caractéristique et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrone triphasés.

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République Algérienne Démocratique et Populaire
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Université Dr. Tahar Moulay de Saïda
F acultté de T ecchnologie
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Projet
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Mr. BENYAHIA Mokhtar
Souteenu le :
Promotion :
/11/2020
/
20
019-2020
Remerciements
Au terme de ce travail, nous remerciement tout d’abord ALLAH qui
nous a donné la force et le courage pour terminer nos études et
élaborer ce modeste travail.
Nous tenons à remercier toutes les personnes sans les quelles ces
années d’étude n’auraient été que le pâle reflet de celles
que nous avons passées.
Nos sincères remerciements à notre encadreur M.BENYAHIA Mokhtar
qui a bien accepté de nous encadrer et de nous avoir encouragés le
long de notre travail, aussi pour toute la documentation qu’il a mis à
notre disposition.
Nous adressons aussi noss remerciements aux membres de jury pour
avoir accepté d’examiner et juger ce travail.
Table des matières
Introduction générale ......................................................................................................... 2
Chapitre 1 : Généralités sur le démarrage des machines à C.A triphasées
1.1 Introduction .............................................................................................................................
4
1.2 Description de la machine synchrone.......................................................................................
4
1.2.1 Constitution ......................................................................................................................
4
1.2.1.1 Stator (inducteur) .......................................................................................................
6
1.2.1.2 Rotor (induit) .............................................................................................................
6
1.2.2 Fonctionnement en moteur................................................................................................
7
1.2.3 Problème de démarrage .....................................................................................................
7
1.3 Description de la machine Asynchrone .....................................................................................
8
1.3.1 Constitution .......................................................................................................................
8
1.3.1.1 Stator ...........................................................................................................................
8
1.3.1.2 Rotor............................................................................................................................
9
1.3.1.3 Entrefer........................................................................................................................
9
1.4 Principe de fonctionnement des machines asynchrone ............................................................. 11
1.4.1 Glissement, couple et vitesse de rotation .......................................................................... 12
1.4.2 Puissance et rendement d’un moteur asynchrone triphasé ................................................ 13
1.4.2.1 La puissance ................................................................................................................ 13
1.4.2.2 Le rendement............................................................................................................... 14
1.4.2.3 Bilan des puissances.................................................................................................... 15
1.5 Couplage des moteurs asynchrones triphasés ........................................................................... 15
1.6 Caractéristiques du moteur asynchrone..................................................................................... 17
i
Table des matières
1.6.1 Caractéristiques en charge................................................................................................. 17
1.6.2 Principe de démarrage des moteurs asynchrones .............................................................. 18
1.6.2.1 Le choix d’un démarreur ............................................................................................. 21
1.6.2.2 Les différents types des systèmes de démarrage ......................................................... 22
1.7 Conclusion................................................................................................................................. 22
Chapitre 2 : Caractéristiques et dispositifs de démarrage des
moteurs asynchrones
2.1. Introduction ............................................................................................................................. 25
2.2. Constitution des installations .................................................................................................. 25
2.2.1. Circuit de commande ....................................................................................................... 25
2.2.2. Circuit de puissance ........................................................................................................ 26
2.3. Les appareils de commande, de signalisation et de protection ................................................. 26
2.3.1 Sectionneur........................................................................................................................ 26
2.3.2. Fusible ............................................................................................................................. 27
2.3.3. Interrupteur sectionneur .................................................................................................. 27
2.3.4. Relais thermique .............................................................................................................. 28
2.3.5. Disjoncteur ...................................................................................................................... 28
2.3.6. Le contacteur .................................................................................................................. 29
2.3.7. Capteur de fin de course .................................................................................................. 29
2.3.8. Bloc auxiliaire temporisé ................................................................................................ 29
2.3.9. Bloc de contacts auxiliaires ............................................................................................. 30
2.4. Les problèmes de démarrage des moteurs asynchrone triphasés ............................................. 31
2.4.1. Problématique de démarrage ............................................................................................ 32
2.4.2. Solution générale au problème de démarrage ................................................................. 32
ii
Table des matières
2.5. Les types de démarrage ........................................................................................................... 34
2.5.1. Démarrage classique ........................................................................................................ 34
2.5.1.1. Démarrage direct pour un moteur asynchrone de faible puissance ........................... 34
2.5.1.2. Démarrage direct semi-automatique à deux sens de marche ..................................... 37
2.5.2. Action sur la tension d’alimentation au stator .................................................................. 38
2.5.2.1. Démarrage Étoile-Triangle......................................................................................... 39
2.5.2.2. Démarrage par résistances statoriques ...................................................................... 44
2.5.2.3. Démarrage par autotransformateur ........................................................................... 48
2.5.3. Démarrage à tension nominale (démarrage rotorique) ..................................................... 50
2.5.3.1. Démarrage par action sur les résistances rotoriques ................................................. 50
2.5.4. Démarrage électronique .................................................................................................. 54
2.5.4.1. Démarrage par gradateur (démarrage progressif) ...................................................... 54
2.5.4.2. Démarrage par variateur de vitesse (Convertisseur de fréquence) pour MAS ........... 56
2.5.5. Comparaison des divers procèdes de démarrage.............................................................. 58
2.6 Conclusion .......................................................................................................................... 59
Conclusion Générale ................................................................................. 61
Références Bibliographiques .......................................................................................... 63
iii
Liste des figures
Liste des figures
Figure (1.1)
Eléments constitutifs de la machine synchrone
5
Figure (1.2)
Rotor à pôles lisses d’une machine synchrone.
6
Figure (1.3)
Rotor à pôles saillants d’une machine synchrone.
6
Figure (1.4)
Vue éclatée d’un moteur Asynchrone à cage.
8
Figure (1.5)
Rotor à cage d’écureuil d’un moteur Asynchrone.
10
Figure (1.6)
Rotor bobiné d’un moteur Asynchrone.
10
Figure (1.7)
Création d’un champ magnétique tournant par trois enroulements.
11
Figure (1.8)
Caractéristique de couple en fonction de la vitesse.
13
Figure (1.9)
Plaque signalétique d’une machine asynchrone.
13
Figure (1.10)
Le bilan des puissances d’un moteur asynchrone.
14
Figure (1.11)
Les deux couplages du moteur au réseau électrique Étoile ou Triangle.
15
Figure (1.12)
Vue en coupe des bobines statoriques.
16
Figure (1.13)
Le branchement des trois bobines à la plaque à bornes.
16
Figure (1.14)
Caractéristique mécanique n=f(C) et point de fonctionnement d’un
MAS.
17
Figure (1.15)
Les courbes des différentes grandeurs du moteur asynchrone.
18
Figure (1.16)
Caractéristique mécanique d’un moteur asynchrone.
20
Figure (1.17)
Courbe des Couples moteur et résistant en fonction de la vitesse.
21
Figure (2.1)
Sectionneur porte fusible
27
Figure (2.2)
Fusible cylindrique et à couteaux
27
Figure(2.3)
Interrepteur sectionneur.
28
Figure(2.4)
Relais thermique.
28
a
Liste des figures
Figure(2.5)
Disjoncteur.
28
Figure(2.6)
Contacteur.
29
Figure(2.7)
Capteur fin de course.
29
Figure(2.8)
Bloc auxiliaire temporisé.
30
Figure(2.9)
Bloc de contacts auxiliaires.
30
Figure(2.10)
autres modèles d’association de contacts.
30
Figure(2.11)
Différents couples de démarrage d’un MAS.
32
Figure(2.12)
L’organisation fonctionelle d’un circuit de démarrage d’un moteur
33
Figure(2.13)
Schéma fonctionnel de démarrage direct d’un moteur asynchrone
34
Figure(2.14)
Schéma de puissance et de commande de démarrage direct.
35
Figure(2.15)
Exemple de schéma de démarrage direct avec signalisation
35
Figure(2.16)
Courbes caractéristiques de démarrage direct (Couple de moteur+
36
Figure(2.17)
Démarrage direct semi-automatique à deux sens de marche
37
Figure(2.18)
Courbe couple-vitesse pour valeurs différentes de la tension statorique
38
Figure(2.19)
Schéma de couplage des enroulements statoriques : Étoile- Triangle
39
Figure(2.20)
caractéristiques du couple et du courant pour démarrage Étoile –
Triangle.
40
Figure(2.21)
Schéma fonctionnel de démarrage étoile-triangle d’un moteur MAS
41
Figure(2.22)
Schémas de puissance et de commande du démarrage étoile-triangle.
41
Figure(2.23)
Courbes caractéristiques du démarrage étoile triangle.
42
Figure(2.24)
Circuits de puissance et de commande de démarrage étoile-triangle
à deux sens de marche
43
Figure(2.25)
Schéma fonctionnel de démarrage par résistances statoriques d’un MAS 45
Figure(2.26)
Circuits de puissance et de commande du démarrage par résistances
statoriques.
45
b
Liste des figures
Figure(2.27)
Courbes caractéristiques de démarrage par résistances statoriques.
46
Figure(2.28)
Circuit de puissance de démarrage étoile-triangle à deux sens de marche
47
Figure(2.29)
Circuit de commande de démarrage étoile-triangle à deux sens de
marche
48
Figure(2.30)
Schéma fonctionnel de démarrage par autotransformateur d’un MAS.
49
Figure(2.31)
Schéma de puissance du démarrage par autotransformateur.
49
Figure (2.32)
Le couple en fonction de vitesse de rotation avec variation de Rd
51
Figure (2.33)
Le courant en fonction de vitesse de rotation avec variation de Rd
51
Figure (2.34)
Schéma fonctionnel et étapes d’élimination des résistances rotoriques
52
Figure (2.35)
Schémas de puissance et de commande du démarrage par résistances
rotoriques.
52
Figure (2.36)
Courbes caractéristiques de démarrage semi-automatique par
résistances rotoriques.
53
Figure (2.37)
gradateur triphasé alimentant un MAS avec chronogrammes des
tensions
54
Figure (2.38)
Schéma fonctionnel d’un Démarreur progressif d’un moteur asynchrone
triphasé
55
Figure (2.39)
Schéma de principe d’un convertisseur de fréquence
56
c
1
Introduction générale
INTRODUCTION GENERALE
Les machines asynchrones, de par leur robustesse et leur rapport poids/puissance, sont
largement utilisées dans l’industrie. Assurer leur continuité de fonctionnement nécessite la mise en
place des systèmes de démarrage, de protection et des programmes de maintenance préventive et
corrective bien définis.
Lors de la mise sous tension d’un moteur asynchrone triphasé, l’appel de courant sur le réseau
est important (6 à 8 In), surtout si la section de la ligne d’alimentation est insuffisante, ce qui provoque
une chute de tension susceptible d’affecter le fonctionnement des récepteurs. Parfois, cette chute de
tension est telle qu’elle est perceptible sur les appareils d’éclairage. Pour remédier à ces inconvénients
divers procédés de démarrage sont susceptibles d’offrir des solutions. Le choix de ces solutions sera
dicté par des impératifs électriques, mécaniques et économiques.
Malheureusement, ces machines sont soumises à plusieurs contraintes de natures différentes
(électriques, mécaniques, thermiques, magnétiques et environnementales). Le cumul de ces contraintes
cause des défauts dans les déférentes parties du moteur, ce qui engendre par conséquence des arrêts
non programmés conduisant à des pertes de production et à des réparations couteuses. La maintenance
classique des machines électriques ne peut pas éviter l’apparition de ces défauts et leurs conséquences
sur ces dernières, mais elle reste les plus utilisé dans l’industrie jusqu'à maintenant.
Le présent travail est rédigé en deux parties :
Le premier chapitre est consacré à la présentation générale des machines à courants alternatif
triphasées ; asynchrones et synchrones. Nous présentons dans cette partie, le principe de
fonctionnement et les différents éléments constructifs, ainsi que le phénomène de démarrage des
moteurs asynchrone et les problèmes qui en résultent.
Dans le deuxième chapitre, nous exposons les déférents types de démarrages des moteurs
asynchrones triphasés. Nous avons également donné les schémas de câblage des circuits de puissance
et de commande de chaque procédé et l’appareillage qui contient en concluant ses avantages et ses
inconvénients et les conditions d’application.
Finalement, on clôture ce mémoire par une conclusion générale faisant ressortir l’intérêt de ce
travail ainsi que les perspectives et les recommandations relatives à ce travail.
2
Généralités sur le démarrage des
