Les 3 Types de démarrages des moteurs électrique direct par soft starter et par variateur de vitesse

Démarrages des moteurs

Les déferlantes types des démarrages des moteurs électrique:

Démarrages des moteurs direct

démarrages des moteurs
Démarrages des moteurs

Impact de démarrages des moteurs direct sur le réseau électrique

L’impact le plus important se place dans la phase de démarrage. Il dépend du paramètre Id/In du moteur. Le courant de démarrage peut atteindre jusqu’à 10 fois le courant nominal.
En fonction de la puissance de court-circuit du réseau d’alimentation, le démarrage provoque des chutes de tension plus ou moins importantes.
Le réseau électrique doit pouvoir supporter cette contrainte, avec une chute de tension acceptable.
La consommation d’énergie réactive est directement liée au facteur de puissance du moteur et à la charge.
Exemple pour un moteur de 300 kW :
  • à 100 % de la charge, le facteur de puissance est égal à 0,95,
  • à 50 % de la charge, le facteur de puissance est égal à 0,93.

Impact de démarrage direct sur le fonctionnement du moteur

 Différents paramètres réseau sont à considérer : b le niveau de perturbation harmonique préexistant
Toute perturbation harmonique de rang impair (5, 7, 11, 13…) se traduit par un sur-échauffement du moteur qui doit être déclassé pour fournir son couple nominal.

 Le niveau de déséquilibre des tensions d’alimentation

Les caractéristiques du moteur sont données par le constructeur pour une tension d’alimentation équilibrée.
Tout déséquilibre entraîne une augmentation des courants de phase et par conséquent un sur-échauffement du moteur, une diminution du couple utile et génère l’apparition de couple pulsatoire.

Dimensionnement du transformateur

Dans ce type de démarrages des moteurs , le transformateur n’est pas un composant critique de la chaîne.
Il peut être standard mais doit supporter les contraintes énumérées ci-dessus.
De plus, son dimensionnement thermique doit être adapté au nombre de démarrages par heure, au temps de démarrage du ou des moteurs qu’il alimente.

Protections

Les protections mises en œuvre sont liées aux contraintes subies par le moteur : contraintes thermiques, électriques et mécaniques.

Contraintes thermiques

Elles peuvent être dues à des variations de tension d’alimentation, à des déséquilibres de tension, à la répétitivité des démarrages, à la défaillance du système de ventilation, à une température ambiante trop élevée, à une surcharge…
Pour mesurer l’impact de ces contraintes, le moteur peut être équipé de sondes de température placées au stator.

Défauts électriques

Ce sont principalement des défauts d’isolation dus aux contraintes diélectriques trop importantes. Ils se traduisent par des amorçages entre spires des bobinages, des courts-circuits entre phases, des mises à la terre d’un bobinage…
Les protections qui agissent sur le disjoncteur ou le contacteur placés en amont du moteur devront détecter ces différents défauts.

Contraintes mécaniques

Elles s’exercent plus particulièrement au niveau des paliers du moteur. Ce sont les charges radiales et axiales supportées et causées par les organes d’accouplement mécaniques et la charge. Elles sont directement liées à la mécanique entraînée qui peut générer des sur-couples transitoires de forte amplitude et/ou des couples pulsatoires (vitesses critiques). Ces contraintes se traduisent par des vibrations que l’on peut mesurer par des sondes.

Dimensionnement du moteur

Le moteur est dimensionné thermiquement et électriquement en fonction :
  • du réseau électrique d’alimentation : tension, fréquence,
  • de la charge mécanique à entraîner ; couple, vitesse, inertie,
  • du cycle d’utilisation (service) : continu, discontinu, répétitivité des démarrages.
Le choix de sa technologie est défini par les contraintes environnementales : température ambiante, altitude, degré d’hygrométrie et nature de l’atmosphère (poussière, acide, explosive, marine…).

Démarrages des moteurs par soft starter

Impacts sur le réseau électrique

Le fonctionnement du soft starter, basé sur le réglage de l’angle de retard à l’amorçage des thyristors qui composent le pont de puissance, est intrinsèquement un système perturbateur.
L’impact sur le réseau se traduit par :
  • un fort taux de réjection harmonique* pendant la phase de démarrage,
  • une dégradation du facteur de puissance pendant cette même phase.

Contraintes liées au soft starter

  En fin de démarrage, le soft starter fournit la pleine tension au moteur.
Cependant, les thyristors qui constituent le pont de puissance, présentent une chute de tension relativement faible mais suffisante pour générer des échauffements qui peuvent présenter un inconvénient dans certaines applications, notamment lors de l’intégration dans des coffrets ou des armoires.
La solution consiste à utiliser un contacteur de by-pass en fin de démarrage, ce qui permet de concilier les avantages du démarreur électronique durant les phases de démarrage et l’absence d’échauffement en régime établi.
Dans ce cas, le by-pass est un simple passeur de courant et la protection thermique du moteur est assurée par le soft starter.

