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5/20/2018 D marrage et protection des moteurs lectriques.pdf

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4chapitreDmarrage etprotection des moteursPrsentation :

Type de dmarrage et de freinage des moteurs

Protection des moteurs et analyse des dfaillances

Tableau de choix des fonctions de protection

et des produits concerns


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Sommaire4. Dmarrage etprotection desmoteurs

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4.1 Dmarrage des moteurs induction Page

4.2 Freinage lectrique des moteurs asynchrones triphass Page

4.3 Les dmarreurs multifonctions Page

4.4 La protection des moteurs Page

4.5 Pertes et chauffement dans les moteurs Page

4.6 Les diffrentes causes de dfauts et leurs consquences Page

4.7 Les fonctions et les produits de protection Page

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4.1 Dmarrage des moteurs induction4. Dmarrage etprotection desmoteurs

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Ce chapitre est exclusivement consacr au dmarrage, au freinage et la protection

des moteurs asynchrones de tous types.

Pour un descriptif physique et lectrique des moteurs, veuillez consulter le chapitre

moteur. Ce chapitre naborde pas le fonctionnement vitesse variable des moteurs.

La variation de vitesse, qui peut tre considre comme un dpart moteur

sophistiqu est trait dans le chapitre consacr cette fonction.

la protection des personnes est traite en partie dans le chapitre sur la scurit des

personnes et des biens et dans le Guide de lInstallation Electrique dit par

lInstitut Schneider Formation.

4.1 Dmarrage des moteurs induction

b Introduction

Lors de la mise sous tension dun moteur, lappel de courant sur le rseauest important et peut, surtout si la section de la ligne dalimentation est

insuffisante, provoquer une chute de tension susceptible daffecter le

fonctionnement des rcepteurs. Parfois, cette chute de tension est telle

quelle est perceptible sur les appareils dclairage. Pour remdier ces

inconvnients, les rglements de quelques secteurs interdisent, au-dessus

dune certaine puissance, lemploi de moteurs dmarrant en direct. Se

reporter aux pages K34 K39 du catalogue Distribution BT 1999/2000 et

aux tableaux des chutes de tension admissibles selon la norme NFC 15-100.

En fonction des caractristiques du moteur et de la charge, plusieurs

mthodes de dmarrages sont utilises.

Le choix sera dict par des impratifs lectriques, mcaniques et

conomiques.

La nature de la charge entrane aura galement une grande incidence

sur le mode de dmarrage retenir.

b Les principaux modes de dmarrage Introduction

v Dmarrage direct

C'est le mode de dmarrage le plus simple dans lequel le stator est

directement coupl sur le rseau (CFig.1). Le moteur dmarre sur ses

caractristiques naturelles.

Au moment de la mise sous tension, le moteur se comporte comme un

transformateur dont le secondaire, constitu par la cage du rotor trs peu

rsistante, est en court-circuit. Le courant induit dans le rotor est

important. Il en rsulte une pointe de courant sur le rseau :I dmarrage = 5 8 l nominal

Le couple de dmarrage est en moyenne :

C dmarrage = 0.5 1.5 C nominal.

Malgr les avantages qu'il prsente (simplicit de l'appareillage, couple

de dmarrage lev, dmarrage rapide, prix faible), le dmarrage direct ne

peut convenir que dans les cas o :

- la puissance du moteur est faible par rapport la puissance du

rseau, de manire limiter les perturbations dues l'appel de

courant,

- la machine entrane ne ncessite pas une mise en vitesse

progressive o comporte un dispositif amortisseur qui rduit le choc

du dmarrage,

- le couple de dmarrage peut tre lev sans incidence sur lefonctionnement de la machine ou de la charge entrane.AFig. 1 Dmarrage direct


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v Dmarrage toile-triangle

Ce mode de dmarrage (CFig.2) ne peut tre utilis qu'avec un moteur

sur lequel les deux extrmits de chacun des trois enroulements

statoriques sont ramenes sur la plaque bornes. Par ailleurs, le

bobinage doit tre ralis de telle sorte que le couplage triangle

corresponde la tension du rseau : par exemple, pour un rseau

triphas 380 V, il faut un moteur bobin en 380 V triangle et 660 V toile.

Le principe consiste dmarrer le moteur en couplant les enroulements

en toile sous la tension rseau, ce qui revient diviser la tension

nominale du moteur en toile par 3 (dans l'exemple ci-dessus, la tensionrseau 380 V = 660 V/3).

La pointe de courant de dmarrage est divise par 3 :

- Id = 1.5 2.6 In

En effet, un moteur 380 V/660 V coupl en toile sous sa tension

nominale 660 V absorbe un courant 3 fois plus faible qu'en couplage

triangle sous 380 V. Le couplage toile tant effectu sous 380 V, lecourant est divis une nouvelle fois par 3 donc au total par 3.

Le couple de dmarrage tant proportionnel au carr de la tension

d'alimentation, il est lui aussi divis par 3 :

- Cd = 0.2 0.5 Cn

La vitesse du moteur se stabilise quand les couples moteur et rsistant

s'quilibrent, gnralement entre 75 et 85 % de la vitesse nominale. Les

enroulements sont alors coupls en triangle et le moteur rejoint ses

caractristiques naturelles. Le passage du couplage toile au couplage

triangle est command par un temporisateur. La fermeture du contacteur

triangle s'effectue avec un retard de 30 50 millisecondes aprs

l'ouverture du contacteur toile, ce qui vite un court-circuit entre phases,

les deux contacteurs ne pouvant tre ferms simultanment.

Le courant qui traverse les enroulements est interrompu l'ouverture du

contacteur toile. Il se rtablit la fermeture du contacteur triangle. Ce

passage en triangle s'accompagne d'une pointe de courant transitoire

trs brve mais trs importante, due la force contre-lectromotrice du

moteur.

Le dmarrage toile-triangle convient aux machines qui ont un faible

couple rsistant ou qui dmarrent vide (ex : machine bois). Pour

limiter ces phnomnes transitoires, des variantes peuvent tre

ncessaire, au-del d'une certaine puissance. Lune consiste en une

temporisation de 1 2 secondes au passage toile-triangle.

Cette temporisation permet une diminution de la force contre-lectromotrice,

donc de la pointe de courant transitoire.

Ceci ne peut tre utilis que si la machine a une inertie suffisante pourviter un ralentissement trop important pendant la dure de la

temporisation.

Une autre est le dmarrage en 3 temps :

toile-triangle + rsistance-triangle.

La coupure subsiste, mais la rsistance mise en srie, pendant trois

secondes environ, avec les enroulements coupls en triangle, rduit la

pointe de courant transitoire.

Une variante est le dmarrage toile-triangle + rsistance-triangle sans

coupure.

La rsistance est mise en srie avec les enroulements immdiatement

avant l'ouverture du contacteur toile. Ceci vite toute interruption de

courant, donc l'apparition de phnomnes transitoires.L'utilisation de ces variantes se traduit par la mise en uvre de matriel

supplmentaire, ce qui peut avoir pour consquence une augmentation

non ngligeable du cot de l'installation.

4

AFig. 2 Dmarrage toile triangle


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v Dmarrage de moteurs enroulements partags partwinding

Ce systme (CFig.3), peu utilis en Europe, l'est surtout sur le march

nord-amricain (tension 230/460 V, rapport gal 2). Ce type de moteur

comporte un enroulement statorique ddoubl en deux enroulements

parallles avec six ou douze bornes sorties. Il est quivalent deux demi

moteurs" dgale puissance.

Au dmarrage, un seul demi moteur" est coupl en direct sous la pleine

tension du rseau, ce qui divise le courant de dmarrage et le couple

approximativement par deux. Ce dernier est nanmoins suprieur au

couple que fournirait un moteur cage de mme puissance dmarrant en

toile-triangle.

En fin de dmarrage, le second enroulement est coupl sur le rseau.

A ce moment, la pointe de courant est faible et de courte dure, car le

moteur na pas t spar du rseau dalimentation et na plus quun

faible glissement.

v Dmarrage statorique rsistance

Le principe (CFig.4) consiste dmarrer le moteur sous tension rduite

en insrant des rsistances en srie avec les enroulements. Lorsque la

vitesse se stabilise, les rsistances sont limines et le moteur est coupl

directement sur le rseau. Cette opration est gnralement commande

par un temporisateur.

Dans ce mode de dmarrage, le couplage des enroulements du moteur

n'est pas modifi. Il n'est donc pas ncessaire que les deux extrmits de

chaque enroulement soient sorties sur la plaque bornes.

La valeur de la rsistance est calcule en fonction de la pointe de courant

au dmarrage ne pas dpasser, ou de la valeur minimale du couple de

dmarrage ncessaire compte tenu du couple rsistant de la machineentrane. En gnral, les valeurs de courant et de couple de dmarrage

sont :

- Id = 4.5 In

- Cd = 0.75 Cn

Pendant la phase d'acclration avec les rsistances, la tension

applique aux bornes du moteur n'est pas constante. Cette tension est

gale la tension du rseau diminue de la chute de tension dans la

rsistance de dmarrage.