machines à C.A triphasées
3
Chapitre 1
Généralités sur les machines à C.A triphasées
1.1 Introduction
Les moteurs à courant alternatif aussi bien haute que basse tension offrent une grande variété
de caractéristiques électriques, dynamiques ou technologiques.
Néanmoins, mis à part un petit nombre de moteurs spécifiques à des applications particulières,
on peut les classer en :
- Moteurs asynchrones (à cage, et à rotor bobiné), - moteurs synchrones
Les moteurs asynchrones sont des moteurs électriques à courant alternatif, industriels par
excellence. Ils ont, pour leur grande majorité, un rotor à cage. Les progrès accomplis ces dernières
années dans l'alimentation et la commande des machines n'ont fait que réduire la part des moteurs
asynchrone à rotor bobiné par rapport à leurs homologues à cage d'écureuil.
Le moteur synchrone, comme son nom l’indique, tourne en synchronisme avec le champ
tournant, comparativement au moteur asynchrone qui, lui, tourne à une vitesse légèrement inférieure
au champ tournant. La vitesse du moteur est rigoureusement constante en fonction de la charge.
Le terme de machine synchrone regroupe toutes les machines dont la vitesse de rotation de
l’arbre de sortie est égale à la vitesse de rotation du champ tournant. Pour obtenir un tel
fonctionnement, le champ magnétique rotorique est généré par un circuit d’excitation. La position du
champ magnétique rotorique est alors fixe par rapport au rotor, ce qui impose en
fonctionnement normal une vitesse de rotation identique entre le rotor et le champ tournant
statorique
1.2 Description de la machine synchrone
1.2.1 Constitution
a- Stator = induit
C’est la partie fixe de la machine. Il est formé par un empilage de disques de tôles
ferromagnétique isolées entre elles pour minimiser les pertes par courants de FOUCAULT.
L’intérieur du stator est encoché et porte généralement un enroulement triphasé de l’induit ou
exceptionnellement monophasé à ′2𝑝′ pôles. Alimenté par une source électrique triphasée,
l’enroulement du stator crée un champ tournant à une vitesse angulaire ′Ω′ égale au rapport de la
pulsation d’alimentation ′𝜔′ et le nombre de paire de pole (p).
4
Chapitre 1
Généralités sur les machines à C.A triphasées
𝛺
(1.1)
Les deux parties essentielles de la machine sont séparées par un entrefer.
Figure (1.1): Éléments constitutifs de la machine synchrone
b- Rotor = inducteur
C’est la partie tournante de la machine (appelé aussi roue polaire) ayant pour rôle de générer
le champ d’induction (inducteur). Il doit porter le même nombre de paire de pôle que le stator.
Le rotor est composé d'un empilement de disques ferromagnétiques. À l’extérieur du rotor, on
trouve des enroulements qui doit être alimentés par une source de tension continue dans le cas de
machines de moyenne et grande puissance ou des aimants permanents dans le cas de machines de
faible puissance pour créer le champ inducteur.
On distingue donc trois grandes familles de machines synchrones : Les rotors bobinés à pôles
lisses, les rotors bobinés à pôles saillants ainsi que les rotors à aimants permanents.
Dans le cas de machines à rotor bobiné à pôles lisses, le rotor est un cylindre plein (entrefer
constant). Il possède le plus souvent deux pôles pour s’adapter aux grandes vitesses. Les enroulements
sont logés dans des encoches pratiquées sur le rotor. L'alimentation en courant continu s'effectue via
l'ensemble bagues-balais aux bagues de bout d'arbre.
5
Chapitre 1
Généralités sur les machines à C.A triphasées
Figure (1.2): Rotor à pôles lisses d’une machine synchrone
Le rotor bobiné à pôles saillants est presque de même constitution que le rotor bobiné à pôles
lisses dont les bobines sont enroulées sur les pôles laissant un vide entre un pôle et l’autre qui le
succède (entrefer variable). Vue l’inertie importante de ce type de rotor, la machine à rotor bobiné à
pôles saillants est souvent utilisée à basse vitesse ou à basse puissance.
Figure (1.3): Rotor à pôles saillants d’une machine synchrone
Les machines à aimants permanents, comme leur nom l’indique le rotor est constitué en partie
d’un aimant naturel. Les aimants permanents sont disposés directement sur la périphérie du rotor, il
n’est donc pas nécessaire de posséder une autre source d’énergie électrique pour créer un champ
constant dans le rotor au contraire du rotor bobiné. Récemment vu de meilleures technologies
développées, ce type de machines est devenu accessible à une large gamme d’applications.
1.2.2 Fonctionnement en moteur
Le rotor alimenté en courant continu, par un système de contact glissants (bagues), crée un
champ magnétique rotorique qui suit le champs tournant avec un retard angulaire téta est lié a la
6
Chapitre 1
Généralités sur les machines à C.A triphasées
charge (plus la charge est importante, plus téta est grand)
Etant donné que le rotor tourne à la même vitesse que le champ tournant, ce moteur ne peut
pas être démarré directement sur réseau (50 Hz). On peut utiliser un convertisseur de fréquence dont
la fréquence augmente progressivement lors de la phase de démarrage (rampe). On peut aussi
démarrer ce moteur en (asynchrone), en utilisant l’enroulement inducteur comme secondaire. Ce
moteur peut également être utilisé pour relèves le facteur de puissance d’une installation. Dans ce
cas, il doit être (surexcité), il fournit alors de la puissance réactive au réseau (charge capacitive).
1.2.3 Problème de démarrage
Le moteur synchrone ne peut pas démarrer seul, car au démarrage, le champ magnétique
créé par le courant continu dans l’enroulement d’excitation ou par des aimants est fixe par rapport au
rotor. L’interaction de ce champ avec le champ tournant du stator créé un couple qui a une valeur
moyenne nulle. Le démarrage autonome d’un moteur synchrone alimenté à fréquence fixe n’est pas
possible. Pour que le moteur développe un couple de valeur moyenne non nulle au démarrage, il faut
entrainer le rotor à la vitesse de synchronisme pour qu’il puisse accrocher à la vitesse du champ
tournant du stator.
1.3 Description de la machine asynchrone
Les moteurs asynchrones sont des moteurs électriques à courant alternatif, industriels par
excellence. Ils ont, pour leur grande majorité, un rotor à cage. Les progrès accomplis ces dernières
années dans l'alimentation et la commande des machines ont participé à un large emploi pour
différentes applications industrielles par rapport à leurs homologues à courant continu.
Le moteur asynchrone, aussi appelé moteur à induction fonctionne avec un courant alternatif
(généralement triphasé). Sa particularité est de fonctionner avec un induit en court-circuit ; il
représente au moins 80% des moteurs électriques dans les applications industrielles, cela est dû à sa
simplicité de construction, sa robustesse et à la facilité de démarrage.
1.3.1Constitution [01]
Deux composantes principales constituent le moteur asynchrone, souvent appelé moteur à
induction. Elles sont faites des tôles d’aciers au silicium et comportes des encoches dans lesquelles en
place les enroulements. L’une des composantes, appelé le stator, est fixe, on trouve les enroulements
reliés à la source. L’autre composante, nommée le rotor, est montée sur un axe et libre de tourner.
Selon que les enroulements du rotor sont accessibles de l’extérieur ou sont fermés sur eux-mêmes en
permanence, on reconnait deux types de rotor : le rotor bobiné et le rotor à cage d’écureuil (courtcircuité).
7
Chapitre 1
Généralités sur les machines à C.A triphasées
Dans le cas du rotor bobiné, aussi appelé rotor à bagues, l’enroulement rotorique triphasé,
couplé en Etoile, est connecté à trois bagues qui le rendent accessible de l’extérieur par l’intermédiaire
de balais. On peut ainsi le court-circuiter comme cela se produit en marche normale, insérer des
résistances dans le circuit lors du démarrage et dans certains cas spéciaux de fonctionnement ou y
raccorder un convertisseur de courant à thyristors afin de régler le courant de démarrage et la vitesse
en marche. Depuis quelques années le moteur à bagues a été délaissé au profit du moteur à cage piloté
par des convertisseurs à fréquence variable.
Boite de
raccordement
Flasque palier
coté ventilateur
Enroulement
statorique
Roulement
Ventilateur
Capot de
ventilation
stator
Rotor à cage
Roulement
Flasque palier
coté bout d’arbre
Figure (1.4) : Vue éclatée d’un moteur Asynchrone à cage
1.3.1.1 Stator (inducteur)
Le stator est une partie métallique « fixe » du moteur de forme cylindrique, qui induit la rotation
du rotor par un champ magnétique tournant. Le stator d’un moteur triphasé (le plus courant en
moyenne et grosse puissance) comme son nom l’indique est la partie statique du moteur portant sur sa
périphérie trois enroulements logés dans des encoches.
8
Chapitre 1
Généralités sur les machines à C.A triphasées
Les enroulements du stator sont alimentés par un système de courants alternatif triphasé. Il est
bobiné de manière qu’il possède un nombre de pôles (2P) et doit crée alors un champ magnétique
tournant à une vitesse dite synchrone : Ns.
Le stator se compose principalement d’un noyau en fer feuilleté un empilage de tôles
ferromagnétiques minces identiques en forme de couronne qui constituent un cylindre) de manière à
canaliser le flux magnétique, et des enroulements (ou bobinage en cuivre) des trois phases logées dans
les encoches du noyau.
La vitesse de synchronisme (celle du champ tournant) est fonction de la fréquence du réseau
d'alimentation (50 Hz) et du nombre de paires de pôles. Vu que la fréquence est fixe, la vitesse de
rotation du champ tournant du moteur ne peut varier qu'en fonction du nombre de paires de pôles.
La vitesse synchronisme:
𝑛
60 .
f
P
(1.2)
𝑛 : vitesse synchrone (du champ tournant) ; (tr/min)
f : fréquence (Hz)
P : nombre de paires de pôles.
f=50Hz
Paires de pôles
1
2
3
4
6
…..
Nombre de pôles
2
4
6
8
12
…..
Ns [tr/min]
3000 1500 1000 750 500 …..
1.3.1.2 Rotor (induit)
Le rotor, monté sur l’arbre du moteur se compose d’un cylindre fait de tôles empilées, des
encoches sont percées à la périphérie extérieure destinées à recevoir des conducteurs.
Il est séparé du stator par un entrefer très court de l’ordre de 0,4 à 2 mm seulement. Il existe
deux types de rotor : le rotor à cage d’écureuil et le rotor bobiné.
 Rotor a cage d’écureuil
Il est constitué de barres conductrices très souvent en aluminium (ou cuivre). Les extrémités de
ces barres sont réunies par deux couronnes également conductrices, ce qui constitue une véritable cage
d’écureuil (robuste).
On distingue que le rotor est en court-circuit, est ça résistance électrique est très faible.
9
Chapitre 1
Généralités sur les machines à C.A triphasées
Figure (1.5) : Rotor à cage d’écureuil d’un moteur Asynchrone
 Rotor bobiné (à bagues collectrices)
Les enroulements rotoriques sont localisés dans les encoches situées à la périphérie du rotor. Ces
enroulements sont bobinés (comme c’est le cas au stator) de manière à obtenir un enroulement triphasé
à P paire de pôles. Les bobinages rotoriques sont toujours couplés en étoile, et les trois bornes
accessibles sont reliées à la carcasse du stator à l’aide d’un système constitué de trois bagues
tournantes et de trois bagues fixes (reliés à un circuit externe).
Figure (1.6) : Rotor bobiné d’un moteur Asynchrone
1.3.1.3 Entrefer
C’est l’espace entre le stator est le rotor, doit être le plus réduit que possible afin de limiter la
réluctance du circuit magnétique pour obtenir une inductance propre élevée ce qui limite le courant
absorbé à vide.
10
Chapitre 1
Généralités sur les machines à C.A triphasées
1.4 Principe de fonctionnement des machines asynchrones [02]
Le principe des moteurs à courant alternatifs réside dans l’utilisation d’un champ magnétique
tournant produit par des tensions alternatives
La circulation d’un courant dans une bobine crée un champ magnétique B. Ce champ se canalise
dans l’axe de la bobine, sa direction et son intensité sont fonction du courant I. c’est une grandeur
vectorielle.
Si le courant est alternatif, le champ magnétique varie en sens et en direction à la même
fréquence que le courant.
Si deux bobines sont placées à proximité l’une de l’autre, le champ magnétique résultant est la
somme vectorielle des deux autres.
Dans le cas du moteur triphasé, les trois bobines sont disposées dans le stator à 120° les unes des
autres, trois champs magnétiques sont ainsi créés. Compte-tenu de la nature du courant sur le réseau
triphasé, les trois champs sont déphasés (chacun à son tour passe par un maximum). Le champ
magnétique résultant tourne à la même fréquence que le courant soit 50 tr/s.
Figure (1.7) : création d’un champ magnétique tournant par trois enroulements.
Les trois enroulements statoriques créent donc un champ magnétique tournant à la vitesse de
synchronisme. Si on place une boussole au centre, elle va tourner à cette vitesse de synchronisme.
La cage rotorique est balayée par le champ magnétique tournant. Les conducteurs sont alors
traversés par des courants de Foucault induits. Des courants circulent dans les anneaux formés par la
cage, les forces de LAPLACE qui en résultent exercent un couple sur le rotor. D’après la loi de Lenz
les courants induits s’opposent par leurs effets à la cause qui leur a donné naissance, le rotor tourne
alors dans le même sens que le champ mais avec une vitesse légèrement inférieure à la vitesse de
synchronisme de ce dernier.
11
Chapitre 1
Généralités sur les machines à C.A triphasées
Le rotor ne peut pas tourner à la même vitesse que le champ magnétique, sinon la cage ne serait
plus balayée par le champ tournant et il y aurait disparition des courants induits et donc des forces de
la place et du couple moteur. Les deux fréquences de rotation ne peuvent donc pas être synchrones
d’où le nom de moteur asynchrone.
Remarque
La différence de vitesse entre le rotor et le champ statorique est appelée vitesse de glissement,
lors qu'il est entraîné au-delà de la vitesse de synchronisme, la machine fonctionne en générateur
alternatif mais son stator doit être forcément relié au réseau car lui seul peut créer le champ
magnétique
nécessaire pour
faire
apparaître
les
courants rotorique un fonctionnement en
générateur alternatif autonome est toutefois possible à l'aide de condensateurs connectés sur le stator,
à condition qu'il existe un champ magnétique rémanent. Dans la machine asynchrone le seul apport
d’énergie s’effectue par le stator, c’est donc ce dernier qui est à l’origine des deux champs.
1.4.1 Glissement, couple et vitesse de rotation [03]
Le rotor tourne à la vitesse Ω plus petite que la vitesse de synchronisme Ωs .
On dit le rotor (glisse) par rapport au champ tournant.
Ce glissement va dépendre de la charge.
𝑔
(1.3)
Le couple s’écrit :
∗
𝐶
3. 𝑝
.
(1.4)
∗
ℒ .
Il passe par un maximum pour gmax :
𝐶
.
.ℒ
.
. 𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑔
𝑔
∗
ℒ .
(1.5)
La vitesse s’exprime en fonction du glissement selon l’expression :
𝜔
𝛺
1 𝑔 .
𝑝
𝑛 : vitesse de rotation de synchronisme du champ tournant (tr/min)
𝑛 : vitesse de rotation du rotor (tr/ min ).
s : Pulsation des courants statoriques.
Ωs = 2π ns (rad/s) : vitesse angulaire au stator
Ω = 2 π n(rad/s.) : vitesse angulaire au stator
12
Chapitree 1
G
Généralités
sur les machinnes à C.A triphasées
Figure (1.8)
(
: Caractéristique d
de couple en
e fonction dde la vitessee
1..4.2. Puissaances et le rendement
r
d’un moteur asynchrrone triphaasé
1..4.2.1. La puissance
p
La puissancee consomméée sur le résseau en triphhasée est :
𝑃
𝑈𝐼 𝑐𝑜𝑠 𝜙
√3𝑈
(1.6)
moteur est une
u caractérristique indiqué sur la plaque
p
signaalétique.
Le cos du m

