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Numéro du document : 1SFC132392M0201 Révision : 2 Publication : 20 décembre 2018 Mise à jour : 8 avril 2019

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DÉCEMBRE 2018

Comparaison de la performance des

démarreurs progressifs à commande

biphasée et triphasée

RÉSUMÉ

Une comparaison entre les démarreurs progressifs à commande biphasée et triphasée permet

de mieux comprendre les différences et les similitudes entre ces deux technologies. Dans ce

document et dans la recherche qui est y associée, il est conclu que, du point de vue de la

performance, de la sécurité et de la fiabilité, il n’existe pas de différence significative entre les

démarreurs progressifs commandés par une technologie biphasée ou triphasée.

Le déséquilibre du courant qui se produit lors du démarrage n’affecte pas la performance du

démarreur progressif et n’a donc pas d’incidence sur la qualité ou la précision de la rampe de

tension et de couple. La composante CC largement évoquée, qui est générée par les démarreurs

progressifs traditionnels commandés en biphasé, est efficacement éliminée par un algorithme

de compensation CC. Les performances de vitesse et d’accélération ne sont pas liées au nombre

de thyristors à l’intérieur du démarreur progressif et permettent d’obtenir facilement des

performances de démarrage égales. En ce qui concerne l’isolation électrique et la fiabilité, il a été

conclu qu’il n’existait pas de différence significative, en termes de conception ou de résultat en

cas de défaillance, entre les deux technologies des différents démarreurs progressifs.

2


Sommaire RÉSUMÉ 1

1 Introduction 3

2 Démarrage du moteur et technologie à démarreur progressif 4

Solutions de démarrage du moteur Démarrage direct ou progressif 4 Démarrage direct du moteur 4 Démarrage par démarreur progressif 4

Technologie du démarreur progressif et différences topologiques 5

3 Déséquilibre de courant et composante CC 8

Qu’est-ce que le déséquilibre de courant et d’où vient-il ? 8 Implications du déséquilibre de courant 9

Impact du déséquilibre sur la température du moteur 9 Déséquilibre de courant et courant de crête 9 Rapport entre le déséquilibre de courant et le creux de tension 10

Impact limité du déséquilibre de courant 10

4 La composante CC et son origine 12

Qu’est-ce que la composante CC ? 12 Une composante CC par phase 13 L’impact de la composante CC sur le moteur et l’application 14 ABB élimine la composante CC grâce à un algorithme 14

5 Performance 16

Qu’est-ce que la performance ? 16 Rampe de tension 16 Contrôle du couple 19

6 Fiabilité et sécurité 23

Impact des problèmes de thyristor ou de dérivation sur les démarreurs progressifs à commande biphasée ou triphasée 23

Topologie du circuit principal du démarreur progressif 23 Thyristor ou dérivation en court-circuit 24

Aspects liés à la sécurité 26 Isolation électrique – définition et exigences du produit 26 Un dispositif de commande de moteur n’est pas un isolateur 27 Différence entre un démarreur progressif à commande biphasée et

triphasée en termes d’isolation 27

7 Autres comparaisons et limites 28

Autres comparaisons et commentaires 28 Limites 28

8 Conclusions 29

3


1 Introduction

Le présent document a pour objectif de fournir un aperçu général du démarreur progressif à

commande biphasée et triphasée et d’évaluer les différences entre ces deux technologies.

Un démarreur progressif est un dispositif de commande de moteur qui va accélérer, de

manière contrôlée, un moteur à induction triphasé à cage d’écureuil, de l’arrêt jusqu’à son plein

régime. On distingue deux types de démarreurs progressifs, le premier à commande biphasée, le

second à commande triphasée. Tous deux sont équipés de deux ou trois jeux de thyristors

permettant de contrôler la tension du moteur pendant le démarrage ou l’arrêt.

Il règne une grande confusion quant à la performance des démarreurs progressifs commandés

en biphasé. Les premières commandes en biphasé généraient ce que l’on appelle désormais la

fameuse « composante CC », un phénomène à l’origine de nombreuses fausses idées à propos de

cette technologie. Ce document va évaluer la composante CC et déterminera si elle peut être

éliminée. La commande en biphasé par opposition à la commande en triphasé soulève également

la question du déséquilibre de courant et des différences de performance en matière de

composants, sécurité et fiabilité.

Avant de s’intéresser aux différences et aux similitudes entre ces technologies, il faut d’abord

comprendre les fondamentaux et les différents types de solutions de démarrage d’un moteur.

4


2 Démarrage du moteur et technologie à démarreur progressif

Solutions de démarrage du moteur Démarrage direct ou progressif

Démarrage direct du moteur La méthode traditionnelle de démarrage d’un moteur est le « démarrage direct » (Démarreur

DOL), ou « démarreur direct », qui est un démarrage par contacteur. Lorsqu’il reçoit un signal de

démarrage, le contacteur se ferme et fournit instantanément la pleine tension au moteur, qui

absorbe le courant dont il a besoin pour atteindre son plein régime. Au cours de cette séquence,

deux grands types de problèmes se posent : les problèmes électriques et les problèmes

mécaniques.

En fonction de la charge, le courant initial (appelé courant rotor bloqué) peut atteindre 8 fois

le courant nominal du moteur (FLA), ce qui peut avoir un impact négatif sur le système électrique

en amont avec des disjoncteurs qui se déclenchent ou des fusibles qui grillent.

Le deuxième problème, mécanique, se produit sur le moteur et côté application. Le couple de

démarrage d’un moteur est compris entre 2 et 2,5 fois la valeur nominale, ce qui, dans la plupart

des applications, serait excessif et peut entraîner une usure mécanique. Dans une application de

bande transporteuse, le type de problème rencontré serait un glissement ou une rupture de la

bande.

