Démarrage étoile-triangle d'un moteur asynchrone
Un moteur asynchrone triphasé à cage, 400 V / 690 V, 50 Hz, 30 kW, 4 pôles, est alimenté par un réseau 400 V entre phases. Le moteur est couplé en triangle pour fonctionner en 400 V. On souhaite le démarrer en étoile-triangle. Le courant nominal absorbé est de 55 A et le courant de démarrage direct est de 6 fois le courant nominal. Le couple résistant de la charge est constant et égal à 60 % du couple nominal. Le démarreur étoile-triangle est réglé pour passer en triangle après 5 secondes. On observe que le moteur ne parvient pas à accélérer et que le passage en triangle se fait avec un à-coup de courant important.
1. Calculer le courant et le couple de démarrage en étoile. Vérifier si le moteur peut démarrer avec la charge donnée. Expliquer pourquoi le moteur ne parvient pas à accélérer.
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En couplage étoile, chaque enroulement est soumis à une tension réduite d'un facteur ( \sqrt{3} ) par rapport au couplage triangle. Le courant de ligne en étoile est divisé par 3 par rapport au démarrage direct en triangle : ( I_{dY} = I_{d\Delta}/3 = (6 \times 55)/3 = 110 , \text{A} ). Le couple de démarrage est proportionnel au carré de la tension appliquée aux enroulements, donc divisé par 3 : ( C_{dY} = C_{d\Delta}/3 ). Le couple nominal ( C_n = \frac{P_n}{\omega_n} ) avec ( \omega_n = \frac{2\pi \times 1500}{60} = 157 , \text{rad/s} ), donc ( C_n = 30000/157 \approx 191 , \text{Nm} ). Le couple de démarrage direct est généralement de l'ordre de 2 à 3 fois Cn ; supposons ( C_{d\Delta} = 2,5 C_n \approx 478 , \text{Nm} ). Alors ( C_{dY} \approx 159 , \text{Nm} ). La charge oppose un couple résistant de ( 0,6 \times 191 = 115 , \text{Nm} ). Comme ( C_{dY} > C_r ), le moteur devrait démarrer, mais la marge est faible. Si le couple de démarrage réel est plus faible (par exemple 2 Cn), ( C_{dY} \approx 127 , \text{Nm} ), à peine supérieur à 115 Nm. L'accélération est très lente et le moteur peut ne pas atteindre sa vitesse avant le passage en triangle. De plus, le couple moteur en étoile diminue avec la vitesse, tandis que le couple résistant reste constant ; le point de fonctionnement peut se situer à une vitesse très basse. Le moteur ne parvient donc pas à accélérer suffisamment pour que le passage en triangle se fasse dans de bonnes conditions.
2. Proposer une solution pour améliorer le démarrage sans changer le moteur ni la charge. Justifier le choix et indiquer les précautions à prendre.
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Solution : remplacer le démarreur étoile-triangle par un démarreur progressif (variateur de fréquence ou démarreur électronique) qui permet d'appliquer un couple plus élevé tout en limitant le courant, ou augmenter la temporisation et vérifier que le moteur a atteint une vitesse suffisante avant le passage en triangle. Une autre solution est de démarrer en étoile plus longtemps, mais si le moteur n'accélère pas, cela ne suffit pas. Le variateur de fréquence permet de maintenir un couple constant (ou élevé) tout en limitant le courant à 1,5 à 2 fois In, et d'éviter l'à-coup de courant lors du passage en triangle. Il faut s'assurer que le variateur est dimensionné pour le courant nominal du moteur et pour la charge (couple constant). Il faut également vérifier la compatibilité électromagnétique et prévoir un filtre si nécessaire. Une solution moins coûteuse est un démarreur progressif à thyristors, qui limite le courant mais ne permet pas de dépasser le couple de démarrage direct ; il faut alors vérifier que le couple résistant reste inférieur au couple disponible. Enfin, on peut réduire la charge pendant le démarrage, mais cela n'est pas toujours possible. La solution recommandée est le variateur de fréquence, avec réglage de la rampe d'accélération pour éviter les à-coups.