Démarrage +Freinage +Protection Des Moteurs Electriques

Démarrage +Freinage +Protection Des Moteurs Electriques

 Démarrage 1-Introduction Lors de la mise sous tension d'un moteur asynchrone, celui-ci provoque un fort appel de courant qui peut provoquer des chutes de tension importantes dans une installation électrique. Pour ces raisons en autres, il faut parfois effectuer un démarrage différent du démarrage direct. Il est donc logique de limiter le courant pendant le démarrage à une valeur acceptable. Mais si l'on limite le courant, on limite du fait la tension (dans certain cas seulement).

2-Choix d’un démarreur : Le choix est guidé par des critères économiques et techniques qui sont :      

les caractéristiques mécaniques, les performances recherchées, la nature du réseau d’alimentation électrique l’utilisation du moteur existant dans le cas d’un rééquipement, la politique de maintenance de l’entreprise le coût de l’équipement.

Le choix d’un démarreur sera lié :      

au type d’utilisation : souplesse au démarrage, à la nature de la charge à entraîner au type de moteur asynchrone à la puissance de la machine à la puissance de la ligne électrique à la gamme de vitesse requise pour l’application.

Dans la suite de ce chapitre, nous exposerons et comparerons les différents types de démarreur.


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

Démarrage des Moteurs Asynchrones Triphasés

3-Types de Démarrage : 3-1-Le démarrage direct : C'est le mode de démarrage le plus simple. Le moteur démarre sur ses caractéristiques "naturelles". Au démarrage, le moteur se compose comme un transformateur dont le secondaire (rotor) est presque en court-circuit, d'où la pointe de courant au démarrage. Ce type de démarrage est réservé aux moteurs de faible puissance devant celle du réseau, ne nécessitant pas une mise en vitesse progressive. Le couple est énergique, l’appel de courant est important (5 à 8 fois le courant nominal). (Fig1)

Malgré les avantages qu'il présente (simplicité de l'appareillage, démarrage rapide, coût faible), le démarrage direct convient dans les cas ou :  La puissance du moteur est faible par rapport à la puissance du réseau (dimension du câble)  La machine à entraîner ne nécessité pas de mise en rotation progressive et peut accepter une mise en rotation rapide  Le couple de démarrage doit être élevé Ce démarrage ne convient pas si :  Le réseau ne peut accepter de chute de tension  La machine entraînée ne peut accepter les à-coups mécaniques brutaux  Le confort et la sécurité des usagers sont mis en cause (escalier mécanique)


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3-2-Démarrage étoile triangle : Ce mode de démarrage n'est utilisable si les deux extrémités de chaque enroulement sont accessibles. De plus, il faut que le moteur soit compatible avec un couplage final triangle.

(fig2)

0 0 1 0 2 0 3 0

Ordre de marche KM2

KM1

Temporisation KM1 Ouverture de KM2 KM1

KM3

Ordre d’arrêt

(Fig3)


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I I

C C

IY CY

N

N

Lors du couplage étoile, chaque enroulement est alimenté sous une tension 3 fois plus faible, de ce fait, le courant et le couple sont divisés par 3. Lorsque les caractéristiques courant ou couple sont admissibles, on passe au couplage triangle. Le passage du couplage étoile au couplage triangle n'étant pas instantané, le courant est coupé pendant 30 à 50 ms environ. Cette coupure du courant provoque une démagnétisation du circuit magnétique. Lors de la fermeture du contacteur triangle, une pointe de courant réapparaît brève mais importante (magnétisation du moteur). 3-3-Démarrage statorique : Ce type de démarrage a des caractéristiques comparables au démarrage étoile triangle Il n’y a pas de coupure de l’alimentation du moteur entre les deux temps de démarrage.(Fig4)

0 0

Ordre de marche

KM1 1 0 Temporisation KM1 KM2 2 0 Ouverture d’arrêt Ce dernier démarreur peut être associé au dispositif de démarrage étoile-triangle. On démarre en étoile, puis on passe en couplage triangle avec les résistances, et enfin on termine en couplage triangle direct. Pour les moteurs de grosse puissance, les résistances sont remplacées par un démarreur à résistances électrolytiques. Des barres sont plongées progressivement dans une cuve remplie de liquide. Au fur et à mesure que les barres plongent, la Démarrage +Freinage +Protection Des Moteurs Electriques

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résistance diminue progressivement, et en fin de démarrage, on court-circuite les résistances. 3-4-Tension réduite par autotransformateur : Dans le démarrage par autotransformateur, on effectue le même type que le démarrage étoile triangle (on a en plus le choix du rapport des tensions en choisissant le rapport de transformation) mais les phénomènes transitoires du démarrage étoile triangle (pointe de courant au passage triangle, ne vont plus exister car le courant n'est jamais coupé). Dans un premier temps, on démarre le moteur sur un autotransformateur couplé en étoile. De ce fait, le moteur est alimenté sous une tension réduite réglable. Avant de passer en pleine tension, on ouvre le couplage étoile de l'autotransformateur, ce qui met en place des inductances sur chaque ligne limitant un peu la pointe et presque aussitôt, on court-circuite ces inductances pour coupler le moteur directement au réseau.(Fig5)

0 0 1 0 2 0 3 0

Ordre de marche KM1

KM3

Temporisation 1 KM1 Temporisation 2 KM1

KM2

Ordre d’arrêt

(Fig5)

Id = 1,7 à 4 In Cd = 0,5 à 0,85 Cn Ce mode de démarrage est surtout utilisé pour les fortes puissances (> 100 kW) et conduit à coût de l’installation relativement élevé, surtout pour la conception de l'autotransformateur.


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3-5- Démarrage des moteurs à bagues : Un moteur à bagues ne peut démarrer en direct, avec ses enroulements rotorique court-circuités, sinon il provoquerait des pointes de courant inadmissibles. Il est nécessaire, tout en alimentant le stator sous la pleine tension du réseau, d’insérer dans le circuit rotorique des résistances ( Fig.6) qui sont ensuite court-circuitées progressivement.

