56 Revue ABB 1/2002

i vous êtes skieur, vous connaissez

le désagrément du départ brutal du

remonte-pente. Le même problème, mais

à une autre échelle, coûte des millions de

dollars aux industriels chaque année: de

très nombreux moteurs à courant alterna-

tif (c.a.) – utilisés pour entraîner des ven-

tilateurs, broyeurs, agitateurs, pompes,

convoyeurs, etc. – sont jour et nuit sou-

mis à des pointes de charge dans les usi-

nes du monde entier.

Ces démarrages brusques et par à-

coups des moteurs c.a. sont source de

nombreux problèmes, notamment:

n Problèmes électriques liés aux surinten-

sités transitoires du fait des modes de

démarrage direct ou étoile-triangle. Ces

transitoires peuvent perturber le réseau

électrique du site et provoquer des varia-

tions de tension dommageables pour les

autres équipements électriques raccordés

au réseau,

n Problèmes mécaniques qui imposent

de fortes contraintes à l’ensemble des

éléments constitutifs de la chaîne ciné-

matique, du moteur à la machine entraî-

née,

n Problèmes d’exploitation comme les

coups de bélier dans la tuyauterie,

la détérioration des produits sur les ban-

des transporteuses, ou encore des ascen-

seurs aux démarrages et aux arrêts

brusques.

S

Depuis l’apparition des premiers moteurs électriques, les ingénieurs tentent d’éviter leurs démarrages brusques et violents. Plusieurs solutions ont été élaborées au cours des années, mais toutes avaient leursinconvénients. C’est seulement avec l’avènement du démarreur progressif que des démarrages en douceur et sans à-coups devinrent possibles sans aucun des inconvénients des solutions précédentes. Aujourd’hui, ABB propose une nouvelle génération de démarreurs progressifs associant électronique de puissance et circuits intelligents pour la commande haute précision du courant et de la tension pendant la phase de démarrage du moteur avec quelques fonctions supplémentaires.

De nouveaux démarreursélectroniques progressifs pourles moteurs électriques

Prendre un bon départSören Kling

Revue ABB 1/2002 57

Les conséquences financières sont

considérables: chaque problème tech-

nique, chaque panne coûte cher – il faut

réparer et arrêter la production. Pour un

industriel, ces arrêts sont les plus coûteux.

Un éternel problème

Le problème du démarrage des moteurs

électriques existe depuis toujours; plu-

sieurs solutions ont été élaborées et mises

en œuvre.

Démarreur étoile-triangle

Une première solution fut le démarreur

étoile-triangle. Pendant le démarrage, les

enroulements statoriques du moteur sont

couplés en étoile entre les conducteurs de

phase et le neutre du réseau, réduisant

ainsi la tension moteur – et donc le cou-

rant moteur – par un facteur de 1/√̄ ¯̄3.

Dès que le moment d’inertie principal est

vaincu, les enroulements du moteur sont

couplés en triangle entre les conducteurs

de phase du réseau pour atteindre la ten-

sion et la puissance assignées du moteur.

Cependant, ce type de démarreur ne sup-

prime pas les transitoires mécaniques et

électriques préjudiciables; il ne fait que

les atténuer légèrement en les décalant

dans le temps, d’une part, lors de la mise

sous tension initiale et, d’autre part, lors

du passage d’étoile en triangle.

Cela est vrai pour des conditions nor-

males d’exploitation; malheureusement,

dans d’autres cas, le passage d’étoile en

triangle peut avoir des effets plus néfastes

que le démarrage direct.

Pour toutes ces raisons, le démarreur

étoile-triangle constitue une solution sim-

ple mais limitée au problème d’appel de

courant et d’à-coups au démarrage.

Moteur à bagues

Autre solution: le moteur à bagues qui est

démarré avec une résistance raccordée au

rotor via un dispositif à bagues. Ainsi, le

courant de démarrage peut être réduit

tout en maintenant le couple moteur au

niveau requis pour démarrer la charge.

Pendant le démarrage et la montée en

vitesse du moteur, la résistance rotorique

est progressivement réduite. Dès que la

résistance de démarrage est complète-

ment hors circuit, le moteur peut accélé-

rer jusqu’à sa pleine vitesse. A ce stade,

les enroulements rotoriques sont court-

circuités, le moteur fonctionnant alors

comme un moteur à cage d’écureuil clas-

sique.

L’avantage du moteur à bagues est le

couple élevé obtenu avec un courant de

démarrage limité. Cette solution convient

plus particulièrement aux applications

avec charge à fort couple résistant (ex.,

broyeurs et laminoirs). Son inconvénient :

sa structure électromécanique complexe

comprenant balais, bagues, résistances et

contacteurs qui augmentent les coûts

(notamment maintenance) et réduisent la

fiabilité.

