Moteurs triphasés, moteurs asynchrones

Le groupe des machines à champ tournant comprend les machines électriques dont le principe repose sur le champ magnétique tournant dans l'entrefer entre le stator et le rotor. La principale et la plus utilisée machine de ce groupe est le moteur à induction triphasé asynchrone avec rotor en court-circuit. Il se distingue par les propriétés suivantes :

• une structure simple et robuste
• une grande sécurité de fonctionnement
• le fonctionnement quasi sans entretien
• le prix optimisé

Dans le domaine des systèmes d'entraînement électriques, ce sont les moteurs électriques suivants qui sont les plus utilisés.

• Moteurs triphasés asynchrones (avec rotor en court-circuit, à bagues, moteurs couple)
• Moteurs à courant alternatif monophasés asynchrones
• Servomoteurs asynchrones ou synchrones
• Moteurs à courant continu

Comme la régulation de la vitesse des moteurs triphasés par convertisseur de fréquence est plus facile, plus précise et demande moins d'entretien, les moteurs à courant continu et les moteurs triphasés à bagues sont de moins en moins utilisés. D'autres types de moteur asynchrone triphasé ne sont que peu fréquents dans le domaine des systèmes d'entraînement. C'est pourquoi ils ne seront pas décrits plus en détail.

La combinaison d'un moteur électrique, par exemple un moteur triphasé, avec un réducteur donne un motoréducteur. Indépendamment du principe électrique du moteur, le type d'adaptation au réducteur conditionne la structure mécanique du moteur. Les moteurs SEW sont des moteurs spécialement adaptés.

Rotor

Le bobinage (généralement aluminium et/ou cuivre) est injecté ou inséré dans les rainures du paquet de tôles rotor. En règle générale, une spire = une tige. Ces tiges sont court-circuitées aux deux extrémités par des anneaux fabriqués avec le même matériau. Imaginez : vous retirez le paquet de tôles ; les tiges avec les anneaux de court-circuit font penser à une cage. C'est pourquoi les moteurs triphasés sont aussi couramment appelés moteurs à rotor à cage.

Stator

Le bobinage coulé avec de la résine synthétique est inséré dans les rainures à demi-fermées du paquet de tôles. Le nombre et l'épaisseur des bobines varient pour obtenir différents nombres de pôles (= vitesses). Associé à la carcasse moteur, le paquet de tôles forme ce que l'on appelle le stator.

Flasques

Les flasques en acier, fonte grise ou aluminium coulé sous pression isolent les cavités intérieures du moteur côtés A et B. La structure permettant de faire la transition avec le stator entre autres détermine l'indice de protection du moteur.

Arbre rotor

Le paquet de tôles côté rotor est monté sur l'arbre en acier. Les deux extrémités d'arbre passent à travers les flasques côtés A et B. L'extrémité de l'arbre de sortie est située côté A (conçu comme pignon sur les motoréducteurs), le ventilateur et ses ailettes d'autoventilation et/ou les systèmes complémentaires, comme les freins mécaniques, etc., sont montés côté B.

Carcasse moteur

La carcasse moteur peut être en aluminium coulé sous pression en cas de petite à moyenne puissance. Sur la carcasse est montée une boîte à bornes dans laquelle les extrémités de bobine du stator sont raccordées à un bloc de raccordement pour le raccordement électrique côté machine. Les ailettes de refroidissement augmentent la surface de la carcasse et permettent une plus grande évacuation de la chaleur à dissiper dans l'environnement.

Ventilateur, capot de ventilateur

Un ventilateur monté sur le bout d'arbre côté B est protégé par un capot. Ce capot fait circuler le flux d'air, généré par le mouvement de rotation du ventilateur, via les ailettes de la carcasse. En règle générale, le mouvement du ventilateur est indépendant du sens de rotation du rotor. Un chapeau de protection en option évite que les (petites) pièces tombent à travers la grille du capot de ventilateur en cas de position de montage verticale.

Roulements

Les roulements dans les flasques côtés A et B relient mécaniquement les pièces en rotation aux pièces statiques. La plupart du temps, des roulements à billes sont utilisés. Plus rarement des roulement à rouleaux cylindriques. La taille des roulements dépend des forces qu'ils doivent absorber et des vitesses qu'ils doivent atteindre. Différents types de joints ont pour but de garantir que les caractéristiques nécessaires du lubrifiant sont conservées dans les roulements et d'empêcher toute fuite d'huile et/ou de graisse.

Le système de bobinage symétrique triphasé du stator est raccordé à un réseau triphasé de tension et de fréquence correspondantes. Des courants sinusoïdaux de même amplitude circulent dans chacun des trois enroulements. Ces courants sont décalés de 120° les uns par rapport aux autres. Étant donné que les phases sont décalées de 120° dans l'espace, le stator génère un champ magnétique qui tourne avec la fréquence de la tension appliquée.

