Démarrage étoile-triangle d’un moteur : principe, câblage et dimensionnement

Le démarrage étoile-triangle est une méthode électromécanique couramment utilisée pour limiter le courant d’appel d’un moteur asynchrone triphasé. Son principe consiste à démarrer le moteur en couplage étoile, avec une tension réduite sur chaque enroulement, puis à commuter automatiquement vers le couplage triangle lorsque le moteur a atteint une vitesse suffisante.

Cette technique reste intéressante dans de nombreuses installations industrielles : pompes, ventilateurs, compresseurs centrifuges, machines-outils ou machines à bois. Elle nécessite toutefois de sélectionner correctement le moteur, les contacteurs, la protection thermique et la temporisation.

Dans un moteur triphasé, les trois enroulements statoriques peuvent être raccordés en étoile (Y) ou en triangle (Δ). En couplage étoile, chaque enroulement reçoit une tension égale à la tension entre phases divisée par √3.

Sur un réseau triphasé 400 V :

Uenroulement = 400 / √3 ≈ 230 V

Lors du démarrage, cette réduction de tension entraîne une diminution importante du courant absorbé. Lorsque le moteur est suffisamment lancé, les contacteurs commandent le passage en triangle et chaque enroulement retrouve alors sa tension nominale.

Le guide ABB consacré aux modes de démarrage indique que le démarrage étoile-triangle réduit fortement le courant par rapport au démarrage direct, mais qu’il réduit également le couple disponible. Le dimensionnement doit donc tenir compte du couple résistant de la machine entraînée.

C’est l’un des points les plus importants avant de réaliser un couplage étoile triangle moteur.

Pour un réseau 400 V, le moteur doit être conçu pour fonctionner en triangle sous 400 V. Un moteur portant l’indication 400/690 V Δ/Y convient donc au démarrage étoile-triangle sur un réseau 400 V.

À l’inverse, un moteur 230/400 V Δ/Y est normalement destiné à fonctionner en étoile sur un réseau 400 V. Il ne doit donc pas être démarré en étoile puis passé en triangle sous 400 V, car ses enroulements recevraient alors une tension excessive.

Le moteur doit également disposer de six bornes accessibles, permettant de commander séparément les trois enroulements. Schneider Electric rappelle que le choix du couplage dépend directement de la tension réseau et de la tension nominale des enroulements.

Un démarreur étoile-triangle traditionnel comporte trois contacteurs :

• KM1 : contacteur de ligne ;
• KM2 : contacteur étoile ;
• KM3 : contacteur triangle.

Au démarrage, KM1 et KM2 sont activés. Les enroulements du moteur sont alors raccordés en étoile.

Après une temporisation déterminée en fonction du temps d’accélération, KM2 s’ouvre. Une courte temporisation de sécurité permet ensuite la fermeture de KM3. Le moteur fonctionne alors en triangle.

Le verrouillage entre les contacteurs étoile et triangle est essentiel : leur fermeture simultanée créerait une situation de court-circuit. Ce verrouillage peut être réalisé électriquement et mécaniquement. Schneider Electric recommande notamment de garantir une véritable coupure entre les deux configurations avant la commutation.

L’intérêt principal du démarrage étoile-triangle est de réduire le courant absorbé au démarrage. Dans le cas théorique classique, le courant de ligne au démarrage en étoile est environ égal au tiers de celui obtenu lors d’un démarrage direct en triangle.

Mais cette réduction du courant s’accompagne d’une réduction importante du couple.

On peut retenir, en première approximation :

Couple de démarrage étoile ≈ 1/3 du couple de démarrage direct

Cette caractéristique explique pourquoi cette méthode n’est pas adaptée à toutes les machines.

Si la charge nécessite déjà un couple important à vitesse nulle, le moteur risque de ne pas accélérer suffisamment avant la commutation. ABB recommande notamment de vérifier que le couple moteur disponible pendant la phase étoile reste supérieur au couple résistant de la machine.

Les applications présentant un démarrage relativement léger sont donc les plus favorables : ventilateurs, certaines pompes centrifuges, compresseurs centrifuges et machines démarrant à vide.

La durée de fonctionnement en étoile ne doit pas être choisie arbitrairement. Elle dépend notamment de la puissance du moteur, de son inertie, du couple résistant et de la charge entraînée.