Plaqque signaléétique
C
C’est
une pllaque sur laaquelle sonnt les caracctéristiques du moteur en fonctioonnement normal
n
(couplaage, tension, puissance, intensité…
….etc.) ; génnéralement deux tensioons sont insscrites dessuus : la
petite teension correespond à la tension nom
minal de l’eenroulemennt ou la tenssion entre phases dans le cas
d’un coouplage trianngle (); la plusgrandee tension corrrespond à la tension eentre phasess dans le cass d’un
couplagge étoile(Y).
Figure (1.9) : plaquue signalétiqque d’une maachine asynchhrone
13
Chapitre 1
Généralités sur les machines à C.A triphasées
1.4.2.2 Le rendement
Le rendement η du moteur asynchrone est le rapport entre la puissance utile mécanique qu’il
fournit et la puissance électrique qu’il absorbe, de sorte que
𝜂
(1.7)
𝜂: Rendement du moteur est exprimé en [%].
Pu
: La puissance utile est exprimée en watts [W].
Pa : La puissance absorbée en watts [W]
1.4.2.3 Bilan des puissances [03, 04]
Figure (1.10) : le bilan des puissances d’un moteur asynchrone
Ω : vitesse du synchronisme .
Ω r : vitesse du rotor.
T :Ce : couple transmis au rotor ou couple électromagnétique .
𝐶
(1.8)
𝐶
(1.9)
Tu : Cu : couple utile .
Ptr : puissance électromagnétique transmise au rotor .
𝑃𝑡𝑟
𝑇. Ω . 𝑃
𝑇𝛺
(1.10)
Pu :Puissance utile (mécanique) au niveau du rotor .
𝑃𝑢
𝑇𝛺
(1.11)
R : résistance entre phases du stator .
r : résistance d’un enroulement .
14
Chapitre 1
Généralités sur les machines à C.A triphasées
Pm : pertes mécaniques .
Pjs : Pertes Joules stator
Pjs = 3rI²
(1.12)
PJ r : Pertes joule rotor.
Pjr = g Ptr
(1.13)
1.5 Couplage des moteurs asynchrones triphasés [02]
Il est choisi en fonction de la tension nominale de l’enroulement et de la tension du réseau
d’alimentation, un mauvais choix du couplage entraine la suralimentation ou la sous-alimentation du
moteur, donc sa destruction ou son dysfonctionnement suivant les cas.

Couplage des enroulements
Le couplage des enroulements statoriques permet de faire fonctionner les moteurs asynchrones sous
deux tensions.

Branchement étoile ou triangle
Il y a deux possibilités de branchement du moteur au réseau électrique triphasé : le montage en
étoile et le montage en triangle. Avec un branchement en étoile, la tension aux bornes de chacune des
bobines est d’environ 230V. Dans le montage en triangle, chacune des bobines est alimentée avec la
tension nominale du réseau (400V). On utilise le montage étoile si un moteur de 230V doit être reliée
sur un réseau 400V ou pour démarrer un moteur à puissance réduite dans le cas d’une charge avec une
forte inertie mécanique.
Figure (1.11) : Les deux couplages du moteur au réseau électrique Étoile ou Triangle
15
Chapitre 1

Généralités sur les machines à C.A triphasées
le bobinage
Les bobines sont logées dans les encoches du stator. S’il y a une paire de pôles magnétique pour
chacune des trois phases, la fréquence de synchronisme est alors de 3000 tr/mn. Si on augmente le
nombre de paires de pôles, il est possible d’obtenir des moteurs avec des fréquences de rotation
différentes (pour un réseau de fréquence 50 Hz).
- 1 paire de pôles => 3000 tr/mn. - 2 paires de pôles => 1500 tr/mn. …etc.
Figure (1.12) : vue en coupe des bobines statoriques
Le branchement des bobines sur le réseau se fait au niveau de la plaque à bornes située sur le
dessus du moteur. On dispose ainsi de six connexions, une pour chacune des extrémités des trois
bobines. Les bornes sont reliées aux bobines selon le schéma ci-contre.
Figure (1.13) : le branchement des trois bobines à la plaque à bornes
L’enroulement de toute machine électrique est la pièce maitresse nécessaire pour la création du
champ magnétique. Il est constitué de bobines ou de sections, généralement en cuivre, connectées en
série ou en parallèle.
Trois types de bobinage de stator sont habituellement utilisés :
‐
l’imbriqué,
-
le concentrique,
- et l’ondulé.
16
Chapitre 1
Généralités sur les machines à C.A triphasées
Chacun d’entre eux présentent ses propres avantages :

L’enroulement imbriqué s’utilise pour le bobinage de moteurs à partir de quelques dizaines de
kW. Dans les petits moteurs asynchrones on emploie généralement l’enroulement
concentrique, surtout quand le bobinage est mécanisé.

L’enroulement ondulé est indiqué pour les moteurs à bagues. Les enroulements imbriqué et
ondulé sont le plus souvent à double couche, de manière que chaque encoche contient deux
côtés de bobine et le nombre de conducteurs par encoche doit forcément être pair.
Pour utiliser le moteur sous plusieurs tensions différentes, on peut répartir les bobines en un
certain nombre de groupes qu’on peut relier en série ou en parallèle. Dans ce dernier cas on s’y réfère
comme des chemins en parallèle
1.6 Caractéristiques du moteur asynchrone [02]
Le couple varie avec la fréquence de rotation pour le moteur et pour la charge entrainée. Les
caractéristiques du moteur et de la charge se croisent au point de fonctionnement pour lequel les
couples moteur et résistant sont identiques.
Figure (1-14) : Caractéristique mécanique n=f(C) et point de fonctionnement d’un MAS
1.6.1 Caractéristique en charge [04]
Dans la courbe ci dessous on remarque les différentes grandeurs en fonction de la
puissance utile en y ajoutant celle de la vitesse.
Les caractéristiques obtenues mettent en évidence quelques unes des propriétés essentielles du
moteur d'induction à cage d'écureuil :
17
Chapitre 1
Généralités sur les machines à C.A triphasées
Figure (1.15) : les courbes des différentes grandeurs du moteur asynchrone

1° Facteur de puissance : sa valeur baisse beaucoup quand la charge diminue. à vide
il
est
d’environ 0,2. Il faut donc éviter d’installer des moteurs plus puissants qu’il n’est nécessaire.

