Démarreur progressif : réglage de la rampe et du courant

Le démarreur progressif (soft starter) est un composant d'entraînement qui, au lieu de raccorder directement le moteur asynchrone au réseau, élève progressivement la tension de démarrage et limite ainsi le courant de démarrage et le choc mécanique. Cependant, monter l'appareil dans l'armoire ne suffit pas à lui seul ; le bénéfice réel n'apparaît qu'avec un bon réglage des paramètres. Lorsque des valeurs comme la durée de rampe, la tension initiale, la limite de courant et le profil d'arrêt ne sont pas réglées selon la nature de la charge, soit le moteur ne peut pas démarrer, soit tous les avantages du démarrage progressif sont perdus. Dans cet article, nous traitons successivement des paramètres de démarreur progressif que nous rencontrons le plus souvent sur le terrain chez DRG Motor, de la façon de les régler selon la charge et des problèmes provoqués par de mauvais réglages.

Que fait un démarreur progressif ?

Un démarreur progressif règle la tension appliquée au bobinage statorique du moteur en la découpant par contrôle d'angle de phase au moyen de thyristors. Le démarrage s'effectue au départ sous tension réduite, ce qui limite le courant de démarrage et donc le couple de démarrage. À mesure que le temps s'écoule, la tension est élevée jusqu'à sa valeur pleine et le moteur s'établit à sa vitesse nominale. Pour comprendre le fondement de ce comportement, il est utile de consulter le sujet du démarrage du moteur et courant de démarrage ; car tous les paramètres existent en réalité pour gérer ce courant.

Pourquoi la tension initiale est-elle importante ?

La tension initiale (initial voltage) est le pourcentage de tension que le moteur verra au premier instant. Elle est typiquement réglée entre 30 % et 50 % de la tension nominale. Si elle est choisie trop basse, le moteur ne peut pas produire un couple suffisant au premier instant et la charge ne bouge pas. Si elle est choisie trop haute, le démarrage progressif perd son sens et un pic de courant se produit malgré tout.

Relation avec le couple de démarrage

Dans un moteur asynchrone, le couple est proportionnel au carré de la tension. Autrement dit, lorsque vous réglez la tension initiale à 50 %, le moteur produit environ 25 % du couple qu'il fournirait à pleine tension. Cette relation simple explique pourquoi certaines charges ne démarrent pas du tout avec une tension initiale faible. Si le besoin en couple de démarrage de la charge est élevé, il faut aussi élever la tension initiale. En pratique, c'est là l'essence du réglage des paramètres : donner au moteur assez de tension pour produire un couple suffisant, mais réduire aussi la tension autant qu'il le faut pour limiter le courant. Cet équilibre varie d'une charge à l'autre et le bon réglage ne peut être fait que lorsque le couple de décollement de la charge est connu.

Le triangle tension, courant et couple

Dans le réglage d'un démarreur progressif, trois grandeurs sont liées entre elles : la tension appliquée, le courant absorbé et le couple produit. Lorsque vous abaissez la tension, le courant baisse également, mais le couple diminue beaucoup plus vite, de façon quadratique. C'est pourquoi il ne suffit pas de réduire un peu la tension pour diviser le courant par deux ; à mesure que la tension est réduite, le couple fond rapidement. Comprendre ce triangle vous permet de savoir quel paramètre vous modifiez et pourquoi. Penser la courbe couple-vitesse du moteur et la courbe de charge sur le même graphique montre s'il reste, à chaque vitesse pendant le démarrage, un couple d'accélération suffisant.

Durée de rampe (rampe de démarrage)

La durée de rampe est le temps nécessaire pour que la tension s'élève de sa valeur initiale à sa valeur pleine. Une rampe courte signifie un démarrage rapide mais brutal ; une rampe longue est plus douce mais maintient le moteur longtemps sous tension réduite. Sur le terrain chez DRG, la plage de 10-20 secondes est fréquemment utilisée dans les applications de pompe et de ventilateur, et celle de 5-15 secondes sur les convoyeurs. Pour le choix selon le type de charge, l'article choix du moteur selon le type de charge sert de guide.

Si la durée de rampe est trop courte

Lorsque la rampe est réglée trop courte, le démarreur progressif se comporte presque comme un démarrage direct. Le courant de démarrage reste élevé, le choc mécanique ne diminue pas et l'on croit que l'appareil assure une protection alors qu'en réalité il ne le fait pas. Cette situation est particulièrement fréquente sur les charges à forte inertie.

