Cours complet sur les moteurs electriques

Cours complet sur les moteurs électriques

Les moteurs électriques

… pour mieux les piloter et les protéger

Les moteurs électriques sont de nos jours, à l’exception des dispositifs d’éclairage, les récepteurs les plus nombreux dans les industries et les installations tertiaires. Leur fonction, de convertir l’énergie électrique en énergie mécanique, leur donne une importance économique toute particulière qui fait qu’aucun concepteur d’installation ou de machine, aucun installateur et aucun exploitant ne peut les ignorer.

Parmi tous les types de moteurs existants, les moteurs asynchrones triphasés notamment les moteurs à cage sont les plus utilisés dans l’industrie et au-delà d’une certaine puissance dans les applications du bâtiment tertiaire. De plus, bien que leur commande par des équipements à contacteurs soit parfaitement adaptée pour un grand nombre d'applications, l'emploi de matériels électroniques en constante progression élargit leur champ d’application. C’est le cas pour contrôler le démarrage et l'arrêt avec les démarreurs-ralentisseurs progressifs, comme lorsqu'un réglage précis de la vitesse est également nécessaire avec les variateurs-régulateurs de vitesse.

Toutefois, les moteurs asynchrones à bagues sont utilisés pour certaines applications de forte puissance dans l’industrie et les moteurs asynchrones monophasés restent adaptés pour des applications de puissances limitées plutôt pour les applications du bâtiment.

L’utilisation des moteurs synchrones dits sans balais ou à aimants permanents associés à des convertisseurs se généralise dans les applications nécessitant de fortes performances, notamment en couple dynamique (au démarrage ou aux changements de régime), et en précision et plage de vitesse.

Ce Cahier Technique, après une présentation des divers types de moteurs électriques et de leur principe de fonctionnement, détaille plus particulièrement la technique et les particularités d'emploi des moteurs asynchrones, notamment les principaux dispositifs de démarrage, le réglage de vitesse et le freinage qui leur sont associés. Il est une base de connaissance minimale pour bien comprendre toute la problématique que représente le pilotage et la protection des moteurs.

Ce Cahier Technique aborde brièvement la variation de vitesse des moteurs électriques. Ce sujet est traité spécifiquement dans le Cahier Technique CT 208 « Démarreurs et variateurs de vitesse électroniques ». La protection des moteurs fait l’objet d’un Cahier Technique en cours de rédaction.

1 Les moteurs asynchrones triphasés

Ce chapitre est consacré à la présentation des moteurs asynchrones triphasés, moteurs les plus utilisés pour l'entraînement des machines. Ces moteurs s’imposent en effet dans un grand nombre d'applications en raison des avantages qu'ils présentent : normalisés, ils sont robustes, simples d’entretien, faciles à mettre en œuvre et de faible coût.

La présentation des autres types de moteurs fait l’objet du chapitre 2.

La description et la comparaison des principaux dispositifs de démarrage, réglage de vitesse et freinage qui leur sont associés font l’objet du chapitre 3.

1.1 Principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement d'un moteur asynchrone repose sur la création d'un courant induit dans un conducteur lorsque celui-ci coupe les lignes de force d'un champ magnétique, d'où le nom de « moteur à induction ». L’action combinée de ce courant induit et du champ magnétique crée une force motrice sur le rotor du moteur.

Supposons une spire ABCD en court-circuit, située dans un champ magnétique B, et mobile autour d'un axe xy (cf. fig. 1 ).

Si, par exemple, nous faisons tourner le champ magnétique dans le sens des aiguilles d'une montre, la spire est soumise à un flux variable et devient le siège d'une force électromotrice induite qui donne naissance à un courant induit i (loi de Faraday).

 …

Fig. 1 : Création d’un courant induit dans une spire encourt-circuit.

Fig. 2 : La règle des trois doigts de la main droite pourtrouver la direction de la force.

D'après la loi de Lenz, le sens du courant est tel qu'il s'oppose par son action électromagnétique à la cause qui lui a donné naissance. Chacun des deux conducteurs est donc soumis à une force F de Laplace (de Lorentz, pour les Anglo-saxons), de sens opposé à son déplacement relatif par rapport au champ inducteur.