La solution à ces problèmes et à d’autres problèmes similaires, consiste à contrôler le courant

et la tension de sortie de sorte que la séquence de démarrage soit plus douce, comme un

démarrage progressif.

Démarrage par démarreur progressif Un démarreur progressif contrôle la tension transmise au moteur à l’aide de thyristors (qui

seront abordés ultérieurement). La tension augmente progressivement, permettant au moteur

d’atteindre son régime maximal avec une fraction du courant nécessaire pour un démarrage

direct DOL.

Dans la Figure 1, la tension initiale du démarreur progressif est réglée à 50 %, puis augmente

progressivement jusqu’à 100 %. Le courant initial sera d’environ 50 % du courant rotor bloqué,

soit 4 fois (au lieu de 8) la valeur nominale. La ligne rouge dans la Figure 2 représente ce courant

plus faible. Le couple étant proportionnel à la tension multipliée par le courant, le couple moteur

avec un démarreur progressif est réduit à environ 25 % (ligne rouge) du couple DOL (ligne noire),

représenté dans la Figure 3.

5


Figure 1 : Tension pendant le

démarrage avec démarreur

progressif

Figure 2 : Courant pendant le

démarrage avec démarreur

progressif (en rouge) et

démarrage direct DOL (en

noir)

rpm tr/min

Figure 3 : Couple pendant la

rampe avec le démarreur

progressif (en rouge) et le

démarrage direct DOL (en

noir)

Le courant et le couple réduits obtenus avec un démarreur progressif permettent d’éliminer

de nombreux problèmes liés au démarreur direct DOL. Maintenant, la question est de savoir

comment le démarreur rend cela possible.

Technologie du démarreur progressif et différences topologiques

Les composants de puissance d’un démarreur progressif sont les thyristors, également

appelés Redresseurs Commandés au Silicium (SCR). Un démarreur progressif est constitué de

deux ou trois jeux de paires de thyristors à montage antiparallèle. Lorsque les termes « démarreur

progressif commandé » en « biphasé » ou en « triphasé » sont utilisés, ils font référence au

nombre de jeux de thyristors utilisés. Cela est illustré dans la Figure 4 et Figure 5.

Figure 4 : Topologie des thyristors dans un

« démarreur progressif triphasé » : 3 jeux de

thyristors en montage antiparallèle.

Figure 5 : Topologie des thyristors dans un

« démarreur progressif biphasé » : 2 jeux de

thyristors en montage antiparallèle.

Le thyristor est un composant à semi-conducteur qui a deux états différents : blocage ou

conduction. En mode veille, il est en état de blocage, ce qui signifie qu’aucun courant ni aucune

tension n’est transmis. Le thyristor est commandé via un signal de gâchette : lorsque le thyristor

reçoit une impulsion sur la gâchette, le thyristor commence à conduire et continue jusqu’à ce que

la tension franchisse la ligne zéro (appelée passage à zéro). L’impulsion est contrôlée depuis le

6


circuit imprimé du démarreur progressif et le minutage dépendra du temps écoulé depuis le

dernier passage au zéro.

La partie inférieure de la Figure 6 représente l’onde sinusoïdale et le moment où le thyristor

est conducteur (rempli en rouge) et bloquant (rempli en blanc), respectivement. La distance entre

le passage au zéro et le déclenchement est appelée l’angle d’amorçage, généralement désigné

par α. Le temps α détermine la tension transmise au moteur. Un demi-cycle à moitié rempli

représente 50 % de tension et un cycle complètement rempli représente 100 %.

Figure 6 : Tension efficace et processus de déclenchement des thyristors par rapport à l’onde

sinusoïdale de 50/60 Hz pendant la séquence de démarrage du démarreur progressif.

Zero crosses Passages au zéro

Firing angle Angle d’amorçage

Time Temps

Cela signifie que le démarreur progressif commande la tension et le courant en ne laissant

passer que certaines parties de la tension entrante.

Si la méthode de commande est identique pour les démarreurs à commande biphasée et

triphasée, quelles sont les différences ? L’augmentation de la tension efficace indiquée sur la

figure ci-dessus ne sera pas très différente entre les deux méthodes, mais il y aura des différences

dans les courants, dont nous allons parler ensuite.

7


8


3 Déséquilibre de courant et composante CC

Qu’est-ce que le déséquilibre de courant et d’où vient-il ? La première chose que nous constatons lors du démarrage d’un moteur triphasé avec un

démarreur progressif commandé en biphasé est que les courants dans les phases ne sont pas

égaux. En règle générale, les phases commandées ont un courant inférieur d’environ 30 à 50 %

par rapport aux phases non commandées. Les deux phases commandées ont des valeurs de

courant similaires avec une différence pouvant aller jusqu’à environ 20 %. On peut observer ce

phénomène dans les Figure 7 et Figure 8 ci-dessous, qui indiquent les mesures de courant lors

d’un démarrage commandé en biphasé, avec et sans limitation de courant.

Figure 7 : Courant efficace à commande en

biphasé avec limitation de courant.

Figure 8 : Courant efficace à commande en

biphasé sans limitation de courant.

Time [s] Temps (s)

Sur le plan conceptuel, cette différence de courant de phase tient au fait que chaque phase

conduit du courant pendant une durée différente. Dans les phases commandées, les thyristors

contrôlent le courant fourni au moteur en s’activant pendant le demi-cycle de l’onde sinusoïdale,

puis en se désactivant (passant alors à un état non conducteur) lors du passage au zéro. Cela

signifie que les phases commandées ne sont conductrices qu’une partie du temps, tandis que la

phase non commandée est toujours disponible pour la conduction, et fournit une voie de retour

pour le courant.