Si la durée de rampe est trop longue

Une rampe excessivement longue maintient le moteur longtemps sous tension réduite et dans la zone de fort glissement. Cela provoque l'échauffement des bobinages. Comme le moteur continue d'absorber du courant en permanence avant d'avoir atteint sa pleine vitesse, la protection thermique peut se déclencher. La bonne durée est la valeur raisonnable la plus courte permettant au moteur d'achever son démarrage.

Limite de courant (current limit)

La limite de courant est le paramètre qui empêche le courant absorbé pendant le démarrage de dépasser un plafond déterminé. Elle est généralement réglée entre 3 et 4 fois le courant nominal. Ce réglage est critique pour protéger le réseau et le transformateur et pour limiter la chute de tension.

Si la limite de courant est trop basse

Si la limite de courant est abaissée en dessous du couple de démarrage dont le moteur a besoin, le moteur ne peut pas atteindre la vitesse souhaitée et se bloque en situation de « stall ». Dans ce cas, le courant reste constant à la limite, le moteur n'accélère pas et la protection finit par déclencher. C'est une erreur fréquente sur les charges à forte inertie.

Fonctionnement conjoint de la limite de courant et de la rampe

Sur les démarreurs progressifs modernes, la rampe de tension et la limite de courant sont actives en même temps. La tension s'élève à mesure que le moteur accélère ; si le courant atteint la limite, l'appareil freine temporairement la montée en tension. Le choix cohérent de ces deux paramètres est la clé d'un démarrage sans problème.

Fonction kick-start (impulsion de couple)

Certaines charges exigent au premier instant un couple de décollement très élevé en raison du collage (frottement). Le kick-start (ou pulse start) met la charge en mouvement en appliquant au moteur une brève impulsion de tension élevée pendant les premières centaines de millisecondes du démarrage, puis passe à la rampe normale. Il est utile sur des charges comme les convoyeurs et les agitateurs.

Quand ne faut-il pas utiliser le kick-start ?

Sur les charges à faible couple de décollement comme les pompes et les ventilateurs, le kick-start est inutile ; il peut même provoquer un coup de pression (coup de bélier) sur les pompes à eau. Cette fonction ne doit être activée que lorsqu'elle est réellement nécessaire.

Rampe d'arrêt (arrêt progressif)

Le démarreur progressif peut adoucir non seulement le démarrage mais aussi l'arrêt. Dans la rampe d'arrêt, la tension est abaissée progressivement. Cela est particulièrement utile dans les systèmes de pompage ; un arrêt brusque provoque un coup de bélier et des dommages aux tuyauteries, alors que l'arrêt progressif l'évite.

Réglage des paramètres sur les charges de pompe

Les pompes centrifuges exigent un faible couple de démarrage. La tension initiale doit être à un niveau moyen, la rampe de longueur moyenne et l'arrêt progressif impérativement actif. Pour éviter le coup de bélier, la rampe d'arrêt peut être maintenue plus longue que la rampe de démarrage.

Réglage sur les charges de ventilateur et de ventilateur d'extraction

Les ventilateurs sont des charges à forte inertie ; leur couple initial est faible mais l'accélération est longue. C'est pourquoi la durée de rampe doit être longue et la limite de courant maintenue à un niveau raisonnable. L'inertie des pales étant grande, le démarrage ne peut pas s'achever si la rampe est trop courte.

Réglage sur les charges de convoyeur

Sur les convoyeurs, la charge est considérée comme à couple constant et la réduction du choc mécanique est prioritaire. Ici, le kick-start est utile pour vaincre le collage, et l'arrêt progressif pour éviter les secousses de la bande. Pour les applications de convoyeur, l'approche choix du moteur selon le type de charge détermine aussi le choix des paramètres.

Compresseurs et charges exigeant un couple élevé

Les compresseurs à pistons peuvent exiger un démarrage en charge et leurs couples de décollement sont élevés. Sur ces charges, la tension initiale est maintenue élevée, le kick-start peut être nécessaire et la limite de courant ne doit pas être trop réduite. Sinon le moteur reste en situation de stall.

