Alimentés en courant alternatif, les moteurs asynchrones sont des machines électromécaniques qui couvrent à elles seules la majeure partie du besoin d'entraînement des sites industriels. La simplicité de leur structure, le faible nombre de pièces mobiles et la possibilité de les raccorder directement au réseau en font le premier choix dans un très large éventail d'applications, de la pompe au convoyeur et du ventilateur au compresseur. Nous abordons ci-dessous, avec leurs détails techniques, le principe de fonctionnement, les composants structurels, les critères de sélection et les points à surveiller du côté de l'approvisionnement.

Principe de fonctionnement et rotation du champ magnétique

Le courant alternatif appliqué aux bobinages triphasés crée un champ magnétique tournant à l'intérieur du stator. La vitesse de rotation de ce champ est la vitesse synchrone, liée à la fréquence du réseau et au nombre de pôles. Le courant induit dans les barres du rotor crée son propre champ magnétique, conformément à la loi de Lenz, et l'interaction des deux champs produit du couple et fait tourner le rotor. Le rotor ne parvient jamais à rattraper exactement le champ magnétique ; l'écart de vitesse entre les deux est appelé glissement (slip). Sur un moteur typique, le glissement en charge se situe entre environ 2 et 5 % et cet écart est indispensable pour que le moteur puisse produire du couple. Lorsque la charge augmente, le glissement s'accroît et le moteur fournit un couple supplémentaire en absorbant plus de courant.

La différence entre 2, 4 et 6 pôles

La vitesse synchrone est directement déterminée par le nombre de pôles. Sur un réseau à 50 Hz, les paliers de vitesse de base sont les suivants :

  • 2 pôles : 3000 tr/min en synchrone — pour les pompes et les ventilateurs centrifuges exigeant une vitesse élevée
  • 4 pôles : 1500 tr/min en synchrone — l'option la plus répandue en entraînement à usage général
  • 6 pôles : 1000 tr/min en synchrone — convoyeurs, mélangeurs et applications à basse vitesse exigeant un couple élevé
  • 8 pôles : 750 tr/min en synchrone — démarrage lourd et entraînement à faible vitesse

En charge, la vitesse réelle est inférieure de la valeur du glissement ; par exemple, un moteur à 4 pôles fonctionne à environ 1440-1470 tr/min à la charge nominale. Le bon choix du nombre de pôles influence directement le rendement du système en réduisant le besoin de réducteur intermédiaire.

Stator, rotor et structure à cage d'écureuil

Le stator comporte des paquets de tôles au silicium isolées et des bobinages en cuivre placés dans leurs encoches. Du côté du rotor, la solution la plus répandue est la conception à cage d'écureuil : des barres en aluminium ou en cuivre sont mises en court-circuit à leurs extrémités par des anneaux. Cette structure ne comportant ni balais, ni bagues, ni collecteur, elle réduit au minimum le besoin d'entretien et assure une longue durée de vie. Les paliers d'arbre sont généralement des roulements à billes garnis de graisse ; pour des charges radiales plus lourdes, le choix du roulement est renforcé selon l'application.

Calcul de retour sur investissement : moteur asynchrone et kWh annuels

Le rendement des moteurs est classé de IE1 à IE5 par la norme CEI 60034-30-1. La grande majorité des moteurs commercialisés aujourd'hui se situe au niveau IE3 (premium) ; dans les installations fonctionnant en continu et sur de longues durées, les moteurs électriques IE3 réduisent visiblement le coût de l'énergie. Les classes IE4 et IE5 s'amortissent quant à elles rapidement sur les lignes dont le nombre d'heures de fonctionnement annuel est élevé. Même si l'écart de rendement paraît faible, chaque point sur un moteur fonctionnant plus de 6000 heures par an se traduit par une économie concrète sur la facture d'électricité.

Évaluez le régime S3 sur les lignes à arrêts-démarrages fréquents

Sur les moteurs industriels standard, l'indice de protection IP55 assure une protection contre la poussière et contre les jets d'eau venant de toutes les directions ; ils s'utilisent ainsi en toute sécurité dans les environnements poussiéreux et humides. L'isolation du bobinage est généralement de classe F (155 °C) et, sur la plupart des produits, l'échauffement est maintenu à la limite de la classe B afin d'allonger la durée de vie du bobinage. Du côté du régime de fonctionnement, le service continu S1 est le standard des applications exploitées sans interruption à charge constante, comme les pompes et les ventilateurs ; pour les lignes à arrêts-démarrages fréquents, des régimes intermittents tels que S3 sont envisagés.

