Démarreurs Moteurs Expliqués : Types, Fonctions et Techniques de Démarrage

Types de Démarreurs Moteurs et Techniques de Démarrage

Qu'est-ce qu'un Démarreur Moteur ?

Un démarreur moteur est un dispositif électrique qui démarre et arrête un moteur en toute sécurité. Similaire à un relais, il commute l'alimentation ON/OFF et, contrairement à un relais, il fournit aussi une protection contre les basses tensions et surintensités.

Les fonctions principales :

• Démarrer un moteur en sécurité
• Arrêter un moteur en sécurité
• Inverser le sens de rotation
• Protéger contre basses tensions et surintensités

Un démarreur comprend deux composants principaux :

• Contacteur Électrique : Établit/coupe l'alimentation du moteur en faisant/rompant les contacts.
• Circuit de Protection contre Surcharge : Protège le moteur des dommages dus à la surcharge. Un courant énorme dans le rotor peut endommager les enroulements et autres appareils. Il détecte le courant et coupe l'alimentation.

Pourquoi un Démarreur avec un Moteur ?

Essentiel pour démarrer un moteur asynchrone à cause de son impédance rotorique faible. L'impédance dépend du glissement (vitesse relative rotor/stator) et varie inversement avec lui.

Au repos, glissement = 1 (maximum), impédance = minimum → courant d'appel énorme (5-8× le courant nominal). Ce courant magnétise l'entrefer, induit une FEM dans le rotor, créant le couple. À mesure que la vitesse augmente, le glissement diminue et le courant chute.

 

Ce courant d'appel (5-8× le nominal) peut brûler les enroulements et provoquer une chute de tension massive sur la ligne, endommageant d'autres appareils.

Pour protéger le moteur, on utilise un démarreur qui limite le courant initial pendant une courte durée au démarrage, puis rétablit l'alimentation normale une fois la vitesse atteinte. Ils protègent aussi contre basses tensions et surintensités en exploitation normale.

Bien que les petits moteurs (<1 ch) aient une impédance élevée et supportent le courant initial sans démarreur, ils nécessitent une protection contre les surintensités fournie par les démarreurs DOL (Direct On-Line).

Comment Fonctionne un Démarreur Moteur ?

Un démarreur est un dispositif de commande pour commuter le moteur manuellement ou automatiquement. Il assure un contrôle ON/OFF sûr en établissant/rompant ses contacts.

Le démarreur manuel (petits moteurs) utilise un levier actionné à la main pour position ON/OFF. Inconvénient : réarmement manuel après coupure de courant. Risque de courants élevés brûlant le moteur. Non recommandé quand des alternatives automatiques avec protection existent.

Les démarreurs automatiques (relais et contacteurs électromécaniques) commutent ON/OFF. Le courant dans la bobine du contacteur l'énergise, créant un champ électromagnétique qui attire/pousse les contacts pour connecter les enroulements à l'alimentation.

Boutons marche/arrêt connectés au moteur et démarreur pour ON/OFF. La bobine se désénergise par le bouton arrêt → contacts reviennent par ressort → moteur s'arrête. En cas de coupure ou arrêt manuel, le moteur ne redémarre pas automatiquement tant qu'on n'appuie pas sur "marche". Le schéma suivant montre le fonctionnement DOL.

Types de Démarreurs selon Méthodes & Techniques

En industrie, diverses techniques démarrent les moteurs asynchrones. Avant les types, voici les techniques :

• Démarreur Pleine Tension (Full Voltage / Across The Line)

Connecte directement le moteur à la ligne (pleine tension). Moteurs de faible puissance pour ne pas créer de chute de tension massive. Utilisés quand moteurs faible puissance et rotation unidirectionnelle.

• Démarreur Pleine Tension Réversible (Full Voltage Reversing)

Le sens d'un moteur triphasé s'inverse en permutant deux phases. Ce démarreur intègre deux contacteurs magnétiques mécaniquement verrouillés avec phases permutées pour marche avant/arrière. Utilisé quand rotation bidirectionnelle nécessaire.