Ce champ magnétique tournant ou champ tournant induit une tension électrique dans le bobinage rotor. Puisque le bobinage est court-circuité via une bague, des courants de court-circuit circulent. En même temps que le champ tournant, des forces s'accumulent et génèrent un couple via le rayon du rotor, ce qui accélère la vitesse du rotor dans le sens du champ tournant. La fréquence de tension générée dans le rotor baisse à mesure que la vitesse de ce dernier diminue et ce, en raison de la réduction de l'écart entre la vitesse du champ tournant et celle du rotor.

Les tensions induites désormais plus faibles entraînent des courants plus petits dans la cage du rotor et donc des forces moins importantes ainsi que des couples inférieurs. Si le rotor tournait à la même vitesse que le champ tournant, il tournerait de façon synchrone. Aucune tension ne serait induite et le moteur ne pourrait donc générer aucun couple. Cependant, le couple de charge et les couples de friction dans les roulements entraînent un écart entre la vitesse du rotor et celle du champ tournant, ce qui équilibre le couple d'accélération et le couple de charge. Le moteur fonctionne de façon asynchrone.

En fonction de la charge moteur, cette différence peut être soit plus grande, soit plus petite. En revanche, elle n'est jamais nulle car il existe toujours une certaine friction, même en marche à vide. Si le couple de charge dépasse le couple d'accélération maximale pouvant être généré par le moteur, le moteur "passe" à un état de fonctionnement non admissible, ce qui peut le cas échéant provoquer des dommages au niveau thermique.

Le mouvement relatif entre la vitesse du champ tournant et la vitesse mécanique nécessaire au fonctionnement est défini comme glissement "s" et spécifié comme pourcentage de la vitesse du champ tournant. Les moteurs d'une puissance inférieure peuvent présenter un glissement de 10 à 15 %. Les moteurs triphasés d'une puissance supérieure présentent un glissement d'environ 2 à 5 %.

Le moteur triphasé à rotor en court-circuit tire la puissance électrique du réseau de tension et la transforme en puissance mécanique ; il transforme donc la vitesse en couple. Si le moteur fonctionnait sans pertes, la puissance mécanique fournie P_out correspondrait à la puissance électrique absorbée P_in.

Cependant, des pertes se produisent également dans le moteur triphasé à rotor en court-circuit, ce qui est inévitable lors de la conversion de l'énergie. Les pertes statoriques P_Cu et les pertes rotoriques P_Z sont générées lorsqu'un courant traverse un conducteur ; les pertes de fer P_Fe sont provoquées par la remagnétisation du paquet de tôles avec une fréquence réseau. Les pertes de friction P_Rb découlent de la friction dans les roulements et les pertes d'aération découlent de l'utilisation de l'air pour refroidir. Ces pertes statoriques, rotoriques, de fer et de friction causent l'échauffement du moteur. Le rapport entre la puissance fournie et la puissance absorbée est défini comme rendement de la machine.

En raison des dispositions légales, l'accent est mis sur l'utilisation de moteurs à haut rendement ces dernières années. À cet effet, des classes de rendement ont été définies dans les conventions des normes qui ont été intégrées dans les caractéristiques techniques par les fabricants. Pour réduire les pertes significatives causées par la machine, il a fallu agir sur la structure du moteur électrique.

• Une utilisation accrue de cuivre dans le bobinage moteur (P_Cu)
• Un meilleur matériau de tôle (P_Fe)
• Une géométrie optimale du ventilateur (P_Rb)
• Des roulements optimisés du point de vue énergétique (P_Rb)

En enregistrant les couples et le courant par rapport à la vitesse, on obtient la courbe caractéristique couple - vitesse du moteur triphasé à rotor en court-circuit. Le moteur suit cette courbe caractéristique à chaque fois qu'il est mis sous tension et ce, jusqu'à atteindre le point de fonctionnement stable. Les courbes caractéristiques sont influencées par le nombre de pôles, la structure et le matériau du bobinage moteur. Il est essentiel de connaître ces courbes pour les entraînements qui fonctionnent avec des couples résistants (p. ex. dispositifs de levage).

