Points à surveiller pour alimenter un moteur depuis un groupe électrogène et un transformateur

Lorsqu'un moteur électrique est alimenté par le réseau, le courant élevé qu'il absorbe au démarrage passe le plus souvent inaperçu ; car le réseau public se comporte comme une source presque illimitée. Mais lorsque vous alimentez ce même moteur depuis un groupe électrogène ou depuis un transformateur de puissance limitée, la situation change complètement. Le fait que le moteur absorbe au démarrage plusieurs fois son courant nominal peut provoquer le décrochage du groupe électrogène, l'effondrement de la tension ou la mise en difficulté du transformateur. Dans cet article, nous traitons des points auxquels il faut prêter attention lorsqu'on alimente un moteur depuis un groupe électrogène ou un transformateur : l'effet du courant de démarrage sur le dimensionnement de la source, l'effondrement de la tension, la surcharge du groupe électrogène, l'allègement de la charge par la méthode de démarrage, la puissance de court-circuit du transformateur et le dimensionnement correct. Notre objectif est de montrer clairement à l'ingénieur qui souhaite mettre en service un moteur de façon sûre et stable aussi bien l'origine du problème que les solutions pratiques.

Pourquoi le courant de démarrage est-il si élevé

Entre l'instant où un moteur asynchrone est à l'arrêt et celui où il atteint son régime, le rotor n'ayant pas encore tourné, le moteur apparaît au réseau presque comme un court-circuit. C'est pourquoi un moteur à démarrage direct absorbe un courant d'environ six à huit fois son courant nominal. Ce courant ne dure que quelques secondes, mais ce court laps de temps est extrêmement contraignant pour une source limitée. Pour des informations plus détaillées sur la nature et l'amplitude du courant de démarrage, l'article courant de démarrage et de lancement du moteur constitue une référence complète.

La différence entre le réseau et une source limitée

Le réseau public est une source colossale face au courant de démarrage d'un seul moteur ; c'est pourquoi la tension ne baisse presque pas pendant le démarrage. En revanche, un groupe électrogène ou un petit transformateur peut avoir une puissance comparable à celle du moteur. Dans ce cas, le courant de démarrage du moteur met la source en difficulté et la tension s'effondre nettement. C'est là que réside l'essence du problème de l'alimentation depuis une source limitée.

L'effondrement de la tension et ses conséquences

Le courant élevé absorbé au démarrage crée une chute de tension sur la résistance interne de la source et la tension aux bornes du moteur diminue. Plus la tension baisse, plus le couple de démarrage produit par le moteur diminue ; car le couple est proportionnel au carré de la tension. Autrement dit, si la tension baisse de vingt pour cent, le couple de démarrage diminue d'environ un tiers. Dans ce cas, le moteur ne peut pas soulever la charge, il accélère lentement, absorbe un courant élevé plus longtemps, ce qui fait baisser encore davantage la tension ; un cercle vicieux se met en place.

La réaction du groupe électrogène au moteur

Un groupe électrogène ne peut pas répondre aussi vite que le réseau aux augmentations brusques de charge. Lorsque le moteur est mis en service, le régulateur de tension et le régulateur de vitesse du groupe tentent de suivre le courant soudain. Pendant ce temps, la tension et la fréquence baissent temporairement. Si le groupe électrogène n'est pas assez puissant pour fournir le courant de démarrage du moteur, la tension ne peut pas se rétablir et le moteur ne peut pas démarrer ; le groupe peut se mettre hors service par une protection.

Dimensionner correctement le groupe électrogène

En règle pratique, pour faire démarrer sans problème un moteur à démarrage direct, la puissance du groupe électrogène est choisie nettement supérieure à celle du moteur. La raison n'en est pas la limite de puissance continue du groupe, mais sa capacité en courant à l'instant du démarrage. Un groupe électrogène qui supporte aisément sa charge nominale peut ne pas être capable d'alimenter le courant de démarrage de ce même moteur. C'est pourquoi, dans le choix d'un groupe électrogène, ce n'est pas la puissance continue mais le comportement au démarrage du plus gros moteur qui est déterminant.