Le calcul de la résistance insérée dans chaque phase permet de déterminer de façon rigoureuse la courbe couple-vitesse obtenue. Il en résulte que celle-ci doit être insérée en totalité au moment du démarrage et que la pleine vitesse est atteinte lorsqu'elle est entièrement court-circuitée. Le courant absorbé est sensiblement proportionnel au couple fourni ou, du moins, n'est que peu supérieur à cette valeur théorique. Par exemple, pour un couple de démarrage égal à 2 Cn, la pointe de courant est d'environ 2 In. Cette pointe est donc considérablement plus faible et le couple maximal de démarrage plus élevé qu'avec un moteur à cage, pour lequel les valeurs typiques, en couplage direct sur le réseau, sont de l'ordre de 6 In pour 1.5 Cn. Le moteur à bagues, avec un démarrage rotorique, s'impose donc dans tous les cas où les pointes de courant doivent être faibles et pour des machines démarrant à pleine charge. Par ailleurs, ce type de démarrage est extrêmement souple, car il est Démarrage +Freinage +Protection Des Moteurs Electriques

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facile d'ajuster le nombre et l'allure des courbes représentant les temps successifs aux impératifs mécaniques ou électriques (couple résistant, valeur d'accélération, pointe maximale de courant, etc.). 3-6- Démarrage/ralentissement par démarreur électronique (soft starter) C’est un mode de démarrage performant ( Fig.7) qui permet un démarrage et un arrêt en douceur Il peut être utilisé : - en limitation de courant, - en régulation de couple. Le contrôle par limitation de courant permet de fixer un courant maximum (3 à 4 x In) pendant la phase de démarrage au détriment des performances en couple. Ce contrôle est particulièrement adapté aux “turbomachines” (pompes centrifuges, ventilateurs). Le contrôle par régulation de couple permet d’optimiser les performances en couple au démarrage au détriment de l’appel de courant sur le réseau. Celui-ci est adapté aux machines à couple constant. Ce type de démarreur permet une multitude de schéma : - un sens de marche, - deux sens de marche, - shuntage de l’appareil en fin de démarrage, - démarrage et ralentissement de plusieurs moteurs en cascade,


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3-7- Démarrage par convertisseur de fréquence : C’est un mode de démarrage performant ( Fig.8) utilisé dès qu’il est nécessaire de contrôler et de faire varier la vitesse Il permet entre autre : - de démarrer des charges de forte inertie, - de démarrer des charges importantes sur un réseau de faible pouvoir de court-circuit, - d’optimiser la consommation d’énergie électrique en fonction de la vitesse sur les turbomachines. Ce type de démarrage s’applique sur tous types de machines. Cette solution est utilisée pour le réglage de la vitesse du moteur et accessoirement pour le démarrage. A Fig.


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Tableau récapitulatif Démarra ge direct

Démarrage étoile triangle

Démarrage rotorique

Démarreur électroniq ue

33%

Démarrage Démarrage statorique par auto transformat eur 50% 40/65/80%

Courant de démarrage Surcharge en ligne Couple en % de Cd

100%

70%

150 à 750%

4 à 8 In

1.3 à 1.6 In

4.5 In

1.7 à 4 In

<2.5 In

100%

33%

50%

40/65/80%

Couple initiale au démarrage commande

0.6à 1.5 Cn

0.2 à 0.5 Cn

0.6 à 0.85 Cn

0.4 à 0.85 Cn

0.4 à 0.85 Cn

T.O.R

T.O.R

1 cran fixe

3 crans fixe

avantages

démarreu r simple et économiq ue -couple au démarrag e important

économiqu es -bon rapport couple/cour ant

possibilité s de réglages des valeurs au démarrage

-bon rapport couple/cour ant possibilités de réglages des valeurs au démarrage

De 1 à 5 crans -très bon rapport couple/cour ant -possibilité de réglage des valeurs au démarrage

inconvénie nts

-pointe de courant très important e démarrag e brutal

-couple de démarrage faible -coupure d’alimentati on au changement de couplage -moteur 6 bornes

-faible réduction de la pointe de courant au démarrage -nécessite des résistances volumineu ses

-nécessite un auto transformat eur onéreux -présente des risques de réseau perturbé


-moteur à bague plus onéreux

10 à50% (50 à 100% en 100ms) <2.5 Cn

électroniq ues Démarrag e sans à coup -montée progressiv e en vitesse -limitation de l’appel de courant au démarrage -prix

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 Démarrage des Moteurs Asynchrones Monophasés Démarrage des moteurs monophasés Un moteur monophasé ne pouvant démarrer seul, différents artifices sont utilisés pour le lancer.

1- Démarrage par phase auxiliaire Sur ce type de moteur ( Fig.9), le stator comprend deux enroulements décalés géométriquement de 90°. Lors de la mise sous tension, du fait de la différence de construction des bobinages, un courant I1 traverse la phase principale et un courant plus faible I2, sensiblement déphasé de p/2, circule dans la phase auxiliaire. Les champs engendrés étant produits par deux courants déphasés, l’un par rapport à l’autre, le champ tournant résultant est suffisant pour provoquer le démarrage à vide du moteur. Lorsque le moteur atteint environ 80 % de sa vitesse, la phase auxiliaire peut être mise hors circuit (coupleur centrifuge), ou maintenue en service. Le stator du moteur se trouve ainsi transformé, au moment du démarrage ou en permanence, en stator diphasé. Pour inverser le sens de rotation, il suffit d'inverser les connexions d’une phase. Le couple fourni lors du démarrage étant faible, il convient pour l'accroître d'augmenter le décalage entre les deux champs produits par les bobinages.

2-Démarrage par phase auxiliaire et résistance Une résistance placée en série dans la phase auxiliaire en augmente l’impédance et accroît le décalage entre l1 et l2. Le fonctionnement en fin de démarrage est identique à celui avec phase auxiliaire seule.


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3- Démarrage par phase auxiliaire et inductance Le principe est le même que précédemment, mais la résistance est remplacée par une inductance qui, montée en série dans la phase auxiliaire, accroît le décalage entre les deux courants.

