Demarage Protection Moteurs Haute Tension

n 165contrle-commande et protection des moteurs HT

J.Y. Blanc Diplom ingnieur SUPELEC en 1979, il entre chez Merlin Gerin en 1981 comme ingnieur d'tudes dilectriques Moyenne Tension. Toujours la Division MT, il est successivement chef de projet de dveloppement : - d'quipements et postes primaires de la gamme Fluair, - de disjoncteurs protection intgre SF set. Actuellement il est responsable du dveloppement des disjoncteurs et quipements primaires MT.

CT 165 dition dcembre 1992

Cahier Technique Merlin Gerin n 165 / p.2

contrle-commande et protection des moteurs HT

sommaire1. Rappels sur les diffrents types de moteurs courant alternatif Moteurs asynchrones cage Moteurs asynchrones rotor bobin Moteurs synchrones Tolrances de dimensionnement Tenue et essais dilectriques Dmarrage statorique direct sous pleine tension Dmarrage statorique sous tension rduite Dmarrage statorique avec condensateurs Dmarrage rotorique Choix du mode de dmarrage Solutions lectromcaniques Solutions lectroniques Principaux types de dfauts Principes de protection Evolution technologique Hypothses de calcul Dmarche globale p. 4 p. 5 p. 6 p. 7 p. 7 p. 8 p. 8 p. 10 p. 10 p. 12 p. 14 p. 16 p. 19 p. 19 p. 23 p. 24 p. 24 p. 27

Dans l'industrie et le grand tertiaire, la puissance unitaire des machines tournantes dpasse souvent 100 kW ; lorsque c'est le cas et/ou si la longueur de la ligne d'alimentation est importante (chute de tension, pertes), il devient avantageux d'utiliser des moteurs haute tension. L'objet de ce cahier technique est de faire le point sur ces moteurs, leurs systmes de dmarrage et sur les diffrentes protections utilisables ; ceci afin de faciliter les choix techniques.

2. Les procds classiques de dmarrage en HT

3. Appareillage de contrle commande 4. Protection des moteurs HT

Annexe 1 : dtermination du mode de dmarrage d'un moteur Annexe 2 : coordination des protections


1. rappels sur les diffrents types de moteurs courant alternatif

Les moteurs courant alternatif aussi bien haute que basse tension offrent une grande varit de caractristiques lectriques, dynamiques ou technologiques. Nanmoins, mis part un petit nombre de moteurs spcifiques des applications particulires, un classement en trois familles peut tre fait : s moteurs asynchrones cage, s moteurs asynchrones rotor bobin, s moteurs synchrones. Ils se diffrencient, entre autres, par : s les valeurs du couple et du courant de dmarrage, s la variation de vitesse en marche normale, s les valeurs du facteur de puissance et du rendement en fonction de la charge. Les moteurs HT sont aliments sous une tension qui excde rarement 7,2 kV ; leur puissance va de 100 kW plus de 10 MW, 800 kW tant la puissance moyenne.

Les figures 1 et 2 donnent lallure de ces courbes, en fonction de la vitesse (N/Ns).

s les

A noter que : moteurs simple cage prsentent un couple minimal

C Cn

I In intensit

2

4

1

2

couple

0

25 %

50 %

75 %

100 %

(N/N s )

moteurs asynchrones cageCes moteurs HT sont de deux types principaux suivant la constitution du rotor qui peut tre simple cage ou double cage. Ceci permet de choisir les caractristiques de couple et dintensit de dmarrage : s les rotors simple cage ont : s un couple de dmarrage relativement faible (0,6 1 Cn), s un couple maximal de lordre de 2 2,2 Cn, s une intensit de dmarrage variant de 4,5 5,5 In, (Cn : couple nominal, In : courant nominal). s les rotors double cage ou les rotors encoches profondes ont : s un couple de dmarrage lgrement plus lev (0,8 1,2 Cn), s un couple maximal de lordre de 2 2,2 Cn (un peu plus lev dans le cas dencoches profondes), s une intensit de dmarrage variant de 5 6,5 In.

fig. 1 : courbes C(N) et I(N) dun moteur asynchrone simple cage.

C Cn 6

I In Id intensit

2

5

4 couple Cn

3 1 2

1

In

0

25 %

50 %

75 %

100 %

(N/N s )

fig. 2 : courbes C(N) et I(N) dun moteur asynchrone double cage.


(0,5 0,6 Cn), alors que la courbe du couple, fonction de la vitesse des moteurs double cage ou encoches profondes, est continuellement croissante jusquau couple maximal. s lemploi de ces moteurs est tout indiqu pour les usages intensifs et les atmosphres dangereuses, du fait : s de la simplicit de conception des rotors en court-circuit qui leur confre une grande robustesse mcanique et lectrique, s de labsence de balais. Ces deux particularits concourent une maintenance des plus rduites. Les caractristiques de couple des moteurs asynchrones cage sont particulirement bien adaptes aux machines telles que : pompes centrifuges, compresseurs, groupes convertisseurs, machines-outils et ventilateurs. Toutefois, un inconvnient inhrent tous ces moteurs rside dans leur facteur de puissance relativement bas, de lordre de 0,8 0,9 pleine charge, et qui dcrot lorsquils travaillent faible charge (cf. fig. 3). Si la puissance installe en moteurs asynchrones est importante, il est ncessaire de mettre en uvre une compensation de puissance ractive. Celle-ci peut tre globale, par groupe de moteurs ou par moteur (grosses units).

0,9 0,8

cos

cos 0,7 0,6 0,5

0

2/4

3/4

4/4

(P/Pn )

fig. 3 : courbes rendement (P) facteur de puissance cos (P) dun moteur asynchrone double cage.

C Rr CM R' r > R r C''d R''r > R' r

moteurs asynchrones rotor bobinDu fait que ces moteurs ont un enroulement rotorique raccord sur des bagues, la rsistance de ce circuit peut tre modifie par lintroduction de rsistances extrieures. Dans la zone de stabilit du moteur, qui correspond la pente positive de la courbe C = f (g) (cf. fig. 4), le glissement g est proportionnel la rsistance rotorique :zone de stabilit rotor en court-circuit 1 0,5

C'd Cn Cd

0

0,5

1

2

g

g =

1 A

Rr . CNs N Nsfonctionnement en gnratrice fonctionnement en moteur fonctionnement en freinage contre-courant

avec g % =

. 100

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

fig. 4 : courbe C(g) dun moteur asynchrone rotor bobin.


A = 3V

2

.

p

.

