Les moteurs et leurs démarrages : cours de Bac pro MELEC

Un moteur qui tourne depuis une heure, tu ne t'en occupes plus. C'est au moment où il part de l'arrêt que les difficultés apparaissent : le rotor est immobile, la charge est là, et il faut la mettre en mouvement. En maintenance comme en installation électrique, c'est donc le démarrage qui dicte beaucoup de choix : type de moteur, appareillage, protections, réglages.

Dans ce cours, tu vas voir trois familles de situations : le démarrage direct d'un moteur asynchrone triphasé, le cas particulier d'un petit moteur monophasé à bague de démarrage, et le démarrage d'un moteur thermique. Tu verras que ces trois cas répondent à la même question : comment fournir le premier effort qui lance la rotation ?

Les ressources pédagogiques nationales proposent, pour les formations de la filière électrique, une étude intitulée « Systèmes à démarrage direct ». Elle porte sur le démarrage direct d'un moteur asynchrone triphasé, à travers des activités placées dans un contexte professionnel et de plus en plus complexes.¹ Autrement dit, ce système est un objet d'étude à part entière : tu le rencontreras en travaux pratiques, sous forme de plusieurs sujets de difficulté croissante.¹

Le mot « direct » se comprend simplement : le moteur est alimenté par le réseau sans dispositif intermédiaire qui modifierait la tension appliquée pendant la phase de lancement. C'est la solution la plus simple à concevoir, à câbler et à dépanner. Sa contrepartie : à la mise sous tension, le moteur appelle un courant de démarrage très élevé, de l'ordre de 5 à 8 fois son courant nominal, ce qui réserve ce mode aux moteurs de puissance modérée et oblige à choisir des protections adaptées. Le moteur asynchrone triphasé est un moteur dont le rotor ne tourne jamais exactement à la vitesse du champ tournant du stator : cet écart de vitesse s'appelle le glissement, que tu sauras calculer plus loin.

Passons à un moteur bien plus modeste. Le moteur à bague de démarrage, aussi appelé moteur à spire de Frager, est un moteur asynchrone monophasé.² On l'utilise pour des besoins simples : il ne fournit pas un fort couple et il est peu bruyant.² Son rendement est très faible, ce qui explique qu'on le dimensionne rarement au-delà d'une centaine de watts.²

Le rotor est une cage d'écureuil, comme dans les autres moteurs asynchrones.² Un moteur monophasé à une seule bobine ne démarre pas seul, car son couple à l'arrêt est nul : il faut le lancer mécaniquement dans un sens ou dans l'autre, ou bien créer à l'intérieur un champ magnétique auxiliaire.² C'est exactement le rôle de la spire de Frager. Cette partie du pôle devient le siège de courants induits, qui retardent le flux magnétique et permettent d'obtenir un champ tournant.²

Cette solution présente un avantage d'ordre économique. Le moteur n'a qu'un seul bobinage au stator et il se passe de condensateur de déphasage, ce qui le rend peu coûteux et fiable.²

Dans ce moteur, le champ tournant n'est pas circulaire : son amplitude et son orientation décrivent une ellipse dans l'entrefer.² On peut imaginer ce champ elliptique comme la somme de deux champs tournant en sens inverses. L'un tourne dans le sens du rotor et crée un couple moteur ; l'autre tourne en sens opposé, avec une amplitude plus faible, et crée un couple de freinage.²

Pour améliorer la courbe couple/vitesse, on peut multiplier les spires de Frager, en les faisant couvrir des surfaces différentes de chaque pôle. L'effet recherché : renforcer le champ moteur et affaiblir le champ de freinage. On trouve en général deux ou trois spires par pôle.² Le champ reste toutefois elliptique, et c'est ce qui maintient le rendement à un niveau faible.²

La courbe couple/vitesse ressemble à celle d'un moteur asynchrone classique, mais elle présente un creux : le couple passe par un minimum pour un glissement d'environ 60 %.² Ce creux vient de l'harmonique d'ordre 3 du champ de l'entrefer, qui donne un couple de freinage à partir d'un glissement de 67 %.²

Le moteur thermique, lui, ne démarre jamais seul. À l'arrêt, il faut une source d'énergie extérieure pour mettre les pistons en mouvement, jusqu'à ce qu'au moins l'un d'eux soit dans un temps moteur et produise une force suffisante pour enchaîner les autres temps. À partir de là, le moteur tourne par lui-même.³ L'énergie de lancement peut venir d'un geste manuel ou d'un appareil indépendant appelé démarreur.³

Le démarreur électrique a été mis au point par l'Américain Charles Kettering, et la marque Cadillac a été la première à le commercialiser, en 1912.³ On le retrouve sur la grande majorité des véhicules terrestres à moteur à explosion.³ Pour toi, électricien, c'est un exemple concret : un petit moteur électrique sert à lancer un moteur d'un autre genre.

Autre aide au démarrage : le starter, associé au carburateur. Il facilite la mise en route et le fonctionnement tant que le moteur n'a pas atteint sa température optimale.³ Le démarrage rapide et facile, surtout depuis le démarreur électrique, est un avantage du moteur à explosion face aux moteurs à vapeur, qui exigent un préchauffage pouvant durer plusieurs dizaines de minutes.³

Deux grandeurs reviennent sans cesse quand on parle de moteurs asynchrones. Elles se calculent avec des formules simples. Ces formules sont des outils de calcul ; apprends à les appliquer avec les bonnes unités.

Le point commun entre toutes ces situations : à l'arrêt, l'effort de lancement ne vient pas du fonctionnement normal du moteur. Dans un moteur à bague, il vient d'un champ auxiliaire créé par la spire de Frager. Dans un moteur thermique, il vient d'un démarreur ou d'un geste manuel. Dans un système à démarrage direct, l'étude porte sur l'ensemble de l'installation qui lance le moteur asynchrone triphasé.