La règle des trois doigts de la main droite (action du champ sur un courant, cf. fig. 2 ) permet de définir facilement le sens de la force F appliquée à chaque conducteur.

Le pouce est placé dans le sens du champ de l'inducteur. L'index indique le sens de la force. Le majeur est placé dans le sens du courant induit. La spire est donc soumise à un couple qui provoque sa rotation dans le même sens que le champ inducteur, appelé champ tournant. La spire se met donc en rotation et le couple électromoteur produit équilibre le couple résistant.

Création du champ tournant

Trois enroulements, géométriquement décalés de 120°, sont alimentés chacun par une des phases d'un réseau triphasé alternatif

(cf. fig. 3 ). Les enroulements sont parcourus par des courants alternatifs présentant le même décalage électrique, et qui produisent chacun un champ magnétique alternatif sinusoïdal. Ce champ, toujours dirigé suivant le même axe, est maximal quand le courant dans l'enroulement est maximal.

Fig. 3 : Principe d’un moteur asynchrone triphasé.

Le champ généré par chaque enroulement est la résultante de deux champs qui tournent en sens inverse et ayant chacun pour valeur constante la moitié de la valeur du champ maximal. A un instant t1 quelconque de la période (cf. fig. 4 ), les champs produits par chaque enroulement peuvent être représentés comme suit :

v le champ H1 diminue. Les 2 champs qui le composent ont tendance à s'éloigner de l'axe OH1,

v le champ H2 augmente. Les 2 champs qui le composent ont tendance à se rapprocher de l'axe OH2,

v le champ H3 augmente. Les 2 champs qui le composent ont tendance à se rapprocher de l'axe OH3.

Le flux correspondant à la phase 3 est négatif. Le champ est donc dirigé dans le sens opposé à la bobine.

En superposant les trois diagrammes, nous constatons que :

v les trois champs tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre sont décalés de 120° et s'annulent,

v les trois champs tournant dans le sens des aiguilles d'une montre se superposent. Ces champs s'additionnent pour former le champ tournant d'amplitude constante 3Hmax/2. C'est un champ à une paire de pôles.

Ce champ effectue un tour pendant une période du courant d'alimentation. Sa vitesse est fonction de la fréquence du réseau (f), et du nombre de paires de pôles (p). Elle est appelée « vitesse de synchronisme ».

Glissement

Le couple moteur ne peut exister que si un courant induit circule dans la spire. Ce couple est déterminé par le courant qui circule dans la spire et qui ne peut exister que s'il existe une variation de flux dans cette spire. Il faut donc qu'il y ait une différence de vitesse entre la spire et le champ tournant. C'est la raison pour laquelle un moteur électrique fonctionnant suivant le principe que nous venons de décrire est appelé « moteur asynchrone ». La différence entre la vitesse de synchronisme (Ns) et celle de la spire (N) est appelée « glissement » (g) et s'exprime en % de la vitesse de synchronisme.

g = [(Ns - N) / Ns] x 100

En fonctionnement, la fréquence du courant rotorique s’obtient en multipliant la fréquence d’alimentation par le glissement. Au démarrage la fréquence du courant rotorique est donc maximale.

Fig. 4 : Champs générés par les trois phases.

Cahier Technique Schneider Electric n° 207 / p.5

Le glissement en régime établi est variable suivant la charge du moteur et selon le niveau de la tension d’alimentation qui lui est appliqué : il est d'autant plus faible que le moteur est peu chargé, et il augmente si le moteur est sous alimenté.

Vitesse de synchronisme

La vitesse de synchronisme des moteurs asynchrones triphasés est proportionnelle à la fréquence du courant d’alimentation et inversement proportionnelle au nombre de paires de pôles constituant le stator.

Par exemple : Ns = 60 f/p Avec :

v Ns : vitesse de synchronisme en tr/min v f : fréquence en Hz,

v p : nombre de paires de pôles.

