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COURS N° 6 : Démarrage desMoteurs asynchrones
DÉROULEMENT DE LA SÉANCETITRE ACTIVITÉS PROF ACTIVITÉS ÉLÈVES
DURÉE
FIN DU COURS {? heures}
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Tableau de comité de lectureDate de lecture Lecteurs Observation
Remarques rédacteur Date modifications17 décembre 2000 Première
Version 17 décembre 2000
Quote of my life :Fournir ma contribution aux autres est ma
philosophie.
Et la vôtre ?
Si vous avez lu ce T.P. et que vous avez des remarques à faire,
n'hésiter pas et écrivez-moi à l'adresse suivante :Ce dossier
contient :
• Un dossier élève (pages 4 à -)• Un dossier prof (pages - à -)•
Un transparent (page - à -)
E-Mail :[email protected]
L'objet du message doit contenir le motCARIM
Adresse Professionnel :CROCHET David
Professeur de Génie électriqueLycée Technique02500 HIRSON
(Adresse valable jusqu'au 30 juin 2001)
mailto:[email protected]
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COURS N° 6Démarrage des moteurs asynchrones
Niveau : T STI GET Lieu : Salle de cours Durée : ? heures
Organisation : Classe entière
LIAISON AU RÉFÉRENTIEL
PRÉ-REQUIS
Les élèves doivent être capables :-
OBJECTIFS
Les élèves devront être capables de :-
NIVEAU D'APPRENTISSAGE
MÉTHODE
- Passive
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B 2 – ÉLECTROTECHNIQUE
S.T.I. - G.E.T. LES MOTEURSDOSSIER PÉDAGOGIQUE
COURSN° 6
DD éémmaarrrraaggee ddeess
MMootteeuurrssaassyynncchhrroonneess
Objectif :• • •
Documents :• •
Secteur : Salle de cours Durée : ? heures
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Démarrage des Moteurs Asynchrones
1. Les DémarreursLors de la mise sous tension d'un moteur
asynchrone, celui-ci provoque un fort
appel de courant qui peut provoquer des chutes de tension
importantes dans uneinstallation électrique. Pour ces raisons en
autres, il faut parfois effectuer undémarrage différent du
démarrage direct.
Il est donc logique de limiter le courant pendant le démarrage à
une valeuracceptable. Mais si l'on limite le courant, on limite du
fait la tension (dans certain casseulement).
Or le couple est lié à la tension d'alimentation par la loi
:2
fUkC
= , à vitesse fixe
C : Couple moteur [Nm]U : Tension efficace [V]F : Fréquence
d'alimentation [Hz]
On voit bien le problème apparaître. Si on limite la tension, on
limite le coupledu moteur. Le fait de diminuer la tension de 3
diminue le couple par 3.
2. Les différentes cages des moteurs asynchrones à cage
d'écureuilPour palier à certain effet, il existe plusieurs
technologies pour constituer un rotor
en cage d'écureuil.2.1. Cage simple
C'est une cage constituésimplement d'un type debarre soit carrée
(commedans l'exemple), soitcylindrique. Il a l'avantaged'être peu
chère à fabriquer.
Par contre, on peut constater que son couple dedémarrage est
assez faible. Pour une charge ayantdes frottements sec important
(frottement au
démarrage), il se peut que le moteur démarre difficilement.
2.2. Cage profondeC'est une cage
constituée d'un type debarre plus profond queprécédemment. Lors
dudémarrage, unphénomène physique fait circuler le courantdans la
périphérie des conducteurs (effet depeau). Comme l'extérieur de la
cage a unesection plus faible, la résistance est plus élevéeet le
courant un peu plus limité. A la fin dudémarrage, le courant
circule dans toute la
Cmax
Cd
Cn
Nn
Cmax
Cd
Cn
Nn
-
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surface de la cage
2.3. Cage doubleC'est une cage
constituée de deuxtypes de barres ayantdes
caractéristiquesdifférentes. Lors du démarrage, comme sur lacage
profonde, le courant circule dans la cageextérieure (plus
résistante que la cageintérieure).
On peut constater que son couple dedémarrage est assez bon.
3. Caractéristique dynamique du couple du moteurTous les couples
que nous
allons voir ensuite sont lescaractéristiques dites
statiques.Celles-ci reflètent assez bien laforme de la courbe. Mais
en faite,le couple réel (dynamique) estdifférent. Au démarrage, le
coupleest nul, devient positif puis négatifet retourne en positif,
de ce fait, lemoteur "tremble" au démarrage.Lors de l'approche
dusynchronisme, le moteur continu àaccélérer, dépassant la vitesse
desynchronisme (illogique puisque lemoteur n'est pas entraîné)
Puisralenti pour revenir à son point de fonctionnement nominal.