4- Démarrage par phase auxiliaire et condensateur C’est le dispositif le plus utilisé. Il consiste à placer un condensateur dans la phase auxiliaire. La valeur pratique de la capacité pour le condensateur permanent est d'environ 8 μF pour un moteur de 200 W. Pour le démarrage, un condensateur supplémentaire de 16 μF peut être nécessaire et est éliminé dès que le démarrage est terminé. La présence du condensateur provoquant un déphasage inverse à celui d’une inductance, le fonctionnement en période de démarrage et en marche normale est voisin de celui d’un moteur diphasé à champ tournant. D’autre part, le couple et le facteur de puissance sont plus importants. Le couple de démarrage Cd est sensiblement égal à 3 fois le couple nominal Cn et le couple maximum Cmax atteint 2 Cn. Une fois le démarrage effectué, il est préférable de maintenir le déphasage entre les deux courants, mais la capacité du condensateur peut être réduite car l’impédance du stator a augmenté. Le schéma ( Fig.10) représente un moteur monophasé avec un condensateur connecté en permanence. D’autres dispositions sont utilisées, comme l’ouverture du circuit de déphasage par un interrupteur centrifuge à partir d’une certaine vitesse. Un moteur triphasé (230/400 V) peut être utilisé sur un réseau monophasé 230 V, en le munissant d’un condensateur de démarrage et d’un condensateur de marche connecté en permanence au détriment de la puissance utile (déclassement de 0.7 environ), du couple de démarrage et de la réserve thermique. Seuls les moteurs quatre pôles de faible puissance (4 kW max) se prêtent à ce mode de fonctionnement. Les constructeurs fournissent des tableaux permettant de sélectionner les condensateurs de valeur appropriée.


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5- Démarrage par bague de déphasage C’est le dispositif ( Fig.11) utilisé dans les moteurs de très faible puissance (de l’ordre de la centaine de watts). Les pôles comportent des encoches dans lesquelles sont insérées des bagues conductrices en court circuit. Le courant induit, généré de cette manière provoque une distorsion du champ tournant qui permet le démarrage. Le rendement est faible mais acceptable dans cette gamme de puissance. A Fig.


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 Freinage Introduction : Dans un grand nombre d'applications, l'arrêt du moteur est obtenu simplement par décélération naturelle. Le temps de décélération dépend alors uniquement de l'inertie de la machine entraînée. Mais il est souvent nécessaire de réduire ce temps. Le freinage électrique apporte dans ce cas une solution efficace et simple. Par rapport aux freinages mécanique et hydraulique, il offre l'avantage d'être régulier et de ne mettre en œuvre aucune pièce d'usure. Le moteur asynchrone est capable de fonctionner dans les quatre quadrants. Il développe un couple moteur dans l'un et l'autre sens dans les quadrants Q1 et Q3 et un couple de freinage dans les quadrants Q2 et Q4. L'inversion du sens de rotation s'obtient en intervertissant deux des trois phases d'alimentation du moteur, ce qui a pour effet d'inverser le sens du champ tournant. Diverses méthodes sont utilisables pour freiner électriquement un moteur asynchrone :  le freinage hyper synchrone avec renvoi d'énergie active au réseau. Ce freinage intervient naturellement en survitesse,  le freinage en contre-courant par inversion du champ tournant,  le freinage par injection de courant continu. Tous ces procédés sont applicables aux moteurs à cage et aux moteurs à bagues.

.Freinage par fonctionnement hypersynehrone C’est le cas où le moteur est entraîné par sa charge au-dessus de sa vitesse de synchronisme il se comporte alors comme une génératrice asynchrone débitant sur le réseau et développe un couple de freinage. EX: Cas des moteurs à bagues et moteur à plusieurs vitesses lors du passage de GV à PV.

Freinage par couplage hyposynchrone: Consiste à inverser l’alimentation d’un enroulement du moteur lancé ou entraîné par la charge (cas des équipements de levages) c'est presque le même procédé pour le freinage en contre-courant. Démarrage +Freinage +Protection Des Moteurs Electriques

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Freinage par couplage monophasé: Le freinage en monophasé consiste â alimenter le moteur par deux phases du réseau. Le système est assimilé à 2 moteurs travaillant en opposition.

Branchement des Electro-Freins Electro-Freins à Courant Continu ou Redressé. Les figures 1a et 1b représentent des électo-aimants à courant redressé. L’alimentation de ces deux systèmes est prélevée aux bornes d’un enroulement du moteur asynchrone triphasé. Remarques: Parfois, la tension d’alimentation est prélevée sur une partie d’un enroulement. La tension d’alimentation de la bobine du frein peut être fournie par un transformateur et redressé par cellules incorporées. Avantages L'électro-aimant à courant continu ou redressé réalise un serrage et desserrage progressifs, donc le moment du couple résultant est progressif (voir courbe ci-dessous). Ce type de frein est apprécié là où i1 faut éviter les àcoups, exemple: ponts roulants. Pour avoir des Démarrage +Freinage +Protection Des Moteurs Electriques

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temps de réponse au freinage courts. Le schéma de la figure la peut être transformé en schéma Fig. 1b. (Coupure sur le continu), obligatoire pour certaine applications de levage. Electro-Freins à Courant Alternatif: (Fig. 2a et 2b): L’électro-aimant à courant alternatif se comporte comme un récepteur triphasé équilibré, qui peut être branché en étoile ou en triangle. Propriétés: Cet électro-aimant possède des temps de réponse très courts. Moteurs appréciés pour tous les mouvements cadencés. Emploi: Manutention, presses, machines outils, etc.

Fig. 2a

Branchement des Electo-Freins Electo-Freins à Courant Continu ou Redressé. Les figures 1a et 1b représentent des électoaimants à courant redressé. L’alimentation de ces deux systèmes est prélevée aux bornes d’un enroulement du moteur asynchrone triphasé. Remarques: Parfois, la tension d’alimentation est prélevée sur une partie d’un enroulement. La tension d’alimentation de la bobine du frein peut être fournie par un transformateur et redressé par cellules incorporées. Avantages L'électo-aimant à courant continu ou redressé réalise un serrage et desserrage progressifs, donc le moment du couple résultant est progressif (voir courbe ci-dessous). Ce type de frein est apprécié là où 1 faut éviter les à-coups, exemple: ponts roulants. Pour avoir des temps de réponse au freinage courts.


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Le schéma de la figure la peut être transformé en schéma Fig. 1b. (Coupure sur le continu), obligatoire pour certaine applications de levage. Electro-Freins à Courant Alternatif: (Fig. 2a et 2b): L’électro-aimant à courant alternatif se comporte comme un récepteur triphasé équilibré, qui peut être branché en étoile ou en triangle. Propriétés: Cet électro-aimant possède des temps de réponse très courts. Moteurs appréciés pour tous les mouvements cadencés. Emploi: Manutention, presses, machines outils, etc.