Valeurs initiales typiques selon le type de charge

Ces valeurs sont un point de départ ; un réglage fin doit être effectué sur le terrain en surveillant le courant et la durée. Les plages du tableau sont larges car, même pour un même type de charge, l'inertie, le rapport de courroie et les conditions de frottement modifient sensiblement le résultat. La méthode la plus sûre consiste à situer votre application dans le tableau et à partir du milieu, puis à monter ou descendre selon la mesure de courant. Ne vous fiez jamais uniquement aux valeurs par défaut ; chaque installation est particulière.

Contacteur de bypass et fonctionnement continu

Une fois que le moteur a atteint sa pleine vitesse, le maintien des thyristors en conduction permanente produit de la chaleur et des pertes. Le contacteur de bypass met les thyristors hors circuit à la fin du démarrage et raccorde le moteur directement au réseau. La plupart des démarreurs progressifs fonctionnent avec un bypass interne ou externe ; le bypass prolonge la durée de vie de l'appareil et réduit les pertes.

Protection thermique et paramètres

Comme les démarreurs progressifs mesurent le courant du moteur, ils offrent une protection interne contre les surcharges. La saisie correcte du courant nominal du moteur est indispensable. Pour approfondir ce sujet, l'article protection contre les surcharges du moteur électrique est complémentaire.

Avantages qu'apporte le démarrage progressif

Un démarreur progressif bien réglé réduit l'usure mécanique, limite le choc sur le réseau et abaisse le coût de maintenance. Pour le détail de ces avantages, vous pouvez consulter l'article avantage du démarrage progressif sur un moteur électrique.

Différence entre démarreur progressif et variateur de fréquence

Le démarreur progressif ne contrôle que le démarrage et l'arrêt ; il ne peut pas modifier la vitesse en cours de fonctionnement. Si un réglage de vitesse permanent est nécessaire, un variateur de fréquence est requis. Pour l'aspect économie d'énergie, l'article économie d'énergie avec un variateur de fréquence propose une comparaison.

Symptômes d'un mauvais réglage

Si le moteur ne peut pas démarrer, si la protection déclenche sans cesse, si le démarrage est trop brutal ou trop lent, les paramètres sont erronés. Le symptôme de stall provient généralement d'une limite de courant trop basse ou d'une tension initiale trop faible. La surchauffe, elle, résulte le plus souvent d'une rampe excessivement longue.

Points à surveiller lors de la mise en service

Lors de la première mise en service, mesurez le courant et la durée de démarrage. Si le courant de démarrage reste en permanence à la limite, revoyez la rampe ou la limite. Si le moteur monte rapidement en vitesse mais qu'il y a un pic de courant, la tension initiale est trop élevée.

Cohérence avec la transmission mécanique

Les paramètres du démarreur progressif protègent non seulement le moteur mais aussi les organes de transmission. Un démarrage progressif est critique pour réduire le choc dans le réducteur et les accouplements. Lorsque la compatibilité moteur-réducteur est correctement établie, les paramètres donnent aussi un résultat plus stable.

Approche standard dans les installations industrielles

Une politique de paramètres cohérente à l'échelle de l'installation facilite la gestion des pièces de rechange et de la maintenance. Utiliser des modèles de réglage similaires sur des charges similaires réduit la marge d'erreur. Dans le choix des moteurs électriques industriels, la stratégie de démarrage doit être planifiée dès le départ.

Contrôle de l'ordre des phases et du raccordement

Avant la mise en service du démarreur progressif, il faut s'assurer que l'ordre des phases et le raccordement au bornier sont corrects. Un mauvais raccordement fait tourner le moteur à l'envers ou met l'appareil en défaut. Pour raccorder correctement les extrémités du bobinage, il faut connaître aussi bien le comportement du courant de démarrage que la discipline du raccordement mécanique. Si les trois phases ne sont pas chargées de manière équilibrée, les thyristors ne chauffent pas également.

Enregistrement des données et surveillance

Les démarreurs progressifs évolués conservent en mémoire le profil de courant et la durée du dernier démarrage. Enregistrer régulièrement ces données permet de voir l'évolution du site dans le temps. Un allongement progressif de la durée de démarrage peut indiquer une usure de roulement, et une augmentation du courant un déséquilibre de charge. L'habitude de surveiller est le moyen le plus pratique de détecter une panne avant qu'elle ne survienne, et elle montre aussi quand les paramètres doivent être mis à jour.