Pour les fréquences industrielles de 50 Hz et 60 Hz et une autre fréquence (100 Hz), les vitesses de rotation du champ tournant, ou vitesses de synchronisme, en fonction du nombre de pôles, sont données dans le tableau de la figure 5 .

Dans la pratique il n’est pas toujours possible d'augmenter la vitesse d'un moteur asynchrone en l'alimentant sous une fréquence supérieure à celle pour laquelle il est prévu, même si la tension est adaptée. Il convient en effet de vérifier si ses conceptions mécanique et électrique le permettent.

A noter que compte tenu du glissement, les vitesses de rotation en charge des moteurs asynchrones sont légèrement inférieures aux vitesses de synchronisme indiquées dans le tableau.

Fig. 5 : Vitesses de synchronisme fonction du nombrede pôles et de la fréquence du courant.

1.2 Constitution

Un moteur asynchrone triphasé à cage comporte deux parties principales : un inducteur ou stator et un induit ou rotor.

Le stator

C’est la partie fixe du moteur. Une carcasse en fonte ou en alliage léger renferme une couronne de tôles minces (de l'ordre de 0,5 mm d'épaisseur) en acier au silicium. Les tôles sont isolées entre elles par oxydation ou par un vernis isolant. Le « feuilletage » du circuit magnétique réduit les pertes par hystérésis et par courants de Foucault.

Les tôles sont munies d’encoches dans lesquelles prennent place les enroulements statoriques destinés à produire le champ tournant (trois enroulements dans le cas d'un moteur triphasé). Chaque enroulement est constitué de plusieurs bobines. Le mode de couplage de ces bobines entre elles définit le nombre de paires de pôles du moteur, donc la vitesse de rotation.

Le rotor

C’est l’élément mobile du moteur. Comme le circuit magnétique du stator, il est constitué d'un empilage de tôles minces isolées entre elles et formant un cylindre claveté sur l'arbre du moteur. Cet élément, de par sa technologie, permet de distinguer deux familles de moteurs asynchrones : ceux dont le rotor est dit « à cage », et ceux dont le rotor bobiné est dit « à bagues ».

1.3 Les différents types de rotor

Le rotor à cage

Plusieurs types de rotor à cage existent, ils sont tous conçus selon l’exemple de la figure 6 .

En citant ces moteurs dans l'ordre du moins répandu au plus courant :

c Rotor à cage résistante

Le rotor résistant existe surtout en simple cage (voir plus loin la définition du moteur simple cage). La cage est fermée par deux anneaux résistants (alliage particulier, section réduite, anneaux d'inox …).

Ces moteurs présentent un fort glissement au couple nominal.

Leur couple de démarrage est élevé et le courant de démarrage faible (cf. fig. 7 ). En raison des pertes dans le rotor, leur rendement est faible.

Cahier Technique Schneider Electric n° 207 / p.6

Boîte de raccordement

Enroulement statorique

Roulement

Rotor à cage

Roulement

Flasque palier côté bout d'arbre

Fig. 6 : Eclaté d’un moteur à rotor à cage.

Flasque palier côté ventilateur

Capot de

Ventilateur                   _ventilation

Stator

Ces moteurs sont en principe utilisés sur des applications pour lesquelles il est intéressant d’avoir du glissement afin d’adapter la vitesse en fonction du couple, par exemple :

v cas de plusieurs moteurs liés mécaniquement sur lesquels doit être répartie la charge, tels que train à rouleaux d’un laminoir, entraînement d’un portique de levage ;

Rotor à simple cage

Rotor à double cage

Rotor à cage résistante

Fig. 7 : Courbes couple/vitesse suivant les types derotors à cage (à Un).

v fonction enrouleur-dérouleur à partir de moteurs Alquist ⁽¹⁾ prévus à cet effet ;

v besoin d’un fort couple de démarrage avec un courant d’appel limité (palans de levage ou convoyeurs).

