côté jeu de barres.Ces fusibles à haut pouvoir de coupure,limitent le courant de court-circuit.

Cette particularité permet, si lapuissance du réseau est augmentée,de conserver les cellules départmoteur ; les supports de jeux de barresétant éventuellement renforcés.

FusiblesLe calibre des fusibles est déterminé enfonction de :■ l’intensité nominale In,■ le rapport Id / In (Id = courant dedémarrage),

■ la durée de démarrage déterminéeà l’aide de l’abaque de la figure 20.Pour plus de précisions sur le choixdu fusible, le lecteur peut se reporterau Cahier Technique n° 107.

Il convient enfin de rappeler que lesfusibles protègent le moteur contreles surintensités supérieures àenviron cinq fois le courant nominaldu moteur et qu’ils doivent êtreassociés à des protectionscomplémentaires (relais thermiques...cf. chapitre protections).

Transformateurs de courantL’utilisation, de plus en plus fréquente,de protections numériques rendpossible l’emploi de capteurs decourant non conventionnels (parexemple, des tores de Rogowkski).L’avantage de ces capteurs est d’êtrelinéaires et donc de délivrer un signalfidèle sur toute la plage de courantutile.

Ils ne posent pas de problème auniveau de la saturation, ni sur le planthermique comme cela peut être le casavec les Transformateurs de Courantclassiques (cf. Cahier Techniquen° 112).

Particularités dues à l’emploi desfusibles ou des disjoncteurs■ marche en monophasé due à unefusion fusibles, avec nonfonctionnement du percuteur.

Le niveau de fiabilité des percuteurs etaujourd’hui tel que le risque est faible.Le niveau de sûreté peut encore êtreaugmenté par l’emploi d’une protectioncomplémentaire (relais à manque detension ou de déséquilibre).

appareil cadence moyenne endurance puissance admissibleNb manœuvres du moteur

interrupteur-fusibles faible : 2 - 3/jour 2 000 petite ≤ 50 A

disjoncteur faible : 10/jour 10 000 forte≥ 7,2 kVA> 300 A

contacteur-fusibles forte > 10/h > 100 000 moyenne ≤ 300 A

fig. 19 : domaine d’emploi des appareils de coupure.


fig. 20 : abaque pour la détermination des fusibles.

100

50

10

5

1

05

01

0.01

0.02

0.03

0.040.05

10

20

30

4050

7060

1009080

150

200

In Amp.moteur

125A 160A 200A 250A

Id =

4In Id

= 5

In Id =

6In Id

= 7

In

calibres des fusibles 7,2 kV

100A

exemple :In moteur = 100 AId = 6.Intd = 5 scalibre du fusible = 200 A

I

t secondes


■ sélectivité avec l’appareillage amontElle peut être délicate à réaliserlorsque simultanément :■ ■ les fusibles utilisés sont de fortcalibre (200 A ou 250 A) ;■ ■ le départ protégé par ces fusiblesreprésente une fraction importante dela puissance fournie par le disjoncteurgénéral (cf. fig. 21 et 22).

Cependant le fort pouvoir de coupuredes contacteurs Rollarc associés à detels fusibles autorise l’utilisation derelais à maximum d’intensité faiblementtemporisés et permet de retrouver lasélectivité. La sélectivité est plus facileà réaliser si le départ moteur estprotégé par disjoncteur mais, sur fortcourant de court-circuit, le courantn'étant pas limité, il y a uneaugmentation des contraintesthermiques.

■ surtensionsCertains types d’appareils, etnotamment les appareils à coupuredans le vide, provoquent dessurtensions lors de la mise soustension ou de l’arrêt des moteurs (àcause de leur aptitude à couper descourants haute fréquence, résultant parexemple du phénomène d’arrachementdu courant - cf. Cahier Techniquen° 143).

Afin d’éviter que ces surtensions nedégradent petit à petit le niveaud’isolement du moteur, les fabriquantsplacent dans l’appareillage si cela estnécessaire, des limiteurs de surtensiontype ZnO.

Pour conclure, il apparaît que lessolutions électromagnétiques sontaujourd’hui fiables, robustes, économi-ques et qu’elles conviennent parfaite-ment dans la grande majorité des cas.

solutions électroniquesElles apportent à l’utilisation despossibilités et avantagessupplémentaires tels que :■ vitesse variable,■ possibilité de régulation de vitesse,■ grande cadence de manœuvres,■ économie d’énergie.

La solution électronique est rarementutilisée pour réaliser uniquement ledémarrage.