La chute de tension est proportionnelle au courant absorb par le moteur.

Comme le courant diminue au fur et mesure de l'acclration du

moteur, il en est de mme pour la chute de tension dans la rsistance. La

tension applique aux bornes du moteur est donc minimale au moment

du dmarrage, et elle augmente progressivement.Le couple tant proportionnel au carr de la tension aux bornes du

moteur, il augmente plus rapidement que dans le dmarrage toile-

triangle o la tension reste fixe pendant tout le temps du couplage toile.

Ce mode de dmarrage convient donc bien aux machines ayant un

couple rsistant croissant avec la vitesse, comme par exemple les

ventilateurs ou les pompes centrifuges.

Il prsente l'inconvnient d'une pointe de courant relativement importante

au dmarrage. Cette pointe pourrait tre rduite en augmentant la valeur

de la rsistance, mais cela entranerait une chute de tension

supplmentaire aux bornes du moteur, et par consquent une diminution

importante du couple de dmarrage.

En revanche, l'limination de la rsistance en fin de dmarrage se fait

sans qu'il y ait interruption de l'alimentation du moteur, donc sans

phnomne transitoire.AFig. 4 Dmarrage statorique par rsistance

AFig. 3 Dmarrage enroulements partags


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v Dmarrage par autotransformateur

Le moteur est aliment sous tension rduite par l'intermdiaire d'un

autotransformateur qui est mis hors circuit quand le dmarrage est

termin (CFig.5).

Le dmarrage s'effectue en trois temps :

- au premier temps, l'autotransformateur est d'abord coupl en toile,

puis le moteur est coupl au rseau travers une partie des

enroulements de l'autotransformateur. Le dmarrage s'effectue sous

une tension rduite qui est fonction du rapport de transformation.

L'autotransformateur est gnralement muni de prises permettant de

choisir le rapport de transformation, donc la valeur de la tension

rduite la mieux adapte,

- avant de passer au couplage pleine tension, l'toilage est ouvert. La

fraction de bobinage raccorde au rseau constitue alors une

inductance en srie avec le moteur. Cette opration est effectue

lorsque la vitesse d'quilibre est atteinte la fin du premier temps,

- le couplage pleine tension intervient aprs le deuxime temps

gnralement trs court (de lordre dune fraction de seconde). La

portion de bobinage de l'autotransformateur en srie avec le moteur

est court-circuite, puis l'autotransformateur est mis hors circuit.

Le courant et le couple de dmarrage varient dans les mmes proportions.

Ils sont diviss par (U rseau/U rduite).

Les valeurs obtenues sont les suivantes :

Id = 1.7 4 In

Cd = 0.5 0.85 Cn

Le dmarrage s'effectue sans qu'il y ait interruption du courant dans le

moteur.

De ce fait, les phnomnes transitoires lis une telle interruption

n'existent pas.En revanche, si certaines prcautions ne sont pas prises des

phnomnes transitoires de mme nature peuvent apparatre lors du

couplage sous pleine tension. En effet, la valeur de l'inductance en srie

avec le moteur, aprs ouverture de l'toilage, est grande par rapport

celle du moteur. Il s'ensuit une chute de tension importante qui entrane

une pointe de courant transitoire leve au moment du couplage sous

pleine tension. Pour viter cet inconvnient, le circuit magntique de

l'autotransformateur comporte un entrefer dont la prsence conduit une

diminution de la valeur de l'inductance. Cette valeur est calcule de telle

faon qu'au moment de l'ouverture de l'toilage au deuxime temps, il n'y

ait pas de variation de tension aux bornes du moteur.

La prsence de l'entrefer a pour consquence une augmentation du

courant magntisant de l'autotransformateur. Ce courant magntisantaugmente l'appel de courant dans le rseau lors de la mise sous tension

de l'autotransformateur.

Ce mode de dmarrage est gnralement utilis en BT pour des moteurs

de puissance suprieure 150 kW. Mais il conduit des quipements

relativement coteux en raison du prix lev de l'autotransformateur.

v Dmarrage des moteurs bagues

Un moteur bagues ne peut dmarrer en direct, avec ses enroulements

rotoriques court-circuits, sinon il provoquerait des pointes de courant

inadmissibles. Il est ncessaire, tout en alimentant le stator sous la pleine

tension du rseau, dinsrer dans le circuit rotorique des rsistances

(CFig.6) qui sont ensuite court-circuites progressivement.

4

AFig. 6 Dmarrage dun moteur bagues

AFig. 5 Dmarrage par auto-transformateur


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Le calcul de la rsistance insre dans chaque phase permet de

dterminer de faon rigoureuse la courbe couple-vitesse obtenue. Il en

rsulte que celle-ci doit tre insre en totalit au moment du dmarrage

et que la pleine vitesse est atteinte lorsqu'elle est entirement court-circuite.

Le courant absorb est sensiblement proportionnel au couple fourni ou,

du moins, n'est que peu suprieur cette valeur thorique.

Par exemple, pour un couple de dmarrage gal 2 Cn, la pointe de

courant est d'environ 2 In. Cette pointe est donc considrablement plus

faible et le couple maximal de dmarrage plus lev qu'avec un moteur

cage, pour lequel les valeurs typiques, en couplage direct sur le rseau,

sont de l'ordre de 6 In pour 1.5 Cn. Le moteur bagues, avec un

dmarrage rotorique, s'impose donc dans tous les cas o les pointes de

courant doivent tre faibles et pour des machines dmarrant pleine

charge.

Par ailleurs, ce type de dmarrage est extrmement souple, car il estfacile d'ajuster le nombre et l'allure des courbes reprsentant les temps

successifs aux impratifs mcaniques ou lectriques (couple rsistant,

valeur d'acclration, pointe maximale de courant, etc.).

v Dmarrage/ralentissement par dmarreur lectronique(soft starter)

Cest un mode de dmarrage performant (CFig.7) qui permet un

dmarrage et un arrt en douceur (reportez-vous la section consacre

aux dmarreurs lectroniques dans le chapitre 5 Dparts Moteurs pour de

plus amples dtails).

Il peut tre utilis :

- en limitation de courant,

- en rgulation de couple.

Le contrle par limitation de courant permet de fixer un courant maximum(3 4 x In) pendant la phase de dmarrage au dtriment des

performances en couple. Ce contrle est particulirement adapt aux

turbomachines (pompes centrifuges, ventilateurs).

Le contrle par rgulation de couple permet doptimiser les performances

en couple au dmarrage au dtriment de lappel de courant sur le rseau.

Celui-ci est adapt aux machines couple constant.

Ce type de dmarreur permet une multitude de schma :

- un sens de marche,

- deux sens de marche,

- shuntage de lappareil en fin de dmarrage,

- dmarrage et ralentissement de plusieurs moteurs en cascade,

(CFig.7).

- etc.

v Dmarrage par convertisseur de frquence

Cest un mode de dmarrage performant (CFig.8) utilis ds quil est

ncessaire de contrler et de faire varier la vitesse (reportez-vous la

section consacre la variation de vitesse lectronique dans le chapitre 5

Dparts moteurs pour de plus amples dtails).

Il permet entre autre :

- de dmarrer des charges de forte inertie,

- de dmarrer des charges importantes sur un rseau de faible pouvoir

de court-circuit,

- doptimiser la consommation dnergie lectrique en fonction de la

vitesse sur les turbomachines.

Ce type de dmarrage sapplique sur tous types de machines.

Cette solution est utilise pour le rglage de la vitesse du moteur et

accessoirement pour le dmarrage.

AFig. 7 Dmarrage multi-moteurs avec undmarreur lectronique

AFig. 8 Schma de principe dun convertisseurde frquence


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v Tableau rcapitulatif des diffrents modes de dmarrage desmoteurs triphass (CFig.9)

v Dmarrage des moteurs monophass

Un moteur monophas ne pouvant dmarrer seul, diffrents artifices sont

utiliss pour le lancer.

v Dmarrage par phase auxiliaire

Sur ce type de moteur (CFig.10), le stator comprend deux enroulements

dcals gomtriquement de 90.

Lors de la mise sous tension, du fait de la diffrence de construction des

bobinages, un courant I1 traverse la phase principale et un courant plus

faible I2, sensiblement dphas de /2, circule dans la phase auxiliaire.Les champs engendrs tant produits par deux courants dphass, lun

par rapport lautre, le champ tournant rsultant est suffisant pour

provoquer le dmarrage vide du moteur. Lorsque le moteur atteint

environ 80 % de sa vitesse, la phase auxiliaire peut tre mise hors circuit

(coupleur centrifuge), ou maintenue en service. Le stator du moteur se

trouve ainsi transform, au moment du dmarrage ou en permanence, en

stator diphas.