Convertisseur de fréquence

Le convertisseur de fréquence offre des

performances techniques supérieures aux

deux solutions précédentes car il permet

1

V IDirect Direct DirectEtoile/triangle

Etoile/triangle

Etoile/triangle

Tension moteur Courant moteur

Progressif

Progressif Progressif

100%

58%

70%

30%Pente de

rampe réglable

t n

TCouple moteur

n

Courbes comparatives des différents modes de démarrage (direct, étoile-triangle et progressif) en termes de tension

moteur (V), courant moteur (I) et couple moteur (T).

n Vitesse moteur

t Temps

1

58 Revue ABB 1/2002

une commande et une régulation précises

de toutes les variables concernées (vites-

se, couple et puissance) sur l’ensemble du

cycle de fonctionnement du moteur,

depuis son démarrage jusqu’à son arrêt.

Autre avantage important : il ne comporte

aucune pièce mobile. Sa fiabilité est donc

élevée et sa maintenance minimale.

Mais cette solution a l’inconvénient

d’exiger un investissement de départ rela-

tivement élevé, ce qui l’exclut de nom-

breuses applications, plus particulière-

ment celles où aucune action de com-

mande ou de régulation n’est requise en

cours de fonctionnement normal.

Cependant, les convertisseurs de fré-

quence gagnent du terrain au fur et à

mesure que les performances de cette

technologie s’améliorent et que les prix

chutent. Aujourd’hui, ils ont pratiquement

supplanté le moteur à bagues.

Démarreur progressif

Le démarreur progressif, arrivé sur le mar-

ché il y a une vingtaine d’années, s’appa-

rente au convertisseur de fréquence dans

ce sens qu’il s’agit également d’un dispo-

sitif électronique à thyristors. Il vient com-

bler le vide en termes de fonctionnalité et

de prix entre les démarreurs étoile-trian-

gle et les convertisseurs de fréquence.

Avec les démarreurs progressifs, la ten-

sion moteur peut être commandée pour

augmenter graduellement en phase de

démarrage, limitant ainsi naturellement le

courant de démarrage . Cela signifie

que le moteur démarre en douceur et que

les contraintes mécaniques et électriques

sont minimisées. Cerise sur le gâteau, ce

1

Les démarreurs progressifs ABB sont utilisés depuisplusieurs années sur les moteurs des pompes, mélangeurset ventilateurs 160 kW de la société Kemira Kemi AB quifabrique des produits chimiques pour l’industrie et l’agricultu-re à Helsingborg, en Suède. Ils ont été installés pour réduireles contraintes imposées aux accouplements entre lesmoteurs et les machines entraînées, pour supprimer lescoups de bélier dans les réseaux de tuyauterie, etc. AndreasAllerbo, ingénieur électricien et instrumentiste de l’entreprise,qui appartient au groupe finlandais Kemira Oy, explique:

«Notre expérience des démarreurs progressifs est trèsconcluante. Ils remplissent parfaitement leur rôle et ne nousposent aucun problème d’ordre technique. Les perturbationsde fonctionnement ont été réduites, avec un impact positifsur nos coûts. Dans chaque démarreur, nous utilisons lafonction de bypass pour délester les thyristors et réduire ladissipation thermique. Si nous identifions de nouvelles appli-cations pour les démarreurs progressifs, nous en installeronsd’autres.»

Andreas Allerbo, ingénieur électricien et instrumentiste

chez Kemira Kemi AB, Helsingborg, en Suède.

Une des deux pompes nouvellement installées chez

Kemira Kemi AB et dotées de démarreurs progressifs

PS S d’ABB, essentiellement pour supprimer les coups de

bélier dans la tuyauterie de la station de pompage.

«Moins de perturbations de fonctionnement»

Revue ABB 1/2002 59

dispositif peut également être utilisé pour

l’arrêt progressif.

Le démarreur progressif étant à base

d’électronique, il est relativement aisé de

lui ajouter des fonctions de sécurité et de

signalisation d’état pour améliorer la pro-

tection du moteur et simplifier la localisa-

tion des défauts (ex., protection contre la

perte de phase, les surintensités et

l’échauffement anormal, de même que la

signalisation de fonctionnement normal,

de tension moteur assignée et de certains

défauts.)

Tous les réglages, comme celui de la

pente de la rampe de démarrage et de la

tension initiale, peuvent aisément être

réalisés en face avant de l’appareil.