Avant d’aborder les cas types dedispositifs électroniques, il faut rappelerque leur utilisation nécessite un certain

fig. 21 : schéma de protection d’un départ moteur forte intensité.

fig. 22 : diagramme de sélectivité dans le cas d’un départ moteur forte intensité.

nombre de précautions constructivesau niveau du moteur :■ marge de sécurité en échauffementsà cause des harmoniques : une margede 15 % sur le courant estgénéralement suffisante,■ une ventilation forcée estrecommandée (les moteurs pouvantfonctionner à basse vitesse),■ renforcement de l’isolement entrespires, du fait des gradients de tensionimportants générés par la commutation

des thyristors (pouvant atteindre l’ordrede grandeur de ceux des essais dechoc).

Les dispositifs présentés ci-après sontceux qui sont les plus utilisés enmoyenne tension. Seuls les principesgénéraux sont exposés.

Le tableau de la figure 23 permetd’avoir une indication sur lesadéquations entre le type de variateur,le type de moteur et de chargeentraînée.

M

relais à maximumd'intensité

contacteurcoupe-circuit

disjoncteurgénéral

relais à maximumd'intensité

��

t

I

temps decoupuredu contacteur

relais à maximumd'intensitédu contacteur

pouvoir decoupure ducontacteur

courbe de fusioncoupe-circuit

relais à maximumd'intensitédu disjoncteurgénéral

perte desélectivité


moteur charges variations vitesse puissance rendement global type de variateur

asynchrone ou pompes, ventilateurs, 0 % à plus de 100 % quelques 10 kW 0,85 à 0,90 redresseur/onduleursynchrone compresseurs, à quelques 100 kW autonome

extrudeuses

asynchrone à idem 60 % à 100 %* quelques 100 kW 0,90 à 0,95 cascadebague à quelques MW hyposynchrone

synchrone idem 0 % 100 kW 0,90 à 0,95 redresseur/onduleurcentrifugeuses à plusieurs fois 100 % à quelques 10 MW autopilotéboggies TGV - A(grande vitesse)

asynchrone broyeurs 0 % à ± 33 % 100 kW 0,85 à 0,90 cyclo convertisseurou synchrone laminoirs à quelques 10 MW

fours à ciment(vitesse faible)

* : 100 % correspond à la vitesse relative au 50 Hz

fig. 23 : domaines d’application des variateurs électroniques pour moteurs alternatifs.

Redresseurs onduleurs autonomesIls sont capables de délivrer unetension et une fréquence variables, cequi permet une parfaite maîtrise de lavitesse et du couple du moteur.Rappelons pour les moteursasynchrones :■ le couple est proportionnel à U2 si f etN sont constants,■ le couple est inversementproportionnel à f pour une tension etune vitesse donnée.

Il existe trois types de redresseurs-onduleurs autonomes.

■ redresseur-onduleur de tension■ ■ le redresseur à thyristor règle latension,■ ■ l’onduleur à thyristor fournit l’alternatifà fréquence variable.

Ce schéma est aussi utilisé par lesAlimentations Statiques sansInterruption (ASI), utilisées en BT, pouralimenter les ordinateurs; seuledifférence : fréquence et tension sontfixes.

■ redresseur, onduleur à Modulation deLargeur d’Impulsion (MLI)■ ■ le redresseur à diodes alimentel’onduleur,■ ■ l’onduleur génère des impulsions detension qui permettent de reconstituerune sinusoïde de période etd’amplitude variable (cf. fig. 24).

■ redresseur, onduleur de courant(commutateur)■ ■ le redresseur à thyristor associé àune self de lissage se comporte commeun générateur de courant continu,

■ ■ l’onduleur commute le courantsuccessivement dans les enroulementsdu moteur avec l’aide de condensateurs.

La fréquence, et donc la vitesse dumoteur, dépendent de la vitesse decommutation.

Quelques éléments decomparaison entre ces trois typesde redresseurs-onduleurs :■ l’onduleur de tension■ ■ convient bien pour les moteurs defortes réactances,■ ■ nécessite souvent un filtre entreonduleur et moteur,■ ■ permet le freinage par récupérationsi le redresseur est réversible.

■ l’onduleur MLI■ ■ autorise une large plage de vitesse,■ ■ vitesse maximum limitée par lafréquence de commutation maximumautorisée par les thyristors del’onduleur. L’utilisation de transistors depuissance (IGBT) permet de travailler àfréquence bien plus élevée, mais pourdes puissances plus faibles,■ ■ fonctionnement réversible possible(deux sens de rotation).

■ le commutateur de courant■ ■ convient pour les moteurs à faibleréactance,■ ■ permet le fonctionnement dans lesquatre quadrans.

fig. 24 : génération de tensions et fréquence variables avec les variateurs à MLI.