Pour visualiser ce phénomène, la figure Figure 9 : Courant des trois phases avec un angle de

déclenchement de 5 ms montre les différences entre les courants des phases individuelles

lorsque L1 et L3 sont déclenchées avec un angle d’amorçage de 5 ms (pour 50 Hz). Cet angle de

déclenchement correspond à environ 50 % de la tension. La somme des trois courants doit être

égale à zéro, L2 = -L1-L3. La figure 9 montre clairement que L2 (ligne rouge) est conductrice plus

longtemps que L1 et L3.

0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5

Temps (s) 0 1 2 3 4 5 6 7 0

2

4

Temps (s)

9


Figure 9 : Courant des trois phases avec un angle de déclenchement de 5 ms La distance entre les lignes verticales correspond à 4 ms.

Implications du déséquilibre de courant

Impact du déséquilibre sur la température du moteur Le déséquilibre de courant entre les phases peut provoquer un réchauffement légèrement

disproportionné des enroulements du moteur pendant la durée de la rampe de démarrage, ce qui

diminue le rendement du moteur. L’ampleur du problème dépend du moteur et de ses

caractéristiques de charge.

Heureusement, concernant le réchauffement du moteur, la durée de la rampe est

généralement inférieure à 10 secondes, ce qui signifie que l’impact du déséquilibre de courant

serait limité à une durée très courte. Ceci, combiné au fait que les moteurs sont très résistants à

une élévation temporaire de la température, permet de conclure que l’impact sur le rendement

du moteur est négligeable.

Déséquilibre de courant et courant de crête Le déséquilibre de courant affecte également le courant de démarrage le plus élevé. Lors d’un

démarrage normal, un démarreur progressif à commande triphasée a besoin d’environ quatre

fois le courant nominal. Le courant nominal de la phase non commandée dans un démarreur

progressif biphasé est supérieur d’environ 30 % par rapport à un démarreur progressif à

commande triphasée, ce qui signifie que les applications lourdes dans des réseaux non fiables

(par exemple, un alternateur ou un transformateur sous-dimensionné pour le moteur) peuvent

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rencontrer des problèmes. Cela dit, dans les situations normales, ce déséquilibre de courant ne

pose pas de problème, car une limite de courant inférieure garantit un courant de démarrage

inférieur sans affecter la capacité de démarrage du moteur.

Surtout, les implications liées au déséquilibre de courant disparaissent lorsque le démarreur

progressif atteint le haut de la rampe (régime maximal), seulement 10 secondes après la rampe,

généralement. En fonctionnement continu à plein régime, les contacts de dérivation sont fermés

et le démarreur progressif ne provoque aucun déséquilibre.

Rapport entre le déséquilibre de courant et le creux de tension Le courant de démarrage peut également provoquer un creux dans la tension d’alimentation

principale. L’amplitude du creux est proportionnelle au courant de démarrage et dépend

principalement de la puissance nominale, de l’impédance nominale et de la tenue au court-circuit

du transformateur ou de l’alternateur.

Si l’on utilise un démarreur progressif à la place d’un démarreur DOL, l’amplitude du creux de

tension sera bien plus faible. Si un démarreur progressif biphasé est comparé à un démarreur

progressif triphasé, le creux de tension sera légèrement plus grand dans la commande en

biphasé, mais la différence est négligeable par comparaison au creux provoqué avec un

démarreur DOL.

De plus, la plupart des moteurs sont conçus de manière à pouvoir continuer à fonctionner

lorsque la tension est inférieure à 90 % de la tension nominale, ce qui signifie que la différence

dans le creux de tension entre les démarreurs progressifs biphasés et triphasés aurait un impact

différentiel limité, voire aucun impact.

Impact limité du déséquilibre de courant Les différences susmentionnées peuvent avoir un impact uniquement pendant l’accélération.

Dans la majorité des applications, le temps de rampe avec un démarreur progressif est inférieur

à 10 secondes.

Un calcul rapide peut être effectué en se basant sur l’estimation d’une application normale : Si

le temps de rampe de démarrage est réglé sur 12 secondes et que le moteur démarre six fois par

heure, le rapport entre le démarrage du moteur et le temps de fonctionnement peut être calculé.

12 ∗ 63600

= 0.02

Cela signifie que seulement 2 % de la durée de vie du moteur est consacrée à la phase de

démarrage.

11


Pour conclure, les différences de déséquilibre de courant entre les commandes en biphasé et

triphasé n’ont pas d’impact significatif sur la performance dans la plupart des applications car

leurs effets se limitent exclusivement aux périodes transitoires de démarrage. D’autres

problèmes susceptibles de résulter d’un déséquilibre de courant peuvent se limiter à quelques

applications spécifiques pour lesquelles une atténuation est possible grâce à un

dimensionnement correct du moteur.

12


4 La composante CC et son origine Lorsque les premiers démarreurs progressifs biphasés ont été développés, ils avaient un

couple inférieur à celui du démarreur triphasé correspondant. Il s’est rapidement avéré que le fait

de commander seulement 2 des 3 phases avec le même algorithme de commande poserait

problème : sans aucun algorithme de compensation, un démarreur progressif traditionnel

commandé en biphasé créerait ce que l’on appelle une composante CC. Cette section explique ce

qu’est la composante CC, son origine, ses conséquences et comment ABB a éliminé ce problème.

Qu’est-ce que la composante CC ? Avec la commande biphasée, une séquence spécifique de thyristors se déclenche lorsque le

courant dans l’une des phases commandées aura un effet sur le courant de l’autre phase

commandée. Lorsque cela se produit, le point naturel de mise hors tension lors du passage au

zéro est expulsé. Ceci est illustré dans la Figure 10 par la flèche orange. Les demi-périodes a et b

ne sont désormais plus égales comme elles le seraient avec une onde sinusoïdale normale.

Figure 10 : Décalage potentiel du passage au zéro pendant la rampe.

Phase L1 Phase L1

Dans cet exemple, le courant négatif sera actif plus longtemps que prévu. De ce fait, la phase

positive démarrera plus tard, mais elle s’arrêtera naturellement lors du passage au zéro.

