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Sur les sites de production industrielle, l'aiguille de l'ampèremètre des moteurs à courant alternatif (notamment les moteurs asynchrones) dévie souvent brusquement au démarrage, indiquant un courant d'appel bien supérieur au courant nominal. Le courant de démarrage de certains moteurs de petite et moyenne puissance peut atteindre 5 à 7 fois la valeur nominale, et celui des gros moteurs haute tension est encore plus élevé. Ce phénomène perturbe non seulement le personnel d'exploitation et de maintenance, mais révèle également des risques potentiels pour la sécurité. Pour y remédier, il est nécessaire de comprendre le principe de fonctionnement des moteurs à courant alternatif et d'analyser les risques et les solutions possibles en fonction des conditions réelles d'utilisation.
1. Causes principales d'un courant de démarrage excessif
Les caractéristiques de démarrage des moteurs asynchrones à courant alternatif sont étroitement liées au champ magnétique tournant et au glissement. À l'arrêt, la vitesse du rotor est nulle et le glissement est égal à 1 (glissement = (vitesse de synchronisme – vitesse du rotor) / vitesse de synchronisme). Dans ces conditions, la vitesse à laquelle le conducteur du rotor coupe le champ magnétique tournant atteint sa valeur maximale, et la force électromotrice induite ainsi que le courant induit atteignent également leur maximum. Conformément au principe de l'induction électromagnétique, le champ magnétique généré par le courant rotorique interagit avec le champ magnétique statorique. Afin de maintenir l'équilibre des champs magnétiques, le stator augmente automatiquement son courant pour compenser l'influence du champ magnétique rotorique, ce qui entraîne une forte augmentation du courant statorique au démarrage.
Du point de vue du circuit, l'impédance équivalente extrêmement faible du moteur au démarrage est un autre facteur clé. À l'arrêt, l'enroulement statorique du moteur peut être considéré comme un circuit série composé d'une résistance et d'une réactance de fuite. Dans ce cas, la réactance inductive de l'enroulement est minimale puisque le rotor ne tourne pas, et la résistance intrinsèque est faible. Selon la loi d'Ohm (I = U/Z), sous tension nominale, la diminution de l'impédance Z entraîne directement une augmentation significative du courant I. De plus, les barres du rotor des moteurs asynchrones à cage d'écureuil sont constituées de barres en aluminium moulé ou en cuivre, et la résistance du circuit rotorique est faible au démarrage, ce qui accentue encore l'amplification du courant.
2. Principaux inconvénients d'un courant de démarrage élevé
Un courant de démarrage excessif a des conséquences néfastes sur le réseau électrique, le moteur lui-même et les équipements associés. Sur le réseau, la forte surintensité de courte durée provoque une chute de tension instantanée, susceptible d'entraîner un dysfonctionnement d'autres équipements (instruments de précision, systèmes de contrôle PLC, etc.) et même de déclencher des coupures de courant. Sur le moteur, ce courant excessif soumet l'enroulement du stator à une force électrique considérable. Des démarrages fréquents et prolongés peuvent engendrer un vieillissement prématuré et une détérioration de l'isolant, provoquant des courts-circuits entre spires. Par ailleurs, l'effet Joule génère une forte élévation de la température de l'enroulement, réduisant ainsi la durée de vie du moteur.
En production industrielle, le courant de démarrage peut affecter la stabilité du système mécanique. Les fluctuations du couple de démarrage, dues à l'intensité élevée du courant, soumettent les éléments de liaison entre le moteur et la charge (ventilateurs, pompes à eau, convoyeurs, etc.) à des contraintes importantes, pouvant entraîner des défaillances mécaniques telles que le desserrage des accouplements et l'usure des engrenages, et augmenter les coûts de maintenance. Dans les environnements à risque d'incendie ou d'explosion (industrie chimique, mines de charbon, etc.), le courant de démarrage peut provoquer des étincelles électriques, constituant un danger pour la sécurité.
3. Stratégies de suppression efficaces dans les contextes industriels
En fonction des différents niveaux de puissance et des exigences de fonctionnement, les méthodes de démarrage couramment utilisées dans l'industrie se divisent en deux catégories : le démarrage par abaissement et le démarrage progressif. Pour les moteurs asynchrones de petite et moyenne puissance (généralement inférieure à 55 kW), le démarrage par abaissement est une solution économique et pratique. Le principe consiste à réduire la tension statorique au démarrage afin de diminuer le courant de démarrage. Parmi les méthodes courantes, on trouve le démarrage étoile-triangle (Y-Δ), le démarrage par autotransformateur et le démarrage par réactance. Le démarrage étoile-triangle est le plus répandu. Au démarrage, les enroulements statoriques sont connectés en étoile, ce qui réduit la tension de chaque enroulement à 1/√3 de sa valeur nominale et le courant de démarrage à un tiers de celui d'un démarrage direct. Une fois la vitesse du moteur stabilisée, le couplage est rétabli en triangle pour retrouver la tension nominale.
Pour les moteurs de grande puissance (plus de 100 kW) ou les applications exigeant une grande douceur au démarrage (ascenseurs, machines-outils de précision, etc.), les démarreurs progressifs et les variateurs de fréquence constituent des solutions optimales. Le démarreur progressif utilise la régulation de phase des thyristors (SCR) pour assurer une montée en tension progressive du stator. Le courant de démarrage est limité à 2 ou 3 fois sa valeur nominale, évitant ainsi les variations brusques de tension. Il intègre également une protection contre les surintensités et les surcharges, et s'adapte à diverses caractéristiques de charge. Le variateur de fréquence contrôle le démarrage du moteur en modifiant la fréquence d'alimentation. Au démarrage, la fréquence augmente progressivement à partir de 0, et la vitesse croît de manière synchrone et progressive. Le courant de démarrage est limité à sa valeur nominale, et le variateur permet également la régulation de vitesse, offrant ainsi une solution doublement efficace pour les applications nécessitant une variation de vitesse (par exemple, la régulation de vitesse et les économies d'énergie pour les ventilateurs).
De plus, des mesures auxiliaires telles que le démarrage progressif ou le démarrage par déchargement peuvent être mises en œuvre pour certaines charges. Par exemple, pour les équipements à forte charge comme les convoyeurs à bande, la charge est coupée par un embrayage avant le démarrage et remise en marche une fois que le moteur a atteint sa vitesse nominale ; pour les compresseurs, une soupape de dérivation peut être utilisée pour réduire la pression dans le cylindre, diminuer la résistance au démarrage et, indirectement, le courant de démarrage.
En conclusion, le courant de démarrage excessif des moteurs à courant alternatif est un phénomène inhérent à leurs caractéristiques électromagnétiques, mais ses effets néfastes peuvent être efficacement maîtrisés grâce à des méthodes de démarrage appropriées. Dans un contexte industriel, il est nécessaire de prendre en compte des facteurs tels que la puissance du moteur, les caractéristiques de la charge et la capacité du réseau électrique afin de sélectionner une solution de protection « économique et applicable » ou « précise et contrôlable », garantissant ainsi la sécurité des équipements et la stabilité de la production.