Par conséquent, le démarreur progres-

sif satisfait pleinement les besoins de base

de démarrage en douceur des moteurs

électriques, tout en offrant des atouts en

termes de fiabilité, de maintenance, de

protection du moteur et de simplicité de

configuration.

Les démarreurs progressifs ne convien-

nent pas toujours à des applications de

commande de moteur exigeant un fort

couple de démarrage. Cette limitation est

liée au fait que pour démarrer le moteur,

l’appareil augmente la tension moteur jus-

qu’à sa valeur assignée (et à l’inverse,

pour l’arrêter, il la réduit jusqu’à la valeur

de coupure réglée). Le couple étant pro-

portionnel au carré de la tension, le

moteur raccordé est incapable d’atteindre

le couple maximum dès le départ. C’est

pour cette raison que le démarreur pro-

gressif est plus adapté à la commande de

moteurs de faible puissance et plus faciles

à démarrer, comme les moteurs de pom-

pes, ventilateurs, convoyeurs et ascen-

seurs .

Nouvelle gamme ABB de

démarreurs progressifs

ABB fabrique des démarreurs progressifs

depuis le début des années 80 et la

conception de la nouvelle gamme de pro-

duits reflète plus de vingt ans d’expérien-

ce. Les performances de celle-ci, appelée

PS S, ont été nettement améliorées sur

plusieurs points . Elle couvre une

plage de courants moteur de 3 à 515 A

et de tensions d’alimentation de 208 à

690 V.

La nouvelle gamme de produits offre

plusieurs atouts importants :

3

2

Les convoyeurs et les ascenseurs sont deux exemples types d’application pour lesquels les nouveaux démarreurs

progressifs ABB offrent de nombreux avantages.

2

La nouvelle gamme ABB de démarreurs électroniques progressifs PS S couvre

des courants moteur de 3 à 515 A et des tensions d’alimentation de 208 à 690 V.

3

60 Revue ABB 1/2002

n Compacité : son faible encombrement

permet d’installer plus de démarreurs pro-

gressifs sur une surface de montage don-

née.

n Simplicité d’installation: l’appareil peut

être vissé sur une platine de montage

(quatre perçages sont suffisants) ou être

encliqueté sur un rail de fixation; le rac-

cordement des câbles est très simple dans

les deux cas. Des instructions claires sont

fournies en face avant.

n Simplicité de configuration: avec seule-

ment trois réglages – pente de la rampe

de démarrage, pente de la rampe d’arrêt

et tension initiale – l’utilisateur configure

le démarreur progressif pour une large

gamme d’applications. Ces réglages se

font très aisément avec des commutateurs

rotatifs clairement repérés en face avant

de l’appareil.

n Circuit électrique à semi-conducteurs :

garantie de la fiabilité élevée et de la

maintenance minimale, même dans les

applications aux démarrages et arrêts fré-

quents.

Couplage « interne-triangle»

Les plus gros appareils de la gamme peu-

vent être connectés dans le couplage tri-

angle du moteur, tout comme un démar-

rage étoile-triangle . Cela permet de

réduire le courant du démarreur progres-

sif par un facteur de 1/√̄ ¯̄3, étendant la

plage disponible en courant à 515 A. Le

couplage interne-triangle permet de

répondre aux exigences de n’importe

quelle application avec un démarreur plus

petit, donc moins encombrant et moins

cher.

Sécurité et robustesse

Les appareils sont logés dans des enve-

loppes à protection renforcée et tous les

organes sous tension sont bien isolés. Ils

résistent donc à des conditions de mani-

pulation sévères sans danger pour le per-

sonnel. Le circuit électrique est à sécurité

intégrée; en cas de défaut interne, peu

4

Les démarreurs progressifs et IndustrialIT

ntégrer des informations provenant d’un large éventail

d’applications a toujours été un problème pour les

informaticiens. Depuis longtemps, la nécessité d’une

architecture unique et intégrée est reconnue – une archi-

tecture qui masque à l’utilisateur les différences entre

plusieurs applications.

ABB s’est penché sur ce problème depuis plusieurs

années. Premier fournisseur mondial de technologies

d’automatisation, nous aidons les principaux acteurs

industriels à mettre en place des solutions intégrées et

temps réel couvrant l’ensemble des systèmes d’auto-

matisation et d’information de leur entreprise par le biais

de l’architecture IndustrialIT. En résumé, IndustrialIT est

une plate-forme reliant, en temps réel et de façon trans-

parente, une multitude d’applications et de systèmes.