2° Rendement : le rendement est bon á partir de la demi charge. Il est maximal au voisinage de
la puissance nominale.

3° Vitesse : la vitesse décroît quand la charge augmente. Toutefois la variation est
faible puisqu’elle est seulement de 5 % entre la marche à vide et la marche à pleine charge
Le glissement des gros moteurs est plus faible encore.
C’est parce que les moteurs d’induction n’ont pas une vitesse rigoureusement constante et surtout
parceque cette vitesse ne résulte pas seulement de la fréquence du courant d’alimentation qu’on
les nommes moteurs asynchrones.
Mais une variation de la vitesse de 2 à 5 % entre la marche à vide et la marche à pleine charge est
négligeable dans la plupart des cas d’emplois industriels de moteurs.
1.6.1 Principe de démarrage des moteurs asynchrones
Les courants statoriques créent un champ magnétique tournant dans le stator. La fréquence de
rotation de ce champ est imposée par la fréquence des courants statoriques, c’est-à-dire que sa vitesse
de rotation est proportionnelle à la fréquence de l'alimentation électrique. La vitesse de ce champ
tournant est appelée vitesse de synchronisme. L'enroulement du rotor est donc soumis à des variations
de flux (du champ magnétique). Il s’y déclenche donc des courants de Foucault (qui peuvent exister
puisque la spire est refermée sur elle-même). Ces courants créent une force de Laplace qui tend à
18
Chapitre 1
Généralités sur les machines à C.A triphasées
mettre la spire en rotation pour s'opposer à la cause qui leur a donné naissance, d'après la loi de Lenz.
Le rotor en court-circuit part ainsi à la "poursuite" du champ magnétique tournant.
La machine est dite asynchrone car elle est dans l'impossibilité, sans la présence d'un
entraînement extérieur, d'atteindre la même vitesse que le champ statorique. En effet, dans ce cas, vu
dans le référentiel du rotor, il n'y aurait pas de variation de champ magnétique ; les courants
s'annuleraient, de même que le couple qu'ils produisent, et la machine ne serait plus entraînée. La
différence de vitesse entre le rotor et le champ statorique est appelée vitesse de glissement.
Supposons que le rotor soit à l'arrêt. Si on alimente les trois enroulements satiriques par un système de
tension triphasé, alors on crée un champ magnétique tournant (glissant) à la vitesse 𝑛𝑠
60 .
La cage rotorique est balayée par le champ magnétique tournant. Les conducteurs sont alors
traversés par des courants de Foucault induits. Des courants circulent dans les anneaux formés par la
cage, les forces de Laplace qui en résultent exercent un couple sur le rotor. D'après la loi de Lenz les
courants induits s'opposent par leurs effets à la cause qui leur a donné naissance. Le rotor tourne alors
dans le même sens que le champ mais avec une vitesse légèrement inférieure à la vitesse de
synchronisme de ce dernier.
Le rotor ne peut pas tourner à la même vitesse que le champ magnétique, sinon la cage ne serait plus
balayée par le champ tournant et il y aurait disparition des courants induits et donc des forces de
Laplace et du couple moteur. Les deux fréquences de rotation ne peuvent donc pas être synchrones
d'où le nom de moteur asynchrone.
- problème de démarrage
Lors d’un démarrage d’une machine asynchrone, le courant d’enclenchement peut atteindre
plusieurs fois le courant nominal de machine. Si l’application utilise un variateur ou un démarreur,
c’est ce dernier qui se chargera d’adapter les tensions appliquées à la machine afin de limiter ce
courant, en l’absence de variateur de vitesse, Il existe plusieurs méthodes permettant de limiter le
courant de démarrage. Elles ont été développées avant l’application de l’électronique de puissance
mais sont encore utilisé de nos jours dans l’installation anciennes ou par mesure d’économie pour des
applications ne nécessitant pas de variateur en de hors du démarrage.
Le point de courant génère une « chute de tension » dans la ligne qui est limitée par la norme.
Cette chute de tension peut détériorer les appareils raccordés sur la même ligne.
Le problème du démarrage concerne donc essentiellement la limitation de la chute de tension à
des valeurs admissibles par la norme.
19
Chapitre 1
Généralités sur les machines à C.A triphasées
Le compromis est donc : limiter le courant pendant le démarrage tout en conservant un couple
moteur suffisant pour assurer le démarrage.
Pour ce faire on peut agir sur deux facteur influant (si le moteur est alimenté par le réseau à
fréquence industrielle) : - La tension d’alimentation, - La résistance rotorique
- Couple de démarrage
Pour que le moteur entraine une machine, il lui faut un couple de démarrage. Celui-ci doit
d’une part décoller la masse (de moment d’inertie J) de la machine et d’autre part vaincre le couple
résistant relatif à la machine.
On désigne par Ta le couple d’accélération (qui n’existe que pendant la mise en vitesse de la masse
d’inertie J) et Tr le couple résistant de la machine (qui se maintien durant tout le fonctionnement du
moteur) Ainsi le Couple de démarrage Td peut se calculer : Td = Ta + Tr
Figure (1.16) : caractéristique mécanique d’un moteur asynchrone
- Couple moteur (Démarrage direct)
Au moment du démarrage, le couple moteur est en moyenne de 1,5 à 2 fois le couple nominal.
20
Chapitre 1
Généralités sur les machines à C.A triphasées
Figure(1.17): courbes de Couples moteur et résistant en fonction de la vitesse
- Courant du démarrage
Lors du démarrage d'un moteur asynchrone triphasé́ , le courant de démarrage est très important
( 4 à 8 fois l'intensité́ nominale). Pour ne pas détériorer le moteur, on réduit le courant de démarrage en
effectuant des procédés de démarrage.
Au moment du démarrage, le moteur asynchrone triphasé fonctionne comme un
transformateur, dont le lequel le primaire (stator) est sous une tension et le secondaire (rotor) est en
court-circuit, l’intensité appelée est alors très simple. Suivant le type et la puissance du moteur, le
courant de démarrage peut atteindre à 8 fois le courant nominale de pleine charge. Cet appel de
courant très important de court durée que le moteur pourrait le supporter sans risque d’échauffement
dangereux, par ailleurs il est un gène pour le distribution d’énergie électrique et pour les utilisateurs en
voisinage sur la même ligne, en provoquant des chutes de tension excessive, il est alors nécessaire de
réduire ce courant de démarrage.
Pour le Moteur à cage d’écureuil : le seul moyen pour réduire le courant de démarrage est de
réduire la tension aux bornes du stator en utilisant plusieurs moyens par exemple le démarrage étoiletriangle.
Pour Moteur à rotor bobiné : Il est possible de réduire le courant de démarrage, en insérant
un rhéostat avec les enroulements rotoriques, Le courant rotorique est sensiblement proportionnel au
couple fournie :
Le moteur a rotor bobiné ne peut pas démarre en un seul temps (courant et couple
inadmissible). Il est recommandé d’employer les moteurs à rotor bobiné pour l’entraînement des
machines de grande puissance et ceux exigent un grand couple de démarrage et les moteurs à cage
21
Chapitre 1
Généralités sur les machines à C.A triphasées
sont plus économiques, plus robustes ; que les moteurs a rotor bobiné. La puissance est : Inferieur à
30 kW sous 4 pôles ; Supérieur à 30 kW, on utilise des moteurs à rotor bobiné.
1.6.1.1 Le choix d’un démarreur
Le choix est guidé par des critères économiques et techniques qui sont :
 les caractéristiques mécaniques.
 les performances recherchées.
 la nature du réseau d’alimentation électrique.
 l’utilisation du moteur existant dans le cas d’un rééquipement.
 la politique de maintenance de l’entreprise.
 le coût de l’équipement.
 Le choix d’un démarreur sera lié :
 au type d’utilisation : souplesse au démarrage.
 à la nature de la charge à entraîner.
 au type de moteur asynchrone.
 à la puissance de la machine.
 à la puissance de la ligne électrique.
 à la gamme de vitesse requise pour l’application.
1.6.1.2 Les différents types des systèmes de démarrage
Il existe différents commutations et méthodes de démarrage les plus importantes utilisées dans
l’industrie sont présentés ci-dessous:









Démarrage classique :
Démarrage direct.
Démarrage étoile-triangle.
Démarrage par élimination des résistances statoriques.
Démarrage par élimination des résistances rotoriques.
Démarrage par autotransformateur.
Démarrage électronique :
Démarrage avec démarreur progressif électronique.
Démarrage avec variateur de vitesse.
22
Chapitre 1
Généralités sur les machines à C.A triphasées
1.7 Conclusion
Toute machine électrique fonctionnant en moteur cause de problèmes lors de sans
démarrage. Ce phénomène (démarrage) est considéré comme un régime transitoire dans le
fonctionnement dynamique des moteurs électriques en charge. Alors l’étude et l’évaluation de ses
effets sont une nécessité pour le bon fonctionnement de toute l’installation.
Les moteurs triphasés asynchrone et synchrone possèdent plusieurs procédés de
démarrage selon leur type, construction, et alimentation.
Les procédés utilisés pour le démarrage d’un moteur asynchrone triphasé seront détaillés
au chapitre qui suit.
23
Caractéristiques et dispositifs de démarrage
des moteurs asynchrones
24
Chapitre 2
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
2. 1 Introduction
La machine asynchrone, connue également sous le nom de la machine à induction, est une
machine électrique à courant alternatif sans connexion entre le stator et le rotor. Du fait de sa
simplicité de construction, d'utilisation et d’entretien, de sa robustesse et son faible prix de revient, la
machine asynchrone est aujourd'hui très couramment utilisée comme le moteur dans une gamme de
puissance allant de quelque centaine de watts à plusieurs milliers de kilowatts.
La machine asynchrone a longtemps été fortement concurrencée par la machine synchrone
dans les domaines de forte puissance, jusqu'à l'avènement de l'électronique de puissance. On la
retrouve aujourd'hui dans de nombreuses applications, notamment dans le transport (métro, trains,
propulsion des navires), dans l'industrie (machines-outils), dans l'électroménager. Elle était à l'origine
uniquement utilisée en moteur, mais toujours grâce à l'électronique de puissance, elle est de plus en
plus souvent utilisée en génératrice; c'est par exemple le cas des éoliennes. Vu son emplacement dans
les applications industrielles le moteur asynchrone nécessite une installation électrique spéciale afin
d’assurer sa bonne mise en marche, sa protection et sa commande dans de meilleurs conditions
admissibles.
2.2 Constitution des installations industrielles pour machines électriques
Les installations industrielles des automatismes sont constituées de deux parties distinctes
appelées : circuit de commande et circuit de puissance.
2.2.1. Circuit de commande
Il comporte l’appareillage nécessaire à la commande des récepteurs de puissance. On trouve :

La source d’alimentation

Un appareil d’isolement (sectionneur).

Une protection du circuit (fusible, disjoncteur).

Un appareil de commande ou de contrôle (bouton poussoir, détecteur de grandeur physique).

Organes de commande (bobine du contacteur).
25
Chapitre 2
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
La source d’alimentation et l’appareillage du circuit de commande ne sont pas nécessairement
celle du circuit de puissance, elle dépend des caractéristiques de la bobine.
2.2.2 Circuit de puissance
Il comporte l’appareillage nécessaire aux fonctionnements des récepteurs de puissance suivant
un automatisme bien défini. On trouve :

Une source de puissance (généralement réseau triphasé)

Un appareil d’isolement (sectionneur).

