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Dans les grandes industries, notamment la sidérurgie, l'exploitation minière et la chimie, les moteurs à courant alternatif d'une puissance allant de plusieurs centaines de kilowatts à plusieurs mégawatts sont largement utilisés. Cependant, leur démarrage se fait rarement par la méthode du démarrage direct à pleine tension ; on utilise généralement des démarreurs progressifs. Pourquoi ces gros moteurs à courant alternatif ne peuvent-ils pas démarrer par simple mise sous tension, comme les petits moteurs domestiques ? Quel est le rôle crucial du démarreur progressif dans le processus de démarrage ?
La principale raison pour laquelle les gros moteurs industriels à courant alternatif nécessitent des démarreurs progressifs réside dans l'inadéquation entre leurs caractéristiques de démarrage et le réseau électrique industriel. Les démarreurs progressifs permettent de pallier les multiples risques liés au démarrage à pleine tension en ajustant en douceur les paramètres de démarrage, lesquels peuvent être analysés selon trois axes : le moteur lui-même, le réseau électrique et le processus de production.
1. Supprimer le courant d'appel au démarrage et protéger les enroulements et l'isolation du moteur
Le courant de démarrage (ou courant d'appel) d'un moteur à courant alternatif est 5 à 7 fois supérieur à son courant nominal. Cette caractéristique s'explique par le principe électromagnétique au démarrage : le rotor n'a pas encore tourné, la vitesse à laquelle les enroulements du stator coupent le champ magnétique est nulle et la force contre-électromotrice ne peut s'établir. À ce moment-là, les enroulements ne limitent le courant que par leur propre résistance, et leur résistance en courant continu est généralement extrêmement faible, ce qui provoque une brusque montée en courant. Pour les petits moteurs (comme les moteurs de ventilateurs de quelques centaines de watts), ce courant d'appel de courte durée ne cause pas de dommages importants. Cependant, les spires des gros moteurs sont plus épaisses et comportent davantage de spires, et le courant d'appel élevé génère une force électrique importante, susceptible de déformer les enroulements et de provoquer une rupture localisée de l'isolant. Parallèlement, l'effet thermique du courant entraîne une élévation instantanée de la température des enroulements, accélérant le vieillissement de l'isolant et réduisant la durée de vie du moteur.
Les démarreurs progressifs augmentent graduellement la tension appliquée aux enroulements du stator du moteur grâce à des composants électroniques de puissance tels que des thyristors et des IGBT, ce qui entraîne une montée en vitesse lente du rotor et l'établissement progressif de la force contre-électromotrice. Ainsi, le courant de démarrage est maintenu entre 1,5 et 2,5 fois le courant nominal, évitant ainsi les dommages causés par les surintensités à la structure et à l'isolation du moteur.
2. Stabiliser la tension du réseau électrique et éviter de perturber le fonctionnement des autres équipements
Le courant de démarrage à pleine tension des gros moteurs industriels à courant alternatif peut atteindre des milliers, voire des dizaines de milliers d'ampères. Un courant aussi important provoque une chute de tension significative aux bornes de l'impédance de la ligne d'alimentation. Selon la loi d'Ohm, la chute de tension ΔU est égale à I × R (I étant le courant de démarrage et R l'impédance de la ligne). Une chute de tension importante et rapide entraîne une chute brutale de la tension du réseau électrique de l'ensemble de l'atelier, voire de la zone de production. Cette fluctuation de tension a des conséquences graves sur les autres équipements du même réseau : les instruments de précision peuvent présenter des erreurs de mesure ou s'arrêter en raison de l'instabilité de la tension ; les systèmes d'éclairage peuvent faiblir instantanément ; d'autres moteurs peuvent caler par manque de tension, puis griller leurs enroulements. Dans les environnements industriels comportant des charges sensibles (comme les automates programmables et les variateurs de fréquence), de fortes fluctuations de la tension du réseau peuvent également perturber les systèmes de contrôle et provoquer des accidents de production.
En ajustant progressivement la tension de sortie, le démarreur progressif permet une augmentation lente du courant de démarrage, réduisant ainsi l'impact de ce courant sur le réseau électrique, contrôlant la chute de tension de ligne dans la plage admissible (généralement inférieure à 10 %) et assurant la stabilité de la tension du réseau et le fonctionnement normal des autres équipements électriques.
3. Atténuer les chocs mécaniques et protéger le système de transmission et le processus de production
Les gros moteurs à courant alternatif entraînent généralement des charges importantes telles que des ventilateurs, des pompes à eau, des concasseurs et des convoyeurs. Lors d'un démarrage à pleine tension, la vitesse du moteur passe instantanément de l'arrêt à sa vitesse nominale, provoquant un fort impact mécanique sur l'équipement. Cet impact agit sur les composants de transmission, tels que les accouplements, les réducteurs et les roulements, entraînant une usure importante, un desserrage, voire une rupture de ces composants, ce qui augmente les coûts de maintenance et les temps d'arrêt. Parallèlement, l'impact mécanique affecte également la stabilité du processus de production : par exemple, dans la production chimique, le démarrage brutal d'une pompe à eau peut provoquer une augmentation soudaine de la pression dans la canalisation, pouvant entraîner une rupture ou une fuite de fluide ; dans le secteur minier, l'impact instantané d'un concasseur peut provoquer un blocage des matériaux et affecter la productivité.
Le démarreur progressif permet une augmentation en douceur de la vitesse du moteur à partir de 0, et l'équipement de charge démarre lentement en conséquence, évitant ainsi tout impact mécanique, prolongeant la durée de vie du système de transmission et assurant la continuité et la stabilité du processus de production.
Résumé
Le démarreur progressif des grands moteurs à courant alternatif industriels n'est pas un simple équipement auxiliaire, mais un dispositif essentiel permettant d'assurer la compatibilité entre les caractéristiques de démarrage du moteur et le système industriel. Grâce à ses trois fonctions principales – suppression des à-coups, stabilisation de la tension du réseau électrique et amortissement des chocs mécaniques – il garantit le bon fonctionnement du moteur et des équipements associés, ainsi que la stabilité du processus de production. Il constitue ainsi un gage important de la sécurité et de l'efficacité du fonctionnement des moteurs à courant alternatif dans les environnements industriels de grande envergure.
