La grande majorité des moteurs qui tournent sur les sites industriels appartiennent à une seule famille, le type asynchrone. Dans cette machine, le champ magnétique tournant produit du côté du stator induit un courant dans le rotor sans aucun contact physique, et c'est ce courant induit qui amorce la rotation. Le mot asynchrone présent dans son nom indique que le rotor ne parvient jamais à rattraper tout à fait ce champ et le suit toujours de quelques pas. Sa construction simple, sa longue durée de vie et sa structure qui ne demande presque aucune maintenance en font la principale source d'entraînement de l'industrie. Nous examinons ci-dessous, dans l'ordre, sa logique de fonctionnement, sa structure interne, ses valeurs de plaque ainsi que les méthodes de choix et de maintenance appropriées.

Principe de fonctionnement : induction et champ tournant

Lorsque les trois bobinages distincts du stator sont alimentés par trois phases atteignant tour à tour leur maximum dans le temps, la direction du champ magnétique commence à se déplacer le long de la circonférence, c'est-à-dire à tourner. Ce champ mobile, en traversant les barres de la cage du rotor, y fait naître une tension et un courant se met à circuler dans les barres court-circuitées. Ce courant dans les barres crée son propre champ magnétique ; le champ du stator et celui du rotor se repoussent mutuellement, faisant apparaître la force d'entraînement qui tire le rotor à la suite du champ, c'est-à-dire le couple. Que tout cela se produise sans pièce frottante telle qu'un balai ou une bague explique pourquoi le moteur a une durée de vie aussi longue.

Pourquoi le glissement (slip) existe

Si le rotor tournait exactement à la même vitesse que le champ tournant, le champ magnétique coupant ses barres ne varierait plus et l'induction cesserait ; le courant comme le couple s'annuleraient. C'est pourquoi le rotor tourne toujours légèrement en retard par rapport au champ tournant, et cet écart en pourcentage s'appelle le glissement (slip). Plus la charge augmente, plus le glissement augmente ; le moteur ralentit un peu davantage pour produire plus de couple. Sur un moteur asynchrone typique, le glissement se situe entre 2 et 5 % à charge nominale. Le glissement étant directement lié aux pertes rotoriques, on cherche à le maintenir faible sur les moteurs à haut rendement.

Comment le glissement fait baisser la vitesse réelle

La vitesse synchrone dépend de la fréquence du réseau et du nombre de pôles. Sur un réseau à 50 Hz, un moteur 2 pôles tourne à une vitesse synchrone de 3000 tr/min, un 4 pôles à 1500 tr/min et un 6 pôles à 1000 tr/min. La vitesse réelle est inférieure à ces valeurs de la valeur du glissement. Selon l'application, on préfère les moteurs à vitesse élevée (2 pôles) sur les pompes et les compresseurs, les moteurs à vitesse moyenne (4 pôles) sur les entraînements à usage général, et les moteurs à faible vitesse (6 pôles et plus) sur les convoyeurs et les concasseurs exigeant un couple élevé et un mouvement lent.

Structure et composants

Les principaux composants du moteur asynchrone sont le stator, le rotor, le carter, les roulements, le ventilateur et la boîte à bornes. Le type de rotor le plus répandu est le rotor à cage d'écureuil ; cette structure, où des barres en aluminium ou en cuivre sont réunies par des anneaux de court-circuit, est simple, économique et robuste.

  • Stator : Il comprend un noyau constitué de fines tôles au silicium et des bobinages en cuivre ; c'est cette partie qui crée le champ tournant.
  • Rotor : La structure à cage d'écureuil est la norme ; en l'absence de balais et de collecteur, il n'y a ni problème d'étincelles ni d'usure.
  • Carter : Alors que la fonte est privilégiée dans les conditions de l'industrie lourde, face aux chocs et aux vibrations, la carcasse en aluminium se distingue là où l'on souhaite une manutention et un refroidissement faciles.

Dimensions, classes, standards

Les moteurs asynchrones de type industriel fonctionnent généralement avec une alimentation triphasée 400 V / 50 Hz, disposent d'une isolation classe F et d'un indice de protection IP55. L'isolation classe F assure un fonctionnement sûr jusqu'à 155 °C, tandis que l'IP55 offre une protection contre la poussière et les jets d'eau. Le régime de service est le plus souvent le service continu S1. Le rendement est classé de IE1 à IE5 selon la norme IEC 60034-30-1 ; dans les applications à nombre d'heures de fonctionnement élevé, les classes IE3 et supérieures réduisent sensiblement le coût de l'énergie. La plage de puissance s'étend de 0,55 kW à 355 kW ; comme types de fixation, les options B3 à pattes, B5 à bride et B14 à petite bride sont disponibles.

