Moteurs électriques : démarrage et protection

Les moteurs électriques asynchrones triphasés représentent plus de 70 % de la consommation électrique industrielle mondiale. Leur dimensionnement et leur protection sont encadrés par la NF C 15-100 (§433 et §552) et les normes CEI 60034 (moteurs) et IEC 60947-4-1 (démarreurs). Un circuit moteur mal dimensionné entraîne des déclenchements intempestifs, une usure prématurée ou, pire, un incendie.

Le moteur asynchrone à cage d'écureuil

C'est le moteur le plus répandu dans l'industrie. Son principe : un champ tournant créé par le stator induit des courants dans le rotor (en court-circuit), qui produit à son tour un champ magnétique, générant le couple moteur. Ses avantages : robuste, peu coûteux, sans entretien mécanique (pas de bagues ni charbons). Son défaut principal : le courant d'appel au démarrage.

Le courant nominal et le courant de démarrage

Deux courants caractérisent un moteur :

Courant nominal (In)

In = Pn / (U × √3 × η × cosφ)   [triphasé, A]

Pn : puissance nominale sur l'arbre (W)
η : rendement (0,80 à 0,95 selon la taille)
cosφ : facteur de puissance (0,75 à 0,90)

Exemple : moteur 7,5 kW, 400 V, η = 0,90, cosφ = 0,85 → In = 7 500 / (400 × 1,732 × 0,90 × 0,85) = 14,2 A

Courant de démarrage direct (Id)

À l'instant de la mise sous tension, le moteur est à l'arrêt : il se comporte comme un transformateur en court-circuit. L'appel de courant est brutal :

Id = ka × In      avec ka = 5 à 8 selon le moteur

Pour notre moteur 7,5 kW : Id ≈ 6 × 14,2 = 85 A pendant 0,5 à 5 secondes.

Les modes de démarrage

1. Démarrage direct (DOL — Direct On Line)

Le moteur est mis directement sous tension. Simple mais brutal :

Courant d'appel : 5 à 8 × In
Couple de démarrage : 100 % (excellent)
Perturbations réseau : importantes
Limite Enedis : interdit sans accord au-delà de 5,5 kW sur réseau public BT
Usage : pompes de petite taille, ventilateurs, compresseurs jusqu'à 5,5 kW

2. Démarrage étoile-triangle (Y-Δ)

Le moteur démarre en étoile (tension de phase réduite à U/√3), puis bascule en triangle après 5 à 15 secondes :

Courant d'appel en Y : Id/3 ≈ 2 à 3 × In
Couple de démarrage en Y : réduit au tiers — inadapté aux démarrages en charge
Choc de commutation lors du passage Y→Δ (pointe de courant transitoire)
Condition : moteur avec 6 bornes accessibles (U1-V1-W1 / U2-V2-W2)
Usage : pompes centrifuges, ventilateurs, machines à faible résistance initiale

3. Démarreur progressif (soft starter)

Des thyristors contrôlent la tension montée progressivement. La rampe de montée en tension est réglable (0,5 à 30 secondes) :

Courant d'appel : 2 à 3,5 × In (selon réglage)
Couple progressif et réglable — bon pour les convoyeurs, compresseurs
Pas de choc mécanique
Fonctionnement court-circuit interne une fois lancé (pour éviter les pertes thyristors)
Usage : pompes, compresseurs, convoyeurs, machines sensibles aux à-coups

4. Variateur de fréquence (VFD / Onduleur de tension)

Le VFD convertit le courant alternatif en courant continu, puis le réinjecte avec une fréquence variable. C'est la solution la plus complète :

Courant de démarrage : ≤ In (aucun appel)
Contrôle de la vitesse en continu (0 à N tr/min)
Économies d'énergie considérables sur les charges à couple variable (pompes, ventilateurs) — loi de similitude : diviser la vitesse par 2 divise la puissance par 8
Protection intégrée (thermique, surintensité, surtension)
Protection différentielle type B obligatoire (courants continus lisses)
Usage universel — incontournable pour les installations nouvelles

Tableau comparatif des modes de démarrage

Mode	Courant d'appel	Couple démarrage	Coût relatif	Économies énergie
Direct (DOL)	5–8 × In	100 %	€	Non
Étoile-triangle	2–3 × In	33 %	€€	Non
Soft starter	2–3,5 × In	Réglable	€€€	Faibles
Variateur VFD	≤ In	Réglable 0–200 %	€€€€	30–60 %

Le schéma de puissance d'un circuit moteur

Un circuit moteur complet comprend, dans cet ordre depuis l'amont :

Sectionneur ou disjoncteur de tête : assure la séparation visible et la protection contre les courts-circuits
Contacteur (KM) : commutation fréquente, piloté par le circuit de commande (bobine)
Relais de protection thermique (F1) : protection contre les surcharges prolongées, réglé à 1,05 × In
Moteur (M)

En cas de variateur : le VFD remplace le contacteur + relais thermique et intègre la protection électronique.

Dimensionnement de la protection (NF C 15-100 §433)

Le disjoncteur ou le fusible de tête doit satisfaire simultanément :

In ≥ Ib (courant nominal moteur)
In ≤ Iz (courant admissible du câble)
PdC ≥ Icc max amont
Ne pas déclencher pendant le démarrage : utiliser une courbe D pour le démarrage direct, ou un disjoncteur moteur (GV2/GV3 Schneider, MS-T ABB…) avec réglage In

La section du câble doit satisfaire à la fois le courant admissible (Iz ≥ In) et la chute de tension (ΔU ≤ 5 % en régime permanent).

La puissance réactive des moteurs

Les moteurs asynchrones consomment de l'énergie réactive (cosφ typiquement 0,75 à 0,87 en charge, et seulement 0,30 à 0,50 à vide). En installation comportant de nombreux moteurs, la compensation d'énergie réactive par banc de condensateurs est souvent indispensable pour éviter les pénalités Enedis et réduire les pertes dans les câbles.