M L1

= constante

avec : V : tension simple dalimentation, p : nombre de paires de ples, : pulsation des courants dalimentation, M : inductance mutuelle stator-rotor, L1 : self totale du stator, (L1 = M + Ls), Rr : rsistance rotorique = rsistance propre du rotor + rsistances extrieures, C : couple moteur. En faisant dcrotre la rsistance extrieure au cours du dmarrage, on obtient une translation de la caractristique C(g) et ladaptation du couple de dmarrage au couple de la machine entrane. A noter que la valeur du couple maximal est indpendante de la rsistance rotorique. Dautre part, pour les faibles glissements, le courant rotorique est inversement proportionnel la rsistance rotorique. Son module est donn par :Ud Un

cette caractristique et la prsence de bagues et de rsistances rotoriques font que son emploi tend disparatre au profit des moteurs double cage ou encoches profondes. La figure 4 reprsente les courbes caractristiques C(g) suivant la valeur de la rsistance rotorique ainsi que les zones de stabilit. Ces courbes font apparatre lintrt dintroduire une rsistance importante dans le circuit rotorique pour obtenir un freinage efficace contre courant.

moteurs synchronesCes moteurs diffrent principalement des moteurs asynchrones par : s leur vitesse constante (vitesse de synchronisme), s le circuit rotorique aliment en courant continu, s le facteur de puissance qui peut tre rgl par le courant dexcitation. Ils sont technologiquement identiques aux alternateurs. Pour obtenir un couple asynchrone et viter des oscillations, les rotors sont munis dune cage damortissement : elle permet de dmarrer les moteurs synchrones avec faible couple rsistant dune faon analogue celle des moteurs asynchrones simple cage (dont ils ont sensiblement les mmes courbes caractristiques de couple et dintensit). Pour viter des surtensions dans le circuit dexcitation, celui-ci est shunt pendant le dmarrage et lors dun dclenchement, par une rsistance dont la valeur est choisie entre 5 et 10 fois la rsistance du circuit dexcitation. Etant donn que le couple asynchrone tend vers zro quand on sapproche de la vitesse de synchronisme, laccrochage en fin de dmarrage de ces moteurs sur le rseau ne peut se faire la vitesse de synchronisme comme pour les alternateurs. Ceci se traduit toujours par un rgime transitoire plus ou moins important suivant la vitesse acquise la fin du dmarrage, et la puissance du moteur. Pour limiter ce rgime transitoire, il est possible dutiliser : s soit un relais contrlant le glissement par la mesure de la frquence du courant rotorique traversant la rsistance de dmarrage. Il commande

avec

B = V .

M L1

Le courant statorique suit la mme loi au rapport de transformation et au courant magntisant prs. En consquence, le choix de la rsistance rotorique de dpart permet de rsoudre pratiquement tous les problmes de couple important au dmarrage ou dappel de courant sur le rseau et de concilier ces deux impratifs. Les diffrentes possibilits dutilisation des moteurs asynchrones rotor bobin les rendent aptes lentranement des machines fort couple de dmarrage telles que broyeurs, malaxeurs, transporteurs, etc. De plus, les machines ncessitant un fort freinage contre courant utilisent galement ce type de moteur. Comme pour les moteurs asynchrones cage le facteur de puissance en marche normale est relativement bas ;

lalimentation du circuit dexcitation au moment o le glissement est minimal. Ce dispositif est pratiquement indispensable lorsque le moteur synchrone reprsente une fraction importante de la puissance totale installe. s soit appliquer le courant dexcitation en deux temps de faon automatique ou manuelle. Les sources dexcitation peuvent tre soit spares : s groupe moteur, excitatrice, s redresseur thyristors, soit places en bout darbre du moteur, s gnrateur invers, s alternateur invers induit et redresseur diodes tournant. Les techniques les plus couramment utilises sont le redresseur thyristor et les diodes tournantes. Ce dernier procd limine les balais, supprime larmoire dexcitation et, de plus, possde souvent un dispositif de synchronisation et de raccrochage en cas de rupture de synchronisme. Ces moteurs sont capables de fournir de lnergie ractive par augmentation du courant dexcitation. Leur emploi est souvent motiv par cette particularit qui permet de compenser les charges ractives dun rseau. Les courbes de la figure 5 montrent la variation de courant statorique en fonction du courant dexcitation pour une charge donne constante (courbes de Mordey). Lusage de ce type de moteur pour les petites puissances est assez peu rpandu. Par contre, au dessus de 2 000 kW, son emploi est

(I) stator

lim

cos AR 0

ite

de

pleine charge 1/2 charge 1/4 charge

st

ab

ilit

cos AV cos = 1 (i) excitation

fig. 5 : moteur synchrone : courbes de Mordey.


frquent en raison de son bon rendement et de la matrise de son facteur de puissance. Pour les mouvements trs rguliers, le moteur synchrone simpose : cependant les machines entranes doivent avoir un couple rsistant relativement faible pendant le dmarrage et le dimensionnement de la cage damortissement limite la cadence de dmarrage.

tolrances de dimensionnementLes caractristiques lectromcaniques des moteurs sont dfinies par la norme CEI 34-1. Pour certaines grandeurs caractristiques assignes, la norme dfinit les tolrances que doit respecter le constructeur. Il est intressant de connatre ces tolrances car, pour certaines caractristiques, elles ont une influence directe sur le choix de la puissance du moteur et de lappareillage ainsi que sur le rglage des protections. Le tableau de la figure 6 donne les tolrances des principales grandeurs caractristiques.

Les surtensions front raide Elles rsultent des coups de foudre directs ou indirects ; elles se propagent sur le rseau et crent une contrainte dilectrique qui, mme limite par lemploi de parafoudres, peut tre importante. Ltude des surtensions est dveloppe dans le Cahier Technique n 151 Surtensions et coordination de lisolement et la sensibilit particulire des moteurs dans le Cahier Technique n 143 Disjoncteurs au SF6 et protection des moteurs HT. Pour vrifier la tenue des moteurs ces diffrentes surtensions, ceux-ci sont soumis des essais de type effectus selon la norme CEI 34-1. La tension dessais est applique entre lenroulement soumis lessai et la carcasse de la machine laquelle sont relis les circuits magntiques et tous les autres enroulements statoriques et rotoriques. Deux types dessais sont prescrits par les normes : les essais frquence industrielle et les essais de choc. Essai frquence industrielle La tenue aux surtensions de manoeuvre est, en accord avec la norme CEI 71, vrifie par lessai de tenue frquence industrielle. Lessai commence avec une tension infrieure

U/2 qui est augmente progressivement jusqu 2 U + 1 000 V, niveau o elle est maintenue pendant une minute. Pour le stator, U est la tension spcifie dalimentation. Pour le rotor, U est la tension qui apparat, circuit rotorique ouvert, lorsque la tension dalimentation spcifie au stator est applique alors que le rotor est bloqu en rotation. Si le moteur est rversible, (changement du sens de rotation moteur lanc), la tension dessais applique au rotor sera 4 U + 1 000 V. Essai de choc Il consiste appliquer une onde de tension reprsentative de la foudre : s temps de monte : 1,2 s s temps de descente Ucrte/2 : 50 s s tension dessais :Ucrte = 4 U + 5 000 V

tenue et essais dilectriquesLes moteurs, comme les autres composants des rseaux lectriques, sont soumis aux diverses surtensions. Ils sont particulirement sensibles aux surtensions front raide, ou frquence leve, car celles-ci sont bloques par les premires spires des bobinages statoriques. Les surtensions de manuvre Elles rsultent des phnomnes transitoires qui apparaissent lors de changements dtats du rseau dalimentation. Les phnomnes ci-aprs, spcifiques aux circuits inductifs donc aux moteurs, sont prendre en considration : s arrachement de courant lors de linterruption du courant, s rallumages multiples linterruption et pramorages ltablissement du courant dans le cas o lappareil de coupure est capable de couper les courants hautes frquences correspondant ces phnomnes.

