Le démarrage des pompes de moyenne à forte puissance nécessite un certain nombre de précautions : en particulier, lorsqu’il s’agit de démarrages asservis automatiques, on peut s’attendre à des problèmes autant électriques qu’hydrauliques. C’est ainsi que le démarrage direct d'un moteur est brutal et entraîne le risque d’endommager le rotor dans l’immédiat ; à terme c'est une quasi certitude. Ces dégâts sont causés par la création de couples excessifs et par les appels d'intensité exagérés quand le moteur monte à sa vitesse nominale trop rapidement. Dans certains cas, on peut même constater la rupture des arbres de transmission, des pattes de fixation, le claquage des fusibles d’alimentation, ou des détériorations électriques du moteur.
En général on n’atteint pas ces cas extrêmes car on prend les précautions nécessaires pour diminuer les contraintes par des modes de démarrages électro-mécaniques : étoile, triangle, résistances statoriques ou catalytiques, qui, tous, comportent malgré tout des couples transitoires violents ; les dégradations qui en résultent ne sont pas aussi évidentes, mais tout aussi ruineuses dans le temps. En effet, si les contraintes électriques et mécaniques produites pendant le démarrage ne sont pas assez importantes pour provoquer des dégâts visibles immédiatement, par contre, au cours du temps, elles endommagent les moteurs, les transmissions et tous les équipements qui y sont reliés, souvent en réduisant considérablement la durée de vie de l'ensemble. Un système fruste de démarrage et d'arrêt d'un moteur de pompe se révèle donc onéreux à terme : c'est une conclusion évidente...
Jusqu’à présent ces difficultés concernant les pompes, les clapets, les canalisations comme les fluctuations de la tension d'alimentation électrique et les coups de bélier dans les canalisations, étaient considérées comme inévitables bien qu’irritantes, et d'un coût de maintenance élevé. Dans le but de diminuer fortement ces problèmes, voire de les éliminer comme de limiter les risques, économiser l'énergie, réduire les coûts de maintenance et gagner en souplesse d’exploitation, de nouveaux systèmes électroniques de contrôle des moteurs ont été mis au point. Ils maîtrisent complètement la tension et l'intensité pendant le démarrage, la marche et l'arrêt des moteurs électriques en permettant une montée sans à-coups : il s’agit des démarreurs électroniques progressifs.
LES DÉMARREURS ÉLECTRONIQUES PROGRESSIFS
Leur principe de fonctionnement
Le principe du démarreur a été découvert et mis au point par la NASA (U.S.A.) dans le cadre du programme d’exploration de l'espace puis mis en application et éprouvé sur les moteurs électriques des engins spatiaux. Le principe du brevet est basé sur la corrélation existant entre le facteur de puissance d’un moteur et son efficacité. Il a été appliqué initialement aux moteurs monophasés utilisés dans les engins de l'espace ; un travail important fut nécessaire pour adapter son emploi aux moteurs triphasés.
Dans ses versions les plus évoluées, l'appareil est composé d'un contacteur et de « packs » de thyristors disposés tête-bêche, dirigés par un circuit électronique comportant trois parties principales :
- — un régulateur automatique de tension qui permet de maîtriser l'intensité,
- — un module destiné à la protection du moteur,
- — un système de contrôle de l’efficacité du moteur, permettant d’en améliorer le rendement s'il ne se trouve pas en permanence à pleine charge.
Le schéma de l'appareil est représenté sur la figure 2.
La maîtrise de l'intensité est obtenue par la régulation automatique de la tension sur les trois phases appliquées au moteur. L'intensité nécessaire à l'obtention du couple de décollage de l'ensemble moteur-machine est choisie et affichée (une fois pour toutes) par l'utilisateur à l'aide d'une micro-boîte à fiches située sur le circuit imprimé électronique. L'appareil maintient le niveau choisi en appliquant la tension adéquate, fonction de la résistance du rotor, à l'aide d’un système de boucles d’informations fermées.