Fig. 2a

Freinage hypersynchrone : C'est le cas où le moteur est entraîné par sa charge au-dessus de la vitesse de synchronisme. Il se comporte alors comme une génératrice asynchrone et développe un couple de freinage. Aux pertes prés, l'énergie est récupérée par le réseau. Sur un moteur de levage, la descente de la charge à la vitesse nominale correspond à ce type de fonctionnement. Le couple de freinage équilibre alors exactement le couple dû à la charge et amène non pas un ralentissement, mais une marche à vitesse constante. S'il s'agit d'un moteur à bagues, il est essentiel de court-circuiter tout ou partie des résistances rotoriques, pour éviter que le moteur ne soit entraîné très au-delà de sa vitesse nominale, avec les risques mécaniques que cela comporterait. Ce fonctionnement possède les qualité idéales d'un système de retenue de charge entraînante :  la vitesse est stable, pratiquement indépendante du couple entraînant,  l'énergie est récupérée et renvoyée au réseau. Il ne correspond cependant qu'à approximativement à la vitesse nominale.

une


seule

vitesse,

c'est-à-dire

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Le freinage hypersynchrone se rencontre également sur les moteurs à plusieurs vitesses lors du passage de la grande à la petite vitesse. Ce freinage intervient lorsque la machine entraîne le moteur à une vitesse supérieure à la vitesse de synchronisme (figure 1). le couple maximal de freinage est de même valeur que le couple moteur maximal. Une charge entraînante devenue plus forte que la valeur correspondante au couple maximal ne pourrait être retenue par le moteur. On ne peut pas arrêter la charge.

Figure -1- Q2 et Q4 freinage hypersynchrone

Freinage en contre-courant : Le principe consiste, après avoir isolé le moteur du réseau alors qu'il tourne encore, à le reconnecter sur le réseau en sens inverse. C'est un mode de freinage très efficace qui doit être arrêté suffisamment tôt pour éviter que le moteur ne reparte en sens inverse. Divers dispositifs automatiques sont employés pour commander l'arrêt dès que la vitesse approche de zéro : détecteurs d'arrêt à friction, détecteurs d'arrêt centrifuges, dispositifs chronométriques, etc. a) Moteur à cage : Avant d'adopter ce système, il faut absolument s'assurer que le moteur est capable de supporter des freinages en contre courant avec le service envisagé. En effet, outre les contraintes mécaniques, ce procédé impose des contraintes thermiques importantes au rotor, l'énergie correspondant à chaque freinage (énergie de glissement prise au réseau et énergie cinétique) étant dissipée dans la cage. Au moment du freinage, les pointes de courant et de couple sont nettement supérieures à celles produites lors du démarrage. Afin d'obtenir un freinage sans brutalité, il est souvent inséré, lors du couplage en contre-courant, une résistance en série avec chaque phase du stator. Le couple et le courant sont alors réduits comme dans le cas du démarrage statorique. Les inconvénients du freinage par contre-courant d'un moteur à cage sont tels que ce procédé n'est utilisé que sur certaines applications avec des moteurs de faible puissance. Démarrage +Freinage +Protection Des Moteurs Electriques

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Ce freinage est obtenu par inversion de l'alimentation de deux phases du moteur. L'énergie n'est pas renvoyée au réseau, elle est dissipée dans le circuit rotorique. Pour un moteur à cage, le couple de freinage est faible à grande vitesse. Pour un moteur à bagues, des résistances rotoriques supplémentaires permettent de renforcer l'efficacité du freinage. On peut arrêter une charge (figure 2) car le moteur développe un couple de freinage à vitesse nulle.

Figure -2- Q2 et Q4 freinage en contre-courant B) Moteur à bagues : Afin de limiter la pointe de courant et de couple, il est impératif, avant de coupler le stator du moteur en contre-courant, de réinsérer les résistances rotoriques ayant servi au démarrage, et souvent même d'ajouter une section supplémentaire dite de freinage. Le couple de freinage peut être facilement réglé à la valeur désirée en choisissant une résistance rotorique convenable. Au moment de l'inversion, la tension rotorique est presque le double de la tension rotorique à l'arrêt, ce qui impose quelquefois des précautions particulières d'isolement. Comme pour les moteurs à cage, une énergie importante est produite dans le circuit rotorique. Elle est dissipée en grande partie dans les résistances. La commande automatique de l'arrêt à la vitesse nulle peut être faite par l'un des dispositifs cités plus haut, ou bien par l'action d'un relais de tension ou de fréquence inséré dans le circuit rotorique. Avec ce système, il est possible de retenir une charge entraînante à une vitesse modérée. La caractéristique est très instable (fortes variations de vitesse pour faibles variations de couple).

En freinage, les résistances ne sont pas obligatoires à condition que le moteur et la mécanique supportent le contre-courant sous la pleine tension Démarrage +Freinage +Protection Des Moteurs Electriques

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fonctionnement

freinage

FREINAGE EN CONTRE COURANT: Contrôle par relais de mesure de la tension rotorique Ce procédé de freinage se fait, en changeant le sens de rotation du champ par commutation de deux fils quelconque venant au stator. Le rotor tourne dans le sens inverse de celui du champs avec g>1. Si le moteur est à rotor à bagues on introduit dans le circuit rotorique une série de résistances (R1, R2, R3) qui seront court-circuitées successivement et progressivement pour limiter le contre courant. L’arrêt total du moteur est assuré par un relais à maximum de tentions [U>0] Fonctionnement: *Moteur en marche normale -KM1 étant déjà fermé. -KM3 fermé. -KM5 fermé.


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* Freinage: - Impulsion sur S1 - Ouverture de KM1, - Ouverture de KM3, KM5. - Fermeture de KM2. - Excitation du relais de mesure de tension U. - Fermeture de KM3 (après un temps t1). - Fermeture de KM4 (après un temps t2). - KM5 fermé après un temps t3 - Ouverture de KM4 - Relais de mesure de tension U désexcité - Ouverture de KM2 (Arrêt).