Ils permettent la variation de vitesse par modification de la seule tension, mais cette application tend à disparaître au profit des convertisseurs de fréquence. Si tous les moteurs sont auto-ventilés, certains moteurs avec rotor à cage résistante sont moto-ventilés (motorisation distincte de leur ventilateur).

c Rotor à simple cage

Dans des trous ou dans des encoches disposés sur le pourtour du rotor (à l’extérieur du cylindre constitué par l’empilage de tôles) sont placés des conducteurs reliés à chaque extrémité par une couronne métallique et sur lesquels vient s'exercer le couple moteur généré par le champ tournant. Pour que le couple soit régulier, les conducteurs sont légèrement inclinés par rapport à l'axe du moteur. L’ensemble a l’aspect d’une cage d’écureuil, d’où le nom de ce type de rotor. La cage d’écureuil est généralement entièrement moulée, (seuls les très gros moteurs sont réalisés à l'aide de conducteurs insérés dans des encoches ). L’aluminium est injecté sous pression et les ailettes de refroidissement, coulées lors de la même opération, assurent la mise en court-circuit des conducteurs du stator.

1. Ces moteurs asynchrones moto-ventilés à fortglissement sont utilisés en variation de vitesse, leur courant au calage est voisin de leur courant nominal ; leur caractéristique de couple/vitesse est très plongeante.

Avec une alimentation variable il est possible d'adapter cette caractéristique et de régler le couple moteur en fonction de la traction souhaitée.

Ces moteurs ont un couple de démarrage relativement faible et le courant absorbé lors de la mise sous tension est très supérieur au courant nominal (cf. fig. 7 ).

En contre partie ils ont un faible glissement au couple nominal.

Ces moteurs sont utilisés principalement en forte puissance pour améliorer le rendement des installations sur des pompes et ventilateurs. Ils sont également associés à des convertisseurs de fréquence en vitesse variable, les problèmes de couple et de courant de démarrage sont alors parfaitement résolus.

c Rotor à double cage

Il comporte deux cages concentriques, l’une extérieure, de faible section et assez résistante, I’autre intérieure, de forte section et de résistance plus faible.

v Au début du démarrage, les courants rotoriques étant à fréquence élevée, l'effet de peau qui en résulte fait que la totalité du courant rotorique circule à la périphérie du rotor et donc dans une section réduite des conducteurs. Au début du démarrage, le courant rotorique étant de fréquence élevée, le courant ne circule que dans la cage extérieure. Le couple produit par la cage extérieure résistante est important et l’appel de courant réduit (cf. fig. 7 ).

v En fin de démarrage, la fréquence diminue dans le rotor, le passage du flux à travers la cage intérieure est plus facile. Le moteur se comporte alors sensiblement comme s’il était construit avec une seule cage peu résistante. En régime établi, la vitesse n’est que très légèrement inférieure à celle du moteur à simple cage.

c Rotor à encoches profondes C'est la réalisation standard.

Les conducteurs rotoriques sont moulés dans les encoches du rotor qui sont de forme trapézoïdale dont le petit coté du trapèze se situe à l'extérieur du rotor.

Le fonctionnement est analogue au moteur à double cage : l’intensité du courant rotorique varie en fonction inverse de sa fréquence.

Ainsi :

v Au début du démarrage, le couple est élevé et l’appel de courant réduit.

v En régime établi, la vitesse est sensiblement celle du moteur à simple cage.

Le rotor bobiné (rotor à bagues)

Dans des encoches pratiquées à la périphérie du rotor sont logés des enroulements identiques à ceux du stator (cf. fig. 8 ). Généralement le rotor est triphasé.

Une extrémité de chacun des enroulements est reliée à un point commun (couplage étoile). Les extrémités libres peuvent être raccordées sur un coupleur centrifuge ou sur trois bagues en cuivre, isolées et solidaires du rotor. Sur ces bagues viennent frotter des balais à base de graphite raccordés au dispositif de démarrage.

En fonction de la valeur des résistances insérées dans le circuit rotorique, ce type de moteur peut développer un couple de démarrage s’élevant jusqu’à 2,5 fois le couple nominal.

Le courant au démarrage est sensiblement proportionnel au couple développé sur l’arbre moteur.