Réduire la charge par la méthode de démarrage

Lorsqu'on alimente depuis une source limitée, la solution la plus efficace consiste à réduire dès le départ le courant de démarrage du moteur. Utiliser une méthode de démarrage adoucie au lieu du démarrage direct réduit de façon spectaculaire la charge soudaine vue par la source. Ainsi, le même moteur peut être démarré en toute sécurité avec un groupe électrogène ou un transformateur plus petit. Le tableau ci-dessous compare les principales méthodes de démarrage et leur effet sur la source.

Démarrage étoile-triangle

La méthode étoile-triangle fait d'abord fonctionner le moteur en couplage étoile sous une tension réduite puis, une fois une certaine vitesse atteinte, le fait passer en couplage triangle. Grâce à cela, le courant de démarrage descend à environ un tiers de celui du démarrage direct. Le prix à payer est que le couple de démarrage baisse dans la même proportion ; c'est pourquoi la méthode peut se révéler insuffisante dans les applications qui démarrent en charge lourde. Elle est en revanche très efficace sur les pompes et les ventilateurs qui démarrent à vide ou en charge légère.

Démarreur progressif

Le démarreur progressif fait démarrer le moteur sans à-coups en augmentant progressivement la tension d'alimentation. Le fait qu'il maintienne le courant de démarrage à une limite réglable permet de maîtriser la charge soudaine sur le groupe électrogène et le transformateur. Comme il réduit également l'usure mécanique, il est privilégié dans les systèmes à poulie-courroie et à accouplement. Cependant, le démarreur progressif fait lui aussi baisser le couple en même temps que la tension ; il a ses limites sur les charges très lourdes.

Démarrage avec un variateur de fréquence

La méthode qui offre le courant de démarrage le plus faible est le variateur de fréquence. Comme le variateur démarre le moteur à basse fréquence et le monte lentement au nominal, le courant de démarrage reste presque au niveau du courant nominal. C'est l'option la plus confortable pour un groupe électrogène ou un transformateur limité. Le variateur offre en outre des avantages supplémentaires tels que le contrôle du couple, le réglage de la vitesse et l'économie d'énergie ; à ce titre, c'est une solution polyvalente dans de nombreuses applications.

Démarreurs à gradins et méthode par résistances

À côté de l'étoile-triangle et des méthodes électroniques, il existe aussi des moyens classiques de limiter le courant de démarrage. Les résistances de démarrage ou les réactances branchées en série avec le moteur limitent le courant en abaissant la tension au moment du démarrage et sortent progressivement du circuit à mesure que le moteur accélère. Ces méthodes sont simples et robustes ; elles peuvent encore être privilégiées, en particulier dans les environnements poussiéreux et chauds où les équipements électroniques sont mis à l'épreuve. Le prix à payer est là encore la baisse du couple de démarrage.

L'importance de la durée de démarrage

Dans la conception d'une alimentation depuis une source limitée, la durée pendant laquelle le courant de démarrage circule entre en compte autant que son amplitude. Une charge à fort moment d'inertie (un gros ventilateur ou un volant d'inertie) accélère lentement et maintient le moteur longtemps sous courant élevé. Cette longue durée échauffe aussi bien le moteur que la source. C'est pourquoi, sur les charges à forte inertie, choisir une méthode qui réduit le courant de démarrage protège non seulement la source mais aussi le moteur lui-même.

La puissance de court-circuit du transformateur

Lorsqu'on alimente depuis un transformateur, la grandeur déterminante est la puissance de court-circuit du transformateur. Cette valeur indique dans quelle mesure le transformateur peut supporter les appels de courant soudains. Un transformateur à puissance de court-circuit élevée fournit le courant de démarrage du moteur sans trop faire chuter la tension. Sur un transformateur à faible puissance de court-circuit, le même moteur provoque en revanche un effondrement de tension notable. C'est pourquoi, dans le choix d'un transformateur, on prend en compte non seulement la puissance en kVA mais aussi l'impédance de court-circuit.