Freinage par injection de courant continu : Ce mode de freinage est utilisé sur les moteurs à bagues et à cage. Par rapport au système à contre-courant, le prix de la source de courant redressé est compensé par un moindre volume des résistances. Avec les variateurs et démarreurs électroniques, cette possibilité de freinage est offerte sans supplément de coût. Le procédé consiste à envoyer du courant redressé dans le stator préalablement séparé du réseau. Ce courant redressé crée un flux fixe dans l'espace. Pour que la valeur de ce flux corresponde à un freinage convenable, le courant doit être environ 1,3 fois le courant nominal. L'excédent de pertes thermiques dû à cette légère surintensité est généralement compensé par le fait que le freinage est suivi d'un temps d'arrêt. La valeur du courant étant fixée par la seule résistance des enroulements du stator, la tension de la source de courant redressé est faible. Cette source est généralement constituée de redresseurs ou fournie par les variateurs. Ceux-ci doivent pouvoir supporter les surtensions transitoires produites par les enroulements qui viennent d'être déconnectés du réseau alternatif (à 380 volts efficaces, par exemple). Le mouvement du rotor représente un glissement par rapport à un champ fixe dans l'espace (alors que, dans le système à contre-courant, le champ tourne en sens inverse). Le moteur se comporte comme un générateur synchrone débitant dans le rotor. Les caractéristiques obtenues avec un système de freinage par injection de courant redressé présentent, par rapport à celles résultant d'un système à contre-courant, des différences importantes :  l'énergie dissipée dans les résistances rotoriques ou dans la cage est moins importante. Il s'agit uniquement de l'équivalent de l'énergie mécanique communiquée par les masses en mouvement. La seule énergie prise au réseau est l'excitation du stator, Démarrage +Freinage +Protection Des Moteurs Electriques

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 si la charge n'est pas entraînante, le moteur ne redémarre pas en sens inverse,  si la charge est entraînante, le système fournit un freinage permanent qui retient cette charge à faible vitesse. La caractéristique est beaucoup plus stable qu'en contre-courant. Dans le cas d'un moteur à bagues, les caractéristiques couple-vitesse sont fonction du choix des résistances. Dans le cas d'un moteur à cage, ce système permet de régler facilement le couple de freinage en agissant sur le courant continu d'excitation. Afin d'éviter les échauffements inutiles, il faut prévoir un dispositif coupant le courant dans le stator une fois le freinage réalisé. Ce freinage consiste à injecter du courant continu dans le stator dont l'alimentation à partir du réseau a été préalablement interrompue. Le flux fixe engendré dans l'espace freine alors le rotor et le maintient à basse vitesse dans le cas d'une charge entraînante. Arrivé à basse vitesse, le couple de freinage augmente fortement avant de s'annuler à vitesse nulle. Dans le cas d'une charge entraînante, il sera nécessaire d'agir sur un frein mécanique pour assurer l'immobilisation à l'arrêt (figure 3).

Figure -3- Q2 et Q4 freinage par injection de courant continu


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FREINAGE PAR INJECTION DE COURANT CONTINU OU FREINAGE DYNAMIQUE:


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Fonctionnement: *Circuit de puissance *Démarrage: -Fermeture de Q1 -Fermeture de KM1 *Freinage: -Ouverture de KM 1. -Fermeture de KM 2. -Ouverture de KM 2 (après arrêt total ) *Circuit de commande: *Freinage -Impulsion Sur S1, -Désexcitation de KM 1. -Fermeture du contact KM1 (51-52) -Excitation de KM2 (freinage). -Ouverture du contact temporisé à l'ouverture KM1 (57-58). Commentaire: Le stator est débranché du réseau et est excité en courant continu par une source de courant continu ici un redresseur sec (a diodes). Deux enroulements du stator connectés en série sont alimentés par le redresseur dont lequel le stator crée un champ fixe qui fait naître des forces d’attraction sur le rotor en court-circuit. R: Résistance pour limiter le courant redressé. KM2: Pour le freinage.


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FREINAGE PAR INJECTION DE COURANT CONTINU: Contrôle par relais à minimum de courant: I<

Fonctionnement: * Freinage (Moteur déjà lancé) - Ouverture de KM 1. - Ouverture de KM3, - Fermeture de KM4, KM5, KM2 (freinage). - Fermeture de KM3. - Ouverture de KM2. - Ouverture de KM3, KM4, KM5 (arrêt). * Circuit de commande freinage: - Impulsion sur S1 - Désexcitation de la bobine de KM1, et celle de KM3 - Fermeture du contact KM1 (21-22) (Verrouillage freinage). - Excitation des bobines de KM2, KM4 et KM5. - Fermeture du contact KM5 (13-14) (auto- maintien) - Ouverture du contact KM5 (2 l-22). (Verrouillage démarrage). - Fermeture du contact KM4 (67-68) (Temporisé au travail). - Excitation de KM3. - Désexcitation de la bobine de KM2 par KM3 (21 -22). - Ouverture du contact relais à minimum de courant I - Désexcitation des bobines KM3, KM4 et KM * Remarque: Ic: courant Ondulé. La valeur du courant de freinage la plus répandue étant de Ic = 1 44 In Démarrage +Freinage +Protection Des Moteurs Electriques

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FREINAGE PAR INJECTION DE COURANT CONTINU EN AUTO-EXCITATION: Le circuit en trait fin permet l’amorçage du moteur qui peut alors fonctionner en générateur, si la vitesse augmente, le freinage est plus énergique (cas des appareils de levage en cas de descente). Fonctionnement: *Circuit de puissance -Fermeture de Q1 -Fermeture de KM 1(AV) ou KM2 (AR). -Fermeture de KM3. -Fermeture de KM4. *Freinage: -Ouverture de KM1 ou KM2. -Fermeture de KM5 et KM6. -Fermeture de KM4 et KM3, *Circuit de commande freinage: -Impulsion sur S1 (BP arrêt). -Désexcitation des bobines de KM1, KA1, KM3, KM4. •Excitation de KA3. -Fermeture du contact temporisé KA3 (57-58). -Excitation de KM5, KM6. -Désexcitation de KA3. -Ouverture du contact KA3(57-58) temporisé au repos. -Désexcitation de KM5. KM6.

* Principe: Le moteur isolé du réseau 380v~ continu à tourner par son inertie, les courants collectés sur l’induit seront redressés et réinjectés dans l’inducteur.