• Démarreur Multi-Vitesses (Multispeed)

Pour varier la vitesse d'un moteur AC : varier la fréquence d'alimentation ou le nombre de pôles (reconnecter enroulements). Ces démarreurs font tourner le moteur à quelques vitesses pré-sélectionnées.

• Démarreur à Tension Réduite (Reduced Voltage)

Technique la plus courante : réduire la tension au démarrage pour limiter le courant d'appel qui endommage les enroulements et cause chute de tension. Pour moteurs de forte puissance.

Basé sur ces techniques, voici les types de démarreurs utilisés en industrie :

Types de Démarreurs Moteurs :

Nous discutons les types suivants basés sur les méthodes ci-dessus avec avantages/inconvénients :

1. Démarreur Direct En Ligne (DOL)
2. Démarreur à Résistance Statorique
3. Démarreur à Résistance Rotorique ou Moteur à Anneaux Glissants
4. Démarreur Autotransformateur
5. Démarreur Étoile-Triangle (Star Delta)
6. Démarreur Progressif (Soft Starter)
7. Variateur de Fréquence (VFD)

Les démarreurs ont de nombreux types mais se classent principalement en deux :

• Démarreur Manuel

Fonctionne manuellement, sans expérience requise. Bouton-poussoir pour ON/OFF. Mécanisme : interrupteur mécanique qui rompt/établit le circuit. Fournissent protection surcharge mais PAS de protection basse tension (LVP) : ne coupent pas à la coupure de courant. Danger : redémarrage auto à la remise sous tension. Pour moteurs faible puissance. DOL = démarreur manuel avec protection surcharge.

• Démarreur Magnétique

Type le plus courant, pour moteurs AC forte puissance. Fonctionne électromagnétiquement comme un relais. Fournit tension plus basse/sûre au démarrage + protection basse tension et surintensité. Coupure auto à la coupure de courant. Opération automatique et à distance (exclut l'opérateur).

Deux circuits :

• Circuit de puissance : alimente le moteur. Contacts électriques qui établissent/coupent l'alimentation depuis la ligne vers le moteur via relais de surcharge.
• Circuit de commande : contrôle les contacts du circuit de puissance. Bobine électromagnétique s'énergise/désénergise pour attirer/pousser les contacts. Contrôle à distance.

Démarreur Direct En Ligne (DOL)

DOL = forme la plus simple, connecte moteur directement à l'alimentation. Contacteur magnétique + relais surcharge. Pas de réduction de tension → moteurs <5 ch. Deux boutons marche/arrêt. Interrupteur ON/OFF : rotatif, niveau, flotteur, etc.

Appui marche → bobine énergisée → contacteurs ferment circuit. Appui arrêt → bobine désénergisée → contacts s'écartent → circuit rompu. Relais surcharge : contacts normalement fermés qui énergisent la bobine. Si relais déclenche → bobine désénergisée → circuit rompu.

Avantages DOL :

• Design simple et économique
• Facile à comprendre et utiliser
• Couple de démarrage élevé (courant d'appel élevé)

Inconvénients DOL :

• Courant d'appel élevé peut endommager les enroulements
• Chute de tension sur la ligne
• Inadapté aux gros moteurs
• Réduit la durée de vie du moteur

Démarreur à Résistance Statorique

Utilise la technique RVS (démarrage tension réduite). Résistance externe en série avec chaque phase du stator d'un moteur triphasé. Le résistor réduit la tension ligne (donc courant initial) appliquée au stator.

Initialement, résistance variable au maximum → tension moteur minimale (niveau sûr) par chute de tension aux bornes du résistor. Faible tension stator limite le courant d'appel. À mesure que le moteur accélère, résistance réduite → phases stator connectées directement à la ligne.

Courant ∝ tension, couple ∝ courant² → tension divisée par 2 = couple divisé par 4. Couple de démarrage très faible, doit être maintenu.

Avantages :

• Flexibilité dans les caractéristiques de démarrage
• Tension variable = accélération douce
• Compatible moteurs étoile ou triangle

Inconvénients :

• Résistances dissipent la puissance
• Couple de démarrage très faible
• Résistances coûteuses pour gros moteurs

Démarreur à Résistance Rotorique ou Moteur à Anneaux Glissants

Technique plein voltage. Uniquement pour moteur à anneaux glissants (d'où le nom).