Dorénavant, tous les nouveaux produits ABB,

logiciels et matériels, seront estampillés IndustrialIT

enabled. Les clients sauront que leur produit est apte

à se combiner à d’autres produits IndustrialIT, dans la

perspective du «prêt à produire».

Pour prétendre à ce label, tous les nouveaux produits

doivent être certifiés (et les produits existants être exami-

nés). Il existe quatre niveaux de certification:

Niveau 0 – Information

Niveau 1 – Connectivité

Niveau 2 – Intégration

Niveau 3 – Optimisation

Les produits faiblement intégrés (qui n’échangent pas

d’information avec d’autres produits) – comme les

démarreurs progressifs décrits dans cet article – se

situent au niveau 0 de la hiérarchie.

Pour être certifié « IndustrialIT de niveau 0» (Informa-

tion), un produit doit présenter les caractéristiques sui-

vantes:

Identification produit : pour référencer le produit, son

identification doit comporter :

1. Un numéro d’identité ABB

2. Un code de référence EAN

3. Un nom de produit

4. Un code de désignation produit

IIndustrialIT

TM

enabledenabledenabledNiveau 0: Information

Revue ABB 1/2002 61

probable, l’appareil s’arrête pour protéger

l’équipement raccordé.

PS S 03...25

Appareils compacts pour 3 à 25 A

Les démarreurs progressifs de cette série

sont destinés aux petits moteurs de cou-

rant assigné entre 3 et 25 A, et alimentés

sous 230, 400, 500 et 600 V. Ils sont

conçus pour être juxtaposés sur rails DIN.

Leur circuit principal est doté de contacts

de bypass qui délestent les thyristors en

régime normal et réduisent l’échauffe-

ment. Cette conception, associée à la fixa-

tion sur rail, permet de concevoir des

solutions de départ-moteur très compactes.

Chaque appareil peut être câblé pour

des tensions de commande dans les gam-

mes 24 – 110 V c.a./c.c. ou 110 – 480 V

c.a., simplifiant leur intégration dans des

systèmes de contrôle-commande exis-

tants et réduisant le nombre de versions

différentes requises.

PS S 18/30...300/515

Des appareils souples d’emploi

pour 18 à 515 A

Les appareils de cette série sont destinés

aux plus gros moteurs et offrent davan-

tage de souplesse en termes d’installation

et d’utilisation. Elle couvre des courants

moteur assignés de 18 à 300 A mais,

sachant que les appareils peuvent être

connectés dans le couplage triangle du

moteur comme un démarreur étoile-trian-

gle , , ils sont capables de gérer

des courants pouvant atteindre 515 A.

54

Les plus gros appareils de la gamme

PS S peuvent également être connectés

dans le couplage triangle du moteur, tout

comme un démarreur étoile-triangle. Ils sont

un facteur de réduction des coûts, autori-

sant l’utilisation d’un démarreur de calibre

inférieur, donc moins cher.

4

M M

100 A

100 ADirect

100 AInterne-triangle

58 A

Documentation produit : Ia documentation produit doit

être dans un format non éditable, ce qui signifie que

l’information peut être visualisée avec Adobe Acrobat

Reader (*.pdf). Les documents suivants doivent être

fournis :

1. Fiche technique ou manuel de référence

2. Manuel d’installation et de mise en service

3. Manuel de l’application

4. Manuel d’exploitation

5. Manuel de maintenance

6. Déclaration CE de conformité

7. Déclaration environnementale

8. Données environnementales

Données CAO: pour l’intégration aisée des produits

dans les systèmes de CAO électrique et/ou mécanique,

les schémas électriques et mécaniques doivent être

fournis, notamment :

1. Caractéristiques électriques

2. Données CAO mécaniques

Caractéristiques techniques et classification du pro-

duit : une «classe de produits» désigne un groupe de

produits ayant la même série d’attributs. Cet aspect

contient les attributs qui distinguent une classe de pro-

duits d’une autre.

Autres points à prendre en compte pour la certification

«Niveau 0» d’un produit :

1. Le produit s’intègre naturellement dans l’architecture

ABB IndustrialIT.

2. Le produit doit être développé et fabriqué sous

contrôle qualité.

3. Un «support produit» est disponible.

Selon le niveau de certification requis, les produits visant

une intégration plus poussée et l’interopérabilité avec

d’autres produits seront certifiés niveau 1, 2 ou 3 par le

centre de certification IndustrialIT d’ABB de Västerås

(Suède), Minden (Allemagne) ou Wickliffe (USA).