U

U

0

0

t

t


Cascade hyposynchroneLe moteur asynchrone à rotor bobinéest alimenté normalement par lesecteur.

Pour jouer sur la vitesse, il suffit d’agirsur le courant rotorique ; ceci estréalisé par un ensemble redresseur-onduleur. Le redresseur prélève del’énergie sur le circuit rotorique, ce quiaugmente le glissement. Ce prélève-ment dépend du réglage de conductiondes thyristors de l’onduleur qui réinjectede l’énergie sur le réseau (cf. fig. 25).La cascade hypo-synchrone permetune variation continue de la vitesseavec un glissement maximal de l’ordrede 40 %.

L’ensemble convertisseur n’a qu’unepuissance faible par rapport à lapuissance du moteur et la récupérationd’énergie permet d’obtenir un excellentrendement global.

A noter que le convertisseur est mis enfonctionnement après démarrage parrésistance rotorique.

Ce montage peut fonctionner au-delàde la vitesse de synchronisme (hypersynchrone) dans le cas de chargesentrainantes.

Redresseur-onduleur autopilotéComme pour le redresseur-onduleurautonome à commutation de courant,les phases du stator du moteur (içisynchrone) sont alimentées à tour derôle.

La commutation d’une phase du statorà la suivante est auto-pilotée par lavitesse du moteur grâce à un capteur«disque à encoches».

Il y a ainsi correspondance entre le fluxd’excitation et le flux d’induit, commepour les machines à courant continu, etle risque de décrochage est nul.

Au démarrage et à faible vitesse, lacommutation posant des problèmes, ilfaut modifier le système de commandedes convertisseurs.

fig. 25 : schéma de puissance de la cascade hypo-synchrone.

Cette solution est bien adaptée auxmoteurs synchrones.

Cyclo convertisseurChaque phase du moteur est«alimentée» par un double ponttriphasé.Le premier pont sert au prélèvement decourant pendant l’alternance positive,ceci successivement sur l’une ou l’autredes phases secteur selon la fréquencedésirée.

Le deuxième pont sert au retour decourant pendant l’alternance négative,ceci vers l’une ou l’autre des phases.

Le cyclo convertisseur fabrique unpseudo secteur triphasé qui nécessiteun filtrage et dont la fréquence peutévoluer entre 0% et le tiers de lafréquence du réseau.

M

P

Pr

3L

3L

3L


Les procédés de détection/protectionrelatifs aux principaux types de défautsont étudiés dans le paragraphesuivant :

principes de protectionSurchargesLa surcharge peut être détectée pardes relais à maximum d’intensité àtemps inverse, des relais à imagethermique ou encore des sondesthermiques.Les relais traitent l’information «courantabsorbé par le moteur», lequel estgénéralement capté par destransformateurs de courant.

Les sondes thermiques sont inséréesdans les parties actives du moteur.

■ les relais à maximum d’intensité àtemps inverse.Leur emploi nécessite :■ ■ soit une courbe de fonctionnementI(t) autorisant le démarrage, soit undispositif de blocage du relais pendantle démarrage,■ ■ un seuil de fonctionnement Iovoisin du courant nominal In du moteur

Io ≈ 1,10 InCes relais ne gardent pas la mémoiredes surcharges.■ les relais à image thermiqueCes relais sont certainement les mieuxadaptés, car ils permettent d’utiliser aumaximum les possibilités de surchargedu moteur sans entraîner dedétérioration.

La courbe de fonctionnement I(t) durelais doit permettre le passage ducourant de démarrage sansdéclenchement et être agréée par leconstructeur du moteur.

■ les sondes thermiquesCe sont des résistances dont la valeurohmique varie avec la température.

En principe, ces dispositifs ne sont pasutilisés seuls, ils doublent les relaisutilisant le courant absorbé commemoyen de mesure.

La surcharge due à l’échauffement d’unpalier est, en principe, insuffisante pourêtre détectée par les relais desurcharge.

La protection des paliers doit êtreassurée par des thermostats ou dessondes thermiques.

Courts-circuitsSur les équipements à disjoncteur, lescourts-circuits sont détectés par desrelais à maximum d’intensité àfonctionnement instantané, réglés au-dessus du courant de démarrage.

Sur les équipements à contacteurs plusfusibles, les courts-circuits sontéliminés par les fusibles.

Toutefois, une solution intéressanteconsiste à associer aux fusibles, desrelais à maximum d’intensitélégèrement temporisés. Cettedisposition permet l’utilisation ducontacteur jusqu’à son pouvoir decoupure.

Coupures , inversion etdéséquilibres de phasesCes défauts sont détectés grâce à unfiltre qui met en évidence lescomposantes inverses.

