Choisir un démarrage moteur

L'étoile-triangle en chiffres

Le chapitre 2 l'a montré : en étoile, le courant de ligne est divisé par 3. Mais le couple l'est aussi, car il varie comme le carré de la tension : (1 / √3)² = 1 / 3.

Exemple : un moteur de 11 kW, plaque 400 / 690 V, donc en triangle sur un réseau 400 V. In = 21 A, 1 460 tr/min.

• Couple nominal : 9,55 × 11 000 / 1 460 ≈ 72 N·m (voir l'Aller plus loin du moteur asynchrone) ;
• en direct : environ 7 × 21 ≈ 147 A, et un couple de démarrage d'environ 2 fois le nominal, soit 144 N·m ;
• en étoile : 147 / 3 ≈ 49 A, mais aussi 144 / 3 ≈ 48 N·m, soit les deux tiers seulement du couple nominal.

• Il convient aux machines qui démarrent presque à vide : ventilateur, pompe centrifuge, compresseur déchargé, scie qui démarre hors de la pièce.
• Il ne convient pas à une machine qui démarre en charge : convoyeur plein, broyeur rempli, compresseur à piston sous pression. Le moteur resterait bloqué en étoile, ou peinerait longuement.
• Rappel : il faut un moteur prévu pour le triangle sur ce réseau, soit une plaque 400 / 690 V pour un réseau 400 V (chapitre 2).

Quand basculer en triangle ?

En étoile, le moteur accélère jusqu'à une vitesse où son couple réduit égale le couple résistant de la machine. C'est à ce moment, et pas avant, qu'il faut basculer.

• Basculer vers 80 à 90 % de la vitesse nominale : le courant est déjà retombé, et le second pic, au passage en triangle, reste modéré.
• Basculer trop tôt, moteur encore lent : le second pic ressemble presque à un démarrage direct. Tout le bénéfice est perdu.
• Basculer trop tard, ou jamais, si la machine est trop chargée : le moteur tourne longtemps en étoile, sous-alimenté, et chauffe.

Régler la temporisation : chronométrer le temps que met la machine à se stabiliser en étoile, par exemple en écoutant le moteur ou avec une pince ampèremétrique sur une phase, puis régler un peu au-dessus. En général, quelques secondes.

La transition

Entre l'ouverture du contacteur étoile et la fermeture du contacteur triangle, le moteur est brièvement hors tension (chapitre 2 : jamais les deux fermés ensemble). Pendant ce court temps mort, il continue de tourner et produit lui-même une tension qui n'est plus forcément en phase avec le réseau : à la reconnexion, une pointe de courant brève peut apparaître. Les temporisateurs dédiés à l'étoile-triangle intègrent ce temps mort, de quelques dizaines de millisecondes.

• Le relais thermique, lorsqu'il est placé dans les enroulements, se règle à In / √3 : ici 21 / 1,73 ≈ 12 A.

La machine décide : le couple résistant

Le moteur ne démarre que si son couple dépasse, à chaque instant, celui que réclame la machine. La différence, le couple d'accélération, fixe la durée du démarrage.

Machine	Couple au démarrage	Démarrage réduit possible ?
ventilateur, pompe centrifuge	faible, il croît comme le carré de la vitesse	oui
convoyeur, levage, pompe volumétrique	à peu près constant, dès l'arrêt	rarement
broyeur, concasseur, compresseur à piston chargé	élevé au décollage	non
grosse machine à forte inertie (volant, grand ventilateur)	faible, mais longue à lancer	oui, attention à l'échauffement

Les différents couples résistants sont détaillés dans le cours sur le paramétrage du variateur, en bas de page. Un démarrage long chauffe : pendant toute l'accélération, le courant reste élevé. Pour une machine à forte inertie, vérifier que le moteur et sa protection supportent la durée, et limiter le nombre de démarrages par heure.

Le démarreur progressif

Le démarreur progressif est un gradateur : des thyristors découpent la tension, qui monte progressivement de quelques dizaines de pour cent jusqu'à 100 % (principe du gradateur : cours sur les variateurs et onduleurs). La fréquence reste celle du réseau : il ne fait pas varier la vitesse, il adoucit le démarrage.

Toujours le même prix à payer : le couple suit le carré de la tension.
Exemple : le moteur de 11 kW appelle 7 In en direct. Réglé pour limiter le courant à 3 In, le démarreur n'applique qu'environ 3 / 7 ≈ 43 % de la tension. Couple : 0,43² × 2 Cn ≈ 0,37 Cn.

• Réglage fin de la rampe et de la limite de courant, adaptés à la machine ;
• arrêt progressif : sur une pompe, il évite le coup de bélier, ce choc violent dans les tuyaux quand l'eau s'arrête d'un coup ;
• en fin de rampe, un contacteur de by-pass court-circuite les thyristors : plus de pertes ni d'échauffement en marche normale ;
• couple de démarrage encore plus faible qu'en étoile-triangle pour un même courant : réservé aux démarrages sous faible charge ;
• courant déformé pendant la rampe, qui ne dure que quelques secondes.

Le variateur : le couple sans l'appel de courant

Le variateur change de logique : au lieu de réduire la tension à fréquence fixe, il démarre à basse fréquence, avec une tension proportionnelle (loi U/f, cours sur le paramétrage du variateur). Le moteur tourne alors dès le départ près de son glissement nominal, là où il est efficace.

• Courant : de l'ordre de In, un peu plus pendant quelques secondes si besoin ;
• couple : jusqu'au couple nominal, et souvent davantage pendant l'accélération, dès l'arrêt ;
• rampes d'accélération et de décélération réglables, et variation de vitesse en prime.

Avec notre moteur de 11 kW : environ 21 à 30 A au démarrage, pour un couple d'au moins 72 N·m. À comparer aux 147 A du direct, ou aux 48 N·m de l'étoile. Ses contreparties :

• un coût plus élevé, surtout pour une machine qui n'a pas besoin de varier ;
• des harmoniques et des perturbations électromagnétiques, à traiter par le câblage et les filtres (cours CEM) ;
• une électronique qui chauffe et craint la poussière : armoire ventilée.

Pour une machine en charge qui doit démarrer souvent, c'est désormais le choix naturel. Les démarrages à résistances, à autotransformateur ou rotoriques du chapitre 3 ont presque disparu pour cette raison.

Comparer et choisir

	Direct	Étoile-triangle	Progressif	Variateur
Courant de démarrage	6 à 8 In	2 à 2,7 In	réglable, 2 à 5 In	1 à 1,5 In
Couple de démarrage	1,5 à 2,5 Cn	0,5 à 0,8 Cn	faible, réglable	jusqu'à 1,5 Cn
À-coup mécanique	brutal	deux à-coups	doux	doux
Arrêt progressif	non	non	oui	oui, freinage possible
Variation de vitesse	non	non	non	oui
Coût, simplicité	minimal	faible	moyen	le plus élevé

Pour choisir, trois questions dans l'ordre :

1. Le réseau supporte-t-il l'appel de courant du direct ? Petit moteur devant le transformateur, ou réseau puissant : le direct suffit. Sinon, la chute de tension gênerait les autres récepteurs (voir l'Aller plus loin des transformateurs).
2. La machine démarre-t-elle en charge ? Si oui, seul le variateur réduit le courant sans sacrifier le couple.
3. Faut-il varier la vitesse, ou arrêter en douceur ? Variateur dans le premier cas, démarreur progressif ou variateur dans le second.