Au fur et à mesure que le rotor prend de la vitesse, son impédance augmente ; pour maintenir la même intensité, le système va alors augmenter la tension automatiquement jusqu’à ce que la tension de ligne soit appliquée aux bornes du moteur.
Sa régulation est obtenue par l'utilisation de rectifieurs à semi-conducteurs (SCR) agissant comme des commutateurs de courant alternatif, laissant passer tout ou partie de chaque demi-sinusoïde de la courbe de tension.
appliquée au moteur. Le contrôle automatique de celle-ci s'effectue en faisant varier l'angle de conduction dans chaque cycle selon le principe de l'algorithme de régulation et de contrôle de l'efficacité breveté par F. J. Nola de la NASA.
Principe du démarrage
L’appareil applique graduellement la tension aux bornes du moteur jusqu'à ce que l'intensité choisie, compatible avec le couple de décollage de la pompe, soit atteinte. Le système la maintient à ce niveau pendant toute la période de démarrage par régulation aux bornes du moteur ; l'intensité choisie n'est donc jamais dépassée. On obtient ainsi un démarrage progressif et sans à-coups qui supprime les appels d'intensité brutaux et les chocs électriques, les couples transitaires violents et les chocs mécaniques.
Action pendant la marche
Dès que le démarrage est terminé, l'intensité redescend à sa valeur de marche. Le système va alors protéger automatiquement et électroniquement l'installation plus rapidement et de manière plus précise, plus fiable que les protections traditionnelles.
Principe de l'arrêt progressif
Lorsqu'on commandera l'arrêt, on pourra utiliser au choix, à chaque fois, un arrêt net ou une rampe de tension descendante ajustable. L'intensité ne dépassera jamais celle qui a été choisie pour le démarrage, en supprimant les pics d'intensité. Cette possibilité résout en très grande partie les problèmes dus aux coups de bélier entraînés par l'arrêt des pompes qui sont utilisées de façon intermittente.
Leurs avantages
Pour le moteur
La réduction, énorme, des chocs électriques et des chocs mécaniques pendant le démarrage allonge considérablement la durée de vie du moteur.
Pour les transmissions
L'accélération douce et sans à-coups protège les couples de transition, rendant la vie plus facile et plus longue aux courroies, chaînes, engrenages, réducteurs, couplages, surmultiplicateurs, etc. Il devient aussi possible de réguler des appareils qui se détériorent rapidement si on les fait démarrer trop souvent : c'est le cas par exemple des turbines d'aération de bassins d'épuration.
Pour la durée de vie de l'installation dans son ensemble
Le contrôle accru du démarrage et de l'arrêt des fluides en mouvement augmente la durée de vie des pompes, des canalisations, des vannes et des clapets. L'utilisation de ce système diminue donc très sérieusement le nombre et la fréquence des interventions du service de maintenance et d'entretien préventif, ainsi que du dépannage d'urgence. En outre, le fait d'avoir ces éléments en permanence en bon état évite les pertes d'eau et leurs conséquences dans les sols (affouillements), surtout s'il s'agit de liquides corrosifs.
Pour la tension d'alimentation
Puisqu'il n'y a plus d'appels d'intensité brutaux et que l'on réduit au minimum l'intensité de démarrage, les à-coups sur la tension d'alimentation sont éliminés ou très fortement diminués.
Pour l'arrêt des pompes
On peut choisir à chaque fois le mode d'arrêt que l'on désire (instantané ou en douceur). En choisissant l'arrêt progressif par rampe de tension descendante, on diminue énormément la fatigue de l'installation dans son ensemble.
Pour la souplesse de fonctionnement
En réduisant considérablement les dégradations électriques, mécaniques et hydrauliques de l'ensemble, les démarreurs progressifs permettent d'augmenter fortement le nombre de démarrages et d'arrêts et même de mettre en place des régulations « à la demande ». Elles permettent d'éviter les surconsommations entraînées par l'obligation de prolonger les durées de fonctionnement causées soit par l'impossibilité de démarrer trop fréquemment (limite de capacité du nombre de mise en route dans l'heure, prévention des chocs électriques, thermiques, électrolytiques, mécaniques), soit par l'impossibilité de s'arrêter trop souvent (en raison des chocs hydrauliques).
