Compensation des moteurs asynchrones

Raccordement d'une batterie de condensateurs et réglage de la protection

La compensation individuelle d'un moteur est recommandée si la puissance apparente (en kVA) du moteur est importante par rapport à la puissance souscrite de l'installation.

Précautions générales

Le facteur de puissance d'un moteur a une valeur très faible en fonctionnement à vide ou à faible charge parce que :

• sa consommation en kW est faible,
• son courant réactif reste pratiquement constant quelle que soit la charge.

De ce fait, de nombreux moteurs fonctionnant à faible charge impliquent une consommation d'énergie réactive relativement importante ce qui est préjudiciable à l'installation (pour des raisons expliquées dans les paragraphes précédents).

Raccordement

La batterie de condensateurs doit être raccordée directement au moteur.

Moteurs spéciaux

Il est recommandé que les moteurs spéciaux (moteurs à marche intermittente tels que les moteurs de levage) ne soient pas compensés.

Effet sur les réglages des protections

Après l'installation d'une batterie de compensation sur un moteur, le courant de l'association moteur-condensateur est plus faible qu'avant compensation, tant que les conditions de charge entraînée par le moteur sont identiques. Ceci est dû au fait qu'une partie significative de la composante réactive du courant moteur est fournie par les condensateurs (en lieu et place du réseau d'alimentation) comme indiqué sur le schéma de la Figure L23.

Fig. L23 – Avant compensation, le transformateur fournit toute l'énergie réactive, après compensation, les condensateurs fournissent une grande partie de l'énergie réactive

Si les dispositifs de protection contre les surcharges du moteur sont installés en amont du raccordement des condensateurs au moteur (ce qui est toujours le cas pour les condensateurs raccordés aux bornes du moteur), le réglage de la protection thermique doit être réduite dans le rapport de :

cos φ avant compensation / cos φ après compensation

Pour des moteurs compensés conformément aux valeurs en kvar indiquées dans le tableau de la Figure L24 (valeurs maximales recommandées pour éviter l'auto-excitation des moteurs asynchrones, comme développé dans la partie ci dessous Comment éviter l'auto-excitation d'un moteur asynchrone ?, le rapport ci-dessus mentionné doit avoir une valeur similaire à celle indiquée pour la vitesse correspondant au moteur dans la Figure L25.

Moteurs triphasés 230/400 V
Puissance nominale		Puissance réactive à installer (en kvar)
		Vitesse de rotation (tr/min)
kW	hp	3000	1500	1000	750
22	30	6	8	9	10
30	40	7,5	10	11	12,5
37	50	9	11	12.5	16
45	60	11	13	14	17
55	75	13	17	18	21
75	100	17	22	25	28
90	125	20	25	27	30
110	150	24	29	33	37
132	180	31	36	38	43
160	218	35	41	44	52
200	274	43	47	53	61
250	340	52	57	63	71
280	380	57	63	70	79
355	482	67	76	86	98
400	544	78	82	97	106
450	610	87	93	107	117

Fig. L24 – Dimensionnement maximal (en kvar) de la batterie de condensateurs de correction du facteur de puissance pouvant être installée sans risque d'auto-excitation du moteur

Vitesse en tr/min	Facteur de réduction
750	0,88
1000	0,90
1500	0,91
3000	0,93

Fig. L25 – Facteur de réduction du réglage de la protection thermique après compensation

Comment éviter l'auto-excitation d'un moteur asynchrone ?

Quand une batterie de condensateurs est connectée aux bornes d'un moteur asynchrone, il est important de vérifier que le dimensionnement de la batterie est inférieur à celui qui peut engendrer une auto-excitation du moteur.

Quand un moteur entraîne une charge à forte inertie, le moteur continue à tourner (à moins d'être freiné spécifiquement) après que l'alimentation du moteur ait été coupée.

L' "inertie magnétique" du circuit du rotor signifie qu’une f.e.m. est générée dans les enroulements du stator pendant une courte période après la coupure, et devrait s'annuler après 1 ou 2 périodes, dans le cas d'un moteur non compensé.