Les enroulements sont soumis plusieurs ondes positives et ngatives. Les essais de choc ne sont pas obligatoires dans ltat actuel de la normalisation ; ils peuvent en effet contribuer un vieillissement prmatur de lisolation des ttes de bobine. Plus gnralement les essais dilectriques ne doivent pas tre rpts ; si un second essai est effectu, il sera fait 80 % des tensions indiques ci-dessus.

grandeur moteurs asynchrones courant rotor bloqu et en court-circuit couple rotor bloqu couple minimal pendant le dmarrage couple maximal

tolrance + 20 % du courant garanti (pas de limite infrieure) - 15 % + 25 % du couple garanti - 15 % du couple garanti pour les moteurs cage Cd au tiers du couple assign et la moiti du couple rotor bloqu, ceci pleine tension. - 10 % du couple garanti sous rserve qu'aprs application de cette tolrance, le couple reste 1,6 fois le couple assign

moteurs synchrones courant rotor bloqu couple rotor bloqu couple de dcrochage + 20 % de la valeur garantie - 15 % + 25 % du couple garanti - 10 % de la valeur garantie sous rserve qu'aprs application de cette tolrance le couple reste 1,35 fois le couple assign (1,5 pour les moteurs synchrones ples saillants)

fig. 6 : tolrances sur les principales grandeurs caractristiques selon norme CEI 34-1.


2. les procds classiques de dmarrage en HT

Les principaux procds de dmarrage des moteurs HT sont les suivants : s dmarrage statorique direct sous pleine tension, s dmarrage statorique sous tension rduite par couplage toile-triangle, par ractance ou par autotransformateur, s dmarrage statorique par condensateurs, s dmarrage rotorique.

raison des pointes de courant importantes au passage en triangle. Il est remplac par le dmarrage par ractance. Tension rduite par rsistance Beaucoup utilis en BT, son emploi est rare en HT du fait des calories dissiper et des problmes disolement de la rsistance. Tension rduite par ractance Ce mode de dmarrage (voir schma de puissance figure n 7) est celui qui rduit le plus simplement lappel de courant sur le rseau ; le couple moteur au dmarrage est faible et, de ce fait, les machines entraines doivent avoir un couple rsistant relativement faible pendant le lancement : compresseurs, pompes centrifuges, groupes convertisseurs, etc. En effet, le couple dun moteur asynchrone varie suivant le carr de la tension dalimentation, alors que le courant absorb reste proportionnel cette tension.C' d = C d U . d U n2

Les courbes de la figure 7 donnent les variations des rapports en fonction du rapportUd Un

La tension aux bornes du moteur augmente progressivement au cours du dmarrage : le lancement obtenu est souple.s fonctionnement et schma de principe s premier temps marche tension rduite par la fermeture de CL contacteur de ligne. s deuxime temps marche normale par la fermeture de CC : contacteur de court-circuitage s dtermination dune ractance de dmarrage (cf. fig. 8)

dmarrage statorique direct sous pleine tensionCe mode de dmarrage est employ pour les moteurs asynchrones avec rotor cage et les moteurs synchrones. La pointe de courant au dmarrage est de lordre de 4 7 In suivant les caractristiques du moteur, et sa dure peut varier de 1 10 secondes environ, en fonction du moment dinertie total (moteur + machine), du couple moteur et du couple rsistant. Ladoption de ce mode de dmarrage exige donc que cette surcharge de courant puisse tre supporte par le rseau sans perturbations des autres rcepteurs et que la machine entrane puisse supporter le choc mcanique d au couple moteur. La simplicit de lquipement et du moteur, lconomie ralise font que ce mode de dmarrage est trs utilis et mme conseill dans la mesure o la chute de tension sur le rseau au dmarrage est acceptable. Cest dans le rapport puissance du moteur sur puissance de court-circuit quest le facteur dterminant.

La tension de dmarrage est dtermine par lappel de courant maximal Id autoris sur le rseau :Ud = Un . I' d Id

avec : Cd : couple de dmarrage tension rduite, Cd : couple de dmarrage pleine tension, Ud : tension de dmarrage, Un : tension nominale de fonctionnement,

La chute de tension compose dans la ractance a pour valeur : Un Ud = j . 3 . L . . I' d

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

Ud Un C'd Cd

I' d = Id .

Ud Un

dmarrage statorique sous tension rduiteDmarrage toile-triangle Ce mode de dmarrage permet de rduire : s le courant dans un rapport de 3 , s au tiers le couple de dmarrage. Il est utilis en BT et pour les faibles puissances mais rarement en HT en

avec : Id : courant de dmarrage tension rduite, Id : courant de dmarrage pleine tension. Ces relations scrivent aussi en valeurs relatives en utilisant les caractristiques nominales :

I'd Id

I'd et C'd Id Cd 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

I' d In

=

Id In

.

Ud Un

fig. 7 : courbes de dmarrage sous tension rduite (par ractance ou toile-triangle).


Le diagramme de la figure 9 montre que cette relation peut scrire arithmtiquement pour un moteur asynchrone, car le facteur de puissance au premier instant du dmarrage correspond pratiquement celui de linductance de dmarrage do : L . = U n Ud 3 . I' d Pour le dimensionnement en puissance de la ractance, il faut connatre la dure du dmarrage et la cadence de manuvres. Tension rduite par autotransformateur Ce mode de dmarrage permet parfois de concilier la rduction dappel de courant sur le rseau et la valeur du couple moteur. En effet, il prsente lavantage de rduire lappel de courant suivant le carr du rapport de transformation :

CC : contacteur de court-circuitage CPN : contacteur de formation du point neutre HT AT : autotransformateur. s premier temps marche tension rduite par la fermeture de CPN qui provoque la fermeture de CL. s deuxime temps marche en inductance par louverture de CPN

s

troisime temps marche pleine tension par la fermeture de CC.

Remarques s le deuxime temps est en principe court (de lordre de la seconde) car il est, dans la plupart des cas, un temps ralentisseur.

1

Ud Un

3L0,8 0,6

CL

0,4 0,2 I'd et C'd Id Cd

Id InC' d Cn

=

Id In

U . d U nCd Cn

2

CC2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

=

.