Une protection du circuit (fusible, relais de protection).

Appareils de commande (les contacts de puissance du contacteur).

Des récepteurs de puissances (moteurs).
Dans tous les cas, le circuit terminal moteur doit satisfaire 4 fonctions principales :
SECTIONNER : isoler le circuit terminal du circuit amont et permettre des interventions de
maintenance en toute sécurité.
PROTEGER CONTRE LES COURTS CIRCUITS : cette protection avec une détection suivie
d’une coupure rapide est obligatoire pour éviter la détérioration de l’installation.
COMMUTER : commander le moteur de manière manuelle, automatique ou semiautomatique, progressive, variable en fonction de la vitesse.
PROTEGER CONTRE LES SURCHARGES : cette protection avec une détection et une
coupure doit éviter que toute élévation intempestive de la température du moteur n’entraîne la
détérioration de ses isolants.
D’autres fonctions secondaires (comme le contrôle d’isolement du moteur ou de la
température) peuvent être mises en œuvre dans certains circuits.
2.3. Les appareils de commande, de signalisation et de protection
2. 3.1 Sectionneur
Assurer le sectionnement (séparation du réseau) au départ des équipements. Dans la plupart
des cas il comporte des fusibles de protection. Le pouvoir de coupure est le courant maximal qu’un
appareil de sectionnement peut interrompre sans aucun endommagement. Le sectionneur n’a pas de
pouvoir de coupure, il doit être manipulé à vide.
26
Chapitree 2
Caractéristiqques et dispossitifs de démaarrage des mo
oteurs asynchhrones
Figure (2.1)
(
: Sectionneur porte fusible
f
2.3.2 Fusible
C’est éléément compportant un fil conducteur, grâce à sa fusioon, il interrrompe le circuit
c
male supportée par
électriqque lorsqu’ill est soumiss à une intennsité du couurant qui déépasse la valleur maxim
le fil.
Figure (2.2)): fusible cyllindrique et à couteaux
Selon l’appplication, il existe plusieurs types dde fusibles :
 GF : fusible à usage domestiquee, il assure la protection contre lles surcharg
ges et les courtsc
circuits.
c
 GG : fusibble à usage industriel. Protège coontre les faiibles et forttes surchargges et les courtscircuits. Uttilisation : éclairage, fouur, ligne d’aalimentationn, …
ment moteurr, commence à réagir à partir
 AM : cartouche à usagge industriell, pour l’acccompagnem
de 4In (In est
e le couraant prescrit sur le fusibble), protègee uniquemeent contre lees courts-cirrcuits.
Utilisation: Moteurs, trransformateeurs, …
2.3.3 Interrupteur secctionneur
L’interrupteeur sectionnneur a un poouvoir de cooupure, peuut être manippulé en charrge.
27
Chapitree 2
Caractéristiqques et dispossitifs de démaarrage des mo
oteurs asynch
hrones
Figure (2.3):
(
Interruupteur sectioonneur
2.3.4 Relaiis thermiqu
ue
Le relais dee protectionn thermique protège le moteur
m
conttre les surchharges.
Figu
ure (2.4) : Reelais thermiqque
2.3.5 Disjoncteur
C’est un apppareil de protection
p
qu
ui comportee deux relaiis, relais maagnétique qui
q protège contre
c
les courrts-circuits et
e un relais thermique qui
q protège contre les surcharges.
s
Fiigure (2.5) : Disjoncteurr
28
Chapitre 2
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
2.3.6 Le contacteur
Le contacteur est un appareil de commande capable d'établir ou d'interrompre le passage de
l'énergie électrique. Il assure la fonction COMMUTATION. En Technologie des Systèmes
Automatisés ce composant est appelé Pré-actionneur puisqu'il se trouve avant l'actionneur dans la
chaîne des énergies.
Figure (2.6): Contacteur
2.3.7 Capteur de fin de course
Les interrupteurs de position mécanique ou capteur de fin de course coupent ou établissent un
circuit lorsqu’ils sont actionnés par un mobile.
Figure (2.7): Capteur de fin de course
2.3.8 Bloc auxiliaire temporisé
Les blocs auxiliaires temporisés servent à retarder l'action d'un contacteur (lors de sa mise sous
tension ou lors de son arrêt)
29
Chapitree 2
Caractéristiqques et dispossitifs de démaarrage des mo
oteurs asynch
hrones
Figure (2.8):
(
Bloc auxiliaire tem
mporisé
2.3.9 Bloc de contactts auxiliairees
Le bloc dee contacts auxiliaires
a
e un apparreil mécaniique de connnexion quii s’adapte sur
est
s les
contacteeurs. Il perrmet d’ajouuter de 2 à 4 contacts supplémenttaires au coontacteur. Les
L contacts sont
prévus pour
p
être uttilisés dans la partie coommande dees circuits. Ils ont la m
même désignnation et reppérage
dans less schémas qque le contacteur sur leqquel ils sonnt installés (K
KA, KM...)).
Figure (22.9) : Bloc dee contacts au
uxiliaires
On trouve dd’autres moodèles d’associations dee contacts
Figure (2.10) : autres modèlees d’associattion de contaacts
30
Chapitre 2
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
2.4 Les problèmes de démarrage des moteurs asynchrone triphasés
Au moment du démarrage, le moteur asynchrone triphasé fonctionne comme un
transformateur, dont lequel le primaire (stator) est sous une tension et le secondaire (rotor) est en
court-circuit, l’intensité appelée est alors très simple. Suivant le type et la puissance du moteur, le
courant de démarrage peut atteindre 4 à 10 fois le courant nominale de pleine charge. Cet appel de
courant très important de courte durée pourrait causer un risque d’échauffement des enroulements, par
ailleurs il est un gène pour la distribution d’énergie électrique et pour les utilisateurs en voisinage sur
la même ligne, en provoquant des chutes de tension excessives, il est alors nécessaire de réduire ce
courant de démarrage.
Pour ces raisons en autres, il faut parfois effectuer un démarrage différent du démarrage direct.
Il est donc logique de limiter le courant pendant le démarrage à une valeur acceptable. Mais si
l'on limite le courant, on limite du fait la tension (dans certain cas seulement).

Pour moteur à cage d’écureuil
Pour ce type de moteur, le seul moyen pour réduire le courant de démarrage est de réduire la
tension aux bornes du stator en utilisant plusieurs moyens par exemple le démarrage étoile-triangle.

Pour moteur à rotor bobiné
Il est possible de réduire le courant de démarrage, en insérant un rhéostat dans les
enroulements rotoriques, Le courant rotorique est sensiblement proportionnel au couple fournie :
𝐶
2. 𝐶
(2.1)
𝐼
2. 𝐼
(2.2)
Avec:
Id : courant de démarrage [A].
In : courant nominal [A].
Cd : couple de démarrage [Nm].
Cn : couple nominal [Nm].
Le moteur à rotor bobiné ne peut pas démarrer en un seul temps (courant et couple
inadmissible). Il est recommandé d’employer les moteurs à rotor bobiné pour l’entraînement des
machines de grande puissance et ceux exigent un grand couple de démarrage et les moteurs à cage
sont plus économiques, plus robustes ; que les moteurs a rotor bobiné. La puissance est : Inferieure à
30 kW sous 4 pôles ; Supérieure à 30 kW, on utilise des moteurs à rotor bobiné.
31
Chapitree 2
Caractéristiqques et dispossitifs de démaarrage des mo
oteurs asynch
hrones
2.4.1 Probllématique de
d démarraage

En régime perrmanent lee moteur dooit entraînerr en rotationn la machin
ne à son pooint de
foncctionnemennt nominal : Cmoteur = Crésistant
, il n’y a pas d’acccélération :
r
Ω

Au démarragge il faut accélérer
a
(
0
(2.3)
Ω
0). Le couple d’accélérationn Cacc doiit être
posiitif donc lee couple mooteur au déémarrage do
oit être suppérieur au couple
c
résisstant :
Cmooteur > Crésistaant.
Un couplee d’accéléraation impoortant correespond à un
u démarraage de cou
urte durée, mais
l’ensem
mble mécaniique entraînné peut subirr un « à-couup » préjudiiciable.
Figurre (2.11) : diff
fférents coupples de démaarrage d’un M
MAS
Pendant la phase de démarrage du moteur, la plage du
d couple m
moteur com
mpatible avvec un
démarraage correct de la chargge nécessitee un appel de courantt important à la mise sous
s
tension
n .Cet
appel dee courant enntraîne :
Des chuutes de tensiions supplémentaires par
p rapport au
a régime permanent
p
een deux poin
nts :
- en amontt du départ moteur. Ceelle-ci est pperçue par le
l moteur mais
m aussi par
p les réceppteurs
voisins.
- Dans la liggne du moteur; celle-ci est perçuee uniquemennt par le mooteur.
Par exemplle, une chutte de tension
n de 10 % aux
a bornes du moteur entraîne une perte de couple
c
de 19 % (lee couple mooteur est prooportionnel au carré dee la tension d’alimentaation), ce quui peut
32
Chapitree 2
Caractéristiqques et dispossitifs de démaarrage des mo
oteurs asynch
hrones
entraîner un
u blocage du rotor ( Cmoteur < Crésistant) ou un temps dde démarraage trop lonng
Cmoteur>Créssistant mais Cacc
C
trop faiible).
(
- des contraaintes therm
miques supplémentairess pour le mo
oteur. Les m
machines son
nt dimensioonnées
pour un
u point de
d fonctionnnement noominal, lors du démarrage il convient
c
de
d s’assurerr que
l’échauffement impposé au moteur ne risqque pas de lee détériorer.. C’est-à-dirre, qu’il fauut s’assurer que le
temps de
d démarragge ne soit paas trop long, compte-teenu de la valleur du courrant de dém
marrage.
En conclussion :
1- A la misse sous tensiion d’un mooteur asynchrone un apppel de courrant a lieu. On doit s’aassurer
que le rappport entre lee courant de
d démarragge et le couurant nominnal ( l’installlation est prévue
p
pour fonctionner sous ce courant ) n’est pas ppréjudiciablle à l’installlation.
2- A la miise sous tennsion le mooteur doit délivrer
d
un couple
c
supéérieur à cellui opposé par la
machine enntraînée. D’’une part, le couple déélivré par lee moteur doit être sufffisamment grand
pour que lee temps de démarrage ne soit pass trop long ; d’autre ppart, le coupple délivré par le
moteur ne doit pas êtrre trop grannd pour que l’à-coup de
d couple n’’endommag
ge pas l’ensemble
mécanique entraîné.
2.4.2 Soluttion généra
ale au probllème de dém
marrage
La figure ci-dessous
c
donne l’orgganisation ffonctionnellle d’un cirrcuit terminnal de démaarrage
d’un mooteur asynchrone triphaasé et les foonctions qu’’il doit satissfaire.
Figure (2.12) : l’’organisation
n fonctionneelle d’un Circcuit de démaarrage d’un m
moteur asyncchrone triphhasé
33
Chapitree 2
Caractéristiqques et dispossitifs de démaarrage des mo
oteurs asynch
hrones
Le comprom
mis est donnc : limiter le
l courant pendant
p
le démarrage
d
tout en consservant un couple
c
moteur suffisant poour assurer le démarragge.
Pour ce faiire on peut agir sur deuux facteurs influant (sii le moteur est alimentté par le résseau à
fréquennce industrieelle) :
 La tenssion d’alimeentation
 La résiistance rotorrique
2.5 Less types de démarrag
ge
2.5.1 Démaarrage classique
Indépendam
mment des démarreurs électroniqques, on diistingue priincipalemennt cinq proocédés
électrom
mécaniques pour assureer le démarrrage des mooteurs asyncchrones tripphasés. Ils ont
o pour intéérêt de
limiter le courant en ligne ett de rendre le démarraage moins brutal.
b
Pourr chacun dee ces procéd
dés, il
existe un
u schéma dde puissancee, un schém
ma de commaande et un symbole
s
unnifilaire assoociés.
2.5.1.1 Dém
émarrage diirect pour un
u moteur aasynchrone de faible pu
uissance
C’est le m
mode de déémarrage lee plus simpple qui ne peut être exécuté quu’avec le moteur
m
asynchrrone à cagee. Dans ce procédé
p
de démarrage, le moteur asynchronee est branchhé directemeent au
réseau d’alimentattion le dém
marrage s’eeffectue en un seul teemps. Le ccourant de démarragee peut
atteindrre 4 à 8 foiss le courant nominal duu moteur. L
Le couple dee décollage est importaant, peut atteeindre
1.5 foiss le couple nominal.
n
a- Schéma fonctionneel
Le schémaa ci-dessouss représentee le schémaa fonctionnnel du modee de démarrrage directt d’un
moteur asynchronee triphasé.
Figure (2..13) : Schém
ma fonctionneel de démarrrage direct d’un
d
moteur aasynchrone triphasé.
t
b- Schéma de puissan
nce et de com
mmande
On veut déémarrer un moteur asyynchrone trriphasé dan
ns un sens de marche avec un bouton
b
poussoiir S2 et l’arrrêt par un boouton pousssoir S1.
34
Chapitre 2
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
Figure (2.14): Schéma de puissance et de commande de démarrage direct.
Figure (2.15): Exemple de schéma de démarrage direct avec signalisation
35
Chapitre 2
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
c- Principe de fonctionnement
-Fonctionnement sectionnement : elle sera ici assurée par un sectionneur porte-fusibles repéré
Q1. Son rôle est d’isoler le circuit afin de garantir la sécurité des intervenants lors des opérations
d’ordre électrique sur l’équipement (consignation électrique).
-Fonction protection de l’installation : elle sera ici assurée par cartouches fusibles associées
au sectionneur Q1.Elles servent à protéger les conducteurs en cas de court-circuit ou de forte surcharge
mécanique (blocage du moteur…).Cette fonction peut aussi être réalisée par le déclencheur
magnétique d’un disjoncteur magnétothermique.
-Fonction protection thermique du moteur : Elle sera assurée par un relais thermique repéré
F1. Elle permet de protéger le moteur en cas de démarrages trop fréquents ou surcharge mécanique.
Cette fonction peut aussi être assurée par le déclencher thermique d’un disjoncteur magnétothermique.
-Fonction commutation : Elle permet la mise sous tension et hors tension du moteur. Elle sera
assurée par un contacteur repéré KM1.
d- Courbes caractéristiques
La figure ci dessous représente les différentes caractéristiques du couple et du courant de mode
démarrage direct.
Figure (2.16): Courbes caractéristiques de démarrage direct (Couple de moteur+ Courant absorbé)
36
Chapitre 2
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
La surintensité au moment du démarrage peut être de 4 & 8 fois l’intensité nominale.
Au moment du démarrage, le couple moteur est en moyenne de 1,5 à 2 fois le couple nominal.
Les avantages et les inconvénients d’utilisation du mode de démarrage direct d’un moteur
asynchrone triphasé sont comme suit:
 Avantages
- Installation très simple,
- Démarrage simple,
- Couple de démarrage important ,
- Prix faible,
- Temps de démarrage court.

