Moteurs électriques 380 V

Le démarrage direct est la méthode la plus ancienne et la plus simple pour faire fonctionner un moteur asynchrone. Le moteur est raccordé directement au réseau par l'intermédiaire d'un contacteur et est mis en service brutalement à pleine tension. Il n'y a aucun échelonnement de tension, aucune limitation de courant. Cette simplicité le rend économique et fiable, mais elle a son prix : un courant de démarrage élevé et un choc mécanique brutal. Savoir quand le démarrage direct est adapté et quand il est risqué est la base d'une décision d'entraînement correcte. Dans cet article, nous expliquons, du point de vue du terrain DRG Motor, ce qu'est la méthode DOL, ses avantages et ses inconvénients, et dans quel cas il faut passer à l'étoile-triangle, au démarreur progressif ou au variateur de fréquence.

Qu'est-ce que le démarrage direct ?

En démarrage direct (DOL), le moteur est raccordé directement à la pleine tension du réseau par la fermeture d'un contacteur. Le moteur voit la tension nominale dès le premier instant et produit le couple maximal. Le circuit est extrêmement simple : un contacteur, un relais thermique et des organes de protection suffisent.

Les composants du circuit DOL

Une armoire DOL typique comporte un interrupteur principal, un contacteur, un relais thermique de surcharge et des fusibles. Le relais thermique protège le moteur contre les surcharges ; pour le détail de ce sujet, l'article protection contre les surcharges d'un moteur électrique est complémentaire. La simplicité du circuit maintient à un niveau faible aussi bien le coût que la probabilité de panne.

Raccorder le moteur directement au réseau

Les bobinages du moteur sont raccordés directement au réseau selon le couplage réalisé dans la boîte à bornes. Un moteur triphasé est généralement mis en service couplé en triangle ou en étoile, conformément à la tension figurant sur sa plaque. Pour établir correctement le mode de couplage, il est utile de comprendre le comportement décrit dans courant de démarrage et courant d'appel du moteur .

Le problème du courant de démarrage élevé

La caractéristique la plus marquante du DOL est son courant de démarrage élevé. Au premier instant, le moteur absorbe 6 à 8 fois son courant nominal. Ce courant diminue rapidement à mesure que le moteur accélère et revient à la normale en quelques secondes, mais ce premier instant constitue un choc sérieux pour le réseau. La durée du courant de démarrage se mesure également : à faible charge, le moteur atteint sa vitesse en quelques secondes et le courant retombe vite, tandis qu'avec une charge lourde ou à forte inertie, la zone de courant élevé se prolonge. Cette durée allongée sollicite à la fois les fusibles et le moteur. C'est pourquoi, lorsque la décision du DOL est prise, il faut considérer non seulement la valeur de crête du courant, mais aussi la durée pendant laquelle il restera élevé.

Pourquoi le courant de démarrage est-il si élevé ?

Lorsque le moteur est à l'arrêt, le rotor est également immobile et le glissement est maximal. Dans cette situation, le moteur se comporte presque comme un court-circuit et absorbe un courant élevé. À mesure que la vitesse augmente, le glissement diminue et le courant baisse. Ce comportement est dans la nature du moteur asynchrone et il est traité en détail dans l'article courant de démarrage .

L'effet de la chute de tension

Le courant de démarrage élevé provoque une chute de tension passagère sur la ligne d'alimentation. L'éclairage alimenté par le même jeu de barres peut vaciller, les appareils sensibles peuvent être affectés. Sur des lignes faibles ou longues, cette chute est plus marquée et constitue le principal facteur limitant du DOL.

Un choc mécanique brutal

En DOL, comme le moteur est mis en service brutalement à couple maximal, un choc violent est transmis à la charge et aux organes de transmission. La courroie, l'accouplement, le réducteur et l'arbre subissent ce choc à chaque démarrage. Sur les systèmes sensibles ou à forte inertie, ce choc provoque une usure à la longue. L'ampleur du choc dépend de l'écart entre le couple de démarrage produit par le moteur et la résistance de la charge ; un moteur qui démarre à couple maximal pousse la charge comme s'il lui donnait un coup de pied. Cette accélération brutale entraîne une fermeture sèche du jeu dans les engrenages, un saut de tension dans la courroie et une contrainte dans l'accouplement. Un choc isolé peut sembler négligeable, mais répété des centaines de fois par jour, il raccourcit nettement la durée de vie des organes de transmission.