U d U n

fig. 10 : courbe de dmarrage sous tension rduite par autotransformateur.M

avec : Id : courant de dmarrage ct rseau tension rduite. Ces relations permettent de dterminer la valeur de la tension rduite en fonction du rapport

fig. 8 : schma de puissance : dmarrage par ractance.

3L

I' d In J . L . . I' d .point neutre

autoris sur le rseau ou du rapport

C' d Cn

3

autoris par la machineUn

entrane. La courbe de la figure 10 donne la variation de

CLUd d I'd

CC AT 3L

C PN

Ud Un

en fonction des

I' d In

ou

C' d Cd

M

fonctionnement et schma de principe (cf. fig. 11) CL : contacteur de ligne

fig. 9 : diagramme vectoriel permettant de dterminer L.

fig. 11 : schma de puissance : dmarrage par autotransformateur.


Lemploi dautotransformateur avec entrefers rduit notablement ce dfaut, mais il ncessite la connaissance de la valeur du courant absorb par le moteur la fin du premier temps. s le passage pleine tension se traduit toujours par un rgime transitoire plus ou moins important suivant la vitesse acquise la fin du premier temps et la valeur du courant absorb. s lintensit qui passe dans le point neutre au dmarrage est la diffrence entre le courant moteur et le courant en ligne, au courant magntisant prs de lautotransformateur. Cest ce qui permet de rduire le calibre du contacteur de point neutre. s il existe une variante de ce schma avec suppression du contacteur de point neutre. Cette variante est proscrire car le passage de la tension rduite la pleine tension oblige couper la liaison moteur-rseau. Compte-tenu du temps relativement court de permutation et de la tension rsiduelle aux bornes du moteur, un appel de courant suprieur au courant de dmarrage se produirait en effet au moment du passage en marche normale : condition inadmissible pour le rseau et le moteur qui risquent de provoquer le dclenchement des protections.

puissance sur le rseau est rduit dautant (cf. fig. 12). La mise en uvre de cette technique est dlicate. Elle impose une tude de lensemble moteur condensateurs pour viter les rsonances et les surtensions par auto-excitation du moteur, et les oscillations mcaniques sur le systme de transmission. Dautre part, les quipements de commande doivent tre choisis spcialement pour la commutation des condensateurs.

puissance ractive selfique puissance apparente du moteur au dmarrage

puissance fournie par les condensateurs

dmarrage rotoriqueCe mode de dmarrage rsout pratiquement tous les problmes qui peuvent se poser au dmarrage soit : s rduction de lappel de courant sur le rseau avec augmentation du couple moteur, s adaptation du couple moteur au couple rsistant, s dmarrage long et progressif (par exemple, pour une charge de grande inertie). Il ne peut semployer que pour les moteurs asynchrones rotor bobin ou pour les moteurs asynchrones synchroniss (de moins en moins utiliss dans lindustrie). Il est surtout utilis pour les dmarrages en charge. Exemple dun dmarrage rotorique en n temps. Ce dmarrage est illustr par les figures 13 et 14. Le couple moteur varie entre deux valeurs chaque cran. La valeur infrieure est prise gale au couple nominal. A chaque cran, la rsistance rotorique change de valeur, la caractristique couple-vitesse volue. Au dernier temps, la rsistance rotorique se rduit la rsistance interne du rotor. s premier temps alimentation statorique et dmarrage sur la totalit de la rsistance rotorique par fermeture de CL.

puissance fournie par le rseau puissance active

fig. 12 : diagramme vectoriel du dmarrage par condensateur.

3L point neutre

C1

dmarrage statorique par condensateursCe procd permet de conserver les caractristiques de dmarrage pleine tension du moteur. Il est particulirement utilis pour conserver le couple de dmarrage des moteurs synchrones, par exemple dans les cimenteries et les installations de broyage. Les condensateurs, en parallle avec le moteur, fournissent une partie de lnergie ractive, pendant la phase de dmarrage, le facteur de puissance du moteur tant alors faible. Lappel de

C2

CL

3L M

C n-1

fig. 13 : schma de puissance : dmarrage rotorique.


s deuxime

temps court-circuitage de la premire section de la rsistance rotorique par la fermeture de C1. temps court-circuitage de la deuxime section de la rsistance rotorique par la fermeture de C2. temps court-circuitage de la n-1 section de la rsistance rotorique par la fermeture de Cn- 1.

C CM Cp

s troisime

s Nime

Cn

Le nombre de temps ou de crans n est toujours suprieur de 1 au nombre de sections ou contacteurs. Ce nombre n est dtermin approximativement par la formule :log gn n = C log n Cp0

4e g n g4 g3

3e g2

2e temps g1

1er temps 1 g

fig. 14 : diagramme de dmarrage rotorique symtrique.

ou encoredynamo tachymtrique

Cn Cp

=

n

gnN

N0 + N I0 + I

o : Cp = couple de pointe gn = le glissement nominal. Selon les cas, Cp tant connu, n sen dduit, ou inversement. La dtermination complte des quipements de dmarrage rotorique ncessite la connaissance du service, (cadence horaire et de la dure du dmarrage). En raison des carences de normalisation pour les moteurs HT, ces quipement sont dtermins cas par cas, par des spcialistes. Remarque Il est parfois ncessaire de disposer dun dmarrage linaire. Celui-ci fait appel llectronique de puissance qui permet le contrle de lnergie rotorique ; par exemple, laide dun pont de Gratz et dun hacheur qui ralisent une rsistance continment variable (cf. fig. 15).

L 3L

I

M

R1

R2

H

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


choix du mode de dmarrageLe choix du mode de dmarrage est conditionn par la bonne adquation entre le couple moteur et le couple rsistant de la charge. Il ncessite la connaissance du couple rsistant (cf. fig. 16). Conditions de dmarrage Compte-tenu des caractristiques du dmarrage souhait, il faut vrifier pour les types de dmarrage envisags que le dmarrage peut effectivement avoir lieu dans de bonnes conditions au niveau du couple moteur, de lappel de courant et de la dure de dmarrage : s le couple moteur reste toujours suprieur au couple rsistant (cf. fig. 17), s lappel de courant sur le rseau et la chute de tension correspondante sont admissibles par le rseau, s le temps de dmarrage est compatible avec les matriels utiliss. Calcul approximatif de la dure de dmarrage Le fonctionnement de lensemble moteur-machine entrane est rgi par lquation mcanique :C

caractristiques

exemples

couple constant

compresseur piston

3

3

n

C Cn couple parabolique pompe : vanne ouverte vanne ferme

3

3

n

C Cn couple important au dcollage broyeur

3C Cn 1,8 couple Cm

fig. 16 : rappel des courbes de couple rsistant des machines entraner (charges).