Dimensionnement du transformateur

Dans ce type de démarrage, le transformateur n’est pas un composant critique de la chaîne. Il peut être standard mais doit supporter les contraintes énumérées ci-dessus.
De plus, son dimensionnement thermique doit être adapté au nombre de démarrages par heure et au temps de démarrage du moteur qu’il alimente.

Générateur de secours

Dans le cas où le réseau peut être secouru par un groupe électrogène, il convient de vérifier que ce groupe est capable de supporter le taux d’harmonique généré durant la phase de démarrage.

Protections

Des protections moteur complètes sont intégrées dans le module de protection et contrôle du soft starter:
  • surcharge thermique,
  • déséquilibre de phases,
  • sous-charge,
  • démarrage trop long,
  • rotor bloqué

By-pass utilisé en secours

La mise en œuvre d’un by-pass de secours doit prendre en compte :
  • L’automatisation de la commande par le soft starter lui-même,
  • Le calibrage des protections liées à la branche by-pass. Ce calibrage se fera sur les mêmes bases que celles appliquées au démarrage direct du moteur alimenté.

Utilisation particulières du soft starter

Il est possible de connecter le démarreur dans le triangle du moteur. Ce type de raccordement permet de gagner un facteur racine de 3 sur le dimensionnement en courant du démarreur.

Dimensionnement du moteur

A dimensionnement égal, le moteur est capable de supporter 2 à 3 fois plus de démarrages par heure par rapport au démarrage direct.

Démarrages des moteurs par variateur de vitesse

Impacts sur le réseau

 Faible consommation d’énergie réactive quelles que soient la vitesse de fonctionnement et la charge du moteur (facteur de puissance > 0,95).
Réjection de courants harmoniques plus ou moins forte en fonction de la configuration du redresseur (6 pulses ou 12 pulses).

Dimensionnement du transformateur

     Le convertisseur de fréquence est une charge “non linéaire” c’est-à-dire, qu’à la différence d’une charge résistive dite “linéaire”, il consomme un courant qui n’est pas sinusoïdal.
    Le redresseur côté réseau est généralement de type hexa-phasé (6 pulses), le courant absorbé est entaché d’harmoniques, en particulier celles de rang 5 et de rang 7.
    Ces harmoniques provoquent des pertes supplémentaires au niveau du transformateur et donc un sur-échauffement.
Le calcul du transformateur doit en tenir compte.

Filtrage des harmoniques

 Le filtrage des harmoniques peut être traité par :
 la configuration du redresseur, 6 pulses ou 12 pulses, associé à un transformateur adapté. (secondaire à simple enroulement ou double enroulement étoile-triangle).
 La solution 12 pulses supprime les harmoniques 5 et 7.
  • la mise en place de réactances correctement dimensionnées en amont du convertisseur.
  • l’utilisation de filtres “actifs” mais le coût en reste élevé.
  • la mise en œuvre d’un redresseur piloté à prélèvement sinusoïdal.
Solution idéale qui présente également l’avantage de rendre l’équipement réversible (4 quadrants) c’est-à-dire capable de gérer un freinage dynamique par rejet de l’énergie de freinage sur le réseau d’alimentation.

Compatibilité électromagnétique (CEM)

La mise en œuvre doit être faite dans les règles de l’art et suivant les normes liées à  la CEM (phénomènes perturbants “conduits” ou “rayonnés”).
Qualité du câblage et des raccordements, blindage, filtres radiofréquence, stratégie de mise à la terre des masses (régime neutre isolé)…

Liaison variateur-moteur

Le convertisseur de fréquence génère un courant moteur presque sinusoïdal.
En revanche, la tension produite présente de très forts “dV/dt” (fronts de tension d’amplitude importante et de très faible durée).
Le câble électrique utilisé entre le variateur et le moteur se caractérise par sa nature et sa longueur :
   plus le câble est long, plus les pertes liées à sa résistance sont importantes et plus sa “capacité parasite” est importante, En règle générale, au-delà de 50 à 100 m on doit faire l’analyse de l’impact du câble sur le bon fonctionnement de l’entraînement. La mise en place de réactances en sortie du variateur limite les effets de la capacité parasite.
Un mode de régulation adapté permet de compenser les pertes en ligne.
Pour certaines applications, la mise en place d’un “filtre sinus” peut s’avérer nécessaire :
  • limitation des couples pulsatoires.
  • suppression des effets des fronts de tension (dV/dt).

Dimensionnement du moteur

  • Le moteur est dimensionné en fonction de la charge mécanique entraînée.
  • Le fait d’être alimenté par un convertisseur de fréquence doit être précisé au constructeur (impact de la forme de tension et des “dV/dt” sur le bobinage statorique du moteur).
  • Dans certains cas, un déclassement en puissance peut être nécessaire (5 à 10 %).
  • Dans les applications imposant des temps longs de fonctionnement à basse vitesse (< 50 % de la vitesse nominale), une “moto-ventilation” du moteur doit être envisagée.
  • L’utilisation de la variation de vitesse sur des moteurs “qualifiés” (en température, antidéflagrant…) conduit à la déqualification de ces moteurs. Une “qualification globale” peut être entreprise.

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