La surveillance de la coupure d’unephase ou d’un déséquilibre estimportante car ces défautsprovoquent :■ dans le stator, une augmentation decourant,■ dans le rotor, un échauffementsupplémentaire par effet Joule, dû aufait que tout régime déséquilibré setraduit par l’apparition de courantsinverses parcourant le rotor à deux foisla fréquence d’alimentation.

L’inversion de phases est détectée soitpar les courants, soit par les tensions:■ par les courants : cette inversion estvue après la fermeture du contacteur,la machine entraînée subit le défaut,■ par les tensions : elle permetd’interdire éventuellement la fermeturedu contacteur si le réseau n’a pas sonordre normal de succession desphases.

Défaut d’isolement dans le bobinageLes enroulements statoriques sontsusceptibles d’être le siège de défautsentre spires d’une même phase ouentre enroulements de phasesdifférentes.

Une "protection moteur", regroupel’ensemble des dispositifs permettantd’éviter des détériorations importantesinhérentes à des conditions anormalesde fonctionnement au niveaualimentation, moteur ou process.

Le choix des protections à installer sefait en fonction :■ des conditions d’exploitation,■ de l’importance du service assuré parle moteur,■ du degré de sûreté recherché,■ du coût relatif de la protection vis-à-vis du moteur,■ de la probabilité d’apparition desdéfauts considérés.

Mais aussi :■ du type de charge entraînée,■ des perturbations pouvant apparaîtresur le réseau,■ du type de moteur protégé.

Ainsi, les défauts listés ci-dessouspeuvent faire l’objet d’une protection.

principaux types de défautsMoteurs asynchrones■ surcharges,■ courts-circuits,■ coupure, inversion et déséquilibresde phases,■ défaut d’isolement entre spires■ masse stator,■ minimum et maximum de tension,■ démarrage incomplet.

Moteurs synchronesAux protections précédentes s’ajoutentles protections contre :■ rupture de synchronisme,■ perte d’excitation,■ masse rotor,■ marche prolongée en asynchrone audémarrage,■ surcharges et courts-circuits dansl’enroulement d’excitation,■ retour de puissance (marche enalternateur).

Autres défauts liés au process ou àla charge■ démarrages trop fréquents,■ blocage rotor,■ minimum de puissance ou decourant.

4. protections des moteurs HT


Suivant la position électrique où ledéfaut se produit, il peut ne pas être vuassez rapidement par la protection desurcharge et provoquer desdétériorations importantes.La détection de ces défauts se faitgénéralement par comparaison decourants.

■ protection différentielle longitudinaleElle protège contre les défauts entreenroulements de phases différentes.Pour la réaliser, le moteur doit avoir lesextrémités de ses enroulements, côténeutre, accessibles.Les défauts sont décelés en comparantles courants d’entrée et de sortie d’unemême phase (cf. fig. 26).En l’absence de défaut, ces courantssont identiques et le relais de protectionn’est pas sollicité. Il déclenche lorsquela différence entre ces courants atteintune valeur fixée par le réglage durelais.

■ protection différentielle transversaleElle protège contre les défauts entrespires d’une même phase.Elle s’applique aux machines à phasesdivisées, c’est-à-dire comportant deuxenroulements par phase.Le principe de fonctionnement estidentique au précédent en comparantles courants de chacun desenroulements (cf. fig. 27).

Masse statorCette protection est indispensable pourrépondre au décret du 14.11.1988 surla protection des travailleurs. Son choixdoit être fait en fonction du régime duneutre du réseau alimentant le moteur.

■ protection moteur alimenté parréseau avec neutre à la terre ouimpédant.La détection du défaut est faite par lamesure du courant homopolaire quis’établit entre la phase en défaut et lamasse du réseau. Cette mesure estfaite par des relais à maximumd’intensité à seuil bas.Le courant homopolaire est délivré partrois transformateurs de courant enparallèle ou de préférence par un tore(cf. fig. 28).Ce dernier évite l’apparition d’unefausse composante homopolaire due àla saturation inégale destransformateurs de courant audémarrage du moteur et autorise unseuil de fonctionnement relativementbas.

fig. 27 : schéma d'une protection différentielle transversale.

fig. 28 : schéma d'une protection homopolaire masse stator avec capteur torique ou TC +neutre à la terre ou impédant.