La relation entre la puissance en kVA du transformateur et la puissance du moteur

Une idée fausse répandue consiste à supposer que tout ira bien tant que la puissance en kVA du transformateur est supérieure à la puissance en kW du moteur. Or ce qui est déterminant n'est pas la puissance continue, mais la chute de tension que le courant soudain crée dans le transformateur au moment du démarrage. Un transformateur qui supporte aisément la charge continue peut provoquer un effondrement de tension notable lors du démarrage direct d'un gros moteur. C'est pourquoi, lorsqu'on évalue la compatibilité transformateur-moteur, le scénario de démarrage est toujours traité à part.

Éviter le déséquilibre de tension

Une répartition déséquilibrée des charges monophasées rend la tension vue par le moteur différente d'une phase à l'autre, et ce déséquilibre provoque un échauffement supplémentaire dans le moteur. Sur une source limitée, cet effet est plus marqué. Répartir les charges de façon équilibrée entre les phases protège aussi bien la source que le moteur et favorise un fonctionnement performant.

L'effet de l'effondrement de tension sur les autres charges

L'effondrement de tension qui se produit lors du démarrage d'un moteur n'affecte pas seulement ce moteur, mais aussi tous les autres appareils alimentés par le même jeu de barres. On peut observer un papillotement de l'éclairage, une réinitialisation des appareils électroniques sensibles, voire l'arrêt d'autres moteurs. C'est pourquoi la méthode de démarrage d'un gros moteur concerne la stabilité électrique non seulement de ce moteur, mais de toute l'installation.

La compatibilité des réglages de protection avec le démarrage

Un problème fréquent lors de l'alimentation depuis une source limitée est que les relais de protection prennent le courant de démarrage pour un défaut et coupent le moteur avant même qu'il ait pu démarrer. La protection contre les surintensités est réglée de manière à laisser passer le courant de démarrage normal et sa durée, tout en intervenant rapidement en cas de défaut réel. Lorsqu'on utilise un démarreur progressif ou un variateur, le courant de démarrage étant réduit, le réglage de protection peut alors utiliser une bande plus étroite ; cela affine la détection des défauts.

La priorité du moteur dans un scénario de secours

Sur un groupe électrogène de secours qui se met en service lors d'une coupure du réseau, le retour simultané de toutes les charges met le groupe en difficulté. Une gestion intelligente des charges consiste ici à mettre en service d'abord les moteurs critiques, puis les charges secondaires. Mettre en place une logique de charge par gradins dans les inverseurs automatiques permet au groupe de secours à la fois de démarrer les moteurs et de rester stable. Sans cette planification, même un groupe électrogène correctement dimensionné peut décrocher dès le premier instant.

L'ordre de démarrage de plusieurs moteurs

S'il y a plusieurs moteurs alimentés par le même groupe électrogène ou le même transformateur, essayer de tous les démarrer en même temps dépasse assurément la source. La solution consiste à les mettre en service l'un après l'autre, en intercalant un délai. Démarrer le plus gros moteur en premier et ajouter les autres une fois celui-ci stabilisé permet de garder l'effondrement de tension maîtrisable. Une logique de démarrage par gradins est la clé pour pouvoir alimenter de nombreux moteurs avec une source limitée.

La compatibilité entre groupe électrogène et variateur

Comme les variateurs de fréquence réduisent le courant de démarrage, ils fonctionnent très bien avec un groupe électrogène ; cependant, les variateurs renvoient aussi du courant harmonique sur le réseau. Sur un petit groupe électrogène, ces harmoniques peuvent déformer la forme d'onde de la tension et mettre le régulateur en difficulté. C'est pourquoi, dans l'association variateur-groupe électrogène, le groupe est choisi adapté aux harmoniques ou un filtre est ajouté si nécessaire. Bien conçu, ce duo offre la solution la plus performante avec une source limitée.

Rétablissement de la fréquence et rapidité du régulateur

Lorsque le moteur est mis en service, la charge soudaine fait baisser un instant le régime du moteur qui entraîne le groupe électrogène et la fréquence fluctue brièvement. Plus le régulateur de vitesse du groupe se rétablit vite, moins le creux de fréquence est profond. Dans une installation comportant des charges sensibles à la fréquence, la performance du régulateur du groupe est évaluée avec autant d'attention que le démarrage du moteur.

