Démarrage par auto-transformateur d'un moteur asynchrone semi-automatique

1. Démarrage semi-automatique, deux sens de marche

Schéma du circuit de puissance

L1, L2, L3 : arrivée du réseau triphasé
Q1 : sectionneur porte-fusibles tripolaire équipé avec 2 contacts à fermeture
KM1 (AV), KM2 (AR) : contacteurs tripolaires (AV marche avant et AR marche arrière) équipés avec deux contacts à fermeture (F) et un contact à ouverture (O)
KM3 : contacteur tripolaire couplage étoile d’auto – transformateur à un contact à ouverture et un contact à fermeture
KM4 : contacteur tripolaire d’alimentation d’auto – transformateur à un contact à fermeture
KM5 : contacteur tripolaire d’alimentation du moteur à deux contacts à ouverture
F2 : relais de protection thermique à un contact à ouverture
M3 ~ ∆: moteur asynchrone triphasé à rotor à cage

L'inversion du sens de marche est obtenue parle croisement de deux fils de phase:
L1 et L3 sont inversés.

Schéma du circuit de commande

L1, L3 : arrivée du réseau triphasé
Q1 : sectionneur porte-fusibles tripolaire équipé avec 2 contacts à fermeture
F2 : relais de protection thermique
F3 : relais de protection thermique à un contact à ouverture (facultatif, pour la protection des résistances contre les démarrages trop fréquents ou incomplets)
F1 : fusible
KM1 (AV), KM2 (AR) : contacteurs tripolaires (AV marche avant et AR marche arrière) équipés avec deux contacts à fermeture (F) et un contact à ouverture (O)
KM3 : contacteur tripolaire couplage étoile d’auto – transformateur à un contact à ouverture et un contact à fermeture
KM4 : contacteur tripolaire d’alimentation d’auto – transformateur à un contact à fermeture
KM5 : contacteur tripolaire d’alimentation du moteur à deux contacts à ouverture
KA1 : relais auxiliaire (ou contacteur auxiliaire) à un contact à fermeture et un contact à ouverture temporisé au travail
S1 : bouton-poussoir "ARRET" à ouverture et à retour automatique
S2 : bouton-poussoir "MARCHE AVANT" (MAAV) à fermeture et à retour automatique
S3 : bouton-poussoir "MARCHE ARRIERE" (MA AR) à fermetureet à retour automatique.
Les contacts à ouverture KM13et KM23assurent le verrouillage électrique des deux sens de marche.
- - -V- - - Ce symbole traduit un verrouillage mécanique entre les deux contacteurs (à un instant donné un seul des deux contacteurs peut être fermé).

Equations:

KM1 = Q1 . F2 . F3 . S1 (S2 + KM11) KM23

KM2 + Q1 . F2 . F3 . S1 (S3 + KM21) KM13

KM3 = Q1 (KM12+ KM22) . KA12. KM51

KM4 = Q1 (KM12+ KM22) . (KM31+ KM4) . KA1
KM5 = Q1 (KM12+ KM22) . KM4 . KM32
KA1 = Q1 (KM12+ KM22) . KM52
F3 = Q1 (KM12+ KM22) . KM52
M = (KM1 + KM2) . (KM3 + KM5)

______  contacts de verrouillage électrique
______  contacts temporisés

Démarrage par auto-transformateur d'un moteur asynchrone à cage

1. Objectif visé

Un auto – transformateur réglable est un appareil dont le circuit primaire est alimenté par le réseau et qui délivre à son secondaire une tension pouvant varier linéairement de 0 à 100% (et même d’avantage) de la tension primaire. Un moteur, alimenté par un tel dispositif, n’est donc jamais séparé du réseau d’alimentation et tous les phénomènes transitoires sont supprimés.

2. Matériels (Équipements et matière d'œuvre) par équipe:

a) Équipement

b) Matière d'œuvre

3. Description

Dans ce procédé de démarrage en trois temps,l’intensité et le couple au décollage sont réduits proportionnellement au carré de la tension, ce qui est un avantage comparativement au démarrage par élimination des résistances statoriques.