Formes de fixation et montage

Les moteurs sont choisis selon la géométrie de montage. Les types les plus courants sont les suivants :

  • B3 : montage à pattes, le carter est boulonné au sol ou sur un châssis
  • B5 : montage à grande bride, raccordement direct à une pompe ou à un réducteur
  • B14 : montage à petite bride de surface, privilégié sur les machines compactes
  • B35 : montage combiné, à la fois à pattes et à bride

Le couplage dans la boîte à bornes peut être réalisé en étoile (Y) ou en triangle (Δ). Sur un réseau 400 V / 50 Hz, les moteurs de moyenne et grande puissance sont mis en service par démarrage étoile-triangle afin de limiter le courant de démarrage.

Fonte ou aluminium sur un moteur asynchrone

Aux faibles puissances, le carter en aluminium se distingue par sa légèreté et sa bonne évacuation de la chaleur. Dans les conditions de l'industrie lourde et aux puissances élevées, le carter en fonte offre en revanche un avantage en termes de résistance mécanique, d'amortissement des vibrations et de longévité. Les moteurs AC asynchrones peuvent être fournis dans une large plage de puissance de 0,55 kW à 355 kW ; le profil de charge de l'application, la température ambiante et le nombre d'heures de fonctionnement déterminent le choix du carter.

Un courant de démarrage élevé sollicite aussi le système mécanique

Le courant absorbé par un moteur asynchrone au moment du démarrage peut atteindre plusieurs fois le courant nominal. Ce courant de démarrage élevé provoque une chute de tension sur le réseau et sollicite également le système mécanique. Différentes méthodes de démarrage sont utilisées selon la puissance et l'application :

  • Démarrage direct (DOL) : solution simple et économique aux faibles puissances
  • Étoile-triangle : réduit le courant de démarrage au tiers en puissance intermédiaire, adapté aux lignes démarrant à vide ou en charge légère
  • Démarreur progressif (soft starter) : réduit le choc mécanique et le pic de courant en augmentant progressivement la tension de démarrage
  • Variateur de fréquence : adoucit le démarrage et procure une économie d'énergie en ajustant la vitesse au besoin pendant le fonctionnement

Dans les applications à débit variable comme les pompes et les ventilateurs, le pilotage par variateur de fréquence apporte un gain d'énergie marqué à charge partielle ; car dans ces systèmes la puissance varie avec le cube de la vitesse.

Facteur de puissance et effet sur le réseau

Les moteurs asynchrones absorbent de la puissance réactive sur le réseau pour établir leur champ magnétique ; cela abaisse le facteur de puissance (cos φ). Sur les moteurs fonctionnant à faible charge, le cos φ recule encore davantage et la consommation d'énergie réactive de l'installation augmente. Un dimensionnement correct et, si nécessaire, une compensation par condensateurs élèvent le facteur de puissance, allègent ainsi la charge du réseau et réduisent le risque de pénalité pour énergie réactive. Choisir le moteur en accord avec le profil de charge réduit ce problème dès le départ.

Bon choix et processus d'approvisionnement

Dans le choix du moteur, la courbe couple-vitesse de la machine entraînée, la caractéristique de démarrage, les conditions ambiantes et le nombre d'heures de fonctionnement annuel sont évalués ensemble. Un moteur choisi plus grand que nécessaire fonctionne de façon peu performante à faible charge ; un moteur choisi trop petit s'échauffe excessivement et raccourcit sa durée de vie. Basés à İzmir, nous offrons un soutien en stock et en approvisionnement dans différentes options de puissance, de vitesse et de montage ; il vous suffit de partager vos données de charge pour que nous déterminions le moteur adapté à votre application.

Entretien planifié ou après panne : le coût sur un moteur asynchrone

Les moteurs asynchrones à cage d'écureuil sont plutôt indulgents en matière d'entretien, mais de simples contrôles allongent sensiblement leur durée de vie. Les périodes de renouvellement de la graisse des roulements sont suivies selon le tableau du fabricant, le ventilateur de refroidissement et les ailettes sont débarrassés de la poussière, et les raccordements aux bornes sont vérifiés par contrôle thermique contre tout desserrage. La mesure périodique de la résistance d'isolement du bobinage au mégohmmètre permet de détecter tôt les défauts dus à l'humidité. Ces routines simples assurent, sur un moteur bien choisi, une exploitation sans problème pendant plus de dix ans. Pour davantage de contenu technique et pour la famille de produits, vous pouvez consulter les pages DRG Motor.