Sachant que le couple moteur rel varie en fonction du carr de sa tension dalimentation :C'm Cm U = relle U n 2

3

n

Cm Cr = J .

d dt

0,9

C'm

C'r

avec : Cm : couple moteur Cr ; couple rsistant J : inertie des masses tournantes (moteur et machine entrane) : acclration angulaire. dt Sur la dure totale du dmarrage t, la vitesse angulaire varie de 0 n. Par ailleurs, un couple acclrateur moyen Ca, gal la diffrence moyenne entre Cm et Cr peut tre dfini : Ce qui entrane : C a = (Cm Cr ) moyen = J . do :t = J . n Ca

Le fait de rduire cette tension va, en consquence, rduire Ca et donc augmenter le temps de dmarrage. Tableau de choix du mode de dmarrage Le tableau de la figure 18 rsume les avantages et inconvnients des principaux modes de dmarrage pour les diffrentes applications. Pour un couple dtermin, lintensit absorbe sur le rseau stablit dans lordre croissant suivant : s dmarrage rotorique, s dmarrage par auto-transformateur, s dmarrage par impdance statorique, s dmarrage direct. Le choix dun mode de dmarrage ncessite une bonne communication entre le fournisseur dnergie lectrique, le constructeur du moteur et de la machine entrane. Les caractristiques indispensables ce choix sont :

0

vitesse

fig. 17 : cas de non dmarrage.s la puissance du rseau dalimentation et lappel de courant maximal autoris, s le couple et lintensit du moteur pleine tension en fonction de la vitesse de rotation, s le couple rsistant de la machine entrane (cf fig. 16), s le moment dinertie des masses tournantes. Si le rapport entre la puissance du rseau dalimentation et la puissance du moteur est infrieur 5, un soin particulier doit tre apport au choix du mode de dmarrage comme celui de la coordination de lensemble des protections (cf. annexes 1 et 2).

d

( n 0) t


besoins de l'application

caractristiques de l'application

mode de dmarrage

commande par

avantages inconvnients

process permanent ou quasi-permanent dmarrage 1/jour dmarrages frquents > 1/jour pompes, ventilateurs compresseurs dmarrages frquents optimisation des caractristiques de dmarrage

machines ncessitant un fort couplage de dmarrage moteurs faible appel de courant ou de faible puissance machines dmarrant sous faible couple

direct

1 ou

1

direct

1

simplicit, investissement rduit. au dmarrage : s couple important, s appel de courant important, s fortes contraintes mcaniques. rduction et de l'appel de courant au dmarrage (ajustage possible). optimisation du couple (rduit) et de l'appel de courant au dmarrage (ajustage possible).

statorique par ractance

2

lorsque l'intensit au dmarrage doit tre rduite tout en conservant le couple ncessaire au dmarrage dmarrages les plus difficiles

statorique par autotransformateur

3

optimisation des caractristiques de dmarrage fort couple

rotorique

gnralement 3

faible appel de courant et fort couple de dmarrage.

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


3. appareillage de contrle commande

Le rle de lappareillage est triple : s assurer la mise sous tension et larrt (commande), s dconnecter le moteur en cas de dfaut (protection), s assurer un certain contrle du moteur (contrle). Par contrle, il est sous-entendu que lappareillage est capable (ou non) : s de conduire le dmarrage (automatisme de la squence de dmarrage), s dagir sur la vitesse du moteur, s de fournir des informations sur ltat lectrique du moteur et aussi de contribuer la protection. Cette fonction contrle fait essentiellement appel llectronique de puissance et aux courants faibles (technologie numrique) ; elle est en plein dveloppement. La protection des moteurs HT sera traite dans le chapitre suivant.

Bien entendu, leur emploi peut tre tendu des puissances plus faibles, manuvrables par interrupteur ou contacteur. Contacteurs fusibles s cadence de manuvres La mcanique de commande simple, la robustesse et la simplicit de ses contacts permettent au contacteur une cadence de fonctionnement leve. Cette cadence ne peut tre supporte par un disjoncteur mme spcial et moins encore par un interrupteur. Certaines installations utilisent des contacteurs accrochage mcanique pour liminer la consommation permanente de llectro-aimant de fermeture, ce qui peut diminuer lendurance du fait de la plus grande complexit de la chane cinmatique. s puissance de court-circuit du rseau Ce facteur intervient peu sur un quipement contacteur grce la prsence des fusibles placs immdiatement aprs le sectionneur disolement ou prs des pinces dembrochage, ct jeu de barres. Ces fusibles haut pouvoir de coupure, limitent le courant de court-circuit. Cette particularit permet, si la puissance du rseau est augmente, de conserver les cellules dpart moteur ; les supports de jeux de barres tant ventuellement renforcs. Fusibles Le calibre des fusibles est dtermin en fonction de : s lintensit nominale In, s le rapport Id / In (Id = courant de dmarrage),

s la dure de dmarrage dtermine laide de labaque de la figure 20. Pour plus de prcisions sur le choix du fusible, le lecteur peut se reporter au Cahier Technique n 107. Il convient enfin de rappeler que les fusibles protgent le moteur contre les surintensits suprieures environ cinq fois le courant nominal du moteur et quils doivent tre associs des protections complmentaires (relais thermiques... cf. chapitre protections).

solutions lectromcaniquesLe choix entre les diffrents appareils (interrupteur, disjoncteur ou contacteur) dpend de : s la cadence de manuvres, s lendurance lectrique, s la puissance du moteur. Les principales caractristiques des appareils de coupure sont rsumes dans le tableau de la figure 19. Interrupteurs-fusibles Les interrupteurs par conception mme ont un pouvoir de coupure, une endurance mcanique et lectrique faibles, ce qui limite leur emploi de petites puissances (In = 50 A environ, 5 500 V) et des cadences de deux trois manuvres par jour. Par ailleurs, le faible pouvoir de coupure de ces appareils rend le choix des protections dlicat. Disjoncteurs Les disjoncteurs sont en gnral employs pour les fortes puissances de moteur, plus de 300 A, faible cadence de manuvres et pour des tensions de service suprieures 6,6 kV.