Ces relais doivent fonctionner pour unevaleur du courant de défaut telle que lepotentiel des masses par rapport à laterre ne soit jamais porté à plus de

24 V en milieu conducteur, massesinterconnectées ou 50 V dans lesautres cas d’installation.

fig. 26 : schéma d'une protection différentielle longitudinale.

relaisde couranthomopolaire

tore

TC

relaisde couranthomopolaire

tore éventuel

M N

relais deprotection

NM

relais deprotection


La détermination de ce point de réglagenécessite par conséquent laconnaissance de la valeur des prisesde terre et du schéma d’interconnexiondes masses.Si les masses ne sont pasinterconnectées, la valeur du seuil defonctionnement est donnée par :

IF ≤ 24 ou 50 V

R TM

RTM étant la valeur de la résistance deterre de la masse considérée.A noter que plus le seuil sera bas, plusla détection sera précoce et plus lerisque de détérioration des circuitsmagnétiques sera faible.

■ neutre isoléLa détection du défaut est faite par lamesure permanente de l’isolementglobal du réseau par rapport à la terre àl’aide de dispositifs à injection decourant continu comme les contrôleurspermanents d’isolement(cf. schéma 1 de la figure 29), ou pardes relais à maximum de tensionhomopolaire délivrée par troistransformateurs de potentiel avecsecondaire en triangle ouvert(cf. schéma 2 de la figure 29).

Minimum et maximum de tension(cf. fig. 30)■ minimum de tensionCette protection est relativementfréquente ; elle évite au moteur detravailler en surcharge et d’attendre ledéclenchement par la protectionsurcharge. D’autre part, si la bobine ducontacteur est alimentée par unesource auxiliaire B.T. ne venant pas duréseau, la protection à minimum ou àmanque de tension à accrochagedevient indispensable pour éviter unemise en route non contrôlée au retourde la tension.L’information «tension» est donnée parun transformateur de potentiel et traitéepar un dispositif à seuil et temporisable.

■ maximum de tensionCette protection est à prévoir lorsquede fortes variations peuvent se produiresur le réseau d'alimentation. Elle évited’attendre le fonctionnement des relaisde surcharge car un maximum detension se traduit par une surintensitédu moteur et un accroissement ducouple moteur pouvant être néfastepour la machine entraînée.

fig. 29 : schéma de contrôle des défauts d’isolement avec contrôleur permanent d’isolementou relais de tension homopolaire - neutre isolé.

La détection est faite par des relais demesure à maximum de tensiontemporisés.

Démarrage incomplet ou trop longCette protection se justifie pour undémarrage en plusieurs temps.

Elle est réalisée par un relaistemporisé mis en route au début dudémarrage et éliminé à la fin. Lagrandeur contrôlée peut être lavitesse ou le courant.

L’utilisation prolongée du système dedémarrage, calculé pour fonctionnerpendant un temps donné, est ainsiévitée.

Rupture de synchronismeIl s’agit d’une protection importantepour les moteurs synchrones.

fig. 30 : schéma de la protection mini et maxide tension. Le plus souvent deux TPfournissent les tensions composées durelais.

relaisde tension

M

relaisde tensionhomopolaire

controleurd'isolement àinjection de C.C

limiteurdesurtension

C

R = résistance de charge

R R R

schéma 1

schéma 2


En effet, la cage d’amortissement d’unmoteur synchrone est relativementfragile : si le moteur décroche, cettecage est le siège de courants induits quirisquent de la détruire si le moteur n’estpas déconnecté.Ce décrochage peut se produire à lasuite d’une surcharge mécanique, d’unminimum de tension, d’un manque oud’une baisse d’excitation.

La détection de ce défaut est faite pardes relais à minimum d’impédance ou defacteur de puissance alimentés par destransformateurs de potentiel et par destransformateurs de courant (cf. fig. 31).

Perte d’excitationCette perte due, par exemple, à unerupture de l’enroulement rotoriqueprovoque le décrochage du moteur.Elle peut être détectée :■ soit par la protection «rupture desynchronisme» décrite précédemment,■ soit par un relais à minimum detension ou à minimum de courantd’excitation.

Masse rotor d’un moteur synchroneCette protection est à déterminer enfonction du schéma d’alimentation et dumode de production du courant continu.

Si l’ensemble du circuit d’excitationcourant continu est isolé de la masse,un défaut d’isolement n’affecte pas lefonctionnement du moteur.Mais si un deuxième défaut se produit,il peut provoquer une surcharge ou uncourt-circuit avec toutes sesconséquences. Les relais de détectionde ce défaut sont, en général, desappareils à injection de courantalternatif basse fréquence 10 Hz ou20 Hz (cf. fig. 32).

La fréquence de 50 Hz est aussiemployée mais elle impose de ne pasavoir de composantes à 50 Hz dans lecircuit d’excitation.

Marche prolongée en asynchrone audémarrageSur les moteurs synchrones, une duréede démarrage trop longue provoque unéchauffement exagéré de la caged’amortissement.