Au cours du premier temps, le moteur est alimenté par la tension secondaire de l’auto - transformateur de rapport de transformation m < 1.

Dans le second temps, le moteur est alimenté par l’intermédiaire d’une portion des
enroulements de l’auto – transformateur(chute de tension inductive).

Au dernier temps, l’auto – transformateur est totalement déconnecté, le moteur est
alimenté sous pleine tension.

Le prix relativement élevé de cet équipement est compensé :

-  par l’économie d’énergie réalisée pendant le démarrage,
-  par la souplesse du dispositif (ajustement du rapport de transformation).

Les caractéristiques techniques sont déterminées par rapport au démarrage direct (fig. 1).

a) I = f (n);                       b) T = f (n)
Caractéristiques techniques
Fig. 1

Ce procédé de démarrage s’applique aussi bien aux moteurs couplés en étoile qu’aux moteurs couplés en triangle.

4. Démarrage semi-automatique, un sens de marche

Schéma du circuit de puissance

L1, L2, L3 : arrivée du réseau triphasé
Q1 : sectionneur porte-fusibles tripolaire équipé avec 2 contacts à fermeture
KM1 : contacteur tripolaire de couplage étoile d’auto - transformateur, équipé avec un contact à fermeture et un contact à ouverture
KM2 : contacteur tripolaired’alimentation d’auto – transformateur, à un contact à fermeture
KM3 : contacteur tripolaire d’alimentation du moteur, à un contact à fermeture et deux contacts à ouverture
F2 : relais de protection thermique à un contact à ouverture
F3 : relais de protection thermique à un contact à ouverture (facultatif, assure la protection des enroulements de l’auto – transformateur contre les démarrages trop fréquents ou incomplets)
M3 ~ ∆: moteur asynchrone triphasé à rotor à cage
Le circuit de puissance est protégé contre les court-circuitspar les fusibles du type aM intégrés au sectionneur tripolaire et contre les surintensitéspar le relais thermique dont le calibre est égal à In.

Schéma du circuit de commande

L1, L3 : arrivée du réseau triphasé
Q1 : sectionneur porte-fusibles tripolaire équipé avec 2 contacts à fermeture
KM1 : contacteur tripolaire de couplage étoile d’auto - transformateur, équipé avec un contact à fermeture et un contact à ouverture
KM2 : contacteur tripolaired’alimentation d’auto – transformateur, à un contact à fermeture
KM3 : contacteur tripolaire d’alimentation du moteur, à un contact à fermeture et deux contacts à ouverture
F2 : relais de protection thermique à un contact à ouverture
F3 : relais de protection thermique à un contact à ouverture (facultatif, assure la protection des enroulements de l’auto – transformateur contre les démarrages trop fréquents ou incomplets)
KA1 : relais auxiliaire (ou contacteur auxiliaire) à un contact à fermeture et un contact à ouverture temporisé au travail
F1 : fusible
S1 : boutons-poussoirs à ouverture et à retour automatique
S2 : boutons-poussoirs à fermeture et à retour automatique
Le circuit de commande est protégé par le fusible F1 et isolé de toute alimentation par le sectionneur Q1.

Les équations mettent en évidence :

KM1 = Q1 . F2 . F3 . S1 . S2 . KA12. KM32
  
KM2 = Q1 . F2 . F3 . S1 . (KM11+ KM2 + KM31) . KA1
KM3 = Q1 . F2 . F3 . S1 . KM2 . KM12

KA1 = Q1 . F2 . F3 . S1 (KM11+ KM2) . KM33
F3 = Q1 . F2 . F3 . S1 . (KM11+ KM2) . KM33
M = KM2 + KM3

______  contacts de verrouillage électrique
______  contacts temporisés

Le fonctionnement du schéma est illustré par le diagramme ci-dessous où figurent :

-  les capteurs S1 et S2 ,
-  les organes de commande des actionneurs KM1, KM2, KM3
-  le relais de temporisation KA1,
-  le moteur M.

Démarrage par élimination des résistances statoriques d'un moteur asynchrone à cage

1. Objectif visé

La tension réduite d’alimentation, nécessaire pour limiter l’intensité de décollage, est
obtenue par insertion dans chacune des phases du stator d’une ou plusieurs
résistances.