Quand le DOL est-il adapté ?

Le démarrage direct est idéal sur les moteurs de faible puissance et dans les cas où le réseau peut supporter le choc. Comme le courant de démarrage des petits moteurs reste faible en valeur absolue, il ne sollicite pas trop le réseau. Par ailleurs, si la charge est légère, le choc mécanique est également négligeable. De façon générale, lorsque la puissance du moteur reste petite à côté de celle du transformateur et que les démarrages sont rares, le DOL peut être utilisé en toute sécurité. Les applications simples qui fonctionnent à vitesse fixe, qui n'exigent aucun réglage de vitesse et où le choc de démarrage ne pose pas de problème constituent le domaine naturel du DOL. Dans ce type d'endroits, choisir une méthode de démarrage plus complexe signifie un coût et une charge de maintenance inutiles.

Les endroits typiques où le DOL est admis

Les petites pompes centrifuges, les ventilateurs de local, les ventilateurs d'extraction compacts, les petits broyeurs et les entraînements auxiliaires sont généralement démarrés en direct. Dans ces applications, la charge est légère, l'inertie est faible et le moteur atteint sa vitesse en quelques secondes. Dans ces scénarios où le choc brutal n'a pas d'importance et où le réseau est solide, le DOL est la solution à la fois la plus rapide et la plus économique. Son utilisation sans problème depuis des décennies dans ce type d'endroits est la preuve de la fiabilité de la méthode.

Pourquoi est-il préféré sur les faibles puissances ?

Sur les moteurs jusqu'à quelques kilowatts, le DOL est la solution à la fois la moins chère et la plus fiable. À ces puissances, le coût supplémentaire et la complexité apportés par l'étoile-triangle ou le démarreur progressif ne sont généralement pas nécessaires. Un simple contacteur et un relais thermique font l'affaire.

Comparaison des méthodes de démarrage typiques

Le tableau est un outil de décision rapide sur les axes du courant de démarrage et du coût. En descendant de haut en bas, le courant de démarrage baisse mais le coût et la complexité augmentent. Le DOL est à l'extrémité, c'est l'option la plus simple et la moins chère ; le variateur, lui, est l'option la plus performante mais la plus coûteuse. La bonne décision consiste à choisir la ligne dont l'application a réellement besoin. Par exemple, s'il suffit de réduire le courant de démarrage, l'étoile-triangle reste économique ; mais si un réglage de vitesse est également souhaité, il est logique de passer directement au variateur, car les solutions intermédiaires ne répondent pas à ce besoin.

Les avantages du DOL

Le coût le plus faible, le circuit le plus simple, le couple de démarrage le plus élevé et la maintenance la plus réduite sont les principaux avantages du DOL. Dans certaines applications où un démarrage en charge est nécessaire, le couple de démarrage plein est une exigence, et le DOL l'assure directement.

Les inconvénients du DOL

Le courant de démarrage élevé, la chute de tension, le choc mécanique brutal et l'échauffement en cas de démarrages fréquents sont les inconvénients du DOL. Ces désagréments augmentent à mesure que la puissance grandit et que les démarrages se rapprochent ; à partir d'un certain point, il devient obligatoire de passer à une autre méthode.

Quand l'étoile-triangle est-il nécessaire ?

Sur les moteurs de puissance moyenne, et lorsqu'un démarrage à vide ou à faible charge est possible, l'étoile-triangle réduit le courant de démarrage au tiers. Le démarrage se fait en position étoile, puis on passe en triangle lorsque le moteur a accéléré. Pour la logique de couplage, il faut connaître le comportement du courant de démarrage .

La limite de l'étoile-triangle

Comme le couple tombe également au tiers en position étoile, si la charge est lourde le moteur ne peut pas accélérer suffisamment en étoile et un saut de courant se produit de nouveau au passage en triangle. C'est pourquoi l'étoile-triangle ne fonctionne que dans les applications qui démarrent à faible charge.

Quand un démarreur progressif est-il nécessaire ?