Bien entendu, ceci n'estpas visible puisque le démarrage ne dure
pas très longtemps. Pour voir ceci, il faut uncouplemètre (Mesure
de couple) dynamique monté à la sortie de l'arbre du moteur.
CmaxCd
Cn
Nn
CmaxCd
Cn
Nn
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4. Symboles
Alimentation triphasé
Démarreur de moteur (symbole générale)
Démarreur avec mise à l'arrêt automatique
Démarreur semi-automatique Démarreur automatique
Un sens de marche Deux sens de marcheCouplage triangle Couplage
étoileContacteur Discontacteur (contacteur associé à un
relais de protection
Résistance Auto-transformateur
5. Démarrage directC'est le mode de démarrage le plus simple. Le
moteur démarre sur ses
caractéristiques "naturelles". Au démarrage, le moteur se
compose comme untransformateur dont le secondaire (rotor) est
presque en court-circuit, d'où la pointede courant au
démarrage.
Id = 5 à 8 InCd = 0,5 à 1,5 Cn
Id, Cd : Courant et couple de démarrageIn, Cn : Courant et
couple nominal
CmaxCd
Cn
Nn
3
3
3~MAS
3
3~MAS
Q
KM
F
Id
In
Nn
-
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Malgré les avantages qu'il présente (simplicité de
l'appareillage, démarrage rapide,coût faible), le démarrage direct
convient dans les cas ou :- La puissance du moteur est faible par
rapport à la puissance du réseau (dimension
du câble)- La machine à entraîner ne nécessité pas de mise en
rotation progressive et peut
accepter une mise en rotation rapide- Le couple de démarrage
doit être élevéCe démarrage ne convient pas si- Le réseau ne peut
accepter de chute de tension- La machine entraînée ne peut accepter
les à-coups mécaniques brutaux- Le confort et la sécurité des
usagers sont mis en cause (escalier mécanique)
6. Démarrage étoile triangleCe mode de démarrage n'est
utilisable si les deux extrémités de chaque
enroulement sont accessibles. De plus, il faut que le moteur
soit compatible avec uncouplage final triangle.
Id = 1,5 à 2,6 InCd = 0,2 à 0,5 Cn
Lors du couplage étoile, chaque enroulementest alimenté sous une
tension 3 fois plusfaible, de ce fait, le courant et le couple
sontdivisé par 3.Lorsque les caractéristiques courant ou couplesont
admissibles, on passe au couplage
triangle. Le passage du couplage étoile au couplage triangle
n'étant pas instantané, lecourant est coupé pendant 30 à 50 ms
environ. Cette coupure du courant provoqueune démagnétisation du
circuit magnétique. Lors de la fermeture du contacteurtriangle, une
pointe de courant réapparaît, brève mais importante(magnétisation
dumoteur).
Cmax
CdCn
Nn
Id
In
Nn
3
3~MAS
Q
KM
F
KM KM
3
6
3~MAS
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7. Démarrage de moteurs à enroulements partagés "Part-Winding"Ce
moteur est composé de 2 enroulements séparé électriquement mais en
parallèle
mécaniquement, c'est comparable à 2 demi-moteurs de même
puissance. Lors dudémarrage, un seul demi-moteurs est couplé au
réseau, ce qui divise le courant et lecouple sensiblement par 2. À
la fin du démarrage, on couple le second enroulementau réseau.
Puisque le premier enroulement n'a pas été déconnecté la pointe de
courantest plus faible que sur le démarrage étoile triangle.
Ce démarrage est surtout utilisé sur le marché nord-américain
(tension 230 / 460)rapport de 2.
Cmax
Cd
Cn
Nn
Id
In
Nn
3
3~MAS
Q
KM
F
KM
F
3
6
3~MAS
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8. Démarrage statorique à résistanceLe principe consiste à
démarrer le moteur en direct, mais dans un premier temps
par des résistances électriques, limitant ainsi le courant de
démarrage.Le moteur démarrant sous tension réduite, celle-ci
augmente progressivement enmême temps que le courant diminue.La
valeur des résistances est calculée en fonction de la pointe de
courant admissibleou du couple de démarrage minimum.
Id = 4,5 In environCd = 0,75 Cn
Ce dernier démarreur peut être associé audispositif de démarrage
étoile-triangle.On démarre en étoile, puis on passe encouplage
triangle avec les résistances, et enfinon termine en couplage
triangle directe.Pour les moteurs de grosse puissance, les
résistances sont remplacées par un démarreur à résistances
électrolytiques. Des barressont plongées progressivement dans une
cuve remplis de liquide. Au fur et a mesureque les barres plongent,
la résistance diminue progressivement, et en fin dedémarrage, on
court-circuite les résistances.