Pour la protection du moteur et de la pompe
En utilisant les informations qu'ils gèrent et maîtrisent en « boucles fermées », ces démarreurs progressifs apportent des protections élevées contre les phénomènes ci-après :
- — pertes de phase,
- — surintensités au démarrage et en marche,
- — blocages de machines,
- — temps de démarrage trop long,
- — trop grand échauffement du démarreur,
- — changement de rotation du champ tournant.
Ils assurent également une protection par thermistor contre les chocs thermiques. De plus, le démarrage et l'arrêt électroniques permettent les mises en route et les arrêts sans fatigue électrique du contacteur.
Ces avantages et ces protections ont permis de protéger les pompes, ont résolu des problèmes difficiles et réduit les coûts d’exploitation de nombreux utilisateurs en Australie et en Grande-Bretagne depuis de nombreuses années.
Nous citerons deux exemples caractéristiques.
Premier exemple : marche d’une pompe en « tout ou rien » dans un échangeur de température (industrie du verre)
Le problème posé était de faire démarrer une pompe de 110 kW soumise à des arrêts et à des démarrages répétés. La solution choisie au départ avait été d’opérer les démarrages à l'aide d'une résistance statorique primaire permettant de redémarrer vingt fois dans l’heure si nécessaire. La durée de fonctionnement moyenne était de l'ordre de trois minutes. Les couples transitoires inhérents au démarrage ayant réduit la durée de vie du rotor à dix mois, on faisait fonctionner la pompe pendant au minimum sept minutes, ce qui diminuait la fréquence des interventions sur le rotor mais augmentait fortement la consommation électrique et occasionnait des pertes d'eau.
Le problème a été résolu par l’installation d'un démarreur électronique progressif du type Aucotronic EMS 45E (un des produits de la gamme existante) qui élimine les couples transitoires (comme le mettent en valeur les graphiques des figures 3 et 4). La pompe est aujourd’hui utilisée « à la demande » dans les conditions prévues, sans maintenance particulière du moteur ni des contacteurs, et la surconsommation a été stoppée.
Les résultats de cette mise en service sont illustrés par les graphiques des figures 5 et 6. Lors de l'arrêt des pompes, le coup de bélier principal est ramené de 15 bars à 5 bars environ, ce qui est très en dessous de la limite élastique du système général (8,5 bars). Les dégradations sont stoppées, la pollution a disparu et les coûts de maintenance et d'intervention d'urgence sont réduits au minimum.
Deuxième exemple
Il fallait faire face à la détérioration rapide des canalisations d’évacuation de déchets, entraînant un coût de maintenance élevé et une pollution importante de l'environnement.
Il s'agissait d'une pompe centrifuge entraînée par un moteur de 20 kW à démarrage étoile-triangle, les caractéristiques de l'installation étant les suivantes : débit, 199 l/mn ; hauteur d’eau, 30 m ; diamètre de la canalisation, 150 mm ; matière, PVC surchloré ; longueur de la canalisation, 1700 m ; lieu, Arford (G.-B.) (Thames Water Authority).
La solution adoptée a été la mise en place d’un démarreur électrique progressif dont on a utilisé l'arrêt en douceur.
Les deux exemples évoqués ne sont qu'une illustration partielle et incomplète des possibilités des démarreurs en cause dont la gamme est très étendue (220 V - 380 V - 550 V - 0 à 1000 kW).
Les différents modèles existant dans les deux familles de produits, de fonctions standards et de fonctions optionnelles permettent de trouver des solutions correspondant aux difficultés à résoudre, même dans les cas les plus difficiles, tout en permettant d’améliorer les performances des installations.