Transformateurs de courant Lutilisation, de plus en plus frquente, de protections numriques rend possible lemploi de capteurs de courant non conventionnels (par exemple, des tores de Rogowkski). Lavantage de ces capteurs est dtre linaires et donc de dlivrer un signal fidle sur toute la plage de courant utile. Ils ne posent pas de problme au niveau de la saturation, ni sur le plan thermique comme cela peut tre le cas avec les Transformateurs de Courant classiques (cf. Cahier Technique n 112). Particularits dues lemploi des fusibles ou des disjoncteurs s marche en monophas due une fusion fusibles, avec non fonctionnement du percuteur. Le niveau de fiabilit des percuteurs et aujourdhui tel que le risque est faible. Le niveau de sret peut encore tre augment par lemploi dune protection complmentaire (relais manque de tension ou de dsquilibre).

appareil interrupteur-fusibles disjoncteur

cadence moyenne faible : 2 - 3/jour faible : 10/jour

endurance Nb manuvres 2 000 10 000

puissance admissible du moteur petite 50 A forte 7,2 kVA > 300 A moyenne 300 A

contacteur-fusibles

forte > 10/h

> 100 000

fig. 19 : domaine demploi des appareils de coupure.


t secondes

100calibres des fusibles 7,2 kV

50

100A 125A 160A 200A 250A

10

exemple : In moteur = 100 A Id = 6.In td = 5 s calibre du fusible = 200 A

5

1

05

200 150 01 100 90 80 70 60 50 40 30 20

In Amp. moteur

0.03 0.02

4I

n

Id

=

Id

=

5I n Id

=

6I n Id

=

0.05 0.04

7I n

0.01

10

I

fig. 20 : abaque pour la dtermination des fusibles.


s slectivit avec lappareillage amont Elle peut tre dlicate raliser lorsque simultanment : s les fusibles utiliss sont de fort calibre (200 A ou 250 A) ; s le dpart protg par ces fusibles reprsente une fraction importante de la puissance fournie par le disjoncteur gnral (cf. fig. 21 et 22). Cependant le fort pouvoir de coupure des contacteurs Rollarc associs de tels fusibles autorise lutilisation de relais maximum dintensit faiblement temporiss et permet de retrouver la slectivit. La slectivit est plus facile raliser si le dpart moteur est protg par disjoncteur mais, sur fort courant de court-circuit, le courant n'tant pas limit, il y a une augmentation des contraintes thermiques. s surtensions Certains types dappareils, et notamment les appareils coupure dans le vide, provoquent des surtensions lors de la mise sous tension ou de larrt des moteurs ( cause de leur aptitude couper des courants haute frquence, rsultant par exemple du phnomne darrachement du courant - cf. Cahier Technique n 143). Afin dviter que ces surtensions ne dgradent petit petit le niveau disolement du moteur, les fabriquants placent dans lappareillage si cela est ncessaire, des limiteurs de surtension type ZnO. Pour conclure, il apparat que les solutions lectromagntiques sont aujourdhui fiables, robustes, conomiques et quelles conviennent parfaitement dans la grande majorit des cas.

disjoncteur gnral

relais maximum d'intensit

contacteur coupe-circuit

fig. 21 : schma de protection dun dpart moteur forte intensit.

t

temps de coupure du contacteur

relais maximum d'intensit du contacteur

solutions lectroniquesElles apportent lutilisation des possibilits et avantages supplmentaires tels que : s vitesse variable, s possibilit de rgulation de vitesse, s grande cadence de manuvres, s conomie dnergie. La solution lectronique est rarement utilise pour raliser uniquement le dmarrage. Avant daborder les cas types de dispositifs lectroniques, il faut rappeler que leur utilisation ncessite un certain

fig. 22 : diagramme de slectivit dans le cas dun dpart moteur forte intensit.

nombre de prcautions constructives au niveau du moteur : s marge de scurit en chauffements cause des harmoniques : une marge de 15 % sur le courant est gnralement suffisante, s une ventilation force est recommande (les moteurs pouvant fonctionner basse vitesse), s renforcement de lisolement entre spires, du fait des gradients de tension importants gnrs par la commutation

, M courbe de fusion coupe-circuit relais maximum d'intensit du disjoncteur gnral perte de slectivit

relais maximum d'intensit

pouvoir de coupure du contacteur

I

des thyristors (pouvant atteindre lordre de grandeur de ceux des essais de choc). Les dispositifs prsents ci-aprs sont ceux qui sont les plus utiliss en moyenne tension. Seuls les principes gnraux sont exposs. Le tableau de la figure 23 permet davoir une indication sur les adquations entre le type de variateur, le type de moteur et de charge entrane.


moteur asynchrone ou synchrone asynchrone bague synchrone

charges pompes, ventilateurs, compresseurs, extrudeuses idem idem centrifugeuses boggies TGV - A (grande vitesse) broyeurs laminoirs fours ciment (vitesse faible)

variations vitesse 0 % plus de 100 %

puissance quelques 10 kW quelques 100 kW quelques 100 kW quelques MW 100 kW quelques 10 MW

rendement global 0,85 0,90

type de variateur redresseur/onduleur autonome cascade hyposynchrone redresseur/onduleur autopilot

60 % 100 %* 0% plusieurs fois 100 %

0,90 0,95 0,90 0,95

asynchrone ou synchrone

0 % 33 %

100 kW quelques 10 MW

0,85 0,90

cyclo convertisseur

* : 100 % correspond la vitesse relative au 50 Hz

fig. 23 : domaines dapplication des variateurs lectroniques pour moteurs alternatifs.

Redresseurs onduleurs autonomes Ils sont capables de dlivrer une tension et une frquence variables, ce qui permet une parfaite matrise de la vitesse et du couple du moteur. Rappelons pour les moteurs asynchrones : s le couple est proportionnel U2 si f et N sont constants, s le couple est inversement proportionnel f pour une tension et une vitesse donne. Il existe trois types de redresseursonduleurs autonomes. s redresseur-onduleur de tension s le redresseur thyristor rgle la tension, s londuleur thyristor fournit lalternatif frquence variable. Ce schma est aussi utilis par les Alimentations Statiques sans Interruption (ASI), utilises en BT, pour alimenter les ordinateurs; seule diffrence : frquence et tension sont fixes. s redresseur, onduleur Modulation de Largeur dImpulsion (MLI) s le redresseur diodes alimente londuleur, s londuleur gnre des impulsions de tension qui permettent de reconstituer une sinusode de priode et damplitude variable (cf. fig. 24). s redresseur, onduleur de courant (commutateur) s le redresseur thyristor associ une self de lissage se comporte comme un gnrateur de courant continu,

U

0 t

U

0

t

fig. 24 : gnration de tensions et frquence variables avec les variateurs MLI.s londuleur commute le courant successivement dans les enroulements du moteur avec laide de condensateurs.

La frquence, et donc la vitesse du moteur, dpendent de la vitesse de commutation. Quelques lments de comparaison entre ces trois types de redresseurs-onduleurs : s londuleur de tension s convient bien pour les moteurs de fortes ractances, s ncessite souvent un filtre entre onduleur et moteur, s permet le freinage par rcupration si le redresseur est rversible.