On utilise la protection «démarrageincomplet» décrite précédemment ouun dispositif thermique adapté à la

constante de temps thermique du rotor,placé en série avec l’inductancependant le démarrage (cf. fig. 32élément b).

Surcharge et court-circuit dansl’enroulement d’excitationCes protections évitent la détériorationpar échauffement de l’enroulementd’excitation et de son alimentation. Ladétection est faite par un relais àmaximum de courant d’excitation.De plus, on emploie généralement unrelais à minimum de tensiond’excitation fonctionnant sur baisse detension, provoquée par exemple par uncourt-circuit.

Au démarrage, il est utilisé commerelais de présence de tensiond’excitation et autorise la fermeture ducontacteur d’excitation à la fin dudémarrage en asynchrone (cf. fig. 32élémént g).

Retour de puissanceCette protection s’applique plusparticulièrement aux moteurssynchrones.

Lors d’un déclenchement dudisjoncteur d’alimentation, elle évite le

renvoi d’énergie sur les chargesbranchées sur le même jeu de barres.Elle empêche également qu’un défautsur ce jeu de barres soit alimenté par lemoteur.

La protection doit détecter uneinversion du sens du courant ou de lapuissance. Elle s’effectue donc parrelais directionnel de puissance(cf. fig. 33).

fig. 31 : protection contre la rupture desynchronisme.

relaisà minimumd'impédanceou de cos

M

ϕ

fig. 32 : protections du rotor au démarrage eten fonctionnement.

a. enroulement d'excitation b. protection thermique : marche prolongée en asynchrone c. résistance de démarraged. contacteur d'excitation e. protection masse rotor f. protection à maximun d'intensité g. protection à minimum de tension h. vers déclenchement du contacteur départ moteur s. source continue

ab

c

d

e

f

g

h

s

�@�À�@�À�@�À�@�À�@�À�@�ÀZ <

I >

U <

I >


relais directionnelde puissance

M

Démarrages fréquentsUn trop grand nombre de démarragesdans un temps déterminé peut conduireà la détérioration d’un moteur si celui-cin’est pas dimensionné pour ce service.

Cette protection est réalisée par unrelais qui assure des fonctions decomptage et de temporisation et limiteautomatiquement :■ soit le nombre de démarrages dansun intervalle de temps donné,■ soit l’espacement de ces démarragesdans le temps.

Blocage rotorLe blocage d’un moteur pour une causemécanique, provoque une surintensitésensiblement égale au courant dedémarrage. L’échauffement qui enrésulte est beaucoup plus important carles pertes dans le rotor sontmaintenues à leur valeur maximaledurant tout le blocage et la ventilationest supprimée si celle-ci est liée à larotation du rotor. En conséquence,lorsque ce défaut mécanique risque dese produire, la protection «blocagerotor» est nécessaire car les relais desurcharge répondent parfois avec untemps trop long.

fig. 33 : protection contre le retour depuissance.

La détection de défaut est faite par unrelais ampèremétrique réglé à unevaleur inférieure au courant dedémarrage qui est validée après unetemporisation démarrée à la misesous tension du moteur ; cettetemporisation est réglée à une valeursupérieure ou égale à la duréenormale du démarrage.

Minimum d’intensité ou depuissanceUne pompe en se désamorçant peutse détériorer. Lorsque cefonctionnement se produit, il provoqueune diminution de la puissance activeabsorbée par le moteur. Un relais àminimum de courant protège contre cedéfaut.

évolution technologiqueDans la description des différentesprotections qui vient d’être faite, le terme«relais» est souvent employé. C’est unehabitude de langage (relais = un type deprotection) qui correspond à l’époquedurant laquelle protéger un moteurnécessitait l’emploi de «relais» séparésdédiés à une seule fonction deprotection.

Dans les années 70, les constructeursont commercialisé des RACKS capablesde recevoir plusieurs protectionsdifférentes dans un souci de souplessed’adaptation au besoin.