Inconvénient
- Pointe de courant très importante,
- S’assurer que le réseau admet cette pointe,
- Démarrage brutal.
- Ne permet pas un démarrage doux et progressif.
Dans le démarrage direct d’un moteur asynchrone triphasé, le couplage des enroulements peut
être en étoile ou en triangle selon les caractéristiques du moteur et le réseau d’alimentation.
2.5.1.2. Démarrage direct semi-automatique à deux sens de marche
On veut démarrer un moteur asynchrone triphasé dans deux sens de rotation, par un bouton poussoir
S1 pour le sens 1, par un bouton poussoir S2 pour le sens 2 et un bouton poussoir S0 pour l’arrêt.
KM1 : Sens direct (1)
KM2 : Sens inverse (2)
Figure (2.17): Démarrage direct semi-automatique à deux sens de marche
37
Chapitre 2
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
2.5.2 Action sur la tension d’alimentation au stator
La réduction du courant dans un enroulement est dans le même rapport que celle de la tension
d’alimentation du même enroulement. La réduction de couple est proportionnelle au carré de la
tension.
Exemple : Une réduction dans le rapport √3 de la tension d’un enroulement entraîne :
- une réduction dans le rapport √3 du courant de l’enroulent
- une réduction dans le rapport 3 du couple moteur
Dans ces conditions, ce type de démarrage est essentiellement réservé aux moteurs démarrant à
très faible charge, voir à vide.
Figure (2.18): courbe couple-vitesse pour valeurs différentes de la tension statorique.
La figure ci-dessus montre l’évolution de la courbe couple-vitesse pour deux valeurs
différentes de la tension d’alimentation du moteur. Le couple maximum délivré par le moteur étant
proportionnel au carré de la tension d’alimentation, toute diminution de celle-ci entraîne une
diminution du couple moteur.
Par conséquent, un démarrage sous tension réduite ne peut s’appliquer qu’à des machines
centrifuges, c’est à dire des machines dont le couple résistant au démarrage est plus faible que le
couple résistant en régime nominal.
Le démarrage par action sur le stator qui consiste à réduire la tension aux bornes des
enroulements statoriques, peut réaliser le démarrage par:
38
Chapitre 2
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
 Couplage étoile-triangle,
 Élimination des résistances statoriques,
 Utilisation d’un auto-transformateur.
Ce type d’action est utilisé pour les moteurs à moyennes puissances.
2.5.2.1 Démarrage Étoile-Triangle
Ce procédé n’est possible que pour les moteurs asynchrones triphasés destinés à fournir leur
puissance nominale sous la tension du réseau, lorsque ses enroulements sont couplés en triangle. Il
consiste à démarrer le moteur dans le 1er temps en couplant ses enroulements en étoile pendant le
démarrage, puis à rétablir dans 2eme temps le couplage en triangle, ce qui revient à diviser la tension
nominale du moteur en étoile par √3. La pointe de courant de démarrage est réduite de 3 fois.
Id = (1,5 à 2,6) In
(2.4)
Cd = (0,2 à 0,5) Cn.
(2.5)
Ainsi que le couple :
Ce procédé ne convient qu’aux moteurs démarrant à vide ou faiblement chargés, et ne peut
s’appliquer donc qu’aux moteurs dont toutes les extrémités d’enroulements sont sorties sur la plaque à
bornes, et dont le couplage triangle correspond à la tension nominale du réseau.
Exemples :
-
Pour un réseau 133/230V : moteur 230V / 400V
Pour un réseau 230/400V : moteur 400V / 690V
Figure (2.19): Schéma de couplage des enroulements statoriques :1- Étoile Y, 2-Triangle ()
39
Chapitre 2
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
- En 1er temps : à la mise sous tension, les enroulements statoriques du moteur sont couplés en
étoile. Ainsi, le couple de démarrage est divisé par 3 et l’appel de courant par 3 .
-En 2ème temps : les enroulements statoriques sont couplés en triangle, le moteur fonctionne sur
ses caractéristiques naturelles.
La valeur de la vitesse angulaire, à l’instant où le basculement du couplage étoile vers le
couplage triangle a lieu, est d’une grande importance :
- si cette vitesse est trop faible l’appel de courant est très important,
- si cette vitesse est trop proche de la vitesse de synchronisme le moteur risque de caler
( si Cmoteur < Crésistant).
Figure (2.20):caractéristiques du couple et du courant pour démarrage Étoile –Triangle.
a- Schéma fonctionnel
Le schéma ci-dessous représente le schéma fonctionnel du mode de démarrage étoile-triangle
d’un moteur asynchrone triphasé.
40
Chapitre 2
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
Figure( 2.21): Schéma fonctionnel de démarrage étoile-triangle d’un moteur asynchrone triphasé.
b- Schéma de puissance et de commande
Les circuits de puissance et de commande du démarrage étoile-triangle est représenté par la
figure ci-dessous :
On dispose pour ce démarreur de trois contacteurs : KM1 qui couple le moteur en étoile au
début du démarrage, KM3 qui le couple en triangle à la fin du démarrage et KM2, contacteur de ligne,
dont le rôle est de commander le moteur.
Figure (2.22): Schémas de puissance et de commande du démarrage étoile-triangle.
41
Chapitre 2
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
c- Principe de fonctionnement
- 1er temps : Nous devons alimenter le moteur à l’aide de KM2 tout en le couplant en étoile à
l’aide de KM1.
- 2ème temps : Nous maintenons l’alimentation du moteur par le biais de KM2, KM1 est
replacé par KM2 qui assure le couplage du moteur en triangle. Chaque enroulement doit alors
se retrouver entre deux phases différentes
Séquence :
1. Fermeture manuelle de Q1
2. Impulsion sur S1 : Alimentation de KM1 fermeture de KM1 (couplage étoile)
Fermeture de KM1 : alimentation de KM2 : le moteur tourne
Auto-alimentation de KM1 et de KM2 par KM1
Ouverture de KM1 par KM2 temporisé : élimination du couplage étoile
Alimentation de KM3 Fermeture de KM3 par KM1 : couplage triangle
Arrêt : impulsion sur S2
d- Courbes caractéristiques
La figure ci-dessous montre les différentes caractéristiques du couple et du courant du mode
démarrage étoile-triangle.
Figure (2.23): Courbes caractéristiques du démarrage étoile triangle.
42
Chapitre 2
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
On constate que le couple et l’intensité au démarrage sont réduits d’environ 3 fois par rapport à
un démarrage direct.
En raison de la diminution sensible du couple de démarrage le moteur ne peut pas démarrer en
charge. En il y a coupure de l’alimentation entre les positions étoile et triangle.
e- Démarrage étoile-triangle semi-automatique à deux sens de marche
Figure (2.24): Circuits de puissance et de commande de démarrage étoile-triangle à deux sens de marche
43
Chapitre 2
f-
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
Avantages et inconvénients
Les avantages et les inconvénients d’utilisation du mode de démarrage étoile-triangle d’un
moteur asynchrone triphasé sont :
- Avantages
- Réduction du courant de démarrage,
- Faible complication d’appareillage,
- Bon rapport couple/courant.
- Inconvénients
- Couple très réduit.
- Coupure d’alimentation lors du passage étoile-triangle.- Temps de démarrage plus élevé.- Phénomènes transitoires.
- Condamnation (verrouillage) électrique entre KM1 et KM3.Le temporisateur est muni d’un
contact décalé d’environ 3 (s) ; ceci évitera un court-circuit éventuel lors de communication
étoile-triangle.
2.5.2.2 Démarrage par résistances statoriques
Dans ce cas, l’alimentation du moteur se fait sous tension réduite en insérant des résistances
en série avec les enroulements statoriques, qui sont éliminées à la fin de démarrage, puis le moteur est
couplé directement au réseau ;cette opération est assurée par une temporisation Pendant le démarrage
la tension aux bornes du moteur est réduite par rapport à la tension du réseau cette tension augmente
au fur et mesure que la chute de tension aux bornes de la résistance insérée diminue (cette dernière est
proportionnelle au courant de démarrage) cette résistance est calculée en fonction de la pointe de
courant à ne pas dépasser ou la valeur minimale du couple de démarrage nécessaire (en tenant compte
du couple résistant de la machine à entrainer En générale, les valeurs du courant et du couple de
démarrage sont:
Id= 4,5In
(2.6)
Cd= 0,75Cn.
(2.7)
44
Chapitree 2
Caractéristiqques et dispossitifs de démaarrage des mo
oteurs asynch
hrones
a- Schémaa fonctionn
nel
Le schémaa ci-dessouss montre le schéma foonctionnel du
d mode dee démarrag
ge par résisttances
statoriqques d’un moteur
m
asyncchrone triphhasé.
Figure (2.25):
(
Schém
ma fonctionn
nel de démarrrage par réssistances statoriques d’u
un MAS
b- Circuitss de puissan
nce et de co
ommande:
Le schéma de puissannce et de coommande du
d démarragge par résisttances stato
oriques est donné
par la fiigure ci-desssous :
On disposee donc de deux
d
contaccteurs KM11 et KM2 et
e de trois résistances
r
RU,
R RV ett RW.
KM1 est
e le contaccteur de liggne, KM2 a pour foncction de court-circuiterr les résistaances une fois
f
le
moteur démarré.
F
Figure
(2.26)
6): Circuits de
d puissance et de commaande du dém
marrage par rrésistances statoriques.
s
45
Chapitree 2
Caractéristiqques et dispossitifs de démaarrage des mo
oteurs asynch
hrones
Lors du démarrage résisstif on insèree des résisttances en séérie avec less enroulemeents statoriq
ques
ce qui a pour effet de limiter la tension à leurs bornees, une fois le
l démarragge effectué on
o court circcuite
ces résistances, cettte opérationn peut être effectuée
e
prrogressivem
ment par un oopérateur à l’aide de
rhéostatts de démarrrage.
En revanche,, l'éliminatioon de la résistance en fin
f de démarrage se faitt sans qu'il y ait interruuption
de l'alim
mentation duu moteur, donc
d
sans ph
hénomène transitoire.
t
c- Princippe de fonctioonnement
1er temps : Il faut daans un prem
mier alimennter le moteeur à traverrs les trois résistances. Seul
KM1 est uttilisé.
2ème tempss : Il faut ennsuite, tout en
e continuaant d’alimennter le moteeur à l’aide de KM1, utiliser
u
KM2 pour éliminer less trois résisttances du ciircuit de puissance
d- Courbees caractériistiques
La figure ci--dessous montre
m
les différentes
d
c
caractéristiq
ques du couuple et du courant
c
de mode
p résistan
nces statoriqques:
démarraage semi-auutomatique par
Figuree (2.27): Courbes caracttéristiques de
d démarragee par résistannces statoriq
ques.
La caractérristique de couple est sensiblemeent identiquue à celle oobtenue aveec un démaarrage
étoile trriangle. Par contre le coourant au moment
m
du ddémarrage reste élevé.
46
Chapitre 2
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
e- Avantages et inconvénients
Les avantages et les inconvénients d’utilisation le mode de démarrage par résistances
statoriques d’un moteur asynchrone triphasé sont données comme suit:
- Avantages
 Pas de coupure d’alimentation pendant le démarrage,
 Forte réduction des pointes de courant transitoires (à ne pas confondre avec courant de
démarrage).
 Possibilité de réglage des valeurs au démarrage.
- Inconvénients
 Faible réduction de la pointe au démarrage.
 Nécessite des résistances. Une chute de tension importante aux bornes du moteur et par conséquent diminution du
couple de démarrage.
 Perte de puissance dans les résistances.
f- Démarrage par élimination de résistances statoriques à deux sens de marche
Figure (2.28): Circuit de puissance de démarrage étoile-triangle à deux sens de marche
47
Chapitre 2
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
Figure (2.29): Circuit de commande de démarrage étoile-triangle à deux sens de marche
2.5.2.3 Démarrage par autotransformateur
Le moteur est alimenté sous tension réduite par l’intermédiaire d’un autotransformateur. Ce
dernier est alimenté par la tension du réseau au primaire, l’autotransformateur est mis hors tension à la
fin du démarrage. Cette opération s’effectue en trois temps :-Le premier temps: L’autotransformateur
est d’abord couplé en étoile, puis le moteur est couplé au réseau à travers ses enroulements. Le
démarrage est réalisé sous une tension réduite qui est fonction du rapport de transformation.
L’autotransformateur est choisi de façon à ce que la tension réduite soit la mieux adaptée (suffisante
pour démarrer le moteur).-Le deuxième temps: Avant de passer au couplage plein charge, le couplage
en étoile est ouvert. La fraction de bobinage constitue une inductance en série avec le moteur. Le
troisième temps: Le couplage plein tension intervient après le deuxième temps, généralement très
court (fraction de seconde). Les inductances en série avec le moteur sont court-circuitées ; puis
l’autotransformateur est mis hors circuit.
Le courant et le couple de démarrage varient dans la même proportion, ces derniers sont
divisés par
².
Ur : la tension de réseau [V], Ured : la tension réduite [V].
Les valeurs obtenues sont les suivantes :
Id = (1,7 à 4) In
(2.8)
Cd = (0,5 à 0,85)Cn
(2.9)
48
Chapitree 2
Caractéristiqques et dispossitifs de démaarrage des mo
oteurs asynch
hrones
Ce mode de
d démarragge est génééralement utilisé
u
pour les moteurrs asynchro
ones triphassés de
puissannce supérieuur à 100 kW
W;
a- Schém
ma fonctionn
nel
Le schéma ci-dessous représente le schéma fonctionneel de démarrrage par au
utotransform
mateur
d’un mooteur asynchrone triphaasé.
Figuree (2.30): Schééma fonctionnnel de démaarrage par autotransform
mateur d’un MAS.
b- Circuitts de puissaance et de commande
Les schém
mas de puissance et de commaande du déémarrage ppar autotran
nsformateurr sont
représen
ntés par la ffigure ci-dessous:
Figgure (2.31): Schéma de puissance
p
duu démarragee par autotraansformateurr.
Ce mode de démarraage est surrtout utiliséé pour les fortes puiissances ett conduit à coût
de l’insstallation rellativement élevé, surtoout pour la cconception de l'autotraansformateu
ur Au momeent de
démarraage, la tensiion est réduuite au moyeen d’un autootransformaateur.
49
Chapitre 2
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
1er temps : Autotransformateur en Y le moteur est alimenté à tension réduite.
2ème temps : Ouverture du point Y, seul la self de la partie supérieure de l’enroulement limite
le courant.
3ème temps : Alimentation du moteur sous pleine tension.
c- Avantages et inconvénients
Nous citons les avantages et les inconvénients d’utilisation du mode de démarrage par
autotransformateur d’un moteur asynchrone triphasé.
- Avantages
 Possibilité de choisir le couple de décollage
 Réduction de l’appel du courant.
 Démarrage en 3 temps sans coupure.
- Inconvénients
 Prix d’achat élevé de l’équipement.
 Présente des risques sur le réseau perturbés.
2.5.3 Démarrage à tension nominale (démarrage rotorique)
2.5.3.1 Démarrage par action sur les résistances rotoriques
Uniquement dans le cas des moteurs asynchrones à rotor bobiné, le démarrage peut
s’effectuer en insérant des résistances en sérié avec le bobinage rotorique, tout en alimentant le stator
sous la pleine tension de réseau. Le courant absorbé est sensiblement proportionnel au couple fourni
ou très peu Supérieur. On obtient fréquemment des couples de démarrage égaux à 2,5fois le couple
nominal (Cd < 2,5Cn) sans surintensité excessive. On peut encore réduire la surintensité en
augmentant le nombre de démarrages. Les contacts glissants (bagues ou balais) permettant les
connexions électriques des enroulements rotoriques couplés en étoile aux résistances.
Ce démarrage consiste à alimenter le stator du moteur par la tension nominale et éliminer les
résistances rotoriques en plusieurs temps (3 temps au minimum).
On observons l’allure de la courbe couple-vitesse pour différentes valeurs de la résistance
rotorique r.
50
Chapitre 2
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
- Si r = l, le couple de démarrage est égal au couple maximum, mais les performances du
moteur en régime permanent sont altérées ; la vitesse du moteur est sensible aux variations du
couple résistant .
- Si r > l, on obtient une meilleur réduction du courant d’appel mais le couple de démarrage
est inférieur au couple maximum.
- Si r << l, c’est le cas du démarrage direct.
Par conséquent, en démarrant à r = l puis en diminuant r, lorsque la vitesse angulaire 
augmente, on obtient :
- un couple de démarrage maximum,
- l’atténuation de l’appel de courant,
C[Nm]
- de bonnes performances en régime permanent.
3,5
Ra=0 Ohm
3,0
Ra= 2 Ohm
2,5
Ra=5 Ohm
2,0
Ra=10 Ohm
1,5
1,0
Ra= 20 Ohm
C=f(n)
0,5
I [A]
0,0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
n(trs/min)
3,0
I = f(n)
Ra=0 Ohm
2,5
Ra= 2 Ohm
2,0
1,5
Ra=5 Ohm
Ra=10 Ohm
1,0
Ra= 20 Ohm
0,5
0,0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
n(trs /min)
Figure (2.32-33): Le couple et courant en fonction de vitesse de rotation avec variation de Rd
51
Chapitree 2
Caractéristiqques et dispossitifs de démaarrage des mo
oteurs asynch
hrones
a- Schémaa fonctionn
nel
Le schéma ci-dessouss représentee le schémaa fonctionneel modes dee démarrag
ge par résisttances
rotoriquues d’un mooteur asynchhrone triphaasé.
Figure (2.34): Schééma fonctionnnel et étapess d’éliminatiion des résisstances rotorriques
b- Circuitts de puissaance et de commande
Les circuitts de puissaance et de commandee du démarrrage par rrésistances rotoriques semiautomattique sont rreprésentés par
p la figuree ci-dessouss :
Figure
F
(2.35)
5): Schémas de
d puissancee et de comm
mande du dém
marrage parr résistances rotoriques.
52
Chapitre 2
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
Avec le démarreur retenu dans l’exemple ci-dessous, le moteur démarre en trois temps. On
dispose donc de trois contacteurs : KM1 (le contacteur de ligne), KM11 et KM12 (qui court-circuitent
les deux jeux de trois résistances rotoriques).
c- Principe de fonctionnement
- 1er temps : On alimente le moteur en limitant les courants rotoriques au maximum par
insertion des deux jeux de résistances dans le circuit d’induit. Il faut donc alimenter KM1 seul.
- 2ème temps : On élimine le premier jeu de trois résistances à l’aide u contacteur KM11.
- 3ème temps : On élimine le deuxième jeu de trois résistances à l’aide du contacteur KM12.
d- Courbes caractéristiques
La figure ci-dessous représente les différentes caractéristiques du couple et du courant de mode
démarrage par résistances rotoriques.
Figure (2.36):Courbes caractéristiques de démarrage semi-automatique par résistances rotoriques.
Le courant absorbé est sensiblement proportionnel au couple fourni ou très peu supérieur.
Exemple : Pour un couple de démarrage Cd = 2,5 Cn.
L’intensité sera sensiblement de 2 In :
Id< 2,5In.
On obtient fréquemment des couples de démarrage égaux à 2,5 fois le Cn sans surintensité
excessive. On peut encore réduire la surintensité en augmentant le nombre de démarrage. Cd < 2,5 Cn
53
Chapitre 2
e-
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
Avantages et inconvénients :
Nous citons quelques avantage et inconvénients d’utilisation du mode de démarrage par
résistances rotoriques d’un moteur asynchrone triphasé.
- Avantages
- L’appel de courant est pour un couple de démarrage donné le plus faible par rapport tous les
autres modes de démarrage.
- Possibilité de choisir par construction, couple et le nombre de temps de démarrage.
- Pas de coupure d’alimentation pendant le démarrage.
- Inconvénients
- Moteur onéreux et moins robuste.
- Nécessite des résistances et des moteurs à rotor bobiné.
2.5.4 Démarrage électronique
2.5.4.1 Démarrage par gradateur (démarrage progressif)
Les démarreurs progressifs sont des appareils de commande électronique conçus pour le
démarrage progressif des moteurs asynchrones triphasés. Par le biais d’une commande en angle de
phase, les trois phases du moteur sont influencées par des thyristors (Gradateur) de telle sorte que les
intensités puissent augmenter constamment.
Le gradateur est un dispositif qui permet à partir d’une source alternative de convertir une
tension sinusoïdale de valeur efficace constante à une tension alternative de même fréquence mais de
valeur efficace variable, c’est un interrupteur statique constitué de deux thyristors« tête-bêche »
Pour la commande des puissances élevées ou un « triac » pour commande de faible
puissances...Le couple du moteur se comporte de même manière au cours de l’accélération, ceci
permet au moteur de démarrer sans secousse. On évite aussi la détérioration d’élément de commande
en suppriment le couple au démarrage qui se manifeste brutalement dans le cas d’un enclenchement
direct. Cette propriété permet de réduire les couts de fabrication des éléments du moteur. Quand le
démarrage a réussi, les éléments de l’électronique de puissance sont shuntés aux éléments du moteur.
La fonction d’arrêt progressif a pour le but de prolonger la durée naturelle de décélération des moteurs
et éviter ainsi leur arrêt brutal. Le schéma ci-dessous représente démarrage par un convertisseur
électronique (Gradateur) moteur asynchrone triphasé.
Remarque : Pour atténuer les harmoniques indésirables, on utilise des filtres sélectifs accordés sur
chaque harmonique à éliminer.
54
Chapitree 2
Caractéristiqques et dispossitifs de démaarrage des mo
oteurs asynch
hrones
Figure ((2.37):gradaateur triphaséé alimentant un MAS aveec chronograammes des teensions
a- Schémaa fonctionnell
Le schémaa ci-dessouus montre le schémaa fonctionnnel du moode de dém
marrage paar un
converttisseur électtronique d’uun moteur asynchrone.
F
Figure
(2.388): Schéma fonctionnel
fo
d
d’un
Démarreeur progressif d’un moteuur asynchron
ne triphasé
b-
Princippe de fonction
nnement
La tension du réseau d’alimentaation est apppliquée proogressivemeent au statoor du moteuur .La
variatioon de la tennsion statorriques est obtenue paar la variatiion continuue de l’ang
gle α de rettard à
l’amorççage des thhyristors du gradateur. La consigne de démarrage perm
met de régller la pentee d’un
signal en
e forme dee « rampe »ccette consiggne est étaloonnée en seccondes. A lla fin du dém
marrage, le stator
du moteur est sous tension nominale,
n
lees thyristorss sont alors en plein conduction. Pour une charge
c
d démarragge, donc le temps
t
de mise
m en
donnée,, le réglage de la pentee permet de faire varierr la durée de
vitesse progressivee de l’associiation moteu
ur charge.
Le phénom
mène inverrse se prodduit lors d’un
d
arrêt progressif contrôlé. La consignne de
0 à 180° doonc U moteeur de Un à 0 v.
décéléraation permeet de faire évvoluer l’anggle α des thyyristors de 0°
55
Chapitre 2
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
c- Avantages et inconvénients
Les avantages et les inconvénients d’utilisation le mode de démarrage électronique d’un
moteur asynchrone triphasé est donne comme suit:
- Avantages