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FREINAGE PAR OPPOSITION DE TENSION: Fonctionnement: - Fermeture de KM2 et de KM3 -Une tension Ur apparaît aux bornes du rotor avec UR > UT Le rotor débite dans les résistances R1, R2, R3 Les courants rotoriques produisent un couple important, le moteur accélère Lorsque UR > UT autotransformateur ne débite aucun courant - A l'instant où UR = UT. la vitesse se stabilise. - Si la vitesse augmente par la charge), la tension UR est plus petite que UT. Les courants rotoriques s'annulent, le couple aussi la vitesse diminue. - Supposons que la vitesse ait diminuée: la tension UR augmente, de même les courants rotoriques et le couple, donc la vitesse augmente -remarque: l’intensité dans les résistances est fournit tantôt par le rotor tantôt par l'autotransformateur, Ce mode d'alimentation utilisé pour les appareils de lavage permet soit le fonctionnement normal par fermeture des contacteurs KM 1 ou KM2 Le freinage se fait par la fermeture de KM8. KM3. KM4 ou de KM5. La montée en vitesse lente et stable se fait par fermeture de KM2 et KM3, KM4 ou KM5. • Principe: - le couple est proportionnel à l'intensité dans le rotor. - La tension UR est proportionnelle au glissement COMMENTAIRE: Au démarrage une tension UR apparaît au niveau du rotor avec UR >UT Les courants rotoriques sont écoules dans les résistances R1, R2, R3, en produisant un couple important de ce fait le moteur accélère. Dans la phase où UR > UT les contacts de KM3, KM4 et de KM5 sont fermés et l'autotransformateur ne débite aucun courant. - La variation régressive de tension UT est obtenue garce au jeu de contacteurs KM3, KM4, KM5, jusqu’à une stabilité de la vitesse où UR = UT - Ce procédé est utilisé dans les appareils de levage et manutention dont le freinage est progressif et autorégulé, lors de l'entraînement du rotor par la charge la vitesse augmente la tension UR devient inférieure à UT ,les courants rotoriques s’annulent ta vitesse diminue. La vitesse est réduite la tension UR augmente ainsi les courants rotoriques et le couple, la vitesse progresse. Démarrage +Freinage +Protection Des Moteurs Electriques

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Marche normale: - Fermeture de KM! (Descente) ou - Fermeture de KM2 (montée). - Fermeture de KM3 - Fermeture de KM6. - Fermeture de KM7. - Fermeture de KM9 le moteur atteint la vitesse de régime. Montée en vitesse lente: - Fermeture de KM2. - Fermeture deKM3. - Fermeture de KM4 ou de KM5. Le freinage se fait par la: - Fermeture de KM5. - Fermeture de KM3 - Fermeture de KM4 ou de KM5

4Autres systèmes de freinage : On rencontre encore parfois le freinage en monophasé qui consiste à alimenter le moteur par deux phases du réseau. A vide, la vitesse est nulle. Ce fonctionnement s'accompagne de déséquilibres et de pertes importantes. Citons également le freinage par ralentisseur à courants de Foucault. L'énergie mécanique est dissipée en chaleur dans le ralentisseur. Le réglage du freinage se fait facilement par un enroulement d'excitation. Mais l'augmentation importante de l'inertie est un inconvénient.


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 Protection 1-Introduction Les machines électriques tournantes peuvent, comme tous les appareils industriels, être affectées de défauts de fonctionnement. Ces défauts les rendent en général inaptes à plus ou moins long terme, à assurer leur service, et perturbent le fonctionnement d’autres matériels. Les défauts, ainsi que les conditions anormales de fonctionnement, doivent donc être détectés le plus rapidement possible et provoquer la déconnexion électrique entre la machine et le réseau auquel elle est raccordée. • Electrique - surtension, chute de tension, déséquilibre et perte de phases qui provoquent des variations sur le courant absorbé, - courts-circuits dont le courant peut atteindre des niveaux destructeurs pour le récepteur. • Mécanique - calage du rotor, surcharge momentanée ou prolongée qui entraînent une augmentation du courant absorbé par le moteur, d’où un échauffement dangereux pour ses bobinages. Au niveau d’une installation comportant des moteurs électriques, nous pouvons distinguer deux types de défauts : les défauts d’origine interne au moteur, et les défauts d’origine externe.

2- Les Défauts : Nous distinguerons deux types de défauts à détecter par les relais de protections, selon leur origine : — les  défauts d’origine interne , dont la source est une avarie d’un composant de la machine électrique tournante ; — les  défauts d’origine externe , dont la source est localisée en dehors de la machine électrique, mais dont les conséquences peuvent entraîner des dégradations dans celle-ci. a)Défauts Externes : Les défauts externes pouvant affecter le fonctionnement des moteurs sont dus soit aux perturbations de l’alimentation électrique, soit à l’auxiliaire entraîné. *Les perturbations de l’alimentation électrique sont les suivantes : -Les tensions déséquilibrées sont dues à la présence de charges dissymétriques sur le réseau, à l’ouverture d’une phase (fusion de fusible) ou à des défauts dissymétriques. - Les baisses de tension peuvent aller de la chute de tension transitoire(d’amplitude variable entre 0 et 100 %), à la coupure brève(typiquement de moins de 300 ms), ou longue. - Les surtensions peuvent être temporaires ou permanentes. Démarrage +Freinage +Protection Des Moteurs Electriques

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- L’inversion de l’ordre de succession des phases se produit par exemple à la suite d’une intervention sur le raccordement du câble d’alimentation au moteur ou au tableau. * Les perturbations dues à l’organe entraîné sont les suivantes : - Le démarrage trop long ou rampage est produit, soit par l’augmentation du couple résistant de l’auxiliaire entraîné (pompe ou ventilateur), soit par diminution du couple moteur, due à une baisse excessive de tension (couramment de 20 à 30 %Un). Un cas particulier, mais relativement rare, est le blocage du rotor, par exemple par un corps étranger ayant pénétré dans le moteur ou par immobilisation intempestive de la machine entraînée. -La surcharge est due également à l’augmentation du couple résistant ou à une baisse de tension (typiquement supérieure à 10 %Un). -Le désamorçage de la pompe provoque un échauffement rapide de celle-ci. *De plus, les moteurs synchrones sont sensibles à des perturbations propres à leur type de fonctionnement : -La surcharge ou la perte de l’excitation peuvent provoquer une perte de synchronisme par augmentation de l’angle interne. -Après une perte d’alimentation, la réapparition brutale de la tension, sans contrôle de phase, peut entraîner un couplage avec discordance de phase -Des surtensions de l’ordre de 20 à 30 % de la tension assignée (Un) peuvent apparaître si, le moteur étant peu chargé, l’alimentation est déconnectée brusquement et que d’autres moteurs sont connectés sur le même jeu de barres. Type de surtension