Cmax
Cd
Cn
Nn
Id
In
Nn
3
6
3~MAS
3
3~MAS
Q
KM
F
KM
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9. Démarrage par autotransformateurDans le démarrage par
autotransformateur, on effectue le même type que le
démarrage étoile triangle (on a en plus le choix du rapport des
tensions en choisissantle rapport de transformation) mais les
phénomènes transitoires du démarrage étoiletriangle (pointe de
courant au passage triangle), ne vont plus exister car le
courantn'est jamais coupé.
Dans un premier temps, on démarre le moteur sur un
autotransformateur couplé enétoile. De ce fait, le moteur est
alimenté sous une tension réduite réglable.
Avant de passer en pleine tension, on ouvre le couplage étoile
del'autotransformateur, ce qui met en place des inductances sur
chaque ligne limitant unpeu la pointe et presque aussitôt, on
court-circuite ces inductances pour coupler lemoteur directement au
réseau.
Id = 1,7 à 4 InCd = 0,5 à 0,85 Cn
Ce mode de démarrage est surtout utilisépour les fortes
puissances (> 100 kW) etconduit à une installation relativement
élevé,surtout pour la conception del'autotransformateur.
Cmax
Cd
Cn
Nn
Id
In
Nn
3
3
3~MAS
3
3~MAS
Q
KM KM
F
KM
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10. Démarrage rotoriqueDans tous les démarreurs précédents, nous
n'avons utilisé que des moteurs à caged'écureuil. Pour ce
démarreur, nos avons besoin d'avoir accès aux
conducteursrotoriques. Le fait de rajouter des résistances au rotor
provoque une limitation de lapointe de courant au démarrage. En
plus, il a l'avantage, si les résistances sont bienchoisit, de
démarrer avec le couple maximal du moteur.
Cmax Cd
Cn
Nn
Id
In
Nn
3
3
3~MAS
3
4
3
3~MAS
Q
KM
F
KM
KM
KM
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Moteur a cage Moteur à baguesDémarrage direct Démarrage
Part-
WindingDémarrage étoiletriangle
Démarragestatorique
Démarrageautotransformateur
Démarragerotorique
Courant dedémarrage
100% 50% 33% 70% 40/65/80% 70%
Surcharge en ligne 4 à 8 In 2 à 4 In 1,3 à 2,6 In 4,5 In 1,7 à 4
In < 2,5 InCouple en % deCd
100 % 50% 33% 50% 40/65/80%
Couple initiale audémarrage
0,6 à 1,5 Cn 0,3 à 0,75 Cn 0,2 à 0,5 Cn 0,6 à 0,85 0,4 à
0,85
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B 2 – ÉLECTROTECHNIQUE
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COURSN° 6
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Documents :• •
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Démarrage des Moteurs Asynchrones
11. Les DémarreursLors de la mise sous tension d'un moteur
asynchrone, celui-ci provoque un fort
appel de courant qui peut provoquer des chutes de tension
importantes dans uneinstallation électrique. Pour ces raisons en
autres, il faut parfois effectuer undémarrage différent du
démarrage direct.
Il est donc logique de limiter le courant pendant le démarrage à
une valeuracceptable. Mais si l'on limite le courant, on limite du
fait la tension (dans certain casseulement).
Or le couple est lié à la tension d'alimentation par la loi
:2
fUkC
= , à vitesse fixe
C : Couple moteur [Nm]U : Tension efficace [V]F : Fréquence
d'alimentation [Hz]
On voit bien le problème apparaître. Si on limite la tension, on
limite le coupledu moteur. Le fait de diminuer la tension de 3
diminue le couple par 3.
12. Les différentes cages des moteurs asynchrones à cage
d'écureuilPour palier à certain effet, il existe plusieurs
technologies pour constituer un rotor
en cage d'écureuil.12.1. Cage simple
C'est une cage constituéSimplement d'un type debarre soit carrée
(commedans l'exemple), soitcylindrique. Il a l'avantaged'être peu
chère à fabriquer.