Une commutation trop précoce peut provoquer une importante pointe de courant et des contraintes mécaniques. ABB indique qu’une vitesse d’environ 80 % de la vitesse nominale constitue une référence pour limiter les perturbations lors de la commutation dans les configurations classiques.

La temporisation doit donc idéalement être déterminée à partir de mesures ou des caractéristiques de l’application.

Le choix des composants constitue une étape essentielle du couplage triangle étoile.

Un ensemble complet comprend généralement :

• un disjoncteur ou des fusibles pour la protection contre les courts-circuits ;
• trois contacteurs ;
• un relais thermique ;
• un temporisateur ;
• les accessoires de verrouillage et de câblage.

Le choix des contacteurs doit notamment tenir compte de leur catégorie d’emploi, généralement AC-3 pour les moteurs asynchrones à cage.

Le relais thermique nécessite également une attention particulière. Son calibre et son réglage dépendent de son emplacement dans le circuit et du type de coordination recherché. Schneider Electric indique, par exemple, qu’en coordination de type 1 avec relais placé dans le circuit triangle, le réglage peut être effectué à 0,58 × In moteur, tandis qu’une configuration de type 2 avec relais placé sous le contacteur de ligne conduit à un réglage à In moteur. Ces valeurs ne doivent toutefois pas être généralisées indépendamment du schéma et de l’association de composants retenus.

Pour cette raison, il est préférable de s’appuyer sur les tableaux d’association du fabricant plutôt que de dimensionner séparément chaque appareil.

Le démarreur étoile-triangle présente l’avantage d’être relativement simple, robuste et économique. En revanche, la commutation entre les deux couplages peut générer des transitoires de courant et de couple.

Un démarreur progressif permet au contraire de contrôler progressivement la tension appliquée au moteur et donc de rendre l’accélération plus progressive. Un variateur de fréquence apporte encore davantage de possibilités, notamment le contrôle de la vitesse et du couple.

Le choix dépend donc de l’application : pour une machine simple avec un faible couple au démarrage, l’étoile-triangle reste une solution pertinente ; lorsque l’accélération doit être particulièrement douce ou que le couple doit être contrôlé, un démarreur progressif ou un variateur peut être préférable.

Le démarrage étoile-triangle permet de réduire le courant de démarrage d’un moteur asynchrone en commençant par un couplage étoile avant de passer au triangle.

Pour réussir une installation, il faut notamment vérifier :

1. la compatibilité de la plaque moteur avec la tension du réseau ;
2. la présence des six bornes moteur ;
3. le courant nominal ;
4. le couple nécessaire au démarrage ;
5. le temps d’accélération ;
6. le calibre des trois contacteurs ;
7. le réglage du relais thermique ;
8. le verrouillage entre étoile et triangle.

Le terme couplage triangle étoile est parfois employé pour désigner ce montage, mais la séquence conventionnelle est bien étoile puis triangle. La documentation constructeur du moteur et des appareils de commande doit toujours prévaloir pour le choix définitif des composants.

Schneider Electric, « Quel couplage adopter (triangle ou étoile) lors du câblage du moteur asynchrone triphasé ? » : principe des couplages étoile et triangle, tension appliquée aux enroulements et séquence de commande.

Schneider Electric, « Comment dimensionner un démarreur étoile-triangle ? » : sélection des contacteurs, disjoncteurs et schémas de puissance et de commande.

Schneider Electric, « Dans un démarreur étoile-triangle, comment intégrer un relais thermique ? » : coordination de type 1 et de type 2 et réglage du relais thermique.

ABB, Guide des moteurs, chapitre « Modes de démarrage » : comparaison entre démarrage direct, étoile-triangle, démarreur progressif et variateur.

ABB, « Combinaisons de démarrage des moteurs asynchrones triphasés » : caractéristiques du démarrage étoile-triangle, courant, couple, conditions d’utilisation et commutation.

Schneider Electric, « Catégories d’emploi AC-1 et AC-3 » : critères de choix des contacteurs pour moteurs à cage.

Ces documents constructeurs constituent les principales sources techniques utilisées pour les données et explications de cet article. Pour un montage réel, les caractéristiques du moteur, les normes applicables et les tableaux de coordination du fabricant des appareils doivent être vérifiés avant mise en service.