Lorsqu'un moteur à courant alternatif est mis sous tension à l'aide d'un contacteur de démarrage classique, une forte pointe de courant traverse le moteur et les conducteurs qui l'alimentent. Ce courant, qui dépasse largement le courant nominal indiqué sur la plaque signalétique du moteur, est nécessaire pour surmonter l'inertie combinée de l'arbre moteur fixe et de la charge que le moteur entraîne.
Lorsqu'un moteur est alimenté en courant triphasé, les enroulements du stator, qui sont les enroulements stationnaires de la carcasse du moteur, sont mis sous tension. Le courant dans ces enroulements génère un champ magnétique tournant qui induit un courant dans l'enroulement du rotor, qui est l'enroulement de la partie tournante du moteur. Le courant du rotor produit également un champ magnétique et les champs produits par le stator et le rotor interagissent de manière à faire tourner le rotor.
Figure 1 : Courant d'appel du moteur au démarrage
Figure 2 : Tension de ligne (en haut) et courant moteur pendant le démarrage du moteur.
Figure 3 : Effet de la charge sur la durée du courant d'appel du moteur.
Figure 4 : Effet de la tension d'alimentation sur la durée du courant d'appel du moteur.
Le rotor accélère jusqu'à atteindre une vitesse proche de la vitesse synchrone, qui est la vitesse du champ tournant produit par le stator. Cependant, le rotor n'atteint jamais tout à fait la vitesse synchrone, car si c'était le cas, il n'y aurait pas de courant rotorique induit et le moteur ne produirait pas de couple. La différence entre la vitesse réelle du rotor et la vitesse synchrone est généralement exprimée en termes de glissement, où : glissement = (vitesse synchrone - vitesse de rotation) ÷ vitesse synchrone.
Lorsque le moteur est à l'arrêt, le glissement est égal à 1. Lorsqu'il fonctionne normalement, la valeur du glissement dépend de la charge, mais elle est généralement comprise entre 0,05 environ pour les petits moteurs et 0,01 seulement pour les gros moteurs.
Au démarrage, le glissement est égal à 1 et cette grande valeur de glissement est le facteur qui contribue le plus au courant d'appel. Lorsque le rotor accélère, le glissement diminue et le courant d'appel tombe au niveau du courant de fonctionnement normal du moteur, comme le montre la figure 1. L'ampleur du courant d'appel dépend du type de moteur et de la méthode de démarrage. Pour les moteurs industriels standard démarrés directement en ligne, des courants d'appel entre huit et dix fois le courant de fonctionnement normal sont typiques. Pour les moteurs à haut rendement, le courant d'appel peut être encore plus élevé.
Figure 5 : Variation du courant d'appel pour un moteur sur une période de deux semaines.
Figure 6 : Transitoires de courant (en bas) et creux de tension résultant des changements de charge d'un moteur.
Le courant d'appel peut provoquer le fonctionnement des dispositifs de protection du moteur (surcharges et fusibles) s'ils n'ont pas été correctement sélectionnés, mais plus généralement, la chute de tension provoquée par le flux de courant important (voir la figure 2) entraîne des dysfonctionnements dans d'autres dispositifs connectés au même circuit que le moteur. Les chutes de tension peuvent déclencher les contrôleurs et les charges hors ligne. Les dispositifs à puissance constante augmentent leur consommation de courant pour compenser la baisse de tension, ce qui peut entraîner le déclenchement des dispositifs de protection contre les surintensités. Et, dans les cas les plus graves, la chute de tension peut être si importante que le moteur ne peut pas développer un couple suffisant pour démarrer.
La charge du moteur, ainsi que les caractéristiques du système d'alimentation, influent sur le courant d'appel du moteur. Un moteur fortement chargé consommera du courant d'appel pendant plus longtemps qu'un moteur légèrement chargé, comme le montre la figure 3. De même, si la tension d'alimentation est faible, le temps de démarrage du moteur sera prolongé en même temps que la durée du courant d'appel, comme le montre la figure 4. Il est donc plus probable que les dispositifs de protection se déclenchent.
Lors de la caractérisation du courant d'appel du moteur, une capture de forme d'onde d'au moins plusieurs secondes est nécessaire pour pouvoir observer le courant depuis l'appel jusqu'au régime permanent. En outre, un seul essai d'appel de courant peut ne pas fournir suffisamment d'informations pour résoudre les problèmes. Les moteurs démarrent et s'arrêtent souvent plusieurs fois dans la journée, avec des charges variables et des tensions d'alimentation changeantes qui affectent le courant d'appel. La surveillance doit donc être effectuée sur une période prolongée. Le moteur de la figure 5 a été surveillé pendant deux semaines et il est facile de voir que le courant d'appel a varié de manière significative au cours de cette période.
Dans les installations où des changements de processus ont lieu, ces changements peuvent modifier la charge sur le moteur et cela affectera le courant qu'il tire. Dans les applications de ce type, il est essentiel de surveiller le moteur tout au long du cycle de production, car les changements de charge du moteur peuvent provoquer des transitoires de courant qui déclenchent les dispositifs de protection ou créer des chutes de tension qui mettent hors tension d'autres équipements (voir figure 6).
Pour évaluer avec précision le fonctionnement d'un moteur et son impact sur les autres équipements, il est essentiel de surveiller le moteur pendant au moins un cycle de production complet et, idéalement, pendant plusieurs cycles. La tension, le courant, la puissance active, la puissance réactive, la puissance apparente et le facteur de puissance doivent tous être surveillés cycle de production par cycle de production, car les valeurs agrégées dans le temps sont souvent trompeuses.
En outre, un déclencheur de houle de courant doit être mis en œuvre de sorte que lorsque le courant dans le circuit surveillé dépasse une valeur prédéfinie, il déclenche la capture de la forme d'onde. La capture doit durer au moins 10 secondes, en examinant tous les canaux simultanément. Cela permet de s'assurer que toutes les données, de l'appel initial à l'état stable, sont capturées chaque fois que le moteur est démarré.
Comme nous l'avons vu, le courant d'appel associé au démarrage du moteur peut entraîner toute une série de problèmes dans les réseaux électriques. Cependant, avec un bon analyseur de qualité de l'énergie, il est généralement facile de localiser la source du problème.
La solution dépend de l'application, mais dans certains cas, il est possible, par exemple, de remplacer les démarreurs électromécaniques classiques par des démarreurs progressifs ou des variateurs de vitesse. Ces derniers permettent une accélération contrôlée du moteur pendant le démarrage et réduisent considérablement l'ampleur du courant d'appel. Ils réduisent également l'usure mécanique du moteur et de la charge qu'il entraîne et, dans le cas des variateurs de vitesse, ils permettent souvent d'augmenter considérablement l'efficacité énergétique.