2. Matériels (Équipements et matière d'œuvre) par équipe:

a) Équipement

b) Matière d'œuvre

3. Description

Pendant la phase de démarrage :

-  l’intensité en ligne est proportionnelle à la tension appliquée ;
-  le couple de décollage est proportionnel au carré de la tension appliquée.

Le démarrage s'effectue en deux temps. C’est le mode de couplage des résistances
avec les enroulements qui assure la diminution de l’intensité de démarrage. Quand le
moteur a atteint environ les 80% de sa vitesse nominale, les résistances sont court-
circuitées et le stator est alimenté par la pleine tension.

Malgré un couple de décollage assez faible, de l’ordre de 0,75 Cn, la pointe
d’intensité reste importante de l’ordre de 4 à 5 In.

Ce procédé de démarrage est souple : la tension d’alimentation réduite par les résistances ne reste pas constante, mais croît au fur et à mesure que le moteur s’accélère. En effet, l’intensité maximale au décollage diminue dans le temps, ce qui entraîne une chute de tension de moins en moins importante dans les résistances.

Ce même phénomène se manifeste dans le comportement du couple qui s’accroît beaucoup plus que dans le cas d’une réduction fixe de tension (cas de démarrage étoile – triangle).

De ce qui précède il faut retenir que ce procédé de démarrage :

-  permet une mise en vitesse plus rapide et sans à-coups ;
-  provoque une surintensité acceptable au moment du court-circuité des résistances ;
-  supprime les phénomènes transitoires (les enroulements ne sont jamais déconnectés du réseau d’alimentation) ;
-  convient pour les machines à couple résistant croissant.

Remarque: Les résistances métalliques peuvent être remplacées :

•  soit par des résistances liquides à coefficient de température négatif, ce qui amplifie la souplesse dans l’accroissement de la tension,
•  soit par des inductances qui, dans le cas de machines de forte puissance, limitent les pertes d’énergie par effet Joule.

Les caractéristiques techniques sont déterminées par rapport au démarrage direct (fig.  -1).

a) I = f (n);                                b) T = f (n)
Caractéristiques techniques
Fig.  - 1

Ce procédé de démarrage s’applique aussi bien aux moteurs couplés en étoile qu’aux moteurs couplés en triangle.
Les caractéristiques des résistances sont définies en fonction du couplage du moteur.

4. Démarrage semi-automatique, un sens de marche 

Schéma du circuit de puissance 

L1, L2, L3 : arrivée du réseau triphasé
Q1 : sectionneur porte-fusibles tripolaire équipé avec 2 contacts à fermeture
KM1 : contacteur tripolaire de ligne, équipé avec un contact à fermeture
KM2 : contacteur tripolaire court-circuitage des résistances à un contact à ouverture
F2 : relais de protection thermique à un contact à ouverture
M3 ~ ∆: moteur asynchrone triphasé à rotor à cage

Le circuit de puissance est protégé contre les court-circuitspar les fusibles du type aM intégrés au sectionneur tripolaire et contre les surintensitéspar le relais thermique dont le calibre est égal à In.

Schéma du circuit de commande 

L1, L3 : arrivée du réseau triphasé
Q1 : sectionneur porte-fusibles tripolaire équipé avec 2 contacts à fermeture
KM1 : contacteur tripolaire de ligne équipé avec un contact à fermeture
KM2 : contacteur tripolaire court-circuitage des résistances à un contact à ouverture
KA1 : relais auxiliaire (ou contacteur auxiliaire) à un contact à fermeture temporisé au travail
F2 : relais de protection thermique
F3 : relais de protection thermique à un contact à ouverture (facultatif, pour la protection des résistances contre les démarrages trop fréquents ou incomplets)
F1 : fusible
S1 : boutons-poussoirs à ouverture et à retour automatique
S2 : boutons-poussoirs à fermeture et à retour automatique

Le circuit de commande est protégé par le fusible F1 et isolé de toute alimentation par le sectionneur Q1.
Les équations mettent en évidence :

KM1 = Q1 . F2 . F3 . S1 (S2 + KM1)
KM2 = Q1 . F2 . F3 . S1 . KA1

KA1 = Q1 . F2 . F3 . S1 (KM1 + S2)
F3 = Q1 . F2 . F3 . S1 . KM2
M = KM1 . KM2

Le fonctionnement du schéma est illustré par le diagramme ci-dessous où figurent :

-  les capteurs S1 et S2 ,
-  les organes de commande des actionneurs KM1, KM2,
-  le relais de temporisation KA1,
-  le moteur M.