Pour inverser le sens de rotation, il suffit d'inverser les connexions dune

phase.

Le couple fourni lors du dmarrage tant faible, il convient pour l'accrotre

d'augmenter le dcalage entre les deux champs produits par les

bobinages.

4

Direct Etoile triangleEnroulements

partagsrsistances Autotransformateur

Moteurs

baguesSoft starter

Convertisseur

de frquence

Moteur Standard Standard 6 enroulements Standard Standard Spcifique Standard Standard

Cot + ++ ++ +++ +++ +++ +++ ++++

Courant moteur de

dmarrage5 10 IN 2 3 In 2 In Env 4.5 In 1.7 4 In Env 2 In 4 5 In In

Creux de tension Elev

Elev au

changement de

couplage

Faible Faible

Faible, prcautions

prendre au couplage

direct

Faible Faible Faible

Harmoniquestension et courant

Elev Modr Modr Modr Modr Faible Elev Elev

Facteur de

puissanceFaible Faible Modr Modr Faible Modr Faible Elev

Nombre de

dmarrages

possibles

Limit2 3 fois plus

quen direct

3 4 fois plus

quen direct

3 4 fois plus

quen direct

3 4 fois plus

quen direct

2 3 fois plus

quen directLimit Elev

Couple disponible Env 2.5 Cn 0.2 0.5 Cn 2 Cn Cn Env 0.5 Cn Env 2cn Env 0.5 Cn 1.5 2 Cn

Sollicitation

thermiqueTrs importante Importante Modre Importante Modre Modre Modre Faible

Chocs mcanique Trs lev Modr Modr Modr Modr Faible Modr Faible

Type de charge

recommandeToutes A vide Couple croissant

Pompes et

ventilateurs

Pompes et

ventilateursToutes

Pompes et

ventilateursToutes

Charges forte

inertieOui* Non Non Non Non Oui Non Oui

* peut ncessiter un dimensionnement particulier du moteur

AFig. 9 Tableau rcapitulatif

AFig. 10 Moteur monophas phase auxiliaire


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v Dmarrage par phase auxiliaire et rsistance

Une rsistance place en srie dans la phase auxiliaire en augmente

limpdance et accrot le dcalage entre l1 et l2.Le fonctionnement en fin de dmarrage est identique celui avec phase

auxiliaire seule.

v Dmarrage par phase auxiliaire et inductance

Le principe est le mme que prcdemment, mais la rsistance est

remplace par une inductance qui, monte en srie dans la phase

auxiliaire, accrot le dcalage entre les deux courants.

v Dmarrage par phase auxiliaire et condensateur

Cest le dispositif le plus utilis (CFig.11). Il consiste placer un

condensateur dans la phase auxiliaire. La valeur pratique de la capacit

pour le condensateur permanent est d'environ 8 F pour un moteur de

200 W. Pour le dmarrage, un condensateur supplmentaire de 16 F

peut tre ncessaire et est limin ds que le dmarrage est termin.

La prsence du condensateur provoquant un dphasage inverse celui

dune inductance, le fonctionnement en priode de dmarrage et en

marche normale est voisin de celui dun moteur diphas champ

tournant. Dautre part, le couple et le facteur de puissance sont plus

importants. Le couple de dmarrage Cd est sensiblement gal 3 fois le

couple nominal Cn et le couple maximum Cmax atteint 2 Cn.

Une fois le dmarrage effectu, il est prfrable de maintenir le

dphasage entre les deux courants, mais la capacit du condensateur

peut tre rduite car limpdance du stator a augment.

Le schma (CFig.11) reprsente un moteur monophas avec un

condensateur connect en permanence. Dautres dispositions sont

utilises, comme louverture du circuit de dphasage par un interrupteurcentrifuge partir dune certaine vitesse.

Un moteur triphas (230/400 V) peut tre utilis sur un rseau monophas

230 V, en le munissant dun condensateur de dmarrage et dun

condensateur de marche connect en permanence au dtriment de la

puissance utile (dclassement de 0.7 environ), du couple de dmarrage et

de la rserve thermique.

Seuls les moteurs quatre ples de faible puissance (4 kW max) se prtent

ce mode de fonctionnement.

Les constructeurs fournissent des tableaux permettant de slectionner les

condensateurs de valeur approprie.

v Dmarrage par bague de dphasage

Cest le dispositif (CFig.12) utilis dans les moteurs de trs faiblepuissance (de lordre de la centaine de watts). Les ples comportent des

encoches dans lesquelles sont insres des bagues conductrices en

court circuit. Le courant induit, gnr de cette manire provoque une

distorsion du champ tournant qui permet le dmarrage.

Le rendement est faible mais acceptable dans cette gamme de

puissance.

AFig. 12 Moteur bagues de dphasage

AFig. 11 Moteur monophas condensateur dedmarrage


10

4.2 Freinage lectrique des moteurs asynchronestriphass

4. Dmarrage etprotection desmoteurs

73

4.2 Freinage lectrique des moteurs asynchrones triphass

b IntroductionDans un grand nombre d'applications, l'arrt du moteur est obtenu

simplement par dclration naturelle. Le temps de dclration dpend

alors uniquement de l'inertie et du couple rsistant de la machine

entrane. Mais il est souvent ncessaire de rduire ce temps. Le freinage

lectrique apporte dans ce cas une solution efficace et simple. Par

rapport aux freinages mcanique et hydraulique, il offre l'avantage de la

simplicit et de ne mettre en uvre aucune pice d'usure.

b Freinage par contre-courant : principe

Le principe consiste, aprs avoir isol le moteur du rseau alors qu'il

tourne encore, le reconnecter sur le rseau en sens inverse. C'est un

mode de freinage trs efficace avec un couple, en gnral suprieur au

couple de dmarrage, qui doit tre arrt suffisamment tt pour viter que

le moteur ne reparte en sens inverse.

Divers dispositifs automatiques sont employs pour commander l'arrt

ds que la vitesse approche de zro :

- dtecteurs d'arrt friction, dtecteurs d'arrt centrifuges,

- dispositifs chronomtriques,

- relais de mesure de la frquence ou de la tension au rotor (rotor

bobin), etc.

v Moteur cage

Avant dadopter ce systme (CFig.13), il faut absolument sassurer que

le moteur est capable de supporter des freinages en contre-courant avec

le service envisag. En effet, outre les contraintes mcaniques, ce

procd impose des contraintes thermiques importantes au rotor,I'nergie correspondant chaque freinage (nergie de glissement prise au

rseau et nergie cintique) tant dissipe dans la cage. Les sollicitations

thermiques, pendant le freinage sont trois fois plus importantes que pour

une mise en vitesse.

Au moment du freinage, les pointes de courant et de couple sont

nettement suprieures celles produites lors du dmarrage.

Afin dobtenir un freinage sans brutalit, il est souvent insr, lors du

couplage en contre-courant, une rsistance en srie avec chaque phase

du stator. Le couple et le courant sont alors rduits comme dans le cas

du dmarrage statorique.

Les inconvnients du freinage par contre-courant dun moteur cage

sont tels que, ce procd nest utilis que sur certaines applications avec

des moteurs de faible puissance.

v Moteur rotor bobin (Moteur bagues)

Afin de limiter la pointe de courant et de couple, i l est impratif, avant

de coupler le stator du moteur en contre-courant, de rinsrer Ies

rsistances rotoriques ayant servi au dmarrage, et souvent mme

dajouter une section supplmentaire dite de freinage (CFig.14).

Le couple de freinage peut tre facilement rgl la valeur dsire en

choisissant une rsistance rotorique convenable.

Au moment de linversion, la tension rotorique est presque le double de

la tension rotorique larrt, ce qui impose quelquefois des prcautions

particulires disolement.

Comme pour les moteurs cage, une nergie importante est produite

dans le circuit rotorique. Elle est dissipe en totalit (aux pertes prs)

dans les rsistances.

La commande automatique de larrt la vitesse nulle peut tre faite

par l'un des dispositifs cits plus haut, ou bien par Iaction d'un relais

de tension ou de frquence insr dans le circuit rotorique.

4

AFig. 14 Principe du freinage contre courantpour une machine asynchrone bagues

AFig. 13 Principe du freinage contre courant


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74

Avec ce systme, il est possible de retenir une charge entranante une

vitesse modre. La caractristique est trs instable (fortes variations de

vitesse pour faibles variations de couple).

b Freinage par injection de courant redress

Ce mode de freinage est utilis sur les moteurs bagues et cage

(CFig.15). Par rapport au systme contre-courant, le prix de la source

de courant redress est compens par un moindre volume des

rsistances. Avec les variateurs et dmarreurs lectroniques, cette

possibilit de freinage est offerte sans supplment de cot.

Le procd consiste envoyer du courant redress dans le stator

pralablement spar du rseau. Ce courant redress cre un flux fixe

dans l'entrefer du moteur. Pour que la valeur de ce flux corresponde un

freinage convenable, le courant doit tre environ 1.3 fois le courant

nominal. Lexcdent de pertes thermiques d cette lgre surintensit

est gnralement compens par le fait que le freinage est suivi duntemps darrt.

