Le moteur asynchrone CA, qui fonctionne grâce au courant induit dans le rotor par le champ magnétique tournant et qui ne nécessite ni balais ni bagues, est le type de moteur électrique le plus répandu dans l'industrie. Sa structure robuste, son faible besoin d'entretien et sa capacité à fonctionner directement sur le réseau en font la solution standard d'une large gamme d'applications, de la pompe au convoyeur. Nous traitons ci-dessous en détail le principe de fonctionnement de ce type de moteur, sa structure et les critères d'une sélection correcte.

Comment fonctionne un moteur asynchrone ?

Le principe de l'induction constitue la base de ce moteur : les trois phases appliquées aux bobinages du stator créent une onde de champ magnétique successive, et cette onde tourne à vitesse constante à l'intérieur du carter. Le rotor à cage, immobile, se met à faire circuler du courant dans ses barres à cause de ce champ variable qui le traverse. Une force naît entre la barre parcourue par le courant et le champ magnétique, et le rotor se met à tourner comme s'il cherchait à rattraper le champ. Comme le rotor tourne légèrement en dessous de la vitesse du champ, c'est-à-dire avec un « glissement », le moteur est dit asynchrone (non synchrone) ; à la vitesse de synchronisme exacte, l'induction et donc le couple s'annulent. Le glissement est le mécanisme fondamental qui permet au moteur de produire du couple en charge et il apparaît comme un taux faible à vide, qui atteint quelques points à pleine charge.

Structure du rotor à cage d'écureuil

La grande majorité des moteurs asynchrones utilise un rotor à cage d'écureuil. Les barres en aluminium ou en cuivre placées dans les encoches du noyau rotorique sont réunies aux deux extrémités par des anneaux de court-circuit ; comme cette structure rappelle une cage, elle en tire son nom. Ne comportant ni balais, ni bagues, ni raccordement de bobinage, ce rotor réduit au minimum le besoin d'entretien du moteur et le rend fiable dans les environnements poussiéreux, humides et difficiles. La section et la forme des barres déterminent l'équilibre entre le couple de démarrage et le courant de démarrage.

Vitesse et nombre de pôles

Sur un réseau 50 Hz, la vitesse de synchronisme dépend du nombre de pôles : 2 pôles 3000 tr/min, 4 pôles 1500 tr/min, 6 pôles 1000 tr/min. La vitesse réelle de l'arbre est inférieure à cette valeur de la valeur du glissement. La vitesse exigée par l'application détermine le choix des pôles ; les vitesses élevées sont privilégiées sur les pompes et les compresseurs, les vitesses faibles sur les charges à dominante de couple comme les convoyeurs et les agitateurs.

  • 2 pôles : pompe, compresseur, ventilateur à vitesse élevée

  • 4 pôles : entraînement polyvalent, convoyeur, circulation

  • 6 pôles et plus : concasseur, agitateur, couple élevé à faible vitesse

Structure, protection et rendement

Les moteurs asynchrones DRG sont dotés d'un carter en fonte, d'une protection IP55 et d'une isolation de classe F, et leur structure est adaptée au service continu S1. Le carter en fonte offre, par rapport au carter en aluminium, une masse thermique et une résistance mécanique plus élevées : il amortit les vibrations et il est privilégié dans les conditions de l'industrie lourde. La classe de rendement peut être choisie de IE2 à IE4 selon la norme IEC 60034-30-1 ; sur les lignes à fonctionnement continu, une classe de rendement plus élevée réduit la dépense d'énergie pendant toute la durée de vie du moteur.

Courant de démarrage : moteur asynchrone et démarrage direct

Le courant de démarrage d'un moteur asynchrone peut atteindre plusieurs fois le courant nominal. Alors que le démarrage direct suffit aux faibles puissances, sur les gros moteurs le courant de démarrage est limité par un démarreur étoile-triangle, un démarreur progressif (soft starter) ou un variateur de fréquence. Comme le variateur de fréquence assure en même temps le réglage de la vitesse, il présente un avantage à la fois pour le démarrage et pour l'économie d'énergie dans les applications de pompe et de ventilateur à débit variable. Le choix de la méthode de démarrage se fait selon la capacité du réseau et le caractère de la charge mécanique.

Que révèlent les vibrations et les bruits anormaux ?

Même si les moteurs asynchrones demandent peu d'entretien, quelques points sont à surveiller pour allonger leur durée de vie. Les roulements sont lubrifiés à la périodicité indiquée au catalogue, les ailettes de refroidissement et le capot de ventilateur sont nettoyés des dépôts de poussière, et les raccordements du bornier sont contrôlés périodiquement contre le desserrage. Une vibration excessive, un bruit anormal ou une élévation de la température du bobinage sont des signes d'alerte précoce ; ils indiquent généralement un défaut d'alignement, une usure de roulement ou un déséquilibre de phases, et une intervention en temps voulu évite des pannes importantes.