Globalement, le courant sera davantage négatif que positif pendant une période complète, ce qui

signifie que le courant aura un décalage négatif par rapport au 0. Ce décalage est ce qui donne

lieu à la composante CC.

Dans un système normalement équilibré, l’onde sinusoïdale de la tension fluctue autour de

zéro, ce qui signifie que la valeur moyenne sera de zéro. D’autre part, dans un système avec une

composante CC, la tension a un décalage par rapport au zéro, ce qui signifie que la valeur

moyenne ne sera pas égale à zéro.

En mathématiques, on peut décrire ce phénomène de la manière suivante :

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𝑥𝑥(𝑡𝑡) = 𝐴𝐴 + 𝐵𝐵 × 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠(2𝜋𝜋 × 𝑓𝑓 × 𝑡𝑡)

où 𝐴𝐴 est le décalage CC, B est l’amplitude, 𝑓𝑓 est la fréquence, et 𝑡𝑡 est le temps. Si 𝐴𝐴 ≠ 0, alors il y

a une composante CC

Une composante CC par phase Le courant pendant un démarrage normal avec un démarreur progressif commandé en

biphasé sans compensation CC est représenté dans la partie supérieure de la Figure 11.

Dans cette situation, la composante CC 𝐴𝐴 de l’équation ci-dessus n’est pas égale à zéro. La

composante CC existe uniquement pendant un intervalle spécifique de la rampe, correspondant

à environ 40 à 60 % de la tension. On peut l’observer dans la figure ci-dessous, dans la zone

indiquée.

La partie inférieure de la même figure indique l’endroit où se trouvent les composantes CC

individuelles pour les trois phases dans l’intervalle de temps où elles existent.

Les lignes rouge et bleue représentent les phases commandées, tandis que la ligne verte

représente la phase non commandée. Les phases commandées auront un décalage CC positif,

tandis que la phase non commandée présentera un décalage négatif. Puisque la somme des

composantes CC parmi les phases totalise zéro, la phase non commandée aura environ deux fois

plus de composantes CC par comparaison aux phases commandées.

Figure 11 : Visualisation de la composante CC, et son lien avec les courants des phases individuelles.

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Time [s] Temps (s)

DC-component Composante-CC

L’impact de la composante CC sur le moteur et l’application La définition ainsi que l’origine de la composante CC sont désormais claires. Les prochaines

questions porteront sur les impacts.

Un couple négatif indésirable apparaît à cause de la composante CC. Cela pourra provoquer

des oscillations de couple, un bruit désagréable et un réchauffement inutile du moteur. Dans de

rares cas, l’accélération du moteur à plein régime peut également poser problème en raison d’un

courant accru.

Même si le réchauffement du moteur est très limité avec un démarreur progressif biphasé par

comparaison au triphasé, il est toujours utile d’éliminer la composante CC pour assurer la même

performance pour les deux. Alors comment l’éliminer et quel est le résultat ?

ABB élimine la composante CC grâce à un algorithme Les démarreurs progressifs commandés en biphasé d’ABB sont dotés d’un algorithme de

compensation CC qui permet d’éliminer efficacement la composante CC pendant l’accélération.

De plus, le profil de couple et le courant de démarrage sont aussi homogènes que lors du

démarrage avec un démarreur progressif à commande triphasée.

L’algorithme est breveté et repose sur le réglage de la commande pour compenser les écarts

des passages au zéro. Comme la durée du demi-cycle est connue, et que le démarreur progressif

connaît le délai écoulé depuis le dernier passage au zéro, l’écart peut être déterminé, et donc,

compensé.

Les Figure 12 et Figure 13 ci-dessous représentent les courants avec la compensation CC (à

gauche) et sans la compensation CC (à droite). La figure de gauche montre comment le décalage

du courant CC fait monter le courant à partir de zéro. Dans la figure de droite, il apparaît

clairement que l’algorithme de compensation CC élimine le décalage et que le courant a

exactement la même forme que le courant d’un démarreur progressif à commande triphasée.

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Figure 12 : Composante CC issue d’un démarreur progressif commandé en biphasé sans l’algorithme de compensation.

Time [s] Temps (s)

Figure 13 : Démarreur progressif commandé en biphasé avec l’algorithme de compensation.

En résumé, il existe un déséquilibre de courant, mais son impact sur le rendement du moteur

et la performance de démarrage est négligeable. La composante CC qui en résulte est

efficacement éliminée par l’algorithme d’ABB, ce qui permet un démarrage parfaitement

équilibré. Par conséquent, la différence entre les commandes biphasée et triphaséeréside dans

le déséquilibre de courant qui se produit pendant la rampe. Mais qu’en est-il des autres

indicateurs de performance ?

16


5 Performance

Qu’est-ce que la performance ? Mis à part les courants et la composante CC, quel est l’effet de la solution à démarreur

progressif sur le moteur et l’application ? Dans le chapitre 2, nous avons évoqué les inconvénients

d’un démarrage direct. Revenons à l’exemple de la bande transporteuse : une accélération trop

élevée du moteur peut potentiellement exercer une tension excessive, entraînant le glissement

ou la rupture de la bande. Ce type d’usure liée à une accélération brutale du moteur peut avoir un

impact négatif sur de nombreux types d’applications. C’est pourquoi l’un des meilleurs

indicateurs de la performance de démarrage d’un moteur est la vitesse de rotation du moteur

(tr/min).

Les démarreurs progressifs d’ABB présentent deux grands types de rampes de démarrage : La

rampe de tension et le contrôle du couple. La rampe de tension est une augmentation linéaire de

la tension à partir d’une tension de démarrage (généralement 30 %) jusqu’à 100 %, où le profil de

vitesse du moteur est généralement semblable à un quadrique, mais change en fonction des

différents types de charges.

