Pourquoi le courant de démarrage d'un moteur électrique est-il élevé ?

Le moment où un moteur électrique est mis sous tension pour la première fois est l'un des instants les plus éprouvants de toute sa durée de vie. À l'arrêt, un moteur asynchrone appelle un courant très supérieur à son courant nominal en régime établi. Ce courant soudain et élevé est appelé courant de démarrage et atteint généralement 6 à 8 fois le courant nominal. Ce phénomène influe sur de nombreux aspects, du choix des fusibles au dimensionnement des contacteurs, des fluctuations de la tension du réseau jusqu'à la durée de vie du moteur. Sur les moteurs asynchrones de classe de rendement IE3, IE4 et IE5 que nous fournissons chez DRG Motor, bien comprendre et maîtriser le courant de démarrage est la base d'une installation sûre. Dans cet article, nous examinons en détail pourquoi le courant de démarrage est si élevé, quels effets il produit et comment il peut être réduit.

Qu'est-ce que le courant de démarrage ?

Le courant de démarrage est le courant élevé appelé sur le réseau au premier instant de la mise sous tension du moteur. Comme le moteur ne tourne pas encore, ce courant est très supérieur au courant de fonctionnement normal du moteur. En quelques secondes, à mesure que le moteur atteint sa vitesse, le courant chute rapidement et se rapproche de sa valeur nominale. Cette impulsion de courant brève mais intense est un paramètre critique qui influence toute la conception de l'installation.

Pourquoi le courant de démarrage est-il si élevé ?

La raison fondamentale en est le comportement du rotor à l'arrêt. Lorsque le moteur ne tourne pas, la vitesse relative entre le rotor et le champ magnétique du stator est maximale ; autrement dit, le glissement est de 100 %. Dans ce cas, le moteur se comporte comme un transformateur dont le secondaire est court-circuité et dans lequel un courant très élevé est induit. À mesure que le rotor tourne, le glissement diminue, le courant induit baisse et le courant appelé sur le réseau revient à la normale.

Relation entre le glissement et le courant de démarrage

Le glissement est le taux de retard du rotor par rapport au champ magnétique. Au démarrage, le glissement est maximal ; c'est pourquoi le courant induit dans le rotor est également maximal. À mesure que le moteur accélère, le glissement descend à quelques points de pourcentage et le courant tombe à sa valeur nominale. L'origine physique du courant de démarrage est précisément ce glissement initial élevé. Nous avons traité la relation entre le nombre de pôles et la vitesse dans notre article nombre de pôles et vitesse.

L'analogie du transformateur

La façon la plus simple de comprendre un moteur asynchrone à l'arrêt est de l'imaginer comme un transformateur dont l'enroulement secondaire est court-circuité. Dans ce cas, un courant très élevé circule dans l'enroulement primaire. À mesure que le moteur tourne, le rotor commence à sortir de cet état de court-circuit et le courant appelé diminue. Cette analogie explique de manière intuitive pourquoi le courant de démarrage est si élevé.

Le rôle de la résistance rotorique

La résistance du rotor détermine conjointement le courant de démarrage et le couple de démarrage. Une résistance rotorique élevée réduit légèrement le courant de démarrage tout en augmentant le couple de démarrage ; elle diminue en revanche le rendement en fonctionnement. C'est pourquoi les concepteurs de moteurs établissent un équilibre soigneux entre le comportement au démarrage et le rendement en fonctionnement. Les moteurs à haut rendement établissent cet équilibre en faveur du rendement.

6 à 8 fois le courant nominal

Sur un moteur asynchrone standard, le courant de démarrage se situe généralement entre 6 et 8 fois le courant nominal. Par exemple, un moteur dont le courant nominal est de 20 ampères peut appeler 120 à 160 ampères au démarrage. Cette valeur varie selon la conception du moteur, le nombre de pôles et l'état de la charge. Sur les moteurs à haut rendement, le courant de démarrage peut être un peu plus élevé, car une conception à faibles pertes présente une résistance plus faible.