Erreurs fréquentes dans le réglage des paramètres

L'erreur la plus répandue consiste à continuer de travailler avec les valeurs d'usine par défaut. La deuxième est de mettre le moteur en stall en réduisant excessivement la limite de courant. La troisième est de provoquer un coup de bélier en négligeant l'arrêt progressif sur une pompe. La quatrième est d'utiliser une rampe courte sur les ventilateurs et de ne pas laisser le démarrage s'achever.

Maintenance et contrôle périodique

Les réglages du démarreur progressif doivent être revus avec le temps en raison des variations de charge ou de l'usure mécanique. Le courant de démarrage doit être mesuré au moins une fois par an et la durée de démarrage consignée. Une augmentation des valeurs peut être le signe précoce d'un problème mécanique. L'accumulation de poussière sur les radiateurs des thyristors, l'état des contacts du contacteur de bypass et le fonctionnement du ventilateur doivent aussi être contrôlés régulièrement ; car lorsque ces composants se dégradent, l'appareil peut se comporter de façon inattendue même si les paramètres sont corrects.

Effet des conditions ambiantes sur les paramètres

Les démarreurs progressifs sont calibrés pour une température ambiante déterminée. Dans les armoires chaudes ou en altitude élevée, la capacité de transport de courant diminue ; cela met l'appareil à rude épreuve dans les applications à démarrages fréquents avec de longues rampes. Si le nombre de démarrages par heure est élevé, il peut être nécessaire de raccourcir la durée de rampe et de choisir l'appareil dans une taille supérieure. Avant la mise en service, la fréquence de démarrage de l'application doit impérativement être prise en compte.

Nombre de démarrages et budget thermique

Chaque démarrage produit de la chaleur tant dans le moteur que dans le démarreur progressif. Pendant la durée passée sous tension réduite, le moteur absorbe un courant de fort glissement et le bobinage chauffe. Dans les applications exigeant un grand nombre de démarrages par heure, la durée de rampe doit être raccourcie et une marge de refroidissement laissée entre les démarrages. Lorsque le budget thermique est dépassé, ni le moteur ni l'appareil ne sont durables ; c'est pourquoi, lors du réglage, il faut penser non pas à un seul démarrage mais à l'ensemble du cycle de fonctionnement.

Réglage fin des paramètres d'arrêt progressif

Dans l'arrêt progressif, il faut régler non seulement la durée d'arrêt mais aussi le niveau de tension d'arrêt. Dans une application de pompage, si la tension est abaissée trop rapidement, la colonne d'eau change de sens et le clapet anti-retour se ferme brutalement. La rampe d'arrêt doit être choisie assez longue pour que le débit se coupe lentement. Sur un convoyeur, l'arrêt progressif empêche que le matériau transporté ne soit projeté vers l'avant par inertie. Dans chaque application, le profil d'arrêt doit être traité avec autant de soin que le profil de démarrage.

Qualité du réseau et chute de tension

Dans les installations alimentées par des lignes faibles ou longues, la chute de tension au moment du démarrage affecte les autres équipements. La limite de courant du démarreur progressif existe précisément pour maîtriser cette chute. Choisir correctement la limite de courant permet aux appareils sensibles alimentés depuis le même jeu de barres de ne pas être affectés au moment du démarrage. À cet égard, le réglage des paramètres concerne non seulement le moteur mais la stabilité électrique de toute l'installation.

Un bon choix de moteur facilite le paramétrage

Lorsqu'un moteur répondant correctement à la charge est choisi, le réglage des paramètres est bien plus aisé. Un entraînement qui établit correctement la relation entre puissance, couple et vitesse sollicite moins le démarreur progressif. À ce sujet, le courant de démarrage et l'analyse de la charge doivent être évalués ensemble.

Solutions de démarrage progressif avec DRG Motor

DRG Motor conçoit ses moteurs asynchrones AC pour qu'ils fonctionnent en cohérence avec un démarreur progressif et détermine avec vous la stratégie de démarrage adaptée à votre application. Pompe, ventilateur, convoyeur ou compresseur ; pour chaque charge, nous prolongeons la durée de vie de votre moteur et réduisons le choc sur le réseau grâce à la bonne tension initiale, à la bonne rampe et à la bonne limite de courant. Pour planifier ensemble les paramètres de démarrage de votre projet et choisir le bon moteur, contactez l'équipe de DRG Motor ; faisons fonctionner correctement votre système du premier coup grâce à nos modèles de réglage éprouvés sur le terrain.