D’autre part, le contrôle du couple augmente le couple linéairement, ce qui signifie que la

tension et le courant seront irréguliers pendant la rampe. Dans la plupart des cas, la vitesse du

moteur au démarrage sera également plus linéaire que la rampe de tension (qui dépend

également de la charge).

Les deux chapitres suivants comparent la rampe de tension et de couple entre les démarreurs

à commande biphasée et triphasée.

Rampe de tension Dans la Figure 14 ci-dessous ci-dessous, les courbes vitesse-temps sont représentées pour les

démarreurs progressifs à commande triphasée et biphasée, où le temps de rampe est réglé à 5

secondes, avec une tension initiale de 30 % et une charge relativement légère.

Au début de la rampe, la performance des deux types de démarreurs progressifs est

indifférenciée. Dans ce cas, lorsque le moteur atteint les 700 tr/min environ, les algorithmes de

commande pour le démarreur biphasé et triphasé agissent différemment. Après 2 secondes

d’accélération, la rampe du démarreur progressif biphasé dure environ 0,5 seconde de plus que

la rampe du démarreur progressif triphasé. Les courbes sont régulières et toutes deux

représentent un démarrage parfait.

Tout démarrage ayant un profil de vitesse similaire qui serait achevé en 3 à 6 secondes pour

cette charge serait considéré comme un très bon démarrage. Compte tenu du moteur et de

l’application, la meilleure rampe ne peut pas être déterminée sur simple lecture d’un graphique ;

17


le seul moyen est d’ajuster les paramètres des démarreurs progressifs pour répondre aux

exigences de performances des applications.

Figure 14 : Vitesse de rotation dans le temps avec la rampe de tension avec une charge légère pour les démarreurs progressifs à commande biphasée et triphasée avec différents temps d’accélération. Les deux rampes sont aussi bonnes l’une que l’autre, et l’application présenterait un comportement tout à fait similaire.

Rotational speed [RPM] Vitesse de rotation (tr/min)

3-phase control (f) Commande triphasée (f)

2-phase control (f) Commande biphasée (f)

Time [s] Temps (s)

Si l’on étudie de manière plus approfondie les deux rampes entre 2 et 4 secondes, il apparaît

que le résultat dans l’application serait indissociable si un démarreur progressif biphasé ou

triphasé était utilisé.

Pour comparer les parties des courbes de vitesse comprises entre 800 et 2 800 tr/min, le

démarreur biphasé a été décalé dans le temps de 0,5 seconde pour correspondre au démarreur

triphasé, comme illustré dans la Figure 15 ci-dessous. La différence est minime, et il aurait été

impossible de faire la distinction entre les deux, en termes d’effet sur le moteur et l’application.

Les courbes ont presque exactement la même forme de 1 300 à 2 800 tours / minute

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Figure 15 : Graphique du décalage temporel pour la comparaison des rampes entre 700 et 2 800 tr/min.


3-phase control (f) Commande triphasée (f)

2-phase control (f) Commande biphasée (f)

Time [s] Temps (s)

Ensemble, lorsqu’on utilise une rampe de tension régulière, la performance d’un démarreur

progressif à commande biphasée avec compensation CC est identique à celle d’un démarreur

progressif à commande triphasée. Il existe une différence au niveau du temps de rampe lorsque

l’on compare les deux, mais compte tenu des similitudes dans la forme de la rampe, la différence

temporelle peut facilement être éliminée avec une réduction de 0,5 seconde du délai.

Pour placer la comparaison dans un contexte plus large, la courbe du démarreur DOL a été

ajoutée à la courbe vitesse-temps.

Le temps d’accélération du démarreur DOL est quatre fois plus rapide, mais cela signifie

également qu’une force largement supérieure est exercée sur l’application. Comme indiqué dans

la Figure 16 ci-dessous, le démarrage DOL se termine au bout d’une seconde, ce qui doit être

comparé aux démarrages du démarreur progressif qui se terminent au bout de 4 secondes

environ.

Plus remarquable encore, est que l’accélération maximale est environ deux fois plus élevée

qu’avec toutes les autres technologies à démarreur progressif. Le démarreur DOL est à son plus

haut niveau à 4 500 tr/min environ, tandis que les démarreurs progressifs ont une valeur

maximale juste au-dessus de 2 000 tr/min. Cela est visible dans la Figure 17 où les accélérations

(tr/min) sont représentées pour les trois rampes.

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Figure 16 : Comparaison de la vitesse entre le démarreur DOL et les deux technologies du démarreur progressif avec la rampe de tension. Le démarrage DOL est terminé

Figure 17 : Comparaison de l’accélération entre le démarrage DOL et les deux technologies de démarreur progressif avec la rampe de tension.

Rotational speed [RPM] Vitesse de rotation

(tr/min)

Acceleration [RPM/s] Accélération

(tr/min)

Time [s] Temps (s)

3-phase Triphasé

2-phase Biphasé

DOL Démarreur DOL

DOL Acc Acc du démarreur

DOL

Contrôle du couple Contrairement à la rampe de tension, le contrôle du couple est conçu pour générer un couple

linéaire pendant la rampe et, en fonction de la charge, ce couple linéaire peut à son tour générer

une augmentation de la vitesse linéaire. Avec une vitesse linéaire, l’accélération est généralement

maintenue à un niveau largement inférieur, ce qui permet d’obtenir une rampe de démarrage plus

lisse et plus longue. Une rampe prolongée est souvent bénéfique pour l’application. En ce qui

concerne les équipements mécaniques, une accélération plus faible est le principal facteur d’une

meilleure durée de vie.

La figure Figure 18 compare la rampe de contrôle du couple pour des démarreurs progressifs

commandés en biphasé et en triphasé. La comparaison utilise le même moteur et la même charge

que pour la rampe de tension.