Démarrage direct semi-automatique deux sens de marche

Schéma du circuit de puissance

L1, L2, L3 : arrivée du réseau triphasé
Q1 : sectionneur porte-fusibles tripolaire équipé avec 2 contacts à fermeture
KM1, KM2 : contacteurs tripolaires équipésavec un contact à fermeture (F) et un contact à ouverture (O)
F2 : relais de protection thermique
F3 : relais de protection magnéto-thermique

M3 ~ ∆: moteur asynchrone triphasé à rotor à cage avec les enroulements statoriques couplés en triangle

L'équation logique de ce circuit est

               M = Q1 . (KM1 + KM2)

L'inversion du sens de marche est obtenue parle croisement de deux fils de phase:
L1 et L3 sont inversés.

Schéma du circuit de commande

L1, L3 : arrivée du réseau triphasé
Q1 : sectionneur porte-fusibles tripolaire équipé avec 2 contacts à fermeture
KM1, KM2 : contacteurs tripolaires équipés avec un contact à fermeture (F) et un
contact à ouverture (O)
F2 : relais de protection thermique
F1 : fusible
S1 : bouton-poussoir à ouverture et à retour automatique
S2, S3 : boutons-poussoirs à fermeture et à retour automatique
S4, S5 : interrupteurs de position, contact à ouverture

    1 poste de commande                     1 poste de commande et contacts de fin de course

Le circuit avec un poste de commande est équipé avec trois boutons-poussoirs:
S1 : bouton-poussoir "ARRÊT"
S2 : bouton-poussoir "MARCHE AVANT" (MA AV)
S3 : bouton-poussoir "MARCHE ARRIÉRÉ" (MA AR).

Les contacts à ouverture KM12et KM22assurent le verrouillage électrique des deux sens de marche.

- - -V- - -    Ce symbole traduit un verrouillage mécanique entre les deux contacteurs (à un instant donné un seul des deux contacteurs peut être fermé).

Le circuit avec un poste de commande et des contacts de fin de course est
utilisé si l'inversion du sens de marche du moteur se traduit par l'inversion du sens de déplacement d'un mobile (par exemple: déplacement vers la gauche ou la droite d'une table de machine-outil, déplacement vers l'avant ou l'arrière de la broche d'une tête d'usinage, montée ou descente d'un palan, etc.).

Il est nécessaire de prévoir des interrupteurs de position qui provoquent l'arrêt automatique du moteur dès qu'ils sont actionnés.

Ils se branchent toujours en série sur la bobine du contacteur à commander : si KM1 est le contacteur de marche avant, S4 est le fin de course avant et S5 le fin de course arrière.

Équations:

MAV= KM1
MAR = KM2
KM1 = Q1 . F2 . S1 (S2 + KM11) . S4 . KM22
                                                         ©      ®
KM2 = Q1 . F2 . S1 (S3 + KM21) . S5 . KM12
                                                         ©     ®
© contact de position
® contact de verrouillage électrique

Démarrage direct d'un moteur asynchrone triphase a cage

1. Objectif visé

Pour les moteurs de faible puissance les courants de démarrage sont supportables par le réseau de distribution de l'énergie électrique. Les stagiaires peuvent apprendre les principes de base de constitution des circuits de puissance et de commande.

2. Matériels (Équipements et matière d'œuvre) par équipe:

a) Équipement

b) Matière d'œuvre 

3. Description

Dans ce procédé le stator du moteur est branché directement sur le réseau d'alimentation. Le démarrage s'effectue en un seul temps.