La valeur du courant tant fixe par la seule rsistance des enroulements

du stator, la tension de la source de courant redress est faible. Cette

source est gnralement constitue de redresseurs ou fournie par les

variateurs. Ceux-ci doivent pouvoir supporter les surtensions transitoires

produites par les enroulements qui viennent dtre dconnects du rseau

alternatif ( 380 volts efficaces, par exemple).

Le mouvement du rotor reprsente un glissement par rapport un champ

fixe dans l'espace (alors que, dans le systme contre-courant, le champ

tourne en sens inverse). Le moteur se comporte comme un gnrateur

synchrone dbitant dans le rotor. Les caractristiques obtenues avec un

systme de freinage par injection de courant redress prsentent, par

rapport celles rsultant dun systme contre-courant, des diffrencesimportantes :

- Inergie dissipe dans les rsistances rotoriques ou dans la cage est

moins importante. Il sagit uniquement de lquivalent de lnergie

mcanique communique par les masses en mouvement. La seule

nergie prise au rseau est lexcitation du stator,

- si la charge n'est pas entranante, le moteur ne redmarre pas en sens

inverse,

- si la charge est entranante, le systme fournit un freinage permanent

qui retient cette charge faible vitesse. Il s'agit donc d'un freinage de

ralentissement et non d'un freinage d'arrt. La caractristique est

beaucoup plus stable quen contre-courant.

Dans le cas d'un moteur bagues, les caractristiques couple-vitesse

sont fonction du choix des rsistances.Dans le cas dun moteur cage, ce systme permet de rgler facilement

le couple de freinage en agissant sur le courant continu d'excitation.

Cependant, le couple de freinage sera faible quand le moteur tourne

vitesse leve.

Afin dviter les chauffements inutiles, il faut prvoir un dispositif

coupant le courant dans le stator une fois le freinage ralis.

b Freinage lectronique

Le freinage lectronique s'obtient aisment avec un variateur de vitesse

muni d'une rsistance de freinage. Le moteur asynchrone se comporte

alors comme une gnratrice et l'nergie mcanique est dissipe dans la

rsistance de freinage sans augmentation des pertes dans le moteur.

Pour obtenir des renseignements complmentaires consultez la section

consacre la variation de vitesse lectronique dans le chapitre 5 Dparts

moteurs.

AFig. 15 Principe du freinage courant continupour une machine asynchrone


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75

b Freinage par fonctionnement en hyper-synchrone

Cest le cas o le moteur est entran par sa charge au-dessus de la

vitesse de synchronisme. Il se comporte alors comme une gnratriceasynchrone et dveloppe un couple de freinage. Aux pertes prs,

Inergie est rcupre par le rseau.

Sur un moteur de levage, la descente de la charge la vitesse nominale

correspond ce type de fonctionnement. Le couple de freinage quilibre

alors exactement le couple d la charge et amne non pas un

ralentissement, mais une marche vitesse constante.

Sil sagit dun moteur bagues, il est essentiel de court-circuiter tout ou

partie des rsistances rotoriques, pour viter que le moteur ne soit

entran trs au-del de sa vitesse nominale, avec les risques mcaniques

que cela comporterait.

Ce fonctionnement possde les qualits idales dun systme de retenu

de charge entranante :

- la vitesse est stable, pratiquement indpendante du couple entranant,

- Inergie est rcupre et renvoye au rseau.

Il ne correspond cependant qu une seule vitesse, cest--dire

approximativement la vitesse nominale.

Le freinage hyper synchrone se rencontre galement sur les moteurs

plusieurs vitesses lors du passage de la grande la petite vitesse.

Le freinage en hyper synchrone est aisment ralisable avec un variateur

de vitesse lectronique, le seul fait de baisser la consigne de frquence

entrane automatiquement ce type de fonctionnement.

b Autres systmes de freinage

On rencontre encore parfois le freinage en monophas qui consiste

alimenter le moteur entre deux phases du rseau et runir la borne libre

l'une des deux autres relies au rseau. Le couple de freinage est limit au

1/3 du couple maximum moteur. Ce systme ne peut freiner la pleine charge

et ncessite donc d'tre complt par un freinage contre-courant. Ce

fonctionnement saccompagne de dsquilibres et de pertes importantes.

Citons galement le freinage par ralentisseur courants de Foucault.

Cest un principe analogue celui utilis sur les vhicules industriels en

complment des freins mcaniques (ralentisseurs lectriques). Lnergie

mcanique est dissipe en chaleur dans le ralentisseur. Le rglage du

freinage se fait facilement par un enroulement dexcitation. Mais

laugmentation importante de linertie est un inconvnient.

v Inversion du sens de marche

Linversion du sens de marche des moteurs asynchrones triphass(CFig.16) se fait simplement par linversion du champ tournant dans le

moteur, ce qui se ralise en croisant deux enroulements.

Cette inversion se fait en gnral larrt. Dans le cas contraire,

linversion des phases conduit un freinage contre courant (voir le

paragraphe Moteur rotor bobin ). Les autres types de freinage comme

dcrit plus haut sont galement possibles.

Linversion du sens de rotation des moteurs monophass est galement

possible si lon a accs tous les enroulements.

b Dfinition des services types

Le nombre de dmarrages et le nombre de freinages par unit de temps a une

incidence majeure sur lchauffement des moteurs. La norme CEI 60034-1(caractristiques assignes et caractristiques de fonctionnement) dfinit des

services types qui permettent de calculer une image thermique et de

dimensionner les moteurs en fonction de lutilisation prvue. Les paragraphes

qui suivent donnent un aperu des services types. Pour plus dinformations,

consulter la norme et les catalogues des fabricants de moteurs.

4

AFig. 16 Principe dinversiondu sens de marche dunmoteur asynchrone


13



76

v Service continu - service type S1 (CFig.17)

Fonctionnement charge constante dune dure suffisante pour atteindre

lquilibre thermique.

v Service temporaire - service type S2 (CFig.18)

Fonctionnement charge constante pendant un temps dtermin,

moindre que celui requis pour atteindre lquilibre thermique, suivi dun

temps de repos permettant de rtablir un quilibre thermique 20 prs

entre la machine et le fluide de refroidissement.

v Service intermittent priodique - service type S3 (CFig.19)

Suite de cycles identiques comportant chacun une priode de

fonctionnement et de repos. Dans ce type de service, le cycle est tel que

le courant de dmarrage naffecte pas lchauffement de manire

significative.

v Service intermittent priodique dmarrage - service type S4(CFig.20)

Suite de cycles identiques comportant chacun une priode de

fonctionnement et de repos. Dans ce type de service, le cycle est tel que

le courant de dmarrage naffecte pas lchauffement de manire

significative.

v Service intermittent priodique freinage lectrique - servicetype S5 (CFig.21)

Suite de cycles de services comportant chacun une priode dedmarrage, une priode de fonctionnement charge constante, une

priode de freinage lectrique rapide et une priode de repos.

AFig. 21 Service intermittent priodique freinagelectrique/Service S5

AFig. 17 Service continu/Service S1

AFig. 18 Service intermittent/Service S2

AFig. 19 Service intermittent priodique/Service S3

AFig. 20 Service intermittent priodique dmarrage/Service S4


14



77

v Service ininterrompu priodique charge intermittente - servicetype S6 (CFig.22)

Suite de cycles de services identiques comportant chacun une priode defonctionnement charge constante et une priode de fonctionnement

vide. Il nexiste pas de priode de repos.

v Service ininterrompu priodique freinage lectrique - servicetype S7 (CFig.23)

Suite de cycles de services identiques comportant chacun une priode de

dmarrage, une priode de fonctionnement charge constante et une

priode de freinage lectrique. Il nexiste pas de priode de repos.

v Service ininterrompu priodique changements lis de chargeet de vitesse - service type S8 (CFig.24)

Suite de cycles de services identiques comportant chacun une priode defonctionnement charge constante correspondant une vitesse de

rotation prdtermine suivie dune ou plusieurs priodes de

fonctionnement dautres charges constantes correspondant

diffrentes vitesses de rotation (ralises par le changement du nombre

de ples par exemple). Il nexiste pas de priode de repos.

v Service variations non priodiques de charge et devitesse - service type S9 (CFig.25)

Service dans lequel, gnralement, la charge et la vitesse ont une

variation non priodique dans la plage de fonctionnement admissible. Ce

service inclut frquemment des surcharges qui peuvent tre largement

suprieures la pleine charge.

v Service rgimes constants distincts - servicetype S10 (CFig.26)

Service comportant au plus quatre valeurs distinctes de charge (ou de

charges quivalentes), chaque valeur tant applique pendant une dure

suffisante pour que la machine atteigne lquilibre thermique. La charge

minimale pendant un cycle de charge peut avoir la valeur zro

(fonctionnement vide ou temps de repos).