Les deux rampes sont parfaites. Quel que soit le type de démarreur progressif, la vitesse

augmente de manière équitable, lisse, avec une accélération quasiment linéaire. La différence

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dans le temps d’accélération entre les démarreurs progressifs est d’environ 3 secondes. Cela

s’explique par les algorithmes de contrôle, qui sont optimisés pour contrôler un couple linéaire

plutôt qu’un temps de rampe exact. La même logique s’applique à tout démarreur progressif,

quel que soit le type de commande utilisé.

Il est essentiel de préciser qu’à partir du graphique, il est impossible de déterminer lequel des

deux présente la meilleure rampe. Du point de vue de la performance, ils sont aussi bons l’un que

l’autre. C’est l’application qui donne les informations nécessaires pour régler les paramètres du

moteur et de l’application.

Figure 18: Vitesse de rotation dans le temps avec la rampe de couple avec une charge légère pour les démarreurs progressifs à commande biphasée et triphasée avec différents temps d’accélération. Les deux rampes sont aussi bonnes l’une que l’autre, mais l’accélération se termine à des moments différents.


2-phase Biphasé

3-phase Triphasé

Time [s] Temps (s)

Chaque application est différente et pèse lourdement sur le temps d’accélération. Ainsi, la

procédure normale consiste à ajuster le temps de rampe pour régler les paramètres du démarreur

progressif en fonction de l’application. Dans la figure Figure 19 ci-dessous, le temps de rampe du

couple pour un démarreur progressif à commande triphasée est réduit à 3 secondes. Cela donne

une comparaison simple et précise entre les deux rampes et permet de vérifier que les

performances sont égales.

21


Figure 19 : Vitesse de rotation dans le temps avec la rampe de couple avec une charge légère pour les démarreurs progressifs à commande biphasée et triphasée avec les mêmes temps d’accélération. Les rampes sont aussi bonnes l’une que l’autre : le profil de la forme et le temps d’accélération correspondent.


2-phase Biphasé

3-phase Triphasé

Time [s] Temps (s)

La Figure 20 ci-dessous représente les accélérations pendant les démarrages de la Figure 18

ci-dessus. Compte tenu de la haute précision des mesures et de l’échelle de la figure, les

accélérations ci-dessous peuvent être interprétées, au premier regard, comme étant volatiles,

mais en les comparant à la rampe de tension, il apparaît clairement que l’accélération de pointe

du contrôle de couple ne représente qu’un tiers de la rampe de tension : 2 100 tr/min contre 700

tr/min

La comparaison est encore plus remarquable lorsqu’elle est appliquée entre l’accélération d’un

démarrage DOL dans la figure ci-dessus, et un démarreur progressif à commande biphasée. Le

démarrage DOL atteint environ 4 500 tr/min et le contrôle de couple démarre à 650 tr/min, la

différence est donc de sept fois.

Enfin, il convient de commenter les similitudes entre les plages d’accélération et les valeurs

moyennes des deux courbes de la figure ci-dessous. Les profils diffèrent en raison d’un temps de

rampe différent, mais les plages ainsi que la moyenne sont proches les unes des autres et

indiquent l’absence de différence notable entre les commandes biphasées ou triphasées.

22


Figure 20 : Comparaison de l’accélération entre les démarreurs progressifs en biphasé et triphasé avec contrôle du couple pour les courbes vitesse-temps de la Figure Figure 18 ci-dessus Les deux accélérations sont largement inférieures aux valeurs évoquées précédemment. Le profil diffère mais les plages d’accélération et les valeurs moyennes sont proches.

Acceleration [RPM/s] Vitesse de rotation (tr/min)

2-phase Biphasé

3-phase Triphasé

Time [s] Temps (s)

23


6 Fiabilité et sécurité Lorsqu’il s’agit de la fiabilité et de la sécurité du produit dans la comparaison entre les

démarreurs progressifs biphasés et triphasés, il convient de prendre en compte deux aspects

d’importance : le fonctionnement monophasé du moteur et la capacité d’isolation. Hormis ces

sujets, en raison des similitudes des produits, il n’existe aucune différence significative dans la

conception des types de démarreurs progressifs qui pourrait affecter d’autres domaines et

constituer une préoccupation majeure.

Impact des problèmes de thyristor ou de dérivation sur les démarreurs progressifs à commande biphasée ou triphasée

Topologie du circuit principal du démarreur progressif Lorsqu’il s’agit de la fiabilité d’un produit, et de l’impact d’une éventuelle défaillance, il

convient d’analyser les démarreurs progressifs biphasés et triphasés. Les thyristors et la

dérivation sont les composants qui contrôlent l’alimentation principale d’un démarreur

progressif. Ce sont également les éléments les plus importants en matière de fiabilité du produit.

Étudier les schémas internes des démarreurs progressifs à commande biphasée et triphasée

permet d’appréhender plus facilement les défaillances éventuelles. Dans la Figure 21, les

différences internes entre ces produits sont facilement identifiables.

Figure 21 : Comparaison de la topologie du circuit principal d’un démarreur progressif biphasé et triphasé. À gauche, les deux phases peuvent être commandées par les thyristors et la dérivation, où la troisième phase est directement reliée au moteur. À droite, toutes les phases peuvent être commandées par des thyristors et une dérivation.

24


2-phase controlled softstarter Démarreur progressif à commande biphasée

3-phase controlled softstarter Démarreur progressif à commande triphasée

Bypass Dérivation

Motor Moteur

La topologie fournit également de précieuses informations sur les sources potentielles de

défaillances. Le démarreur progressif à commande biphasée comporte 6 composants

susceptibles de connaître une défaillance, soit 4 thyristors et 2 contacts de dérivation. Le

démarreur progressif à commande triphasée comporte quant à lui 9 points de défaillance

potentiels. En cas de défaillance du démarreur progressif biphasé, il suffit qu’un seul des six

composants présente une défaillance car il existe toujours une voie de retour pour le courant via

la phase directement reliée au moteur. D’autre part, le fonctionnement monophasé du moteur

avec un démarreur progressif à commande triphasée nécessite que deux des neuf composants

soient en court-circuit.