La différence entre démarrage à froid et à chaud

Le comportement au démarrage d'un moteur dépend aussi de l'état de la charge qu'il entraîne. Démarrer un convoyeur chargé et à l'arrêt ou une pompe pleine demande beaucoup plus de couple, et donc une durée de courant élevé plus longue, que démarrer un ventilateur à vide. Dans la conception d'une alimentation depuis une source limitée, on se base sur le scénario de démarrage le plus difficile du moteur (démarrage à froid avec la charge la plus lourde) ; c'est le cas le plus défavorable, et non le plus favorable, qui est déterminant.

L'effet du facteur de puissance sur la source

Au moment du démarrage, un moteur absorbe un courant à faible facteur de puissance, largement inductif. Ce courant réactif met directement à l'épreuve la régulation de tension du groupe électrogène et du transformateur ; car une charge inductive a tendance à faire baisser la tension. Même si, en fonctionnement continu, les condensateurs de correction du facteur de puissance aident, l'instant du démarrage est en lui-même à faible facteur de puissance, et c'est une réalité dont il faut tenir compte dans le dimensionnement de la source. Une méthode de démarrage adaptée adoucit également ce pic réactif.

Ne pas oublier l'impédance du câble et de la ligne

Une partie de l'effondrement de tension ne provient pas de la source, mais du câble long et de faible section entre la source et le moteur. Le courant élevé au moment du démarrage crée une chute de tension supplémentaire sur la résistance du câble. Sur un moteur situé à grande distance, choisir une section de câble suffisamment grande peut être aussi important que d'augmenter la taille de la source. Lors du dimensionnement, la source, le câble et le moteur sont évalués comme un tout.

L'effet des conditions ambiantes sur le démarrage

Dans les environnements chauds et en haute altitude, le groupe électrogène comme le transformateur descendent en dessous de leur puissance de plaque ; car le refroidissement devient plus difficile. De la même manière, par temps froid, une charge dont l'huile s'épaissit impose au moteur un démarrage plus difficile. Dans la conception d'une alimentation depuis une source limitée, la température ambiante, l'altitude et les conditions saisonnières ne doivent pas être négligées ; car ces facteurs peuvent dégrader en même temps la puissance que la source peut fournir et la puissance que le moteur demandera au démarrage.

Groupe électrogène ou entraînement par moteur en continu

Dans certaines applications, plutôt que d'utiliser un groupe électrogène pour entraîner une machine, utiliser directement un moteur électrique est une solution à la fois plus performante et exigeant moins d'entretien. Pour cette comparaison, l'article moteur électrique au lieu d'un entraînement par groupe électrogène traite en détail de la solution adaptée à chaque situation. Là où le réseau est accessible, le moteur électrique est généralement le choix le plus rationnel.

Liste de contrôle avant la mise en service

Avant de mettre en service pour la première fois un moteur depuis une source limitée, quelques vérifications évitent la plupart des problèmes. La puissance et la capacité de court-circuit de la source sont comparées au besoin de démarrage du moteur, la méthode de démarrage est choisie en fonction de la charge, la section de câble est validée en fonction de la distance et les réglages de protection sont ajustés de manière à ne pas couper par erreur le courant de démarrage. Cette préparation prévient des situations désagréables comme le décrochage de la source dès le premier essai.

Nous sommes à vos côtés pour une alimentation sûre des moteurs DRG

Nous considérons le fonctionnement compatible des moteurs asynchrones AC que nous fabriquons avec les groupes électrogènes, les transformateurs et les variateurs comme une partie intégrante de la conception. Dans une installation alimentée depuis une source limitée, le choix du moteur, la méthode de démarrage et le dimensionnement correct sont le plus souvent traités non pas séparément mais comme un tout. Pour le choix d'un moteur adapté à votre groupe électrogène ou à votre transformateur, la méthode de démarrage la plus juste et une mise en service sans problème, vous pouvez contacter l'équipe d'experts DRG Motor. À ce sujet, nos contenus moteurs électriques industriels et courant de démarrage vous seront également utiles.