Cependant les condensateurs de compensation constituent une charge triphasée réactive pour cette f.e.m. induite, qui fait circuler des courants capacitifs dans les bobinages du stator. Ces courants statoriques produisent un champ magnétique tournant dans le rotor qui est colinéaire avec le champ magnétique induit (dans le même axe et dans le même sens).

De ce fait le flux rotorique augmente, les courants statoriques augmentent et la tension aux bornes du moteur augmente jusqu'à atteindre des valeurs de tension élevées et dangereuses. Ce phénomène est connu sous l'appellation de "auto-excitation" et c'est la raison pour laquelle les générateurs de courants alternatifs ne fonctionnent normalement pas avec des facteurs de puissance en avance car il pourrait spontanément fonctionner (de manière incontrôlée) par auto-excitation.

Notes

1. Les caractéristiques d'un moteur fonctionnant sur l'inertie de la charge ne sont pas rigoureusement identiques à celles d'un moteur à vide. Cependant garder les mêmes caractéristiques est suffisamment précis en pratique pour traiter les problèmes.

2. Avec des moteurs fonctionnant en générateur, les courants circulant sont largement réactifs, de ce fait le freinage (retardé) du moteur est principalement dû à la charge mécanique représentée par le ventilateur de refroidissement du moteur.

3. Le courant (en retard de pratiquement 90°) normalement absorbé par le moteur à vide, et le courant (en avance de pratiquement 90°) fourni aux condensateurs par le moteur fonctionnant en générateur ont les mêmes effets de tension aux bornes du moteur.

Afin d'éviter l'auto-excitation du moteur comme décrit ci-dessus, le dimensionnement (en kvar) de la batterie de condensateurs doit être limité à la valeur maximale suivante :

[math]\displaystyle{ Qc \le 0,9 \times Io \times Un \times \sqrt 3 }[/math]

avec

• Io = courant du moteur fonctionnant à vide

• Uo = tension nominale phase phase du moteur.

Le tableau de la Figure L24 sur la page précédente indique les valeurs de Qc correspondant à cette formule.

Exemple

Un moteur triphasé de 75 kW, vitesse nominale 3000 tr / min, tension nominale 400 V ne peut être équipé que d'une batterie de condensateurs de 17 kvar suivant le tableau de la Figure L24. Les valeurs consignées dans ce tableau, sont en général, trop faibles pour assurer une compensation adéquate au niveau dune valeur du cos φ normalement souhaitable. De ce fait une compensation additionnelle doit être installée sur le réseau, par exemple une batterie de condensateurs dédiée à la compensation globale de plusieurs petites charges.

Moteurs et/ou charges à inertie importante

Dans une installation où des moteurs entraînent des charges à inertie importante, les disjoncteurs et les contacteurs protégeant ces moteurs doivent pouvoir déclencher très rapidement en cas de coupure totale du réseau d'alimentation.

Si cette précaution n'est pas assurée, alors l'auto-excitation du moteur (générant des surtensions à ses bornes) est quasi sure tant que toutes les autres batteries de condensateurs installées seront effectivement en parallèle avec celles des circuits moteurs à haute inertie.

Le plan de protection de ces moteurs doit aussi prévoir un relais de protection contre les surtensions ainsi qu'un relais contrôlant le retour de puissance (en effet, le moteur alimentera le reste de l'installation jusqu'à ce que l'énergie stockée dans le moteur soit dissipée). Si la batterie de condensateurs associée à un circuit moteur à haute inertie est plus largement dimensionnée que la valeur recommandée dans le tableau de la Figure L24, alors elle devra être pilotée par un disjoncteur ou un contacteur qui déclenchera en même temps que le disjoncteur ou le contacteur pilotant le départ moteur, comme indiqué sur le schéma de la Figure L26.

La fermeture du départ moteur n'est généralement possible que si le contacteur de la batterie de compensation est déjà fermé.

Fig. L26 – Connexion d'une batterie de condensateurs à un moteur