En résumé, le risque de fonctionnement monophasé du moteur est supérieur avec le

démarreur progressif à commande biphasée, mais comme le démarreur progressif à commande

triphasée présente 50 % de points de défaillance potentiels en plus, la disparité du risque est

inférieure aux attentes. Mais que se passe-t-il en cas de court-circuit d’un thyristor ou d’une

dérivation ? Comment le système réagira-t-il et quelles seront les conséquences ?

Thyristor ou dérivation en court-circuit La mise en court-circuit de thyristors ou de la dérivation signifie que la pleine puissance est

envoyée au moteur sans possibilité de l’arrêter, à moins d’avoir un dispositif externe, comme un

disjoncteur.

Un thyristor peut se mettre en court-circuit pour diverses raisons, mais les plus courantes sont

la surchauffe ou un courant trop élevé, notamment en cas de court-circuit du système. Un courant

ou une tension élevé(e), l’usure normale et une faible tension d’alimentation sont autant de

raisons qui peuvent entraîner la fonte d’une dérivation. Quelle qu’en soit la raison, pour la plupart

des démarreurs progressifs, un thyristor ou une dérivation en court-circuit entraîne l’arrêt de la

production.

Les processus détaillés en cas de court-circuit d’un thyristor à l’arrêt, pendant la rampe ou à

plein régime sont décrits ci-dessous pour un démarreur progressif à commande biphasée et

triphasée. Le thyristor en court-circuit peut également être un contacteur de dérivation en court-

circuit ; la même logique s’applique.

25


À l’arrêt ou pendant l’accélération

* Disjoncteur à déclencheur de dérivation, contacteur de ligne, démarreur manuel du moteur ou autres dispositifs de sectionnement pour ouvrir le circuit et couper l’alimentation. Le temps dépend du dispositif de sectionnement et de la conception globale du système.

À plein régime :

* La tension sur le thyristor à plein régime étant de zéro, le démarreur progressif ne peut pas détecter un thyristor en court-circuit à plein régime. La détection aura lieu après le signal d’arrêt ou au prochain démarrage.

En supposant que l’armoire électrique soit conçue conformément aux normes de sécurité

appropriées, les deux processus susmentionnés ont un impact identique sur les défaillances

décrites, qu’il s’agisse d’un démarreur progressif à commande biphasée ou triphasée. Quel que

soit le nombre de thyristors, un thyristor en court-circuit produit toujours le même résultat :

d’abord un déclenchement, suivi par l’arrêt du fonctionnement grâce au dispositif de

sectionnement.

Il y a donc lieu de conclure à l’absence de différences entre le démarreur progressif à

commande biphasée et le démarreur progressif à commande triphasée en cas de court-circuit au

niveau d’un thyristor ou d’une dérivation.

En biphasé :

0 ms :

Le thyristor est en court-

circuit

0 ms :

Court-circuit de l’un des

enroulements du moteur

100 ms :

Le démarreur progressif

est déclenché

< 5 ms :

Disjoncteur à déclencheur

de dérivation*

Triphasé

0 ms :


circuit

0 ms : Il ne se passe rien

100 ms :

Le démarreur progressif est

déclenché

< 5 ms :

Disjoncteur à déclencheur

de dérivation*

En biphasé :

0 ms :


circuit

0 ms :

Le moteur continue de

tourner

~ minutes :

Le démarreur progressif s’arrête*

100 ms :


est déclenché

< 5 ms :

Disjoncteur à

déclencheur de

dérivation*

En triphasé :

0 ms :


circuit

0 ms :

Le moteur continue de

tourner

~ minutes :

Le démarreur progressif s’arrête*

100 ms :


est déclenché

< 5 ms :

Disjoncteur à

déclencheur de

dérivation*

26


Aspects liés à la sécurité

Isolation électrique – définition et exigences du produit Une question récurrente au sujet de la commande du moteur est de savoir si le dispositif est

classé ou non comme un sectionneur d’isolement. En règle générale, on distingue deux types

d’isolation : l’isolation de blocage électrique pour le moteur, et l’interrupteur d’isolation associé

aux interventions de service ou d’autres mesures de sécurité.

Blocage électrique

Le premier, le blocage électrique du moteur, signifie que le moteur ne peut pas fonctionner en

mode veille. Là encore, la Figure 18 ci-dessus représente la topologie du circuit d’alimentation du

démarreur progressif et, comme indiqué précédemment, les thyristors des phases commandées

se trouvent à l’état bloqué en mode veille. Pour un démarreur progressif en triphasé, il n’existe

aucune voie de courant fermée à travers les enroulements. En conséquence, la phase non

commandée dans le démarreur progressif en biphasé est uniquement conductrice pendant

l’accélération.

Ainsi, il n’y a aucune différence entre les démarreurs progressifs biphasés et triphasés quant

à la manière dont ils bloquent le courant en veille. Toutefois, les thyristors étant des

commutateurs à semi-conducteurs, ni le démarreur progressif biphasé, ni le démarreur

progressif triphasé ne peuvent pleinement isoler électriquement l’équipement en aval.

Sectionneur d’isolement

Un sectionneur d’isolement est utilisé pour isoler le circuit en aval de l’alimentation électrique.

Avant toute intervention de service sur l’équipement en aval d’un isolateur, des mesures de

sécurité appropriées doivent être prises, y compris l’ouverture du sectionneur. Une telle

intervention peut par exemple consister à remplacer un contacteur endommagé ou à réparer le

moteur.