Depuis les années 80, la technologienumérique a encore augmenté lespossibilités d’adaptation ; ainsi un seul etunique dispositif programmable permetde réaliser les diverses fonctions deprotection et contrôle-commande quenécessite chaque cas particulier.


fig. 34 : critères déterminants du mode de démarrage d’un moteur.

solutions de démarrage critères principaux d'acceptation

direct appel de puissance compatible avec le réseau

réactance ■ couple de démarrage supérieur au couple dedécollage■ pointe de courant (lors du retour à pleine tension)acceptable par le réseau

autotransformateur idem

annexe 1 : détermination du mode de démarrage d'un moteur

Le but de l’exemple suivant n’est pas detraiter complètement un problème maisd’illustrer, de façon concrête, unedémarche guidant au choix d’un modede démarrage.

hypothèses de calculMoteur asynchrone de :■ puissance nominale Pn = 1 500 kW■ tension nominale Un = 5 500 V■ rendement x facteur depuissance : η x cos ϕ = 0,84■ rapport couple de démarrage surcouple nominal à pleine tension :

Cd

Cn

= 0,8

■ rapport courant de démarrage surcourant nominal à pleine tension :

Id

In = 5

■ couple de décollage de la machineentraînée : 0,2 Cn■ puissance de transformateur principald’alimentation : Pt = 3 MVA■ appel maximal de puissanceapparente autorisé par le réseau dutransformateur : St = 6 MVA.

Autres données nécessaires au calcul :■ caractéristique couple-vitesse C (N) dumoteur■ caractéristique couple résistant vitesseCr (N) de la machine entraînée■ débit du transformateur sur lesdéparts autres que celui dumoteur : 1 200 kVA sous cos ϕ’ = 0,87.

démarche globaleLa démarche du concepteur est derechercher le meilleur choix technico-économique. Pour ce faire, il convientd’essayer de valider d’abord la solution laplus simple et économique ; et si elle neconvient pas, de suivre l’ordrecorrespondant au tableau de la figure 34.

Démarrage directPuissance apparente du moteur audébut du démarrage :

Sm = Pn

η . cos ϕ .

Id

In

= 1500

0,84 . 5 = 8 925 kVA

avec, comme facteur de puissance audémarrage : cos ϕd = 0,15soit : ϕd = 81°Cette puissance s’ajoutevectoriellement à celle que débite letransformateur sur les autres départs(cf. fig. 35).

On déduit graphiquement la valeurtotale de la puissance apparentedemandée au transformateur :

S ≈ 9580 KVA

L’appel maximum autorisé étant de6 000 kVA, le démarrage direct n’estpas possible.

Démarrage par réactanceL’introduction d’une réactance permetde réduire la puissance apparenteabsorbée par le moteur.La puissance disponible pour ledémarrage est déterminéegraphiquement (cf. fig. 35).

Au démarrage du moteur, la présencede la réactance fait que le facteur depuis-sance est voisin de zéro. Doncϕd ≈ 90°.

OA →

= 1 200 KVA : puissance dutransformateur utilisée sur d’autresdéparts.

OB = St = 6 000→

kVA : puissanceapparente maximale autorisée.

La puissance apparente disponiblepour le démarrage (moteur +réactance) est déduite graphiquement

AB→

= Sd = 5 300 KVA

Réduction de puissance que doitamener la réactance :

Sd

Sm

= 5 300

8 925 ≈ 0,6

I'd nouvelle valeur du courant dedémarrage.

Sd = Un . I'd . 3

Sm = Un . Id . 3

donc : I'd = 0,6 . Id

D’autre part I'd

Id =

Ud

Un = 0,6 .


fig. 35 : diagramme des puissances de démarrage.

S = 9 580 kVA

B

A

= 81o

' = 29,5 o

ϕ

ϕ

1 200 kVA

d

tS = 6 000 kVA

dS = 5 300 kVA

mS = 8 925 kVA

puissance active


Le coefficient de réduction depuissance devient alors :

Sd − Smg

Sm

= 5 300 − 720

8 925 ≈ 0,513

A tension constante Un, I’appel decourant côté réseau estdonc : 0,513 Id.

Détermination de la tension réduite dedémarrage Ud.

L’égalité des puissances primaires etsecondaires de I’autotransformateurpermet d’écrire :

0,513 . Id . Un = I"d . Ud

I"d courant de démarrage à tensionréduite côté moteur

0,513 . Id . Un = Id . Ud

Un

. Ud

La tension aux bornes du moteur apour valeur Ud = 0,6 Un. Le problèmeétant résolu au point de vue électrique ilreste à vérifier si cette solution estvalable du point de vue mécanique.Pour le démarrage direct le couple audémarrage est égal à : Cd = 8 Cn(cf. fig. 36).

Pour le démarrage par réactance : lecouple est de démarrage C’d est égal à :

C'd = 0,8 Cn . Ud

Un

2

= 0,288 Cn

Cette valeur est compatible avec lecouple de décollage de la machineentraînée.

Un dernier point reste à contrôler : si lepoint d’équilibre mécanique Cm = Cr estsitué à une vitesse trop faible, lepassage à pleine tension risque des’effectuer avec une pointe de courant.Si celle-ci est trop élevée pour le réseau,elle amène à reconsidérer le mode dedémarrage et à choisir, par exemple, ledémarrage par autotransformateur(cf. fig. 36).