Cette solution est de plus en plus abandonnée au profit de solutions électroniques associées à un moteur à cage standard. En effet ces dernières permettent de résoudre des problèmes de maintenance (remplacement des balais d’alimentation du rotor usés, entretien des résistances de réglage), de réduire l’énergie dissipée dans ces résistances et aussi d’améliorer de façon importante le rendement de l’installation.

Cahier Technique Schneider Electric n° 207 / p.8

Boîte de raccordement

Roulement

Balais

Flasque palier côté bout d'arbre

Fig. 8 : Eclaté d’un moteur à rotor à bagues.

Couvercle d'accès aux balais

Flasque palier côté bagues

Capot de ventilation

Ventilateur

Stator

Cahier Technique Schneider Electric n° 207 / p.9

2 Les autres types de moteurs électriques

2.1 Les moteurs asynchrones monophasés

Le moteur asynchrone monophasé, bien que moins utilisé dans l’industrie que son homologue triphasé, représente néanmoins une part d'applications non négligeable dans les petites puissances et dans les applications du bâtiment qui utilisent le réseau monophasé 230 V .

A puissance égale, il est plus volumineux qu'un moteur triphasé.

Par ailleurs, son rendement et son cosinus ϕ sont beaucoup plus faibles que dans le cas du triphasé et ils varient considérablement en fonction d’une part de la puissance, d’autre part du constructeur.

Les moteurs monophasés jusqu’à une dizaine de kW sont d’utilisation courante aux Etats Unis.

Constitution

Le moteur monophasé, comme le moteur triphasé, est composé de deux parties : le stator et le rotor.

c Le stator

Il comporte un nombre pair de pôles et ses bobinages sont raccordés sur le réseau d’alimentation.

c Le rotor

Il est le plus souvent à cage d’écureuil.

Principe de fonctionnement

Considérons un stator comprenant deux enroulements raccordés sur le réseau d’alimentation L1 et N (cf. fig. 9 ).

Le courant alternatif monophasé engendre dans le rotor un champ alternatif simple H qui est la superposition de deux champs tournants H1 et H2 de même valeur et de sens contraires.

A l’arrêt, le stator étant alimenté, ces champs présentent le même glissement par rapport au rotor et produisent par conséquent deux couples égaux et opposés. Le moteur ne peut démarrer. Une impulsion mécanique sur le rotor provoque une inégalité des glissements. L’un des couples diminue pendant que l’autre augmente. Le couple résultant provoque le démarrage du moteur dans le sens où il a été lancé.

Afin de résoudre ce problème de couple lors de la phase de démarrage, un deuxième bobinage décalé de 90° est inséré dans le stator. Cette phase auxiliaire est alimentée par un artifice de déphasage (condensateur ou inductance) ; une fois le démarrage effectué la phase auxiliaire peut être supprimée.

Nota : Un moteur triphasé peut être également utilisé en monophasé, le condensateur de démarrage est alors inséré en série ou en parallèle avec l’enroulement non utilisé.

…

Fig. 9 : Principe de fonctionnement d’un moteurasynchrone monophasé.

2.2. Les moteurs synchrones

Constitution

Le moteur synchrone se compose, comme le moteur asynchrone, d'un stator et d'un rotor séparés par l'entrefer. Il s'en différencie par le fait que le flux dans l'entrefer n'est pas dû à une composante du courant statorique : il est créé par des aimants ou par le courant inducteur fourni par une source à courant continu extérieure qui alimente un enroulement placé dans le rotor.

c Le stator

Le stator comprend une carcasse et un circuit magnétique généralement constitués de tôles d'acier au silicium et d’un bobinage triphasé analogue à celui d’un moteur asynchrone alimenté en courant alternatif triphasé pour produire un champ tournant.

c Le rotor

Le rotor porte des aimants ou des bobines d'excitation parcourues par un courant continu qui créent des pôles Nord et Sud intercalés. Le rotor, à la différence des machines asynchrones tourne sans glissement à la vitesse du champ tournant.

Il existe donc deux types distincts de moteurs synchrones : les moteurs à aimants et les moteurs à rotor bobiné.