La principale raison d’isoler le circuit électrique de l’alimentation est pour protéger la personne

qui effectue l’intervention de service. Cela signifie que les exigences qui définissent ce qu’est un

sectionneur d’isolement sont strictement définies. Selon la norme CEI/UL60947-1 (et les normes

et sous-normes connexes et pertinentes), un produit certifié doit pouvoir, lorsqu’il est en position

« Ouvert », être capable d’isoler à une tension de tenue nominale définie et d’assurer que les

contacts du circuit principal de l’appareillage électrique resteront en position ouverte.

Cela signifie que l’isolation de borne à borne (phase à phase) et de l’entrée (côté ligne) à la

sortie (côté charge) doit être garantie à la tension de tenue définie des produits. À cet effet, le

dispositif d’isolation doit, entre autres exigences, comporter un espace suffisant entre les

contacts ou les bornes pour empêcher l’ionisation de l’air dans cet espace. En général, plus la

distance est grande, meilleur sera l’isolement.

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Un dispositif de commande de moteur n’est pas un isolateur La plupart des dispositifs de commande de moteur ne sont ni classés ni certifiés en tant

qu’isolateurs. Pour réaliser la fonctionnalité d’isolateur, un disjoncteur doté d’une fonction

d’isolation, un interrupteur ou un sectionneur à fusibles certifié conformément aux normes

applicables pourra être utilisé, par exemple.

Maintenant, prenons le cas des démarreurs progressifs qui possèdent deux types de

dispositifs pour commander le circuit principal : les thyristors et la dérivation. La dérivation (des

relais ou un contacteur) et les thyristors sont des composants qui commandent l’alimentation

principale, mais ni l’un ni l’autre ne sont classés en tant qu’isolateurs. Par conséquent, dans

l’ensemble, le démarreur progressif n’est pas un isolateur, ce qui signifie que toute intervention

de service côté charge n’est autorisée que si un isolateur est débranché et mis en position

ouverte, et que toutes les autres mesures de sécurité appropriées sont prises en compte.

Différence entre un démarreur progressif à commande biphasée et triphasée en termes d’isolation

La question de la différence d’isolation entre les démarreurs progressifs biphasés et triphasés

reste posée. Cependant, comme le démarreur progressif n’est pas un dispositif d’isolation, la

réponse est plutôt simple : il n’y a pas de différence. Il est vrai qu’une phase est directement reliée

au moteur avec un démarreur progressif à commande biphasée, comme indiqué dans la Figure

21 ci-dessus, mais étant donné qu’aucune intervention de service ou contact humain ne doit avoir

lieu sur le côté charge d’un démarreur progressif en l’absence d’isolation appropriée, il n’existe

aucune différence entre les deux types de démarreurs progressifs en ce qui concerne la capacité

d’isolation.

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7 Autres comparaisons et limites Dans ce chapitre, d’autres points positifs et limitations sont abordés.

Autres comparaisons et commentaires • Moins de composants, pour moins de défaillances : En règle générale, moins il y a de

composants dans un produit, plus le risque de défaillance est faible. Le dispositif

triphasé présentant environ 50 % de composants en plus, le risque de défaillance d’un

dispositif biphasé est considérablement réduit.

• Un tiers d’harmoniques en moins au démarrage : Pendant l’accélération, les thyristors

sont actifs et génèrent des harmoniques. Même si les harmoniques générés par un

démarreur progressif constituent rarement un problème, il est toujours important de

préciser qu’un démarreur progressif biphasé en génère un tiers de moins qu’un

démarreur progressif triphasé puisqu’il contient deux thyristors au lieu de trois.

• Moins de courant dans les phases commandées : Comme mentionné dans le chapitre

3, le courant est inférieur dans les deux phases commandées d’un démarreur

progressif biphasé que dans la version triphasée. Cela signifie que les thyristors seront

exposés à un courant moindre, synonyme d’une détérioration moindre et d’une durée

de vie plus longue.

• Moins de composants, pour une empreinte plus petite : Lorsque le nombre de

composants principaux représente le tiers du démarreur progressif triphasé,

l’empreinte du produit est fortement réduite. La taille d’un démarreur progressif à

commande biphasée est inférieure d’un tiers à celle de son homologue triphasé.

Limites • Dans le triangle : Un démarreur progressif branché dans le triangle implique que six

fils sont reliés au moteur, soit trois de chaque côté du démarreur progressif. Ce

branchement mettra les thyristors en série les uns avec les autres et avec les

enroulements du moteur, ainsi qu’avec les phases du circuit principal branchées entre

chaque paire de thyristors et d’enroulements (consulter la documentation distincte

sur le triangle intérieur pour en savoir plus). Un démarreur progressif à commande

biphasée introduirait un court-circuit direct et le moteur, une fois branché, serait

monophasé. Par conséquent, les démarreurs progressifs en biphasé ne peuvent pas

être utilisés avec une connexion à l’intérieur du triangle.

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8 Conclusions Dans ce document, des recherches et des explications ont été fournies pour illustrer et clarifier

les différences entre les démarreurs progressifs biphasés et triphasés. Bien qu’il existe certaines

différences dans les applications et les mécanismes de contrôle spécifiques, il a été démontré

que la plupart d’entre elles ne sont pas liées à la technologie du démarreur progressif, mais plutôt

aux différents algorithmes de commande de différents démarreurs progressifs. Par comparaison

à une méthode de démarrage traditionnelle DOL, les technologies biphasées et triphasées

présentent des améliorations comparables et toutes deux offrent des rendements mécaniques

et électriques similaires.

Nous pouvons conclure que les aspects essentiels de ces solutions, à savoir, la performance,

la fiabilité et la sécurité, ne présentent pas de différence significative entre les deux technologies

de démarreur progressif, et que dans la plupart des applications, le démarreur progressif à

commande biphasée peut être utilisé indifféremment avec un appareil à commande triphasée.

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