4

AFig. 22 Service interrompu priodiques charge intermittente/Service S6

AFig. 23 Service interrompu priodique freinage lectrique/Service S7

AFig. 24 Service interrompu priodique changements lis de charge et devitesse/Service S8

AFig. 25 Service variations nonpriodiques de charge etde vitesse/Service S9

AFig. 26 Service rgimes constantsdistincts/Service S10


15


16

4.3 Les dmarreurs multifonctions4. Dmarrage etprotection desmoteurs

79


17

4.4 La protection des moteurs4. Dmarrage etprotection desmoteurs

80


18

4.5 Pertes et chauffement dans les moteurs

4.6 Les diffrentes causes de dfauts et leursconsquences


81


19



82

v Ces disfonctionnements peuvent provenir

de la source dalimentation- coupure dalimentation,- inversion ou dsquilibre de phases,- baisse de tension,- surtension,- etc.

du mode dexploitation du moteur- rgimes de surcharge,- nombre de dmarrage et rgime de dmarrage,- inertie de la charge,- etc.

de linstallation du moteur- dsalignement,- balourd,- efforts excessifs sur larbre,- etc.

b Les dfauts internes au moteurAvaries concernant lenroulement statorique ou rotorique

Lenroulement statorique dun moteur lectrique est constitu de

conducteurs en cuivre isols par du vernis. La rupture de cette isolation

peut provoquer un court-circuit permanent, entre une phase et la masse,

entre deux voire trois phases, ou entre spires dune mme phase

(CFig. 37). Elle peut-tre provoque par des phnomnes lectriques

(dcharges superficielles, surtensions), thermiques (sur-chauffement) ou

mme mcaniques (vibrations, efforts lectrodynamiques sur les

conducteurs).

Des dfauts disolement peuvent galement se produire au sein de

lenroulement rotorique avec la mme consquence : la mise hors

service du moteur.

La cause la plus frquente davarie au niveau des enroulements dun

moteur est une lvation trop importante de leur temprature. Cette

lvation est souvent provoque par une surcharge impliquant une

augmentation du courant circulant dans ces enroulements.

La courbe de lafigure 38 fournie par la plupart des constructeurs de

moteurs lectriques, montre lvolution de la rsistance disolement en

fonction de la temprature : plus la temprature augmente et plus la

rsistance disolement diminue. La dure de vie des enroulements, et par

consquent du moteur, se rduit donc fortement.

La courbe de lafigure 39, montre quune augmentation de 5 % du

courant, quivalente une lvation de temprature denviron + 10,

diminue de moiti la dure de vie des enroulements.

Une protection contre les surcharges est donc ncessaire pour viter les

sur-chauffements et rduire les risques davaries internes au moteur par

rupture disolement des bobinages.

b Les dfauts externes au moteurPhnomnes lis lalimentation lectrique du moteur

v Surtensions

Toute tension applique un quipement dont la valeur crte sort des

limites dun gabarit dfini par une norme ou une spcification est une

surtension (Cf Cahiers Techniques Schneider-Electric n151 et 179).

Les surtensions (CFig. 40) temporaires ou permanentes peuvent avoir

diffrentes origines :

- atmosghrique (coup de foudre),- dcharge lectrostatique,


20



83


21



84


22



85

Consquences sur les machines vitesse variable

Les problmes poss par les creux de tension appliqus aux variateurs

de vitesse sont :

- impossibilit de fournir la tension suffisante au moteur (perte decouple, ralentissement),

- disfonctionnement des circuits de contrle aliments directement par

le rseau,

- surintensit au retour de la tension (recharge du condensateur de

filtrage des variateurs),

- surintensit et dsquilibre de courant sur le rseau en cas de creux

de tension sur une seule phase.

Les variateurs de vitesse se mettent gnralement en dfaut pour une

chute de tension suprieure 15 %.

v Prsence dharmoniques

Toute fonction priodique (de frquence f) peut se dcomposer en une

somme de sinusodes de frquence h x f (h : entier) :

Le taux de distorsion harmonique (DHT pour Distorsion Harmonique

Totale) donne une mesure de la dformation du signal :

Les courants et tensions harmoniques sont crs par des charges non

linaires raccordes au rseau de distribution. La distorsion harmonique

(CFig. 46) est une forme de pollution du rseau lectrique susceptible de

poser des problmes pour un taux suprieur 5 %.

Les quipements dlectroniques de puissance (variateur de vitesse,

onduleur, etc.) sont les principales sources injectant des harmoniques

dans le rseau. Le moteur, ntant pas parfait, peut lui mme tre

lorigine dharmonique de rang 3 ; dans le cas dun couplage en triangle

un rquilibrage du flux peut alors apparatre gnrant un courant dans

ses enroulements.

La prsence dharmonique provoque, dans les moteurs, une

augmentation des pertes par courants de Foucault do des

chauffements supplmentaires. Ils peuvent galement engendrer des

couples pulsatoires (vibrations, fatigue mcanique), des nuisances

sonores et limiter lemploi des moteurs pleine charge (cf. Cahiers

Techniques Schneider-Electric n 199).

4

h total (h1+h5) h1 h5

AFig. 46 Relev dune tension sinusodale comportantdes harmoniques de rang 5


23



86

b Les dfauts externes au moteur : phnomnes lis lexploitation du moteur

v Dmarrage trop long et/ou trop frquentLa phase de dmarrage dun moteur correspond la dure qui lui est

ncessaire pour atteindre sa vitesse de rotation nominale.

Le temps de dmarrage (tD) dpend du couple rsistant (Cr) et du couple

moteur (Cm).

avec

J : moment dinertie global des masses en mouvement,

N(tr.s-1) : vitesse de rotation du rotor.

Compte tenu de ses caractristiques intrinsques, chaque moteur ne peut

supporter quun nombre limit de dmarrages, gnralement prcis par

son fabricant (nombre de dmarrages par heure).

De mme, chaque moteur a un temps de dmarrage fonction de son

courant de dmarrage (CFig. 47).

v Blocage du rotor

Le blocage dun moteur, pour une cause mcanique, provoque une

surintensit sensiblement gale au courant de dmarrage. Mais

lchauffement qui en rsulte est beaucoup plus important car les pertes

dans le rotor sont maintenues leur valeur maximale durant tout le blocage

et la ventilation est supprime si celle-ci est lie la rotation du rotor. Les

tempratures rotoriques peuvent devenir trs importantes (350 C).

v Surcharge (ralentissement ou survitesse)

La surcharge dun moteur est provoque par une augmentation du couple

rsistant ou par une baisse de la tension rseau (> 10 % de Un).

Laugmentation du courant consomm par le moteur engendre unchauffement qui rduit sa dure de vie et peut lui tre fatal plus ou

moins long terme.

b Synthse

Cette synthse ralise sous la forme du tableau de lafigure 48prsente

pour chaque type de dfaut ses origines possibles, ses effets probables

et les consquences avres.

Dans tous les cas, deux protections sont toujours ncessaires pour les

moteurs :

- protection contre les courts-circuits,

- protection contre les surcharges (sur-chauffement).

Mise en contact de

plusieurs phases, d'une phase et du neutre ou

de plusieurs spires

Pointe de courant

Efforts

lectrodynamiques

sur les conducteurs

Destruction des

enroulements

Court circuit

Consquences Dfauts Origines Effets

sur le moteur

Foudre

Dcharge

lectrostatique Manuvre

Claquage dilectrique

au niveau des

enroulements

Destruction des

enroulements par

perte d'isolation

Surtension

Ouverture d'une phase

Charge monophas en amont du moteur

Diminution du

couple utile

Sur-chauffement(*)Dsquilibre de

tension

Instabilit de la tension

du rseau

Branchement de fortes charges

Diminution du

couple utile

Augmentation des pertes

Sur-chauffement(*)Baisse et creux de

tension

Polution du rseau par variateurs de vitesse,

onduleurs, etc ...

Diminution du couple utile

Augmentation des

pertes

Sur-chauffement(*)Harmoniques

Couple rsistant trop

important

Baisse de tension

Augmentation du

temps de dmarrage

Sur-chauffement(*)Dmarrage trop long

Problme mcanique Surintensit Sur-chauffement(*)Blocage

Surcharge Augmentation du

couple rsistant

Baisse de tension

Augmentation du

courant consomm

Sur-chauffement(*)

(*) Puis, plus ou moins long terme, selon limportance du dfaut et/ou sa frquence,

court-circuit et destruction des enroulements.