londuleur MLI autorise une large plage de vitesse, s vitesse maximum limite par la frquence de commutation maximum autorise par les thyristors de londuleur. Lutilisation de transistors de puissance (IGBT) permet de travailler frquence bien plus leve, mais pour des puissances plus faibles, s fonctionnement rversible possible (deux sens de rotation).s s

commutateur de courant convient pour les moteurs faible ractance, s permet le fonctionnement dans les quatre quadrans.s

s le


Cascade hyposynchrone Le moteur asynchrone rotor bobin est aliment normalement par le secteur. Pour jouer sur la vitesse, il suffit dagir sur le courant rotorique ; ceci est ralis par un ensemble redresseuronduleur. Le redresseur prlve de lnergie sur le circuit rotorique, ce qui augmente le glissement. Ce prlvement dpend du rglage de conduction des thyristors de londuleur qui rinjecte de lnergie sur le rseau (cf. fig. 25). La cascade hypo-synchrone permet une variation continue de la vitesse avec un glissement maximal de lordre de 40 %. Lensemble convertisseur na quune puissance faible par rapport la puissance du moteur et la rcupration dnergie permet dobtenir un excellent rendement global. A noter que le convertisseur est mis en fonctionnement aprs dmarrage par rsistance rotorique. Ce montage peut fonctionner au-del de la vitesse de synchronisme (hyper synchrone) dans le cas de charges entrainantes. Redresseur-onduleur autopilot Comme pour le redresseur-onduleur autonome commutation de courant, les phases du stator du moteur (ii synchrone) sont alimentes tour de rle. La commutation dune phase du stator la suivante est auto-pilote par la vitesse du moteur grce un capteur disque encoches. Il y a ainsi correspondance entre le flux dexcitation et le flux dinduit, comme pour les machines courant continu, et le risque de dcrochage est nul. Au dmarrage et faible vitesse, la commutation posant des problmes, il faut modifier le systme de commande des convertisseurs.M

3L

3L

Pr

3L

P

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

Cette solution est bien adapte aux moteurs synchrones. Cyclo convertisseur Chaque phase du moteur est alimente par un double pont triphas. Le premier pont sert au prlvement de courant pendant lalternance positive, ceci successivement sur lune ou lautre des phases secteur selon la frquence dsire.

Le deuxime pont sert au retour de courant pendant lalternance ngative, ceci vers lune ou lautre des phases. Le cyclo convertisseur fabrique un pseudo secteur triphas qui ncessite un filtrage et dont la frquence peut voluer entre 0% et le tiers de la frquence du rseau.


4. protections des moteurs HT

Une "protection moteur", regroupe lensemble des dispositifs permettant dviter des dtriorations importantes inhrentes des conditions anormales de fonctionnement au niveau alimentation, moteur ou process. Le choix des protections installer se fait en fonction : s des conditions dexploitation, s de limportance du service assur par le moteur, s du degr de sret recherch, s du cot relatif de la protection vis-vis du moteur, s de la probabilit dapparition des dfauts considrs. Mais aussi : s du type de charge entrane, s des perturbations pouvant apparatre sur le rseau, s du type de moteur protg. Ainsi, les dfauts lists ci-dessous peuvent faire lobjet dune protection.

Les procds de dtection/protection relatifs aux principaux types de dfaut sont tudis dans le paragraphe suivant :

La protection des paliers doit tre assure par des thermostats ou des sondes thermiques. Courts-circuits Sur les quipements disjoncteur, les courts-circuits sont dtects par des relais maximum dintensit fonctionnement instantan, rgls audessus du courant de dmarrage. Sur les quipements contacteurs plus fusibles, les courts-circuits sont limins par les fusibles. Toutefois, une solution intressante consiste associer aux fusibles, des relais maximum dintensit lgrement temporiss. Cette disposition permet lutilisation du contacteur jusqu son pouvoir de coupure. Coupures , inversion et dsquilibres de phases Ces dfauts sont dtects grce un filtre qui met en vidence les composantes inverses. La surveillance de la coupure dune phase ou dun dsquilibre est importante car ces dfauts provoquent : s dans le stator, une augmentation de courant, s dans le rotor, un chauffement supplmentaire par effet Joule, d au fait que tout rgime dsquilibr se traduit par lapparition de courants inverses parcourant le rotor deux fois la frquence dalimentation. Linversion de phases est dtecte soit par les courants, soit par les tensions: s par les courants : cette inversion est vue aprs la fermeture du contacteur, la machine entrane subit le dfaut, s par les tensions : elle permet dinterdire ventuellement la fermeture du contacteur si le rseau na pas son ordre normal de succession des phases. Dfaut disolement dans le bobinage Les enroulements statoriques sont susceptibles dtre le sige de dfauts entre spires dune mme phase ou entre enroulements de phases diffrentes.

principes de protectionSurcharges La surcharge peut tre dtecte par des relais maximum dintensit temps inverse, des relais image thermique ou encore des sondes thermiques. Les relais traitent linformation courant absorb par le moteur, lequel est gnralement capt par des transformateurs de courant. Les sondes thermiques sont insres dans les parties actives du moteur. s les relais maximum dintensit temps inverse. Leur emploi ncessite : s soit une courbe de fonctionnement I(t) autorisant le dmarrage, soit un dispositif de blocage du relais pendant le dmarrage, s un seuil de fonctionnement Io voisin du courant nominal In du moteur Io 1,10 In Ces relais ne gardent pas la mmoire des surcharges. s les relais image thermique Ces relais sont certainement les mieux adapts, car ils permettent dutiliser au maximum les possibilits de surcharge du moteur sans entraner de dtrioration. La courbe de fonctionnement I(t) du relais doit permettre le passage du courant de dmarrage sans dclenchement et tre agre par le constructeur du moteur. s les sondes thermiques Ce sont des rsistances dont la valeur ohmique varie avec la temprature. En principe, ces dispositifs ne sont pas utiliss seuls, ils doublent les relais utilisant le courant absorb comme moyen de mesure. La surcharge due lchauffement dun palier est, en principe, insuffisante pour tre dtecte par les relais de surcharge.

principaux types de dfautsMoteurs asynchrones s surcharges, s courts-circuits, s coupure, inversion et dsquilibres de phases, s dfaut disolement entre spires s masse stator, s minimum et maximum de tension, s dmarrage incomplet. Moteurs synchrones Aux protections prcdentes sajoutent les protections contre : s rupture de synchronisme, s perte dexcitation, s masse rotor, s marche prolonge en asynchrone au dmarrage, s surcharges et courts-circuits dans lenroulement dexcitation, s retour de puissance (marche en alternateur). Autres dfauts lis au process ou la charge s dmarrages trop frquents, s blocage rotor, s minimum de puissance ou de courant.