S'il faut réduire le choc mécanique, rendre le démarrage progressif et limiter le courant de façon réglable, on préfère le démarreur progressif. Il est fréquemment utilisé sur les pompes, les ventilateurs et les convoyeurs. Pour les bénéfices apportés par le démarrage progressif, vous pouvez consulter l'article l'avantage du démarrage progressif sur un moteur électrique .

Quand un variateur de fréquence est-il nécessaire ?

Si l'on a besoin non seulement d'un démarrage progressif, mais aussi d'un réglage de vitesse en cours de fonctionnement, un variateur de fréquence est nécessaire. Le variateur ramène le courant de démarrage presque au niveau nominal et procure en outre une économie d'énergie. Sur ce point, l'article économie d'énergie avec un variateur de fréquence sert de guide.

Fréquence des démarrages et DOL

Dans les applications qui exigent de nombreux démarrages par heure, le DOL sollicite le moteur et le contacteur. Chaque démarrage signifie un courant élevé et de la chaleur ; en cas de démarrages fréquents, le moteur atteint sa limite thermique. Dans ce cas, un démarreur progressif ou un variateur protège à la fois le moteur et le contacteur.

Puissance du réseau et capacité du transformateur

L'applicabilité du DOL dépend de la capacité du transformateur d'alimentation. Un transformateur puissant absorbe sans problème le courant de démarrage élevé ; sur un réseau faible, le même moteur provoque une chute de tension sérieuse. La décision dépend donc non seulement de la puissance du moteur, mais aussi de celle du réseau.

Le rôle du type de charge

Les systèmes qui démarrent en charge, comme les compresseurs, exigent un couple de démarrage plein et le DOL est avantageux de ce point de vue. En revanche, les charges sensibles ou à forte inertie souffrent du choc brutal. Pour bien comprendre le caractère de la charge, on réalise l' analyse du choix du moteur selon le type de charge . Un ventilateur à forte inertie qui démarre en DOL reste longtemps dans la zone de courant élevé ; cela sollicite à la fois le moteur et le réseau. Le même ventilateur, démarré avec un démarreur progressif, voit son courant maintenu sous contrôle. C'est pourquoi la décision du DOL est toujours pensée avec le type de charge, et le besoin d'inertie et de couple de démarrage est évalué dès le départ.

Le choc de courant lors du passage étoile-triangle

Dans la méthode étoile-triangle, le moteur accélère en étoile puis passe en triangle ; à cet instant de transition, si le moteur n'a pas encore atteint sa pleine vitesse, un bref saut de courant se produit. Si la temporisation du passage n'est pas correctement réglée, ce saut peut s'approcher de celui d'un démarrage DOL. C'est pourquoi l'étoile-triangle n'apporte le bénéfice attendu que si le moteur peut accélérer suffisamment en étoile. Le réglage correct de l'instant de transition est la clé du succès de la méthode et rappelle une fois de plus la condition de charge légère.

Choix du contacteur et durée de vie

Le cœur du circuit DOL est le contacteur. Comme il commute un courant élevé à chaque démarrage, le contacteur est choisi dans une catégorie adaptée à la puissance du moteur et à la fréquence des démarrages. Un contacteur insuffisant subit des brûlures et des soudures de contacts et finit par tomber en panne. Un contacteur correctement dimensionné, lui, encaisse sans problème des centaines de milliers de démarrages. Dans les applications à démarrages fréquents, la durée de vie du contacteur détermine directement la fiabilité du système ; son choix ne doit donc pas être pris à la légère.

Échauffement et limite thermique

Chaque démarrage produit de la chaleur dans le moteur ; les bobinages s'échauffent surtout lors des démarrages difficiles où le courant élevé se prolonge. Si un nouveau démarrage a lieu avant que le moteur ait refroidi, la chaleur s'accumule et la limite thermique peut être dépassée. C'est pourquoi, sur les moteurs qui fonctionnent en DOL, le nombre de démarrages admis par heure est pris en compte. Les données du constructeur indiquent cette limite ; lorsqu'elle est dépassée, l'isolation du bobinage est endommagée et la durée de vie du moteur se raccourcit.