AFig.48 Synthse des dfauts possibles pour un moteur avec leurs origines, effets etconsquences

AFig. 47 Temps de dmarrage admissible des moteursen fonction du rapport courant de dmarrage

sur courant nominal


24

4.7 Les fonctions et les produits de protection4. Dmarrage etprotection desmoteurs

87

4.7 Les fonctions et les produits de protection

b Protection contre les courts-circuits

v Gnralits

Un court-circuit est une mise en relation directe de deux points qui sont

des potentiels lectriques diffrents :

- en courant alternatif: liaison entre phases, entre phase et neutre, entre

phase et masse conductrice ou entre spires dune mme phase,

- en courant continu : liaison entre les deux polarits ou entre une

masse conductrice et la polarit qui en est isole.

Diverses causes sont possibles : dtrioration du vernis isolant des

conducteurs, desserrage, rupture ou dnudage de fils ou de cbles,

prsence de corps mtalliques trangers, dpts conducteurs

(poussires, humidit, etc.), pntration deau ou dautres liquides

conducteurs, dtrioration du rcepteur, erreur de cblage la mise en

route ou lors dune intervention.

Un court-circuit se traduit par une augmentation brutale du courant qui

peut atteindre en quelques millisecondes une valeur gale plusieurs

centaines de fois le courant demploi. Un court-circuit peut avoir des

effets dvastateurs et provoquer des dtriorations importantes sur le

matriel. Il se caractrise par deux phnomnes :

Un phnomne thermique

Il correspond la quantit d'nergie libre dans le circuit lectrique

parcouru par le courant de court-circuit I durant un temps t selon la

formule I2t et exprime en A2

s. Cet effet thermique peut provoquer :

- la fusion des contacts du contacteur,

- la destruction des lments thermiques dun relais bilame si la

coordination est de type I,

- la gnration darcs lectriques,

- la calcination des matriaux isolants,

- lincendie dans lquipement.

Un phnomne lectrodynamique

Il se traduit entre les conducteurs par des efforts mcaniques intenses,

provoqus par le passage du courant avec les manifestations suivantes :

- dformation des conducteurs formant les enroulements du moteur,

- casse des supports isolants des conducteurs,

- rpulsion des contacts ( lintrieur des contacteurs) pouvant entraner

leur fusion et leur soudure.

De telles manifestations sont dangereuses la fois pour les biens et pour

les personnes. Il est donc impratif dutiliser contre les courts-circuits des

dispositifs de protection chargs de dtecter le dfaut, et dinterrompre le

circuit trs rapidement, avant que le courant natteigne sa valeur

maximale.

Pour cela, deux dispositifs de protection sont communment employs :

- les fusibles (coupe-circuits) qui interrompent le circuit par leur fusion,

laquelle ncessite ensuite leur remplacement,

- les disjoncteurs dclencheur magntique, souvent dnomms plus

simplement disjoncteurs magntiques, qui interrompent

automatiquement le circuit par ouverture de leurs ples et dont la

remise en service ne ncessite quune manuvre de

r-enclenchement.

La protection contre les courts-circuits peut aussi tre intgre des

appareils fonctions multiples tels que les disjoncteurs-moteurs et les

contacteurs-disjoncteurs.

4


25


88

v Dfinitions et caractristiques

Les principales caractristiques des protections contre les courts-circuits

sont :

- leur pouvoir de coupure : cest la plus grande valeur du courant

prsum de court-circuit quun appareil de protection peut

interrompre sous une tension donne,

- leur pouvoir de fermeture : cest la plus grande valeur du courant que

lappareil de protection peut tablir sous sa tension nominale dans

des conditions spcifies. Le pouvoir de fermeture est gal k fois le

pouvoir de coupure selon le tableau de lafigure 49.

v Les fusibles (coupe-circuits)

Les fusibles ralisent une protection phase par phase (unipolaire), avec un

pouvoir de coupure important sous un faible volume. Ils assurent la

limitation des I2t et des contraintes lectrodynamiques (Icrte).

Ils se montent :

- soit sur des supports spcifiques appels porte-fusibles,- soit dans des sectionneurs en remplacement des douilles ou des

barrettes (CFig. 50).

A noter que des cartouches fusibles munies dun percuteur peuvent tre

associes un dispositif de coupure omnipolaire (souvent le contacteur

de commande du moteur) pour empcher la marche en monophas lors

de leur fusion.

Pour la protection des moteurs, les fusibles utiliss sont ceux de type aM.

Leur particularit est de laisser passer les surintensits du courant

magntisant la mise sous tension des moteurs. De fait, ils ne sont pas

adapts la protection contre les surcharges (contrairement aux fusibles

de type gG). Cest pourquoi, il est ncessaire dajouter un relais de

surcharge dans le circuit dalimentation des moteurs.

En gnral, leur calibre doit tre immdiatement suprieur au courant de

pleine charge du moteur protger.

v Les disjoncteurs magntiques

Ces disjoncteurs assurent, dans la limite de leur pouvoir de coupure et

par lintermdiaire de leurs dclencheurs magntiques (un par phase), la

protection des installations contre les courts-circuits (C Fig. 51).

Les disjoncteurs magntiques ralisent dorigine une coupure

omnipolaire : le fonctionnement dun seul dclencheur magntique suffit

commander louverture simultane de tous les ples.

Pour des courants de court-circuit peu levs, le fonctionnement des

disjoncteurs est plus rapide que celui des fusibles.

Cette protection est conforme la norme CEI 60947-2.

Pour interrompre efficacement un courant de court circuit, trois impratifs

doivent tre respects :

- dtecter trs tt le courant de dfaut,

- sparer trs vite les contacts,

- interrompre le courant de court-circuit.

La plupart des disjoncteurs magntiques pour protger les moteurs sont

limiteurs et contribuent ainsi la coordination (CFig.52). Leur dure de

coupure particulirement brve leur permet dinterrompre le courant de

court-circuit avant quil natteigne son amplitude maximale.

De fait, les effets thermiques et lectrodynamiques sont aussi limits,

do une meilleure protection des cbles et de lappareillage.

AFig. 49 Pouvoirs de coupure et de fermeture, fixspar la norme CEI 60947-2 pour lesdisjoncteurs

Pouvoir de Pouvoir deCos

coupure (PC) fermeture (PF)

4.5kA < PC < 6kA 0.7 1.5 PC

6kA < PC < 10kA 0.5 1.7 PC

10kA < PC < 20kA 0.3 2 PC

20kA < PC < 50kA 0.25 2.1 PC

50kA < PC 0.2 2.2 PC

AFig. 50 Sectionneurs 32 et 125 A fusibles (LS1-D32et GS1-K4 - Telemecanique)

AFig. 51 Disjoncteur magntique GV2-L (marqueTelemecanique) et son symbole graphique

AFig. 52 Courbes de dclenchement des disjoncteursmagntiques


26


89

b Protection contre les surcharges

v Gnralits

La surcharge est le dfaut le plus frquent sur les moteurs. Elle semanifeste par une augmentation du courant absorb par le moteur et par

des effets thermiques. La classe disolation dtermine lchauffement

normal dun moteur une temprature ambiante de 40C. Tout

dpassement de la temprature limite de fonctionnement conduit une

rduction de la dure de vie par vieillissement prmatur des isolants.

Notons toutefois quune surcharge conduisant un chauffement

suprieur la normale naura pas deffets nfastes immdiats si elle est

limite dans le temps et peu frquente. Elle nimplique donc pas

ncessairement un arrt du moteur, mais il est important de revenir

rapidement des conditions de fonctionnement normales.

Limportance dune bonne protection contre les surcharges est donc

vidente :

- elle prserve la dure de vie des moteurs en interdisant leurfonctionnement dans des conditions anormales dchauffement,

- elle assure la continuit dexploitation en :

- vitant des arrts intempestifs des moteurs,

- permettant, aprs dclenchement, un redmarrage dans les

meilleures conditions de scurit pour les hommes et les

quipements.

Les conditions relles d'emploi (temprature ambiante, altitude

d'utilisation et service normalis) sont essentielles pour dterminer les

valeurs d'emploi du moteur (puissance, courant) et pour pouvoir choisir

une protection efficace contre les surcharges (CFig.53). Ces valeurs

d'emploi sont fournies par le constructeur du moteur.

Selon le niveau de protection souhait, la protection contre les surcharges

peut-tre ralise par des relais :

- de surcharge, thermique (bilames) ou lectroniques, qui au minimum

protgent les moteurs dans les deux cas suivants :- surcharge, par le contrle du courant absorb sur chacune des phases,

- dsquilibre ou absence de phases, par son dispositif diffrentiel,

- sondes thermistances CTP ( Coefficient de Temprature Positif),

- de sur-couple,

- multifonctions.

4

Altitude Temprature ambiante

m 30C 35C 40C 45C 50C 55C 60C

1000 1.07 1.04 1.00 0.96 0.92 0.87 0.82

1500 1.04 1.01 0.97 0.93 0.89 0.84 0.79

2000 1.01 0.98 0.94 0.90 0.86 0.82 0.77

2500 097 0.95 0.91 0.87 0.84 0.79 0.75

3000 0.93 0.91 0.87 0.84 0.80 0.76 0.71

3500 0.89 0.86 0.83 0.80 0.76 0.72 0.68

4000 0.83 0.81 0.78 0.75 0.72 0.68 0.64

Les valeurs du tableau ci-dessus sont donnes titre indicatif. En effet, ledclassement d'un moteur est fonction de sa taille, de sa classe d'isolation, du

mode de construction (moteur auto ventil ou moto ventil, degr de protectionIP 23, IP 44, etc.), et varie suivant les fabricants.