Durée du courant de démarrage

Le courant de démarrage n'est pas permanent ; il ne dure que jusqu'à ce que le moteur atteigne sa vitesse. Cette durée dépend de l'inertie de la charge. Un moteur qui démarre à vide atteint sa vitesse en moins d'une seconde, tandis qu'un moteur accouplé à un volant d'inertie important ou à une charge lourde peut appeler un courant élevé pendant plusieurs secondes. Plus le temps de démarrage s'allonge, plus la charge thermique du moteur et des organes de protection augmente.

La courbe de couple au démarrage

Le couple produit par un moteur asynchrone varie avec la vitesse. Au démarrage, il existe un couple initial déterminé ; à mesure que le moteur accélère, le couple augmente d'abord, atteint le point de décrochage, puis se stabilise à la vitesse nominale. Lors du choix de la méthode de démarrage, cette courbe de couple doit satisfaire à chaque vitesse le couple exigé par la charge ; sinon le moteur ne peut atteindre sa vitesse et reste bloqué à courant élevé.

Tableau des courants de démarrage

Nous avons rassemblé dans le tableau ci-dessous l'effet des différentes méthodes de démarrage sur le courant de démarrage. Ce tableau vous permet de voir rapidement quelle méthode réduit le courant et dans quelle mesure.

Effet sur la tension du réseau

Un courant de démarrage élevé crée une demande de puissance soudaine sur le réseau. Cette demande provoque une chute de tension temporaire sur la ligne d'alimentation. Le démarrage d'un moteur puissant peut se manifester par un bref scintillement de l'éclairage ou une fluctuation de tension sur les autres appareils raccordés à la même ligne. Sur un réseau faible, cet effet est plus marqué.

Pourquoi la chute de tension est-elle importante ?

La chute de tension pendant le démarrage n'affecte pas seulement les autres appareils ; elle met aussi le moteur lui-même à l'épreuve. Une tension réduite diminue le couple de démarrage du moteur. À mesure que le couple diminue, le moteur peine à entraîner la charge, le temps de démarrage s'allonge et le courant élevé dure plus longtemps. Cela crée un cercle vicieux. C'est pourquoi, sur les moteurs puissants, la chute de tension est soigneusement calculée.

Choix des fusibles et des disjoncteurs

Le courant de démarrage détermine directement le choix des organes de protection. Le fusible ou le disjoncteur automatique ne doit pas déclencher inutilement lors de la brève impulsion du courant de démarrage, mais doit couper rapidement le circuit en cas de véritable surcharge ou de court-circuit. C'est pourquoi, dans les circuits moteur, on privilégie des organes de protection à caractéristique retardée (type D ou protection moteur).

Compensation et démarrage

Dans les installations, des batteries de condensateurs sont utilisées pour corriger le facteur de puissance. Les variations brusques de courant qui se produisent lors des démarrages de moteur peuvent influencer la réponse du système de compensation. C'est pourquoi, dans les installations comportant de nombreux moteurs de forte puissance, la compensation et le comportement au démarrage sont planifiés conjointement.

Dimensionnement du contacteur

Le contacteur qui commande le moteur est également choisi en fonction du courant de démarrage et de la catégorie d'emploi. Pour les charges moteur, on utilise des contacteurs de catégorie AC-3 ; ceux-ci sont conçus pour supporter un courant de démarrage élevé et des manœuvres fréquentes. Un contacteur sous-dimensionné subit une usure prématurée et un collage de ses contacts.

Relais thermique et protection contre les surcharges

Le relais thermique doit être suffisamment lent pour ne pas réagir à la brève impulsion du courant de démarrage, mais suffisamment sensible pour détecter une surcharge permanente. Un relais thermique correctement réglé autorise le démarrage tout en protégeant le moteur en cas de véritable contrainte. Nous avons traité ce sujet en détail dans notre article protection contre les surcharges.

Effet du courant de démarrage sur la durée de vie du moteur

Chaque démarrage représente une contrainte thermique et mécanique créée dans les bobinages par le courant élevé. Un moteur qui démarre fréquemment subit un vieillissement plus rapide de ses bobinages.