62 Revue ABB 1/2002

Au sein de la sucrerie Köpingebro1) au sud de la Suède,le responsable électrique Sven-Åke Mårtensson citequelques problèmes que les démarreurs progressifs ontpermis de résoudre:

«Nous avons installé des démarreurs progressifspour les moteurs de nos centrifugeuses, élévateurs àsucre et convoyeurs à bande dès le début des années90. Auparavant, nous utilisions le démarrage direct ou ledémarrage étoile-triangle.

Le problème des centrifugeuses, que les démarreursprogressifs ont permis de résoudre, était lié à leur fortmoment d’inertie. Les démarreurs étoile-triangle avaienttendance à déclencher lors du passage d’étoile en trian-gle, entraînant l’arrêt de toute la chaîne de transport enamont du fait des verrouillages. Le redémarrage ne sefaisant pas immédiatement, la solution de mélasse deve-nait trop froide pour être centrifugée. Il était indispensa-ble de remédier au problème!

Sachant que les centrifugeuses jouent un rôle clédans la fabrication du sucre, nous avons décidé d’équi-per les plus grosses machines de convertisseurs de fré-

quence. Ces derniers nous permettent de mieux maîtri-ser les variables en question. Toutefois, pour nos petitesmachines, les démarreurs progressifs sont tout à fait à lahauteur. Nos problèmes de démarrage avec les centrifu-geuses ont aujourd’hui disparu, cela pour une large partgrâce aux démarreurs progressifs.

Autre pierre d’achoppement, les élévateurs : du faitd’un problème dans la chaîne de transport du sucreentre les centrifugeuses et les silos – lié aux verrouillagesdes déclenchements de cette chaîne – il arrivait que cer-tains de ces élévateurs s’arrêtent à pleine charge. Nousn’avions d’autre solution que de vider l’élévateur à lamain pour le redémarrer à vide, avec des arrêts de pro-duction très coûteux.

Ce problème a également été résolu avec les démar-reurs progressifs. Aujourd’hui, nos élévateurs fonction-nent sans à-coups et sans patiner.»

«Les démarreurs progressifs ont permis de résoudre certains problèmes d’exploitation.»

1) La sucrerie Köpingebro appartient à l’entreprise Danisco Sugar, membre du Groupe Danisco.

Sven-Åke Mårtensson de la sucrerie Köpingebro au sud de la Suède devant un démarreur progressif d’une des

centrifugeuses

Revue ABB 1/2002 63

Cette aptitude simplifie plus que jamais le

remplacement des démarreurs étoile-trian-

gle existants pour des démarrages (et des

arrêts) encore plus en douceur.

Le circuit à semi-conducteurs (le circuit

principal ne comporte aucun contact

électromécanique) en fait la solution idéa-

le pour les moteurs aux démarrages et

arrêts fréquents.

Tous les appareils de cette série peu-

vent être équipés d’un circuit de limitation

de courant séparé, pour régler un courant

de démarrage maximum qui sera respecté

quel que soit le temps de rampe réglé.

Cette fonction simplifie la configuration,

plus particulièrement pour les entraîne-

ments à forts moments d’inertie avec des

temps de démarrage souvent longs.

Les démarreurs progressifs intègrent

quatre DEL d’état («appareil sous tension»,

« tension assignée atteinte», «défaut exter-

ne» et «défaut général »), et un relais de

signalisation de défaut. Ces fonctions de

diagnostic simplifient la supervision et la

localisation des défauts.

Cette série est conçue pour des fac-

teurs d’utilisation de 110 à 115%; les

appareils sont donc capables de gérer le

niveau de surintensité correspondant des

moteurs raccordés.

Le relais de bypass intégré peut être

utilisé pour enclencher un contacteur

externe qui bypasse les thyristors pen-

dant le fonctionnement en régime conti-

nu ou lors du démarrage séquentiel de

plusieurs moteurs avec un seul démarreur

progressif.

Le problème enfin résolu

Le démarrage progressif offre des avan-

tages pour toutes les applications. Il n’est

pas un site industriel dont le fonctionne-

ment ne dépende de moteurs électriques

et qui ne pourrait tirer profit des démar-

reurs progressifs ABB. Les commentaires

de nombreux exploitants attestent de ces

avantages (cf. pages 58 et 62). Leurs

fonctionnalités et leurs atouts en font un

maillon essentiel d’un large éventail

d’applications industrielles modernes.

Configuration interne-triangle type remplaçant un démarreur étoile-triangle5

Auteur

Sören KlingABB Automation Technology Products ABSaltängsvägen 26SE-721 61 VästeråsSuèdeFax: +46 21 320 545soren.kling@se.abb.com