La valeur de puissance nominale qui apparat gnralement sur la plaque dunmoteur est dfinie par le constructeur pour un service continu S1 (fonctionnement rgime constant et d'une dure suffisante pour atteindre l'quilibre thermique).

Il existe d'autres services normaliss, tel que le service temporaire S2, ou lesservices intermittents priodiques S3, S4, et S5 pour lesquels le constructeurd'un moteur dfinit, dans chaque cas, une puissance d'emploi diffrente de lapuissance nominale.

AFig. 53 Coefficients de dclassement des moteurs selon leurs conditions d'emploi


27


90

Un relais de protection na pas de fonction de coupure. Il est destin

commander louverture dun appareil de coupure, appareil qui doit avoir le

pouvoir de coupure requis pour le courant de dfaut interrompre, en gnral un

contacteur.A cet effet, les relais de protection disposent dun contact de dfaut (NC) qui est

placer en srie avec l'alimentation de la bobine du contacteur.

v Les relais de surcharge (thermiques ou lectroniques)

Gnralits

Ces relais protgent les moteurs contre les surcharges, mais ils doivent

admettre la surcharge temporaire due au dmarrage, et ne dclencher

que si le dmarrage est anormalement long.

Selon les applications, la dure de dmarrage des moteurs peut varier de

quelques secondes (dmarrage vide, couple rsistant peu lev, etc.)

quelques dizaines de secondes (couple rsistant important, forte inertie

de la charge entrane, etc.).

Il est donc ncessaire de disposer de relais adapts la dure de

dmarrage. Pour rpondre ce besoin, la norme CEI 60947-4-1 dfinit

plusieurs classes de relais de surcharge caractrises chacune par leur

temps de dclenchement (CFig.54).

Le calibre du relais est choisir en fonction du courant nominal du

moteur et du temps de dmarrage calcul.

Les limites dutilisation sont galement caractrises par des courbes

(CFig. 55) fonction du temps et de la valeur du courant de rglage (note

en multiple de Ir).

Ces relais possdent une mmoire thermique (sauf pour certains relais

lectroniques de surcharge, signals par leurs constructeurs) et peuvent

tre connects :

- soit en srie avec la charge,

- soit, pour les fortes puissances, des transformateurs de courant

placs en srie avec la charge.

v Les relais thermiques de surcharge bilames (CFig. 56 et 57)

Ils assurent, par association avec un contacteur, la protection du moteur,

de la ligne et de l'appareillage contre les surcharges faibles et prolonges.

Ils sont donc conus pour autoriser le dmarrage normal des moteurs

sans dclencher. Cependant, ils doivent tre protgs contre les fortes

surintensits par un disjoncteur, ou par des fusibles (voir protection contre

les courts-circuits).

AFig. 54 Principales classes de dclenchement des relais de surcharge selon la normeCEI 60947-4-1

Temps de dclenchement partir de ltat :

Froid Chaud Chaud Froid

1,05 x Ir 1,2 x Ir 1,5 x Ir 7,2 x IrTolrances plus

troites (bande E)

Classe

10 A > 2 h < 2 h < 2 h min 2 s < tp < 10 s -

10 > 2 h < 2 h < 4 h min 4 s < tp < 10 s 5 s < tp < 10 s20 > 2 h < 2 h < 8 h min 6 s < tp < 20 s 10 s < tp < 20 s

30(*) > 2 h < 2 h < 12 h min 9 s < tp < 30 s 20 s < tp < 30 s

(*) classe peu utilise dans les pays europens mais dun usage rpandu aux

Etats Unis.Etat froid : tat initial sans charge pralable

Etat chaud : quilibre thermique atteint Ir

Ir : courant de rglage du relais de surcharge

AFig. 55 Courbes de dclenchement des relais desurcharge

AFig. 56 Relais thermique de surcharge bilames LRD(marque Telemecanique) et son symbole

graphique


28


91

Le principe du fonctionnement dun relais thermique de surcharge repose

sur la dformation de ses bilames chauffs par le courant qui les

traversent.

Au passage du courant les bilames se dforment et, suivant le rglage,

provoquent louverture brusque du contact du relais.

Le rarmement ne peut seffectuer que lorsque les bilames sont

suffisamment refroidis.

Les relais thermiques de surcharge sont utilisables en courant alternatif et

continu, ils sont gnralement :

- tripolaires,

- compenss, cest dire insensibles aux variations de la temprature

ambiante (courbe de dclenchement identique de 0 40C selon un

gabarit normatif (CFig.58),

- rarmement manuel ou automatique,

- gradus en ampres moteur : affichage direct sur le relais du

courant indiqu sur la plaque signaltique du moteur.Ils peuvent galement tre sensibles une perte de phase : cest la

notion de diffrentiel. Cette fonctionnalit vite la marche en monophas

du moteur, et rpond aux conditions de la norme CEI 60947-4-1 et

60947-6-2 (C tableau Fig. 59).

Couramment utilis, ce relais offre une excellente fiabilit, et son cot est

faible. Il est particulirement recommand s'il existe un risque de blocage

du rotor. Il prsente cependant les inconvnients de ne pas tenir compte

de manire trs prcise de l'tat thermique du moteur protger et dtre

sensible lenvironnement thermique de lendroit o il est install

(ventilation darmoir, etc.).

v Les relais lectroniques de surcharge (CFig. 60)

Ces relais bnficient des avantages de llectronique qui permet de

crer une image thermique du moteur plus labore. A partir dun

modle reconstituant les constantes de temps thermiques du moteur,llectronique calcule en permanence la temprature du moteur en

fonction du courant qui la travers et des temps de fonctionnement.

La protection approche donc mieux la ralit et peut viter des

dclenchements intempestifs. Les relais lectroniques de surcharge

sont moins sensibles lenvironnement thermique de lendroit o ils

sont installs.

Outre les fonctions classiques des relais de surcharge (protection des

moteurs contre les surcharges, les dsquilibres et labsence de phases),

les relais lectroniques de surcharge peuvent tre complts par des

options telles que :

- le contrle de la temprature par sondes CTP,

- la protection contre les blocages et les sur couples,

- la protection contre les inversions de phases,

- la protection contre les dfauts disolement,

- la protection contre la marche vide,

- etc.

4

AFig. 57 Vue interne dun relais thermique desurcharge et dtail dun de ses bilames

AFig. 58 Zone de dclenchement pour les relais desurcharge thermique compenss selon latemprature de lair ambiant (source IEC60947-4-2 et 6-2)

Temps de dclenchementMultiple de la valeur du

courant de rglage

2 ples : 1.0 Ir> 2 h

1 ple : 0.9 Ir

2 ples : 1.15 Ir> 2 h

1 ple : 0

AFig. 59 Limite de fonctionnement dun relais de surcharge thermique diffrentiel(sensible une perte de phase)

AFig. 60 Relais lectronique de surcharge (LR9F -Telemecanique)


29


92

v Les relais sondes thermistance CTP

Ces relais de protection contrlent la temprature relle du moteur

protger. Ils offrent une excellente prcision de la mesure de la

temprature : leur volume rduit leur confre une inertie thermique trs

faible et donc un temps de rponse trs court.

Avec le contrle direct de la temprature des enroulements statoriques,

ils peuvent tre utiliss pour protger les moteurs contre : surcharge,

lvation de temprature ambiante, dfaut du circuit de ventilation,

frquence de dmarrages trop leve, marche par -coups, etc.

Ils comportent : ils sont composs de plusieurs lments distincts.

Une ou plusieurs sondes thermistance Coefficient de Temprature

Positif (CTP) places au sein des bobinages des moteurs ou tout endroit

susceptible de schauffer (paliers, roulements, etc.).

Ce sont des composants statiques dont la rsistance augmente

brutalement quand la temprature atteint un seuil appel Temprature

Nominale de Fonctionnement (TNF) selon la courbe de lafigure 61.

Un dispositif lectronique

Il est en alternatif ou en courant continu et mesure en permanence la

rsistance des sondes qui lui sont associes. Lorsque la TNF est atteinte,

le circuit seuil dtecte la brusque lvation de rsistance de la sonde et

commande alors le changement dtat des contacts de sortie. Selon les

sondes choisies, ce mode de protection peut-tre utilis :

- soit pour fournir une alarme sans arrt de la machine (TNF infrieure

la temprature maximale prescrite pour llment protger),

- soit pour commander larrt (TNF correspondant la temprature

maximale prescrite) (C Fig.62).