Réduction du courant par le couplage étoile-triangle

La méthode classique de réduction du courant de démarrage est le démarrage étoile-triangle. Le moteur est couplé en étoile au démarrage ; la tension appliquée à chaque enroulement diminue ainsi et le courant de démarrage descend à environ un tiers. Lorsque le moteur atteint sa vitesse, on passe en triangle. Nous avons traité la manière de réaliser les couplages étoile et triangle dans notre article raccordement de la plaque à bornes.

Les limites du couplage étoile-triangle

En réduisant le courant, la méthode étoile-triangle réduit aussi le couple de démarrage. Elle ne peut donc être utilisée que dans les applications capables de démarrer à vide ou à faible charge. Sur les machines exigeant un démarrage difficile en charge, cette méthode reste insuffisante et des solutions plus évoluées sont nécessaires.

La solution du démarreur progressif

Le démarreur progressif adoucit le courant de démarrage en augmentant progressivement la tension appliquée au moteur. L'impulsion de courant disparaît, la chute de tension diminue et la contrainte mécanique est réduite au minimum. Le démarrage progressif protège à la fois le moteur et la machine entraînée ; sur les pompes en particulier, il évite aussi les coups de bélier.

La solution du variateur de fréquence

La solution qui réduit le plus le courant de démarrage est le variateur de fréquence. Le variateur démarre le moteur à basse fréquence et l'accélère progressivement ; le courant de démarrage reste ainsi pratiquement au niveau du courant nominal. De plus, le variateur de fréquence permet aussi de réaliser des économies d'énergie grâce au contrôle de vitesse. À cet égard, il optimise à la fois le démarrage et le fonctionnement.

Quelle méthode et quand ?

La bonne méthode de démarrage dépend de l'application. Sur les moteurs de faible puissance qui démarrent rarement, le démarrage direct suffit. Sur les moteurs de puissance moyenne qui démarrent à vide, le couplage étoile-triangle est une option économique. Dans les applications exigeant un démarrage progressif ou un contrôle de vitesse, on privilégie en revanche le démarreur progressif ou le variateur.

Observation du démarrage lors de la mise en service

Lorsqu'un moteur est mis en service pour la première fois, son comportement au démarrage doit être observé attentivement. Un moteur qui appelle un courant élevé plus longtemps que la normale signale soit une charge trop lourde, soit un problème de raccordement. Surveiller le courant au démarrage avec une pince ampèremétrique révèle très tôt les problèmes cachés et évite des pannes coûteuses.

Courant de démarrage et échauffement

Un courant de démarrage élevé produit une chaleur supplémentaire dans les bobinages. Un moteur qui démarre fréquemment peut ne pas avoir le temps d'évacuer cette chaleur accumulée à chaque démarrage. Dans ce cas, la température du moteur s'élève progressivement. C'est pourquoi la fréquence des démarrages doit être évaluée en même temps que la capacité de refroidissement du moteur. Nous avons traité la surveillance de la température dans notre article contrôle de la température.

Démarrage et équilibre des phases

Si une phase est faible au moment du démarrage ou si le raccordement présente un défaut, le moteur appelle un courant déséquilibré et se trouve en difficulté. En cas de perte de phase, le démarrage peut ne pas avoir lieu du tout ou le moteur peut vibrer et surchauffer. C'est pourquoi il n'y a pas de démarrage sûr sans protection contre la perte de phase.

Température ambiante et démarrage

Une température ambiante élevée réduit la marge thermique déjà étroite du moteur. Un moteur qui démarre fréquemment dans un environnement chaud dispose de moins de marge pour se refroidir. Dans ces conditions, les méthodes qui réduisent le courant de démarrage prennent encore plus d'importance. Nous avons traité l'effet des conditions ambiantes dans notre article température ambiante et altitude.

Plaque signalétique et courant de démarrage

La plaque signalétique du moteur indique le courant nominal et parfois le rapport du courant de démarrage (Ia/In). Cette valeur constitue un point de départ pour la conception de l'installation. Lire correctement les informations de la plaque est la première étape d'un choix judicieux des organes de protection. Nous avons traité ce sujet dans notre article informations de la plaque signalétique.