Remarque 1Supposons que le couple dedécollage de la machine entraînée aitpour valeur 0,35 Cn au lieu de 0,2 Cn.Le démarrage par réactance devientincompatible avec le couple dedécollage.Il faut alors envisager la solution dudémarrage par autotransformateur.

La puissance apparente disponiblereste Sd = 5 300 kVA.De cette valeur, est à déduire lapuissance magnétisante del’autotransformateur Smg qui, au premierinstant de démarrage, s’ajoutearithmétiquement à la puissanceapparente du moteur. Smg est del’ordre de 0,2 à 0,4 fois la puissancenominale apparente du moteur.

Soit avec le coefficient 0,4 :

Smg = 0,4 . Pn

η . cos ϕ

Smg = 0,4 .1500

0,84 = 720 kVA

d'où : Ud

Un

2

= 0,513

soit Ud = 0,718 . Un

Nouveau couple de démarrage :

0,8 Cn . Ud

Un

2

= 0,41 Cn

Cette valeur est suffisante pourpermettre au demarrage de s’effectuer.

Remarque 2Pour un couple de décollage supérieur à0,41 Cn, le démarrage statorique avec cemoteur n’est plus possible. ll est néces-saire d’utiliser soit un moteur à rotorbobiné avec démarrage rotorique, soit unmoteur à cage spécialement adaptéepossédant un fort couple au démarrage.

fig. 36 : courbes de couple et d’intensité pour démarrage par réactance.

(a)

(c)

(d)

(b)

(e)

0 0,1 0,2 0,5 0,8 1

0,2

0,8

51

1

II nCn

C

Cn

I n

point d'équilibreà tensionréduite

pointe decourant aupassage àpleine tension

a : courbe C (N) à pleine tensionb : courbe C (N) à tension réduite (0,6 U )c : courbe I (N) à pleine tensiond : courbe I (N) à tension réduite (0,6 U )e : courbe Cr (N)

n

(N/N )

n

s


fig. 37.

annexe 2 : coordination des protections

Lorsque le choix des protections enfonction des exigences d’exploitation estfait, il faut assurer leur coordination afinde les utiliser au mieux de leurs possi-bilités. Un équilibre doit être recherchéentre un déclenchement intempestif et unretard à l’élimination d’un défaut. L’étudedes courbes t (I) des relais, du coupe-circuit et du pouvoir de coupure ducontacteur résout le problème decoordination des protections. Lescaractéristiques du moteur traité dansl’exemple figuré sont les suivantes :■ Pn = 550 kW,■ Un = 3150 V,■ In = 130 A,■ Id = 5 In .Le contacteur est du type /Rollarc-fusible.

Nature des protections :■ relais thermique à déclenchementindirect, règlé à In = 130 A pour lessurcharges,■ relais à composante directe règle à6 In, temporisé à 0,05 s pour les défautséquilibrés,■ relais à maximum de composanteinverse réglé à 0,3 ou 0,4 In, temporisé à0,6 s.Dans le cas d’un réseau avec desdéséquilibres quasi-permanents, onutilise un relais à deux seuils :■ un seuil bas temporisé, réglé juste audessus des taux de composante inverseadmis en permanence,■ un seuil haut instantané contre lacoupure de phase.Le déclenchement instantané par lerelais à composante directe permetd’utiliser le contacteur au mieux de sonpouvoir de coupure et évite la fusion ducoupe-circuit. L’analyse des courbes dela figure 37 montre que le moteur et leréseau sont protègés contre :■ les déséquilibres de 0,3 In à 10 Inenviron,■ les défauts équilibrés de 6 In à 28 In.Les fusibles interviennent seulement audelà de 15 In pour les défautsdéséquilibrés et de 25 In pour les défautséquilibrés.Le courant maximal que le contacteurpeut être amené à couper a pour valeur :28 In = 3 640 A. Cette valeur reste trèsinférieure à son pouvoir de coupure de10 kA.

1 2 5 10 20 50 100

130 260 650 1 300 2 600 6 500

0,01

0,03

0,05

0,1

1

5

10

20

40

1

2

34

6810

20

3040

60

à froid

à chaud

coupe circuit

relais àcomposante :inversedirecte

temps decoupure ducontacteur

minutes

secondes

pouvoir de coupuredu contacteur Rollarc

zone de fonctionnement durelais thermique

3640 A

k . II (A)

n

n

Cahier Technique Merlin Gerin n° 165 / p.28Réal. : Illustration Technique lyonDTE 12/92 - 3500 - Imp Léostic

Documents

Contrôle-commande et protection des moteurs HT