Par contre, on peut constater que son couple dedémarrage est
assez faible. Pour une charge ayantdes frottements sec important
(frottement au
démarrage), il se peut que le moteur démarre difficilement
12.2. Cage profondeC'est une cage
constituée d'un type debarre plus profond queprécédemment. Lors
dudémarrage, unphénomène physique fait circuler le courantdans la
périphérie des conducteurs (effet depeau). Comme l'extérieur de la
cage a unesection plus faible, la résistance est plus élevéeet le
courant un peu plus limité. A la fin dudémarrage, le courant
circule dans toute la
Cmax
Cd
Cn
Nn
Cmax
Cd
Cn
Nn
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surface de la cagePar contre, on peut constater que son couple
de démarrage est assez faible. Pour
une charge ayant des frottements sec important (frottement au
démarrage), il se peutque le moteur démarre difficilement
12.3. Cage doubleC'est une cage
constituée de deuxtypes de barres ayantdes
caractéristiquesdifférentes. Lors du démarrage, comme sur lacage
profonde, le courant circule dans la cageextérieure (plus
résistante que la cageintérieure).
On peut constater que son couple dedémarrage est assez bon.
13. Caractéristique dynamique du couple du moteurTous les
couples que nous
allons voir ensuite sont lescaractéristiques dites
statiques.Celles-ci reflètent assez bien laforme de la courbe. Mais
en faite,le couple réel (dynamique) estdifférent. Au démarrage, le
coupleest nul, devient positif puis négatifet retourne en positif,
de ce fait, lemoteur "tremble" au démarrage.Lors de l'approche
dusynchronisme, le moteur continu àaccélérer, dépassant la vitesse
desynchronisme (illogique puisque lemoteur n'est pas entraîné)
Puisralenti pour revenir à son point de fonctionnement nominal.
Bien entendu, ceci n'estpas visible puisque le démarrage ne dure
pas très longtemps. Pour voir ceci, il faut uncouplemètre (Mesure
de couple) dynamique monté à la sortie de l'arbre du moteur.
CmaxCd
Cn
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CmaxCd
Cn
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14. Symboles
Alimentation triphasé
Démarreur de moteur (symbole générale)
Démarreur avec mise à l'arrêt automatique
Démarreur semi-automatique Démarreur automatique
Un sens de marche Deux sens de marcheCouplage triangle Couplage
étoileContacteur Discontacteur (contacteur associé à un
relais de protection
Résistance Auto-transformateur
15. Démarrage directC'est le mode de démarrage le plus simple.
Le moteur démarre sur ses
caractéristiques "naturelles". Au démarrage, le moteur se
compose comme untransformateur dont le secondaire (rotor) est
presque en court-circuit, d'où la pointede courant au
démarrage.
Id = 5 à 8 InCd = 0,5 à 1,5 Cn
Id, Cd : Courant et couple de démarrageIn, Cn : Courant et
couple nominal
CmaxCd
Cn
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3
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Q
KM
F
Id
In
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Malgré les avantages qu'il présente (simplicité de
l'appareillage, démarrage rapide,coût faible), le démarrage direct
convient dans les cas ou :- La puissance du moteur est faible par
rapport à la puissance du réseau (dimension
du câble)- La machine à entraîner ne nécessité pas de mise en
rotation progressive et peut
accepter une mise en rotation rapide- Le couple de démarrage
doit être élevéCe démarrage ne convient pas si- Le réseau ne peut
accepter de chute de tension- La machine entraînée ne peut accepter
les à-coups mécaniques brutaux- Le confort et la sécurité des
usagers sont mis en cause (escalier mécanique)
16. Démarrage étoile triangleCe mode de démarrage n'est
utilisable si les deux extrémités de chaque
enroulement sont accessibles. De plus, il faut que le moteur
soit compatible avec uncouplage final triangle.
Id = 1,5 à 2,6 InCd = 0,2 à 0,5 Cn
Lors du couplage étoile, chaque enroulementest alimenté sous une
tension 3 fois plusfaible, de ce fait, le courant et le couple
sontdivisé par 3.Lorsque les caractéristiques courant ou couplesont
admissibles, on passe au couplage
triangle. Le passage du couplage étoile au couplage triangle
n'étant pas instantané, lecourant est coupé pendant 30 à 50 ms
environ. Cette coupure du courant provoqueune démagnétisation du
circuit magnétique. Lors de la fermeture du contacteurtriangle, une
pointe de courant réapparaît brève mais importante(magnétisation
dumoteur).
Cmax
CdCn
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KM KM
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17. Démarrage de moteurs à enroulements partagés
"Part-Winding"Ce moteur est composé de 2 enroulements séparé
électriquement mais en parallèle
mécaniquement, c'est comparable à 2 demi-moteurs de même
puissance. Lors dudémarrage, un seul demi-moteurs est couplé au
réseau, ce qui divise le courant et lecouple sensiblement par 2. À
la fin du démarrage, on couple le second enroulementau réseau.