Section de câble et démarrage

Comme le courant de démarrage est de courte durée, la section de câble est généralement choisie en fonction du courant nominal ; toutefois, dans les applications à démarrages très fréquents ou à câbles longs, la chute de tension provoquée par le courant de démarrage doit également être prise en compte. Un câble de faible section entraîne une chute de tension plus importante au démarrage et met le moteur en difficulté.

Gestion du courant de démarrage dans l'industrie

Dans l'industrie, le démarrage simultané de nombreux moteurs peut provoquer de fortes fluctuations de tension sur le réseau. C'est pourquoi, dans les grandes installations, les démarrages des moteurs sont échelonnés dans le temps ou contrôlés par des démarreurs progressifs. Dans les applications de moteur triphasé dans l'industrie, la gestion du démarrage est critique tant pour la qualité de l'énergie que pour la continuité de service.

Effet du type de charge sur le démarrage

Le caractère de la charge entraînée par le moteur détermine la durée du courant de démarrage. Une charge à forte inertie (un grand ventilateur ou un volant d'inertie) retarde la montée en vitesse du moteur ; le courant élevé dure donc plus longtemps. Avec des charges à faible inertie, le démarrage se termine rapidement. Bien identifier le type de charge est un élément important du choix de la méthode de démarrage.

Les risques des démarrages fréquents

Un moteur qui démarre très fréquemment n'a pas le temps d'évacuer la chaleur accumulée à chaque démarrage et s'échauffe progressivement. Les constructeurs indiquent pour cette raison le nombre maximal de démarrages admis par heure. Dépasser cette limite entraîne une surchauffe du moteur et un vieillissement rapide de l'isolation. Dans les applications exigeant des démarrages fréquents, il convient de privilégier un variateur ou un démarreur progressif.

L'importance de prendre en compte le courant de démarrage

Si le courant de démarrage est négligé, les fusibles déclenchent inutilement, les contacteurs s'usent prématurément et des fluctuations indésirables apparaissent sur le réseau. Une conception correcte prend en compte le courant de démarrage dès le départ et choisit ainsi à la fois les bons organes de protection et la méthode de démarrage appropriée. Cette anticipation évite de nombreuses pannes rencontrées sur le terrain.

Différence entre le démarreur progressif et le variateur

Le démarreur progressif adoucit uniquement le démarrage et l'arrêt ; une fois que le moteur a atteint sa vitesse, il est raccordé directement au réseau. Le variateur, en revanche, contrôle le démarrage et règle également la vitesse pendant tout le fonctionnement. Si seul le courant de démarrage pose problème, le démarreur progressif est une solution économique ; si un contrôle de vitesse est aussi nécessaire, le variateur constitue un investissement plus complet.

Isolation et contrainte de démarrage

Le courant élevé de chaque démarrage crée une contrainte électrique et thermique sur l'isolation des bobinages. Avec le temps, ces contraintes usent l'isolation. Une méthode de démarrage adaptée réduit cette contrainte et permet à l'isolation d'atteindre la durée de vie prévue. Nous avons traité l'importance de la classe d'isolation dans notre article classe d'isolation.

Indice de protection et environnement de démarrage

Dans les environnements poussiéreux ou humides, l'impulsion de courant élevé peut provoquer des courants de fuite sur une isolation affaiblie. C'est pourquoi le choix du bon indice de protection IP fait aussi partie d'un démarrage sûr.

DRG Motor pour votre solution de démarrage

Le courant de démarrage est l'instant le plus intense mais le plus bref d'un moteur ; il influence néanmoins directement toute la conception de l'installation et la durée de vie du moteur. Bien comprendre ce courant, qui atteint 6 à 8 fois le courant nominal, est la base d'un choix judicieux des organes de protection et de la méthode de démarrage appropriée. Chez DRG Motor, nous évaluons nos moteurs asynchrones de classe de rendement IE3, IE4 et IE5 avec les solutions de démarrage adaptées aux exigences de votre application. Pour une gestion correcte du démarrage, une protection adaptée et le bon moteur, vous pouvez consulter notre page moteurs électriques industriels. Si vous vous demandez comment fonctionnent les moteurs électriques, notre article qu'est-ce qu'un moteur électrique est un bon point de départ.