La maîtrise des caractéristiques de fonctionnement,
La protection thermique du moteur et du démarreur,
Réduction des pointes de courant et diminution des chutes de tension en ligne,
Démarrer progressivement les machines,
Il permet décélération progressive,
Réduction des couples au démarrage pour protéger la mécanique.,
Peu encombrant.
Du point de vue économique, ce mode de démarrage est satisfaisant car son rendement est
excellent.
- Inconvénients
 Génère les perturbations,
 Ce procède est utilisé que pour l’entrainement de machines démarrant à vide,
 Utiliser des capteurs.
2.5.4.2 Démarrage par variateur de vitesse (Convertisseur de fréquence) pour moteur
asynchrone
Le variateur de vitesse pour moteur asynchrone reprend les mêmes principes de base que le
variateur pour moteur à courant continu. L’apparition sur le marché de variateurs de vitesse
économiques pour moteur asynchrone est assez récente. En France, Télémécanique été une des
compagnies pionnières en la matière. L’évolution des technologies a permis la réalisation de variateurs
économiques fiables et performants.
a- Principe général
Le convertisseur de fréquence, alimenté à tension et fréquence fixes par le réseau ,
assure au moteur, en fonction des exigences de vitesse, son alimentation en courant alternatif à tension
et fréquence variables. Pour alimenter convenablement un moteur asynchrone à couple constant quelle
que soit la vitesse, il est nécessaire de maintenir le flux constant. Ce ci nécessite que la tension et la
fréquence évoluent simultanément et dans les mêmes proportions.
56
Chapitre 2
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
Figure (2.39): Schéma de principe d’un convertisseur de fréquence
b- Description du fonctionnement
La tension alternative monophasée ou triphasée du réseau est convertie en tension
continue par l’intermédiaire du pont redresseur et des condensateurs de filtrage. Cette tension continue
est alors découpée par un pont onduleur à transistors, pour donner une succession d’impulsions de
largeur variable. L’ajustage de la largeur des impulsions et leur répétition permet d’ajuster
l’alimentation du moteur en tension et en fréquence pour conserver un rapport U/f constant afin de
maintenir le flux désiré dans le moteur. L’inductance du moteur réalise un lissage du courant. La
commande de la modulation est réalisée par un microprocesseur est un ASIC (application specific
integrated circuit; circuit intégré pour application spécifique). La détermination de la modulation
dépend des tensions et fréquences, donc des vitesses demandées. En sortie.
c- Avantages et inconvénients
Les avantages et les inconvénients d’utilisation le mode de démarrage par convertisseur de
fréquence d’un moteur asynchrone triphasé.
- Avantages



