La raison principale pour laquelle les moteurs à courant continu nécessitent un démarrage à tension réduite réside dans l'inadéquation entre leurs caractéristiques électriques et mécaniques au démarrage : la force contre-électromotrice (Ea) est nulle lors de la phase initiale, ce qui engendre un courant de démarrage bien supérieur à la valeur nominale lors d'un démarrage à pleine tension. Ceci provoque divers problèmes tels que des dommages au moteur et des défaillances du circuit. Le démarrage à tension réduite limite ce courant excessif en abaissant la tension de démarrage, garantissant ainsi la sécurité du système. Ce phénomène peut être expliqué en détail sous trois angles : le mécanisme de génération du courant de démarrage, les risques liés au démarrage à pleine tension et le principe du démarrage à tension réduite.
Tout d'abord, l'augmentation anormale du courant de démarrage des moteurs à courant continu provient de leur caractéristique fondamentale : l'absence de force contre-électromotrice. Selon l'équation d'équilibre des tensions du circuit d'induit d'un moteur à courant continu : U = Ea + IaRa, où U est la tension appliquée aux bornes de l'induit, Ea la force contre-électromotrice générée par la rotation de l'induit, Ia le courant d'induit et Ra la résistance de l'enroulement d'induit. Au démarrage du moteur, le rotor est immobile et le conducteur d'induit ne coupe pas le champ magnétique ; la force contre-électromotrice Ea est donc nulle. Dans ce cas, l'équation du circuit se simplifie à Ia = U/Ra. L'enroulement d'induit étant constitué de fil de cuivre, sa résistance Ra est généralement très faible (quelques ohms pour les petits moteurs à courant continu, et même moins d'un ohm pour les gros moteurs). Si la tension nominale U est appliquée directement, le courant de démarrage Ia augmente brusquement, atteignant généralement 10 à 20 fois sa valeur nominale. Par exemple, un moteur à courant continu d'une tension nominale de 220 V et d'une résistance d'induit de 1 Ω peut avoir un courant instantané de 220 A lors du démarrage à pleine tension, alors que son courant nominal peut n'être que de 15 A, et le facteur d'amplification du courant est bien au-delà de la plage de sécurité.
Deuxièmement, un courant de démarrage aussi élevé présente de multiples risques, potentiellement mortels, pour le moteur lui-même et le système d'alimentation. Concernant le moteur, d'une part, ce courant excessif soumet l'enroulement d'induit à une force électrique considérable. Selon la formule de l'intensité du courant, cette force est proportionnelle au carré de l'intensité. Un courant dix fois supérieur à l'intensité nominale génère une force électrique cent fois supérieure, ce qui peut facilement déformer l'enroulement et rompre l'isolant, provoquant ainsi un court-circuit entre spires. D'autre part, l'augmentation rapide du courant en un laps de temps très court génère une importante chaleur par effet Joule dans l'enroulement, entraînant une forte hausse de température. Cette dernière dépasse la limite de résistance thermique du matériau isolant, ce qui provoque un vieillissement prématuré, voire une combustion, de l'isolant. Concernant le système d'alimentation, ce courant de démarrage excessif provoque une chute brutale de la tension du réseau, créant un « choc électrique » qui perturbe le fonctionnement normal des autres équipements connectés au même réseau. Par exemple, l'éclairage peut faiblir et des instruments de précision devenir incontrôlables. Dans le même temps, le courant important générera également un arc électrique puissant sur les composants de commande tels que les interrupteurs et les contacteurs, accélérant l'usure des contacts et pouvant même provoquer des courts-circuits.
Le démarrage à tension réduite supprime le courant de démarrage en « réduisant artificiellement la tension de démarrage initiale », puis rétablit progressivement la tension nominale après l'augmentation de la vitesse du moteur, ce qui correspond parfaitement à ses caractéristiques de démarrage. Son principe est le suivant : réduire U lors de la phase initiale de démarrage. Même si Ea = 0, Ia = U/Ra peut être maintenu dans une plage de sécurité (généralement entre 1,5 et 2,5 fois le courant nominal). Lorsque la vitesse du moteur n augmente, Ea augmente proportionnellement à n. À ce moment-là, U est progressivement augmenté pour maintenir Ia à la valeur correspondant au couple de démarrage approprié. Lorsque le moteur atteint sa vitesse nominale, Ea se stabilise à la force contre-électromotrice nominale. À ce moment-là, U est augmenté à sa valeur nominale et le moteur entre en fonctionnement normal.
En pratique, le démarrage à tension réduite peut être mis en œuvre de différentes manières. Les petits moteurs à courant continu utilisent souvent la réduction de tension par résistance série : la tension est divisée par l’ajout d’une résistance variable dans le circuit d’induit, puis cette résistance est progressivement déconnectée après le démarrage. Les gros moteurs à courant continu utilisent généralement la régulation de tension par thyristor : la tension de sortie est contrôlée avec précision grâce au réglage de l’angle de conduction du thyristor, ce qui permet un démarrage en douceur. Ces systèmes permettent non seulement d’éviter les risques liés au démarrage à pleine tension, mais aussi de garantir le couple nécessaire au démarrage du moteur, rendant ainsi l’utilisation des moteurs à courant continu dans la production industrielle, les transports et d’autres secteurs plus sûre et plus fiable.
En résumé, le démarrage à tension réduite des moteurs à courant continu n'est pas une opération superflue, mais une mesure de protection essentielle fondée sur leur principe électrique. Son principe consiste à équilibrer le courant de démarrage et le couple par la régulation de la tension, ce qui protège non seulement le moteur lui-même, mais garantit également la stabilité du réseau électrique. Il s'agit d'un élément clé pour le fonctionnement sûr des moteurs à courant continu.