Lemploi de ce mode de protection doit tre prvu lavance car les

sondes doivent tre incorpores aux enroulements lors de la fabrication

du moteur, ou lors dun rebobinage ventuel aprs un incident.

Le choix des sondes CTP incorporer dpend de la classe disolation et

de la structure du moteur. Ce choix est normalement fait par les

constructeurs de moteurs ou les rebobineurs qui, seuls, possdent les

comptences ncessaires.

Ces deux contraintes font que ce choix de protection via des sondes CTP

est plutt rserv des quipements haut de gamme dont les moteurs

sont dun cot lev.

v Les relais de surcouple : une protection complmentaire(CFig.63)

En complment d'une protection thermique par relais ou par sonde CTP,

ils assurent une protection de la chane cinmatique, en cas de blocage

du rotor, de grippage ou d'-coups mcaniques.Ces relais, contrairement la majeure partie des relais de surcharge, ne

possdent pas de mmoire thermique. Ils ont une caractristique de

fonctionnement temps dfini (seuil de courant et temporisation rglables).

Le relais de surcouple peut tre utilis comme protection contre les

surcharges pour les moteurs ayant des dmarrages longs ou trs

frquents (ex. palan).

v Les relais multifonctions

Les relais thermiques lectromcaniques ou lectroniques

Ils protgent les moteurs partir de la mesure du courant et s'avrent

suffisants pour les applications courantes, ils sont cependant limits

lorsqu'il s'agit de prendre en compte les problmes lis la tension, la

temprature ou des applications particulires. De plus de nouveauxbesoins de gestion de production ou de maintenance sont apparus et ont

incits les fabricants de matriel lectrique proposer de nouveaux

produits permettant non seulement une protection adaptable mais aussi

une gestion complte du moteur et de sa charge.

AFig. 61 Balises ou points de fonctionnement dessondes thermistance CTP

AFig. 62 Dispositif lectronique (LT3 - Telemecanique) associer trois sondes thermistance, pourcommander larrt dun moteur endpassement de temprature

AFig. 63 Relais de surcouple, marque Telemecanique


30


93

Le dveloppement

Le dveloppement de ces relais est possible grce l'utilisation conjointe

des technologies suivantes :

- des capteurs de tension et de courant, ces derniers bass sur des

concepts sans matriel magntique (tores de Rogowsky) ont des

temps de rponse trs court et une excellente linarit,

- une technologie lectronique hybride analogique et numrique ayant

une bonne puissance de traitement et de capacit mmoire,

- l'utilisation des bus de communications pour les changes de

donnes et le contrle,

- des algorithmes performants de modlisation des moteurs,

- des programmes d'applications intgres et paramtrables.

Ces nouvelles gnrations de produits permettent de rduire les cots

depuis la conception en simplifiant la programmation des automates

jusqu' l'exploitation en rduisant les cots de maintenance et les temps

d'arrt.

Nous donnons ci-dessous une prsentation rapide des solutions

possibles ainsi qu'un guide de choix simplifi. Nous conseillons aux

lecteurs de se reporter aux documents techniques de Schneider Electric

qui prsentent l'offre de manire exhaustive.

Trois familles de produit

L'ensemble des relais multifonctions peut tre illustr par trois familles de

produits.

Solution 1 : relais multifonctions intgr au dmarreur moteur (CFig. 64).

Cette solution prsente l'avantage d'tre trs compacte avec un cblage

rduit. Elle est limite aux courants infrieurs 32A.

Solution 2 : relais multifonction spar de la ligne puissance et utilisant

les blocs fonctions de la solution 1, il permet une association avec des

organes de toute puissance (CFig. 65).

Solution 3 : relais multifonction spar de la ligne puissance et intgrant

plusieurs entres/sorties (CFig. 66).

C'est la solution qui prsente le plus de fonctionnalits.

Tableau de choix des relais de protection

Un comparatif des principales fonctions des protections moteur estdonn dans le tableaufigure 67. Des informations plus compltes sont

fournies dans les documentations techniques du constructeur.

4

AFig. 64 Relais multifonction intgr au dmarreur

AFig. 65 Relais multifonction spar de la lignepuissance

AFig. 66 Relais multifonction indpendant


31


94

Relais de

surcharge

(thermique ou

lectrique)

Relais

sondes

PTC

Relais de

surcoupleRelais multifonction

Intgr au

dmarreur

Contrleur

moteur

spar

Systme

de gestion

de moteur

spar

Types de relais

AFig. 67 Tableau des protections moteur

Type de fonction

Courant

Classe de protection 10 et 20 5 20 5 20 5 30

Surintensit ++ +++ +++ +++ +++

Dfauts de terre

Dsquilibre de phases ++ ++ ++ +++

Blocage mcanique pendant /+ ++ ++ ++ +++aprs le dmarrage

Marche vide module module +++

Tension et puissance

Dsquilibre de tension +++

Perte d'une phase +++

Inversion de phase +++

Sous tension +++

Surtension +++

Puissance et facteur de puissance +++

Temprature

Sondes CTP module module +++

Sondes PT100 module module +++

Logique

Table de vrit 3 I/O 10 I/O 10 20 I/O

Temporisateur ++

Contrle application

Dmarrage direct +++ +++ +++

Inverseur +++ +++ +++

Etoile triangle +++ +++ +++

Part winding deux vitesses +++ +++

Exploitation / maintenance

Diagnostic + + +++

Historique module module +++

Liaisons / communication

Affichage local + module module +++

Affichage dport par bus module module +++de communication

Contrle / commande par busmodule module +++de communication


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95

bLes disjoncteurs moteurs (disjoncteurs magntothermiques)

v Gnralits

Le disjoncteur moteur est un disjoncteur magntothermique qui ralise la fois la protection contre les courts-circuits et contre les surcharges

par ouverture rapide du circuit en dfaut. Il est la combinaison du

disjoncteur magntique et du relais de surcharge. Il satisfait aux normes

CEI 60947-2 et 60947-4-1 (CFig.68 ).

Dans ces disjoncteurs, les dispositifs magntiques (protection contre les

courts-circuits) ont un seuil de dclenchement non rglable, en gnral

denviron 10 fois le courant de rglage maximal des dclencheurs thermiques.

Leurs lments thermiques (protection contre les surcharges) sont

compenss contre les variations de la temprature ambiante. Le seuil de

protection thermique est quant lui rglable en face avant du disjoncteur.

Sa valeur doit correspondre au courant nominal du moteur protger.

Dans tous ces disjoncteurs, la coordination (type II) entre les lmentsthermiques et la protection court-circuit est assure par construction.

De plus, en position d'ouverture, la plupart de ces appareils ont une

distance d'isolement suffisante (entre leurs contacts) pour raliser la

fonction de sectionnement. Ils intgrent galement un dispositif de

cadenassage ncessaire la consignation.

v Courbes de dclenchements

Un disjoncteur moteur est caractris par sa courbe de dclenchement,

qui reprsente les temps de dclenchement du disjoncteur en fonction du

courant (multiple de Ir).

Cette courbe comporte quatre zones (CFig. 69) :

- la zone de fonctionnement normal. Tant que I < Ir , il ny a pas de

dclenchement,

- la zone des surcharges thermiques. Le dclenchement est assur par

le thermique; plus la surcharge est importante, plus le temps de

dclenchement est court. Ce mode de dclenchement est ainsi

appel temps inverse dans les normes,

- la zone des courants forts, surveille par le magntique instantan

ou court-circuit dont le fonctionnement est instantan (infrieur

5 ms),

- et sur certains disjoncteurs (disjoncteurs lectroniques), une zone

intermdiaire surveille par un magntique temporis dont le

fonctionnement est retard (de 0 300 ms). Ce mode de

dclenchement est appel retard indpendant dans les normes. Il

permet dviter des dclenchements intempestifs lenclenchement

sur les pointes de courants magntisants des moteurs.

Leurs limites sont :Ir : courant de rglage de la protection contre les surcharges, il doit

correspondre la valeur du courant nominal (In) du moteur protger,

Im : courant de dclenchement de la protection magntique temporise,

Iinst : courant de dclenchement de la protection magntique

instantane. Il peut varier de 3 17 fois Ir mais est en gnral

proche de 10 Ir,

Ics : pouvoir assign de coupure de service en court-circuit,

Icu : pouvoir de coupure ultime (maximum) en court-circuit.

b Conclusion

La protection des moteurs est une fonction essentielle pour la continuit

du fonctionnement des machines. Le choix du dispositif de protection

doit tre fait avec rigueur. Lutilisateur aura tout intrt slectionner les

dispositifs intgrant une lectronique de communication pour anticiper et

prvenir les ventuels dfauts. La recherche danomalies et la rapidit de

remise en route seront ainsi grandement amliores.

4

AFig. 68 Disjoncteur-moteur (GV7 - Telemecanique) etson symbole graphique

AFig. 69 Zones de fonctionnement dun disjoncteurmagntothermique

Documents

Démarrage et protection des moteurs électriques.pdf