Le couple fourni autorise l’entrainement de toutes les machines.
Le Convertisseur de fréquence autorise le fonctionnement du moteur les deux sens démarche et
le freinage.
Le Convertisseur de fréquence intègre la protection thermique du moteur et la protection contre
les courts-circuits.
- Inconvénients




Prix d’achat élevé de l’équipement.
L’échauffement les composants électroniques.
L’échauffement des moteurs entrainés (les harmoniques).
La fréquence de sortie peut être supérieure à la fréquence d’alimentation.
57
Chapitre 2
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
2.5.5 Comparaison des divers procédés de démarrage
Moteur à
Moteur à rotor en court-circuit
Démarrage
Courant
de démarrage
Couple initial
de démarrage
Direct
Etoile/triangle
4 à 8 In
1,3 à 2,6 In
0,6 à 1,5 Tn
0,2 à 0,5 Tn
Simple, économique et robuste
rotor bobiné
Electronique
progressif
Réglable de
2 à 5 In
Réglable de
0,1 à 0,7 Tn
Statique (pas de pièces
en mouvement)
Couple de
démarrage important
Démarrage peu onéreux
< 2,5 In
< 2,5 Tn
Réglable à la mise en
service
Peu encombrant
Avantages
Rotorique
Adaptable à tous les
cycles de
fonctionnement
Très bon rapport
couple/courant
Possibilité de réglage des
valeurs au démarrage
Pas de coupure
d’alimentation pendant la
phase de démarrage
Démarrage en
souplesse
Couple de démarrage faible
Pas de possibilité de réglage
Inconvénients Pointe de courant
importante
Démarrage brutal
Durée de
démarrage
Exemples
d’application
2 à 3 secondes
Petites machines
pouvant démarrer à
pleine charge
Coupure de l’alimentation du moteur
au changement de couplage et
phénomènes transitoires
3 à 7 secondes
Machines démarrant à vide ou à
faible charge
Machines ayant un couple résistant
proportionnel au carré de la vitesse
(ventilateur)
Moteur plus onéreux
Génère des
perturbations sur le
réseau
Réglable de 1 à 60
secondes
Nécessite des résistances
Entretien des balais de
commutation
Fonction de la valeur des
résistances
Pompes
Ventilateurs
Compresseurs
Machines démarrant en
charge ou à démarrage
progressif
Convoyeurs
58
Chapitre 2
Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones
2.6 Conclusion
Toute machine électrique fonctionnant en moteur cause de problèmes lors de sans démarrage.
Ce phénomène (démarrage) est considéré comme un régime transitoire dans le fonctionnement
dynamique des moteurs électriques en charge. Alors l’étude et l’évaluation de ses effets sont une
nécessité pour le bon fonctionnement de toute l’installation.
Les moteurs triphasés asynchrones possèdent plusieurs procédés de démarrage selon leur type,
construction, et alimentation.
Dans ce chapitre nous avons exposé une étude détaillée sur les déférents types de démarrage
des moteurs asynchrones triphasés, et les différents appareillages employés dans les circuits de
commande et de puissance afin d’assurer la commutation, la protection et la commande dans de
bonnes conditions de travail de ces moteurs. Nous avons également cité les avantages et les
inconvénients de chaque procédé et leurs différentes applications.
59
60
Conclusion générale
CONCLUSION GENERALE
Les entrainements électriques à vitesse variable utilisent de plus en plus les moteurs
asynchrones, grâce à leurs robustesses, puissance massique et faible cout. L’étude des machines
asynchrones, leurs démarrages, la maintenance, et le diagnostic de ces entrainements sont de nos
jours un enjeu économique.
La machine asynchrone triphasée, c’est la solution technologique et économique lorsque la
vitesse d’entrainement du récepteur mécanique doit rester quasiment constante malgré les variations
du couple résistant. Cette machine robuste nécessite très peu d’entretien et sa durée de vie est presque
illimitée.
Dans ce mémoire nous avons mené une étude sur les procédés de démarrage des moteurs
asynchrones. Un ensemble de techniques de démarrage permet un raccordement aisé au réseau
d’énergie électrique tout en limitant le courant d’appel et en fournissant le couple électromagnétique
nécessaire à l’accélération de l’arbre moteur, nous avons trouvé que chacun entre ces démarrages a
des avantages comme il a des inconvénients et des conditions (limites) d’application.
De nos jours, pour des raisons d’économie d’énergie, la machine asynchrone triphasée est
devenue la machine la plus employée dans l’industrie grâce au développement de l’électronique de
puissance. Les entrainements à vitesses variables avec des convertisseurs statiques est devenu
incomparable, ces convertisseurs offrent un démarrage simple et en souplesse avec progression de la
tension d’alimentation (avec gradateur ou onduleur).
61
62
Références Bibliographiques
Références bibliographiques
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protéger », Cahier technique 207, SchneiderElectric, 2004.
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CONTINUE
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SUPERIEURS
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MASTER en Electrotechnique industriel et Procès, Le 18 Juin 2014.
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