Durée

Atmosphérique

Très courte (1 à 10μs)

Décharge électrostatique Manœuvre

Très courte (ns)

Raideur du front/ fréquence Très élevée (1000 kV/μs) Elevée (10 MHz)

Amortissement

Courte (1ms)

Moyenne (1 à 200 kHz)

Moyen

A fréquence industrielle

Longue (>1s)

Fréquence du réseau

nul

Fort Très fort

b)Défauts Internes : Les avaries affectant l’enroulement statorique des moteurs sont de même nature que celles relatives aux alternateurs. Toutefois, il est probable qu’un court-circuit entre deux phases évolue plus rapidement en court-circuit avec la masse, du fait des dimensions relativement plus compactes de la carcasse et du circuit magnétique. Les défauts d’isolement de l’enroulement rotorique ne concernent que les moteurs asynchrones à rotor bobiné ou les moteurs synchrones, les barres rotoriques des moteurs asynchrones à cage n’étant pas isolées de la masse. Les causes de ces défauts sont de même nature que les alternateurs, bien que la cinétique de dégradation puisse être plus rapide du fait des dimensions plus réduites de ces machines .Les barres rotoriques des moteurs asynchrones à cage peuvent se rompre sous l’effet de contraintes excessives dues à des démarrages trop nombreux ou trop rapprochés.


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-Exemple : pour les grands moteurs asynchrones à démarrage direct, (P> 200 kW), la règle admise à EDF est de n’autoriser que trois démarrages dans l’heure, pour un maximum de 5 000 démarrages en 30 ans - court-circuit phase - terre, - court-circuit entre phases, - court-circuit entre spires, - sur-échauffement des bobinages, - rupture d’une barre dans les moteurs à cage, - problèmes liés aux roulements,

Défauts

Origines

Effets

Conséquences sur le moteur

Court circuit

• Mise en contact de plusieurs phases, d'une phase et du neutre ou de plusieurs spires • Foudre • Décharge électrostatique • Manœuvre • Ouverture d'une phase • Charge monophasé en amont du moteur • Instabilité de la tension du réseau • Branchement de fortes charge • Pollution du réseau par variateurs de vitesse, onduleurs, etc. ... • Couple résistant trop important • Baisse de tension • Problème mécanique

• Pointe de courant • Efforts électrodynamiques sur les conducteurs • Claquage diélectrique au niveau des enroulements

• Destruction des enroulements

• Diminution du couple utile

• Sur-échauffement(*)

• Diminution du couple utile • Augmentation des pertes


Diminution du couple utile • Augmentation des pertes • Augmentation du temps de démarrage


• Surintensité


• Augmentation du couple résistant • Baisse de tension

• Augmentation du courant consommé


Surtension

Déséquilibre de tension

Baisse et creux de tension

Harmoniques

Démarrage trop long

Blocage Surcharge

• Destruction des enroulements par perte d'isolation


(*) Puis, à plus ou moins long terme, selon l’importance du défaut et/ou sa fréquence, court-circuit et destruction des enroulements

3-Les Produits de Protection : a) Protection contre les courts-circuits : La protection contre les courts-circuits est réalisée avec des appareils à fonctions multiples tels que les disjoncteurs-moteurs et les contacteurs-disjoncteurs. -Les principales caractéristiques des protections contre les courts-circuits sont : Démarrage +Freinage +Protection Des Moteurs Electriques

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*leur pouvoir de coupure : c’est la plus grande valeur du courant présumé de courtcircuit qu’un appareil de protection peut interrompre sous une tension donnée, *leur pouvoir de fermeture : c’est la plus grande valeur du courant que l’appareil de protection peut établir sous sa tension nominale dans des conditions spécifiées. Le pouvoir de fermeture est égal à k fois le pouvoir de coupure selon le tableau : Pouvoir de Cosφ Pouvoir Coupure (PC) de Fermeture (PF) 4.5kA < PC < 6kA 0.7 1.5 PC 6kA < PC < 10kA 0.5 1.7 PC 10kA < PC < 20kA 0.3 2 PC 20kA < PC < 50kA 0.25 2.1 PC 50kA < PC 0.2 2.2 PC a-1-Les fusibles (coupe-circuits) Les fusibles réalisent une protection phase par phase (unipolaire), avec un pouvoir de coupure important sous un faible volume. Ils assurent la limitation des I2t et des contraintes électrodynamiques (ICrête).Ils se montent : - soit sur des supports spécifiques appelés porte-fusibles, - soit dans des sectionneurs en remplacement des douilles ou des barrettes Pour la protection des moteurs, les fusibles utilisés sont ceux de type aM. Leur particularité est de laisser passer les surintensités du courant magnétisant à la mise sous tension des moteurs. De fait, ils ne sont pas adaptés à la protection contre les surcharges (contrairement aux fusibles de type gG). C’est pourquoi, il est nécessaire d’ajouter un relais de surcharge dans le circuit d’alimentation des moteurs. En général, leur calibre doit être immédiatement supérieur au courant de pleine charge du moteur à protéger.

Sectionneurs 32 et 125A à fusible a-2-Les disjoncteurs magnétiques Ces disjoncteurs assurent, dans la limite de leur pouvoir de coupure et par l’intermédiaire de leurs déclencheurs magnétiques (un par phase), la protection des installations contre les courts-circuits Les disjoncteurs magnétiques réalisent d’origine une coupure omnipolaire : le fonctionnement d’un seul déclencheur magnétique suffit à commander l’ouverture simultanée de tous les pôles. Pour des courants de court-circuit peu élevés, le fonctionnement des disjoncteurs est plus rapide que celui des fusibles. Cette protection est conforme à la norme CEI 60947-2.Pour interrompre efficacement un courant de court circuit, trois impératifs doivent être respectés : - détecter très tôt le courant de défaut, - séparer très vite les contacts, - interrompre le courant de court-circuit. Démarrage +Freinage +Protection Des Moteurs Electriques

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La plupart des disjoncteurs magnétiques pour protéger les moteurs sont limiteurs et contribuent ainsi à la coordination. Leur durée de coupure particulièrement brève leur permet d’interrompre le courant de court-circuit avant qu’il n’atteigne son amplitude maximale. De fait, les effets thermiques et électrodynamiques sont aussi limités, d’ou une meilleure protection des câbles et de l’appareillage.