Avantages et limites du moteur asynchrone

Le point le plus fort du moteur asynchrone est sa simplicité ; comme il ne comporte ni balais ni bagues, le nombre de pièces d'usure est faible, il peut fonctionner directement sur le réseau et son coût par unité de puissance est bas. C'est pourquoi il constitue la colonne vertébrale de l'entraînement industriel. En revanche, lorsqu'il tourne à vitesse fixe, son rendement à charge partielle peut rester un peu en retrait par rapport aux types synchrones, et son refroidissement s'affaiblit aux faibles vitesses. Ces limites sont largement dépassées grâce au variateur de fréquence et à un choix de pôles correct ; évalué selon l'application, le moteur asynchrone reste la solution la plus équilibrée.

Huit lignes où l'entraînement triphasé est présent

Les moteurs asynchrones triphasés se rencontrent dans presque toutes les branches de l'industrie. Des pompes d'eau et d'eaux usées aux ventilateurs de ventilation, des convoyeurs à bande aux ponts roulants et systèmes de levage, des compresseurs aux concasseurs et aux broyeurs, ils assurent la fonction d'entraînement dans une large gamme. Le même type de moteur est également utilisé, avec des valeurs de puissance et de vitesse différentes, dans les installations d'irrigation agricole, les lignes de transformation alimentaire, les machines textiles et les tours de refroidissement. Le caractère de la charge étant différent dans chaque application, le choix correct de la puissance, du nombre de pôles et de l'indice de protection détermine directement la performance.

Moteurs asynchrones monophasés et triphasés

Le mode d'alimentation répartit le moteur asynchrone en deux groupes : monophasé et triphasé. Comme le triphasé produit un champ qui tourne de lui-même, ces moteurs démarrent sans avoir besoin d'aucune pièce auxiliaire ; c'est pourquoi ils sont le choix standard dans l'industrie lourde. En monophasé, en revanche, le champ qui amorcerait le sens de rotation ne naît pas de lui-même, de sorte qu'un bobinage auxiliaire et un condensateur supplémentaires sont nécessaires pour assurer le démarrage ; cette structure se rencontre surtout dans les appareils domestiques et d'atelier de faible puissance. À puissance égale, le moteur triphasé se distingue du point de vue de l'exploitation en offrant un rendement plus élevé, un meilleur facteur de puissance et un carter plus compact.

Relation entre rendement, facteur de puissance et charge

Le rendement et le facteur de puissance (cos φ) d'un moteur asynchrone ne sont pas des valeurs fixes : ils dépendent de la charge. Lorsque le moteur travaille près de la pleine charge, le rendement et le facteur de puissance atteignent tous deux leur point le plus élevé ; à très faible charge, en revanche, tous deux baissent et l'énergie réactive absorbée sur le réseau augmente. C'est pourquoi choisir un moteur plus grand que nécessaire n'affecte pas seulement le coût initial, mais aussi le rendement d'exploitation permanent. Un moteur correctement dimensionné maintient son point de fonctionnement près du sommet de la courbe de rendement et optimise ainsi à la fois l'énergie et la charge du réseau.

Influence des conditions ambiantes sur le choix du moteur

L'environnement dans lequel le moteur va fonctionner est aussi déterminant que la puissance et la vitesse. Une température ambiante élevée réduit la puissance que le moteur peut délivrer ; les valeurs standard sont généralement données pour une ambiance de 40 °C et une altitude de 1000 mètres, et dans les installations où ces limites sont dépassées, un déclassement de puissance est pris en compte. Dans les environnements poussiéreux et humides, un indice de protection IP55 ou supérieur est requis, et dans les zones présentant un risque d'explosion, des constructions certifiées spéciales. Sur les sols soumis aux vibrations, l'avantage d'amortissement du carter en fonte devient manifeste. C'est pourquoi, lors de la sélection, il faut évaluer non seulement la charge, mais aussi des facteurs environnementaux tels que la température, l'altitude, la poussière, l'humidité et les vibrations ; le moteur est défini avec un équipement adapté aux conditions dans lesquelles il fonctionnera, tant sur le plan électrique que mécanique.

Choisir le bon moteur asynchrone

Le caractère de la charge, les heures de fonctionnement, la vitesse et le type de fixation (B3/B5/B14) sont les principaux facteurs qui déterminent le bon moteur. La nécessité d'un couple constant ou d'un couple variable, la fréquence des démarrages et les conditions ambiantes influent également sur le choix. DRG Motor propose des moteurs asynchrones triphasés dans la plage 0,55–355 kW avec un approvisionnement basé à İzmir ; lorsque vous nous présentez votre application, nous déterminons ensemble la puissance, le nombre de pôles et la classe de rendement les plus adaptés. Pour davantage de contenu technique et pour la gamme de produits, vous pouvez consulter les pages DRG Motor.