La plaque signalétique d'un moteur précise toujours deux tensions d'alimentation possibles
(par exemple :127 ou 220 V; 220 ou 380 V; 380 ou 660 V). Le moteur est branché:

-  en triangle(fig. – 1b): lorsque la tension du réseau d'alimentation est EGALE à la tension de fonctionnement la plus BASSE,
-  en étoile(fig.  – 1a): lorsque la tension du réseau d'alimentation est EGALE à la tension de fonctionnement la plus ELEVEE.

Plaque à bornes
Fig.  - 1 

En fonction de la tension du réseau de distribution les enroulements doivent être couplés en étoile ou en triangle suivant les indications de la plaque signalétique.

Seuls les moteurs asynchrones triphasés avec rotor en court-circuit ou rotor à cage peuvent être démarrés suivant ce procédé.

Selon les caractéristiques techniques (fig. - 2) au démarrage du moteur la pointe d'intensité est de l'ordre de 4 à 8 fois l'intensité nominale.

Le couple de décollage est important, environ 1,5 fois le couple nominal.

a) I = f (n);                                 b) T = f (n)
Caractéristiques techniques
Fig. – 2

Ces caractéristiques de démarrage peuvent présenter des inconvénients:

-  au niveau du réseau d'alimentation: en provoquant une chute de tension non négligeable (∆U > 5% de U) et en sollicitant la fourniture d'une puissance apparente élevée;
-  au niveau de la machine entraînée: en appliquant un couple d'accélération trop important dû à l'énergique couple de décollage.

La protection du circuit peut être assurée par des fusibles du type aM (accompagnement moteur), des relais thermiques (le plus souvent) et des relais magnéto-thermiques.

4. Démarrage direct semi-automatique, un sens de marche

Schéma du circuit de puissance
L1, L2, L3 : arrivée du réseau triphasé
Q1 : sectionneur porte-fusibles tripolaire équipé avec 2 contacts à fermeture
KM1 : contacteur tripolaire équipé avec un contact à fermeture
F2 : relais de protection thermique
F3 : relais de protection magnéto-thermique
M3 ~ ∆: moteur asynchrone triphasé à rotor à cage avec les enroulements statoriques couplés en triangle

Schéma du circuit de commande

1 poste de commande            2 postes de commande             avec marche "à-coups"

L1, L3 : arrivée du réseau triphasé
Q1 : sectionneur porte-fusibles tripolaire équipé avec 2 contacts à fermeture
KM1 : contacteur tripolaire équipé avec un contact à fermeture
F2 : relais de protection thermique
F1 : fusible
S1, S3 : boutons-poussoirs à ouverture et à retour automatique
S2, S4 : boutons-poussoirs à fermeture et à retour automatique
S5 : bouton rotatif à fermeture sans retour automatique

Le circuit de commande est protégé par le fusible F1 et isolé de toute alimentation par le sectionneur Q1.

Le circuit avec un poste de commande est équipé avec deux boutons-poussoirs:

S1 : bouton-poussoir "ARRÊT" (AT)
S2 : bouton-poussoir "MARCHE" (MA).
La bobine du contacteur est repérée KM1. Le contact KM11est le contact auxiliaire du contacteur KM1 : c'est le contact d'auto-alimentation ou auto-maintien.

La traduction de ce circuit de commande en équation logique est:

KM1 = Q1 . F2 . S1 . (S2 + KM11)

La multiplication dans le circuit avec deux postes de commande est possible par une mise en série des boutons-poussoirs "ARRÊT" et par une mise en parallèle des boutons-poussoirs "MARCHE". D'où l'équation :

               KM1 = Q1 . F2 . S1 . S3 . (S2 + S4 + KM11)

La commande par "A-COUPS" assure deux modes de fonctionnement distincts:
-  marche continue,
-  marche impulsionnelle.

Pour obtenir ce deuxième mode de marche il suffit d'interrompre momentanément le circuit de la boucle de mémorisation. C'est ce que réalise le bouton rotatif à fermeture sans retour automatique S5. D'où l'équation:

                KM1 = Q1 . F2 . S1 (S2 + KM11. S5)