Disjoncteur magnétique b) Protection contre les surcharges : La surcharge est le défaut le plus fréquent sur les moteurs. Elle se manifeste par une augmentation du courant absorbé par le moteur et par des effets thermiques. La classe d’isolation détermine l’échauffement normal d’un moteur à une température ambiante de 40°C. Tout dépassement de la température limite de fonctionnement conduit à une réduction de la durée de vie par vieillissement prématuré des isolants. Les conditions réelles d'emploi (température ambiante, altitude d'utilisation et service normalisé) sont essentielles pour déterminer les valeurs d'emploi du moteur(puissance, courant) et pour pouvoir choisir une protection efficace contre les surcharges. Ces valeurs d'emploi sont fournies par le constructeur du moteur. b-1-Les relais de surcharge (thermiques ou électroniques) : Ces relais protègent les moteurs contre les surcharges, mais ils doivent admettre la surcharge temporaire due au démarrage, et ne déclencher que si le démarrage est anormalement long. Il est donc nécessaire de disposer de relais adaptés à la durée de démarrage. Pour répondre à ce besoin, la norme CEI 60947-4-1 définit plusieurs classes de relais de surcharge caractérisées chacune par leur temps de déclenchement b-2-Les relais thermiques de surcharge à bilames : Ils assurent, par association avec un contacteur, la protection du moteur, de la ligne et de l'appareillage contre les surcharges faibles et prolongées. Ils sont donc conçus pour autoriser le démarrage normal des moteurs sans déclencher. Cependant, ils doivent être protégés contre les fortes surintensités par un disjoncteur, ou par des fusibles (voir protection contre les courts-circuits). Le principe du fonctionnement d’un relais thermique de surcharge repose sur la déformation de ses bilames chauffés par le courant qui les traversent. Au passage du courant les bilames se déforment et, suivant le réglage, provoquent l’ouverture brusque du contact du relais. Le réarmement ne peut s’effectuer que lorsque les bilames sont suffisamment refroidis Temps de déclanchement

Multiple de la valeur du courant De réglage

>2h >2h

2 pôles : 1.0 Ir 1 pôle : 0.9 Ir 2 pôles : 1.15 Ir

1 pôle : 0 Limite de fonctionn ement d’un relais de surcharge thermique différentiel


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Démarrage +Freinage +Protection Des Moteurs Electriques (sensible à une perte de phase)

relais thermique de surcharge à bilames b-3- Les relais électroniques de surcharge : Ces relais bénéficient des avantages de l’électronique qui permet de créer une image thermique du moteur plus élaborée. A partir d’un modèle reconstituant les constantes de temps thermiques du moteur, l’électronique calcule en permanence la température du moteur en fonction du courant qui l’a traversé et des temps de fonctionnement. La protection approche donc mieux la réalité et peut éviter des déclenchements intempestifs. Les relais électroniques de sur charge sont moins sensibles à l’environnement thermique de l’endroit où ils sont installés. Outre les fonctions classiques des relais de surcharge (protection des moteurs contre les surcharges, les déséquilibres et l’absence de phases),les relais électroniques de surcharge peuvent être complétés par des options telles que : - le contrôle de la température par sondes CTP, - la protection contre les blocages et les sur couples, - la protection contre les inversions de phases, - la protection contre les défauts d’isolement, - la protection contre la marche à vide,

relais électronique de surcharge b-4- Les relais à sondes à thermistance CTP : Ces relais de protection contrôlent la température réelle du moteur à protéger. Ils offrent une excellente précision de la mesure de la température : leur volume réduit leur confère une inertie thermique très faible et donc un temps de réponse très court. Avec le contrôle direct de la température des enroulements statoriques ,ils peuvent être utilisés pour protéger les moteurs contre : surcharge, élévation de température ambiante, défaut du circuit de ventilation, fréquence de démarrages trop élevée, marche par à-coups, etc. Ils comportent : ils sont composés de plusieurs éléments distincts. Une ou plusieurs sondes à thermistance à Coefficient de Température Démarrage +Freinage +Protection Des Moteurs Electriques

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Positif (CTP) placées au sein des bobinages des moteurs ou tout endroit susceptible de s’échauffer (paliers, roulements, etc.).Ce sont des composants statiques dont la résistance augmente brutalement quand la température atteint un seuil appelé Température Nominale de Fonctionnement

b-5- Les relais de surcouple : une protection complémentaire : En complément d'une protection thermique par relais ou par sonde CTP, ils assurent une protection de la chaîne cinématique, en cas de blocage du rotor, de grippage ou d'à-coups mécaniques. Ces relais, contrairement à la majeure partie des relais de surcharge, ne possèdent pas de mémoire thermique. Ils ont une caractéristique de fonctionnement à temps défini (seuil de courant et temporisation réglables).Le relais de surcouple peut être utilisé comme protection contre les surcharges pour les moteurs ayant des démarrages longs ou très fréquents

b-6- Les relais thermiques électromécaniques ou électroniques : Ils protègent les moteurs à partir de la mesure du courant et s'avèrent suffisants pour les applications courantes, ils sont cependant limités lorsqu'il s'agit de prendre en compte les problèmes liés à la tension, à la température ou à des applications particulières. De plus de nouveaux besoins de gestion de production ou de maintenance sont apparus et ont incités les fabricants de matériel électrique à proposer de nouveaux produits permettant non seulement une protection adaptable mais aussi une gestion complète du moteur et de sa charge. A Fig.


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4-Conclusion : La protection des moteurs est une fonction essentielle pour la continuité du fonctionnement des machines. Le choix du dispositif de protection doit être fait avec rigueur. L’utilisateur aura tout intérêt à sélectionner les dispositifs intégrant une électronique de communication pour anticiper et prévenir les éventuels défauts. La recherche d’anomalies et la rapidité de remise en route seront ainsi grandement améliorées.


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Démarrage +Freinage +Protection Des Moteurs Electriques

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