Déclenchement inutile des organes de protection

Le courant absorbé par le moteur asynchrone au moment du démarrage peut atteindre 5 à 7 fois son courant nominal ; ce courant de démarrage élevé peut provoquer une chute de tension sur le réseau et le déclenchement inutile des organes de protection. Aux faibles puissances (généralement en dessous de 5,5 kW), le moteur est raccordé au réseau par démarrage direct (DOL) ; c'est la méthode la plus simple et la plus économique. Aux puissances plus élevées, on préfère le démarrage étoile-triangle pour limiter le courant de démarrage : le moteur est couplé en étoile au démarrage, une tension plus faible est ainsi appliquée aux bobinages, puis, lorsque la vitesse atteint un certain niveau, le passage en triangle assure le couple plein. Cette méthode réduit le courant de démarrage à environ un tiers, mais comme le couple de démarrage diminue également, elle ne convient pas aux applications qui démarrent difficilement en charge. Sur les systèmes exigeant un démarrage plus fin, on utilise un démarreur progressif (soft starter) ou un variateur de fréquence pour élever progressivement le courant et le couple ; cela réduit à la fois les chocs mécaniques et les contraintes électriques.

Un moteur asynchrone sur chaque ligne nécessitant une rotation

Les moteurs asynchrones se rencontrent dans presque toutes les applications industrielles nécessitant une rotation. Les pompes à eau et à eaux usées, les ventilateurs de ventilation et d'extraction, les compresseurs d'air comprimé, les convoyeurs à bande et à chaîne, les concasseurs, les broyeurs, les mélangeurs et les entraînements de machines-outils en sont les premiers exemples. La raison de cette large diffusion est que le moteur peut fonctionner directement sur le réseau standard, qu'il est économique et qu'il s'adapte facilement au contrôle de vitesse par variateur de fréquence.

Contrôle de vitesse par variateur de fréquence

La vitesse du moteur asynchrone peut être réglée en modifiant la fréquence d'alimentation au moyen d'un variateur de fréquence (VFD). Ainsi, dans des applications comme les pompes et les ventilateurs, le débit fourni correspond au besoin et la consommation d'énergie inutile est évitée. Sur les moteurs destinés à fonctionner avec un variateur, le choix d'une isolation résistant aux tensions de commutation et, le cas échéant, d'une isolation des roulements est primordial pour la longévité. Sur les systèmes fonctionnant sous charge variable, l'économie obtenue avec un variateur de fréquence est bien supérieure à celle d'un fonctionnement à vitesse fixe.

Économie exprimée en kWh

La classe de rendement du moteur asynchrone détermine directement le coût d'exploitation, en particulier sur les systèmes fonctionnant en continu. Prenons par exemple un moteur de 15 kW fonctionnant 6 000 heures par an. Le rendement d'un moteur de classe IE1 est d'environ 88 %, celui d'un moteur de classe IE3 d'environ 92,1 %. Pour fournir la même puissance mécanique, le moteur IE1 absorbe environ 17,05 kW sur le réseau et le moteur IE3 environ 16,29 kW ; l'écart de 0,76 kW entre les deux correspond à environ 4 560 kWh d'énergie sur 6 000 heures par an. En multipliant l'unité d'électricité par un tarif donné au kWh, on met en évidence l'économie annuelle obtenue simplement en passant à une classe de rendement supérieure. Comme l'écart entre les prix des moteurs est généralement couvert rapidement par cette économie, choisir une classe de rendement supérieure est économiquement avantageux dans les applications à nombre d'heures de fonctionnement élevé.

Choix, maintenance et bonne décision

Pour choisir le bon moteur asynchrone, il faut évaluer conjointement la puissance, la vitesse, le type de fixation, le matériau du carter, l'indice de protection et le niveau de rendement. Alors que la classe de rendement passe au premier plan dans les applications à nombre d'heures de fonctionnement élevé, le carter en fonte est privilégié dans les conditions sévères. Du côté de la maintenance, le contrôle régulier des roulements, la mesure de la résistance d'isolement du bobinage, le contrôle des connexions de bornes et le nettoyage des canaux de ventilation prolongent la durée de vie du moteur. Ceux qui souhaitent comparer en détail les classes de rendement peuvent consulter notre contenu moteurs électriques IE3 . Nous fournissons depuis İzmir les moteurs asynchrones de la puissance et des caractéristiques correspondant à votre besoin et nous assurons une orientation technique lors du choix ; vous pouvez accéder à notre gamme de produits via drgmotor.com .