Puisque le premier enroulement n'a pas été déconnecté la pointe de
courantest plus faible que sur le démarrage étoile triangle.
Ce démarrage est surtout utilisé sur le marché nord-américain
(tension 230 / 460)rapport de 2.
Cmax
Cd
Cn
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Id
In
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3
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18. Démarrage statorique à résistanceLe principe consiste à
démarrer le moteur en direct, mais dans un premier temps
par des résistances électriques, limitant ainsi le courant de
démarrage.Le moteur démarrant sous tension réduite, celle-ci
augmente progressivement enmême temps que le courant diminue.La
valeur des résistances est calculée en fonction de la pointe de
courant admissibleou du couple de démarrage minimum.
Id = 4,5 In environCd = 0,75 Cn
Ce dernier démarreur peut être associé audispositif de démarrage
étoile-triangle.On démarre en étoile, puis on passe encouplage
triangle avec les résistances, et enfinon termine en couplage
triangle directe.Pour les moteurs de grosse puissance, les
résistances sont remplacées par un démarreur à résistances
électrolytiques. Des barressont plongées progressivement dans une
cuve remplis de liquide. Au fur et a mesureque les barres plongent,
la résistance diminue progressivement, et en fin dedémarrage, on
court-circuite les résistances.
Cmax
Cd
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19. Démarrage par autotransformateurDans le démarrage par
autotransformateur, on effectue le même type que le
démarrage étoile triangle (on a en plus le choix du rapport des
tensions en choisissantle rapport de transformation) mais les
phénomènes transitoires du démarrage étoiletriangle (pointe de
courant au passage triangle, ne vont plus exister car le
courantn'est jamais coupé.
Dan un premier temps, on démarre le moteur sur un
autotransformateur couple enétoile. De ce fait, le moteur est
alimenté sous une tension réduite réglable.
Avant de passer en pleine tension, on ouvre le couplage étoile
del'autotransformateur, ce qui met en place des inductances sur
chaque ligne limitant unpeu la pointe et presque aussitôt, on
court-circuite ces inductances pour coupler lemoteur directement au
réseau.
Id = 1,7 à 4 InCd = 0,5 à 0,85 Cn
Ce mode de démarrage est surtout utilisépour les fortes
puissances (> 100 kW) etconduit à une installation relativement
élevé,surtout pour la conception del'autotransformateur.
Cmax
Cd
Cn
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20. Démarrage rotoriqueDans tous les démarreurs précédents, nous
n'avons utilisé que des moteurs à caged'écureuil. Pour ce
démarreur, nos avons besoin d'avoir accès au conducteurrotorique.
Le fait de rajouter des résistances au rotor provoque une
limitation de lapointe de courant au démarrage. En plus, il a
l'avantage, si les résistances sont bienchoisit, de démarrer avec
le couple maximal du moteur.
Cmax Cd
Cn
Nn
Id
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3
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3
4
3
3~MAS
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KM
F
KM
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Moteur a cage Moteur à baguesDémarrage direct Démarrage
Part-
WindingDémarrage étoiletriangle
Démarragestatorique
Démarrageautotransformateur
Démarragerotorique
Courant dedémarrage
100% 50% 33% 70% 40/65/80% 70%
Surcharge en ligne 4 à 8 In 2 à 4 In 1,3 à 2,6 In 4,5 In 1,7 à 4
In < 2,5 InCouple en % deCd
100 % 50% 33% 50% 40/65/80%
Couple initiale audémarrage
0,6 à 1,5 Cn 0,3 à 0,75 Cn 0,2 à 0,5 Cn 0,6 à 0,85 0,4 à
0,85
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Présentation dossierDéroulement de la séanceTableau de comité de
lectureLiaison au référentiel
Dossier pédagogiqueLes DémarreursLes différentes cages des
moteurs asynchrones à cage d'écureuilCage simpleCage profondeCage
double
Caractéristique dynamique du couple du moteurSymbolesDémarrage
directDémarrage étoile triangleDémarrage de moteurs à enroulements
partagés "Part-Winding"Démarrage statorique à résistanceDémarrage
par autotransformateurDémarrage rotorique
Dossier professeurLes DémarreursLes différentes cages des
moteurs asynchrones à cage d'écureuilCage simpleCage profondeCage
double
Caractéristique dynamique du couple du moteurSymbolesDémarrage
directDémarrage étoile triangleDémarrage de moteurs à enroulements
partagés "Part-Winding"Démarrage statorique à résistanceDémarrage
par autotransformateurDémarrage rotorique