Suivant la position lectrique o le dfaut se produit, il peut ne pas tre vu assez rapidement par la protection de surcharge et provoquer des dtriorations importantes. La dtection de ces dfauts se fait gnralement par comparaison de courants. s protection diffrentielle longitudinale Elle protge contre les dfauts entre enroulements de phases diffrentes. Pour la raliser, le moteur doit avoir les extrmits de ses enroulements, ct neutre, accessibles. Les dfauts sont dcels en comparant les courants dentre et de sortie dune mme phase (cf. fig. 26). En labsence de dfaut, ces courants sont identiques et le relais de protection nest pas sollicit. Il dclenche lorsque la diffrence entre ces courants atteint une valeur fixe par le rglage du relais. s protection diffrentielle transversale Elle protge contre les dfauts entre spires dune mme phase. Elle sapplique aux machines phases divises, cest--dire comportant deux enroulements par phase. Le principe de fonctionnement est identique au prcdent en comparant les courants de chacun des enroulements (cf. fig. 27). Masse stator Cette protection est indispensable pour rpondre au dcret du 14.11.1988 sur la protection des travailleurs. Son choix doit tre fait en fonction du rgime du neutre du rseau alimentant le moteur. s protection moteur aliment par rseau avec neutre la terre ou impdant. La dtection du dfaut est faite par la mesure du courant homopolaire qui stablit entre la phase en dfaut et la masse du rseau. Cette mesure est faite par des relais maximum dintensit seuil bas. Le courant homopolaire est dlivr par trois transformateurs de courant en parallle ou de prfrence par un tore (cf. fig. 28). Ce dernier vite lapparition dune fausse composante homopolaire due la saturation ingale des transformateurs de courant au dmarrage du moteur et autorise un seuil de fonctionnement relativement bas.

M

N

relais de protection

fig. 26 : schma d'une protection diffrentielle longitudinale.

M

N

relais de protection

fig. 27 : schma d'une protection diffrentielle transversale.

TC

tore

relais de courant homopolaire

relais de courant homopolaire

tore ventuel

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

Ces relais doivent fonctionner pour une valeur du courant de dfaut telle que le potentiel des masses par rapport la terre ne soit jamais port plus de

24 V en milieu conducteur, masses interconnectes ou 50 V dans les autres cas dinstallation.


La dtermination de ce point de rglage ncessite par consquent la connaissance de la valeur des prises de terre et du schma dinterconnexion des masses. Si les masses ne sont pas interconnectes, la valeur du seuil de fonctionnement est donne par :

schma 1

IF

24 ou 50 V R TMcontroleur d'isolement injection de C.C C R R R limiteur de surtension

RTM tant la valeur de la rsistance de terre de la masse considre. A noter que plus le seuil sera bas, plus la dtection sera prcoce et plus le risque de dtrioration des circuits magntiques sera faible. s neutre isol La dtection du dfaut est faite par la mesure permanente de lisolement global du rseau par rapport la terre laide de dispositifs injection de courant continu comme les contrleurs permanents disolement (cf. schma 1 de la figure 29), ou par des relais maximum de tension homopolaire dlivre par trois transformateurs de potentiel avec secondaire en triangle ouvert (cf. schma 2 de la figure 29). Minimum et maximum de tension (cf. fig. 30) s minimum de tension Cette protection est relativement frquente ; elle vite au moteur de travailler en surcharge et dattendre le dclenchement par la protection surcharge. Dautre part, si la bobine du contacteur est alimente par une source auxiliaire B.T. ne venant pas du rseau, la protection minimum ou manque de tension accrochage devient indispensable pour viter une mise en route non contrle au retour de la tension. Linformation tension est donne par un transformateur de potentiel et traite par un dispositif seuil et temporisable. s maximum de tension Cette protection est prvoir lorsque de fortes variations peuvent se produire sur le rseau d'alimentation. Elle vite dattendre le fonctionnement des relais de surcharge car un maximum de tension se traduit par une surintensit du moteur et un accroissement du couple moteur pouvant tre nfaste pour la machine entrane.

R = rsistance de charge schma 2

relais de tension homopolaire

fig. 29 : schma de contrle des dfauts disolement avec contrleur permanent disolement ou relais de tension homopolaire - neutre isol.

La dtection est faite par des relais de mesure maximum de tension temporiss. Dmarrage incomplet ou trop long Cette protection se justifie pour un dmarrage en plusieurs temps. Elle est ralise par un relais temporis mis en route au dbut du dmarrage et limin la fin. La grandeur contrle peut tre la vitesse ou le courant. Lutilisation prolonge du systme de dmarrage, calcul pour fonctionner pendant un temps donn, est ainsi vite. Rupture de synchronisme Il sagit dune protection importante pour les moteurs synchrones.

relais de tension M

fig. 30 : schma de la protection mini et maxi de tension. Le plus souvent deux TP fournissent les tensions composes du relais.


En effet, la cage damortissement dun moteur synchrone est relativement fragile : si le moteur dcroche, cette cage est le sige de courants induits qui risquent de la dtruire si le moteur nest pas dconnect. Ce dcrochage peut se produire la suite dune surcharge mcanique, dun minimum de tension, dun manque ou dune baisse dexcitation. La dtection de ce dfaut est faite par des relais minimum dimpdance ou de facteur de puissance aliments par des transformateurs de potentiel et par des transformateurs de courant (cf. fig. 31). Perte dexcitation Cette perte due, par exemple, une rupture de lenroulement rotorique provoque le dcrochage du moteur. Elle peut tre dtecte : s soit par la protection rupture de synchronisme dcrite prcdemment, s soit par un relais minimum de tension ou minimum de courant dexcitation. Masse rotor dun moteur synchrone Cette protection est dterminer en fonction du schma dalimentation et du mode de production du courant continu. Si lensemble du circuit dexcitation courant continu est isol de la masse, un dfaut disolement naffecte pas le fonctionnement du moteur. Mais si un deuxime dfaut se produit, il peut provoquer une surcharge ou un court-circuit avec toutes ses consquences. Les relais de dtection de ce dfaut sont, en gnral, des appareils injection de courant alternatif basse frquence 10 Hz ou 20 Hz (cf. fig. 32). La frquence de 50 Hz est aussi employe mais elle impose de ne pas avoir de composantes 50 Hz dans le circuit dexcitation. Marche prolonge en asynchrone au dmarrage Sur les moteurs synchrones, une dure de dmarrage trop longue provoque un chauffement exagr de la cage damortissement. On utilise la protection dmarrage incomplet dcrite prcdemment ou un dispositif thermique adapt la

constante de temps thermique du rotor, plac en srie avec linductance pendant le dmarrage (cf. fig. 32 lment b). Surcharge et court-circuit dans lenroulement dexcitation Ces protections vitent la dtrioration par chauffement de lenroulement dexcitation et de son alimentation. La dtection est faite par un relais maximum de courant dexcitation. De plus, on emploie gnralement un relais minimum de tension dexcitation fonctionnant sur baisse de tension, provoque par exemple par un court-circuit. Au dmarrage, il est utilis comme relais de prsence de tension dexcitation et autorise la fermeture du contacteur dexcitation la fin du dmarrage en asynchrone (cf. fig. 32 lmnt g). Retour de puissance Cette protection sapplique plus particulirement aux moteurs synchrones. Lors dun dclenchement du disjoncteur dalimentation, elle vite le

renvoi dnergie sur les charges branches sur le mme jeu de barres. Elle empche galement quun dfaut sur ce jeu de barres soit aliment par le moteur. La protection doit dtecter une inversion du sens du courant ou de la puissance. Elle seffectue donc par relais directionnel de puissance (cf. fig. 33).

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Demarage Protection Moteurs Haute Tension