Relation avec la transmission mécanique

Le démarrage brutal du DOL sollicite les organes de transmission tels que la courroie et le réducteur. Le glissement de la courroie et le choc des dentures dans le réducteur augmentent à cet instant. Compatibilité moteur-réducteur : lorsqu'elle est correctement établie, le choc peut être en partie maîtrisé, mais pour le réduire à la source, le démarrage progressif est plus efficace.

Retour d'information et circuit de commande

Dans une armoire DOL, à côté du circuit de puissance se trouve également un circuit de commande ; les boutons de marche et d'arrêt, le contact d'auto-maintien et, si nécessaire, le contact auxiliaire du relais thermique se trouvent dans ce circuit. Le contact d'auto-maintien permet au moteur de continuer à fonctionner après le relâchement du bouton de marche. Le circuit de commande doit être correctement conçu pour que le moteur ne redémarre pas de lui-même après un défaut ou une coupure de tension ; cela protège à la fois l'équipement et l'opérateur.

Énergie et coût d'exploitation

Le DOL en lui-même ne procure aucune économie d'énergie ; le moteur tourne toujours à pleine vitesse. Si l'application exige un débit variable ou une vitesse variable, un moteur qui fonctionne en DOL consomme trop d'énergie. Sur ce type de charges, l'économie ne peut être obtenue qu'avec un variateur. Si une vitesse fixe suffit, la structure simple du DOL maintient un faible coût d'exploitation ; mais s'il existe un besoin de réglage de vitesse, le DOL, dont le coût initial est faible, peut revenir plus cher à long terme. Lors de la décision, non seulement l'investissement initial, mais aussi la consommation d'énergie sur toute la durée d'exploitation est prise en compte.

Protection et sécurité

Dans un circuit DOL, un relais thermique de surcharge et une protection contre les courts-circuits sont indispensables. Si le moteur se bloque ou est surchargé, le relais thermique ouvre le circuit. Une protection contre le manque de phase est également recherchée ; car un moteur qui fonctionne sur deux phases s'échauffe rapidement et brûle.

Mise en service et contrôle

Lors du premier démarrage, le sens de rotation est vérifié, et le courant de démarrage ainsi que sa durée doivent être observés. Le relais thermique doit être réglé sur le courant nominal du moteur. Un réglage trop bas conduit à des déclenchements inutiles, un réglage trop haut à un fonctionnement sans protection. Si le sens de rotation est incorrect, on le corrige en permutant deux phases ; sur des applications sensibles au sens comme les pompes, ce contrôle est critique. Un allongement du temps de démarrage par rapport à l'attendu peut indiquer que la charge s'est alourdie ou qu'un problème mécanique existe. Ces simples observations permettent au circuit DOL de fonctionner longtemps sans problème.

La décision de passer du DOL à d'autres méthodes

À mesure qu'une application grandit ou que les démarrages se rapprochent, le DOL peut devenir insuffisant. Une chute de tension visible sur le réseau, des fusibles qui sautent fréquemment, une usure rapide des organes de transmission et des déclenchements fréquents du relais thermique sont les signes qu'il est temps de passer à une autre méthode. Lorsque ces symptômes apparaissent, s'obstiner à rester en DOL signifie à la fois une perte d'énergie et une panne précoce. Passer au bon moment à un démarreur progressif ou à un variateur protège à long terme le moteur comme l'installation.

La place du DOL dans les installations industrielles

Dans de nombreuses installations, les petites pompes, les ventilateurs et les moteurs auxiliaires fonctionnent encore en DOL, car c'est simple et fiable. Les moteurs importants et critiques, eux, sont transférés vers un démarreur progressif ou un variateur. Moteurs électriques industriels : dans leur choix, la stratégie de démarrage est déterminée en fonction de la puissance et du réseau.

Choisir la bonne méthode

Faible puissance et réseau solide : DOL ; puissance moyenne démarrant à faible charge : étoile-triangle ; charge exigeant un démarrage progressif : démarreur progressif ; si un réglage de vitesse est aussi nécessaire : variateur. La décision se prend en évaluant ensemble la puissance, le type de charge, la fréquence des démarrages et la puissance du réseau.

Des solutions de démarrage correctes avec DRG Motor

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