Résistances externes connectées au rotor en étoile via anneaux glissants. Limitent courant rotor, augmentent couple → réduit courant stator initial. Améliore aussi le facteur de puissance.

Résistances utilisées uniquement au démarrage, retirées une fois vitesse nominale atteinte.

Avantages :

• Faible courant d'appel en plein voltage
• Couple de démarrage élevé → démarrage sous charge possible
• Améliore le facteur de puissance
• Large plage de contrôle de vitesse

Inconvénients :

• Uniquement pour moteurs à anneaux glissants
• Rotor coûteux et lourd

Démarreur Autotransformateur

Utilise un autotransformateur comme abaisseur de tension pour réduire la tension appliquée au stator au démarrage. Compatible moteurs étoile et triangle.

Secondaire de l'autotransformateur connecté à chaque phase du moteur. Prises multiples fournissent une fraction de la tension nominale. Au démarrage, relais sur prise de départ (tension réduite). Relais commute entre prises pour augmenter tension avec la vitesse. Finalement, connecte à la tension nominale.

Comparé aux autres techniques de réduction, offre tension plus élevée pour un courant de départ donné → meilleur couple de démarrage.

Avantages :

• Meilleur couple de démarrage
• Pour gros moteurs avec charge significative
• Contrôle manuel de vitesse
• Flexibilité caractéristiques démarrage

Inconvénients :

• Encombrement important (gros autotransformateur)
• Circuit complexe et relativement cher

Démarreur Étoile-Triangle (Star Delta)

Méthode courante en industrie pour gros moteurs. Enroulements commutés entre étoile et triangle.

Au démarrage : connexion étoile via relais triple pôle double effet. Tension phase en étoile réduite par 1/√3 → courant et couple de démarrage réduits à 1/3 de la valeur nominale.

À l'accélération : relais temporisé commute étoile → triangle, tension pleine sur chaque enroulement. Moteur à vitesse nominale.

Avantages :

• Design simple et peu coûteux
• Pas de maintenance
• Faible courant d'appel
• Pour gros moteurs asynchrones
• Idéal pour longs temps d'accélération

Inconvénients :

• Uniquement moteurs triangle
• Plus de connexions filaires
• Couple de démarrage faible, non maintenable
• Flexibilité limitée
• À-coup mécanique à la commutation étoile-triangle

Démarreur Progressif (Soft Starter)

Technique réduction de tension. Utilise commutateurs semiconducteurs (TRIAC) pour contrôler tension et courant de démarrage.

TRIAC à commande de phase pour tension variable. Angle de conduction (ou angle d'amorçage) varié. Angle minimal → tension réduite. Augmentation progressive de l'angle → tension augmente graduellement. Angle maximal → tension ligne pleine → vitesse nominale.

Augmentation graduelle et douce de tension, courant, couple → pas de à-coup mécanique → durée de vie accrue.

Avantages :

• Meilleur contrôle courant/tension démarrage
• Accélération douce, pas de à-coups
• Réduit pics de puissance
• Prolonge durée de vie
• Meilleur rendement, pas de maintenance
• Taille compacte

Inconvénients :

• Relativement cher
• Dissipation énergie sous forme de chaleur

Variateur de Fréquence (VFD)

Comme le démarreur progressif, le VFD varie tension ET fréquence du courant d'alimentation. Principalement pour contrôler la vitesse du moteur asynchrone (dépend de la fréquence).

AC réseau → redresseurs → DC pur → AC fréquence/tension ajustables via modulation de largeur d'impulsion (PWM) par transistors de puissance (IGBT).

Contrôle total vitesse 0 à vitesse nominale. Réglage vitesse + tension variable = meilleur courant/accélération démarrage.

Avantages VFD :

• Accélération douce pour gros moteurs
• Contrôle vitesse total avec accélération/décélération douces
• Prolonge durée de vie (pas de stress électrique/mécanique)
• Fonctionnement avant/arrière

Inconvénients VFD :

• Relativement cher sauf si contrôle vitesse nécessaire
• Dissipation chaleur
• Crée des harmoniques sur le réseau (affecte équipements électroniques & facteur de puissance)