Si le couple résistant de la machine à entraîner est supérieur au couple de démarrage minimum, le rotor reste bloqué. Le moteur n'atteint plus son point de fonctionnement nominal, c'est-à-dire le point de fonctionnement thermique stable. Si le couple résistant est supérieur au couple de démarrage, le moteur reste à l'arrêt. En cas de surcharge d'un moteur en fonctionnement (p. ex. surcharge d'un convoyeur), la vitesse diminue à mesure que la charge augmente. Si le couple résistant dépasse le couple de décrochage, le moteur décroche et la vitesse baisse jusqu'à atteindre la vitesse de démarrage minimum ou même s'arrête. Tous les scénarios entraînent des courants très élevés dans le rotor et le stator de sorte que les deux s'échauffent très rapidement. L'absence de dispositifs de protection peut entraîner la destruction thermique du moteur.

La chaleur générée dans un conducteur électrique traversé par du courant dépend de la résistance du conducteur et de l'intensité du courant qui le traverse. Des mises sous tension et des démarrages fréquents avec un couple résistant sollicitent énormément le moteur triphasé à rotor en court-circuit. L'échauffement admissible du moteur dépend de la température du moyen de refroidissement environnant (p. ex. air) et de la résistance thermique du matériau isolant du bobinage.

Les surtempératures maximales admissibles des moteurs sont réparties dans des classes d'isolation. Le moteur doit pouvoir être utilisé à une température élevée permanente basée sur sa puissance nominale dans la classe d'isolation pour laquelle il a été conçu et ce, sans subir d'endommagements. Lorsque le liquide de refroidissement atteint une température maximale de 40 °C, la surtempérature maximale admissible dans la classe d'isolation 130(B) p. ex. est dT = 80 K.

• Le mode d'exploitation le plus simple consiste à appliquer un couple de charge constant. Au bout d'un certain temps, le moteur atteint son équilibre thermique grâce à la charge permanente au point nominal. Ce mode est appelé service continu S1.
• En service temporaire S2, le moteur fonctionne à une charge constante pendant un laps de temps défini (tB). Durant ce laps de temps, le moteur n'atteint pas encore son équilibre thermique. S'ensuit un temps d'arrêt qui doit être suffisamment long pour que le moteur atteigne de nouveau la température du liquide de refroidissement.
• En service intermittent périodique S3, le moteur fonctionne à une charge constante pendant un certain laps temps (tB). Le démarrage ne doit pas impacter l'échauffement du moteur. S'ensuit un temps d'arrêt défini (tSt). La durée de service relative (ED) est précisée pour ce mode d'exploitation. Dans la norme CEI 60034-1 est indiquée la part de la durée de fonctionnement dans un cycle (= durée de fonctionnement + temps d'arrêt) de 10 minutes.
  
  Exemple : le mode d'exploitation S3/40 % est utilisé lorsque le moteur est alternativement mis sous tension pendant 4 minutes, puis mis hors tension pendant 6 minutes.

La cadence de démarrage admissible indique la fréquence à laquelle un moteur sans surcharge thermique peut être mis sous tension en une heure. Cela dépend de plusieurs facteurs.

• Les moments d'inertie de masse à accélérer
• La charge statique
• La durée de freinage
• La durée du démarrage
• La température ambiante
• La durée de service

La cadence de démarrage admissible d'un moteur peut être augmentée par les mesures suivantes.

• Augmentation de la classe d'isolation
• Sélection du moteur de la taille immédiatement supérieure
• Montage d'une ventilation forcée
• Modification du rapport de réduction et donc des rapports d'inertie des masses
• Choix d'un type de freinage alternatif

Les moteurs triphasés à rotor en court-circuit peuvent être utilisés à différentes vitesses par commutation des bobinages ou de certaines parties des bobinages. L'insertion de plusieurs bobinages dans les rainures du stator ou l'inversion du sens du courant dans les différentes parties du bobinage génèrent différents nombres de pôles. En cas de bobinages séparés, la puissance par nombre de pôles est inférieure à la moitié de la puissance du moteur monovitesse de taille identique.

Les motoréducteurs triphasés à pôles commutables sont utilisés par exemple comme entraînements de translation. La vitesse de translation est élevée lors du fonctionnement avec un faible nombre de pôles. Pour le positionnement, le bobinage à polarité élevée est commuté sur une petite vitesse. En raison de l'inertie, le moteur continue de tourner à vitesse élevée lors de la commutation. Pendant cette phase, le moteur triphasé fonctionne en tant que générateur et ralentit. L'énergie mécanique est convertie en énergie électrique, puis réinjectée dans le réseau. Les à-coups de couple causés par la commutation constituent un désavantage. Cependant, des branchements appropriés peuvent permettre de les réduire.

Le développement actuel dans le domaine des variateurs de vitesse économiques favorise le remplacement de moteurs à pôles commutables par des moteurs monovitesses régulés par variateur de vitesse dans de nombreuses applications.

Un moteur monophasé est un choix adapté si les applications

• ne nécessitent aucun couple de démarrage élevé,
• sont raccordées à un réseau à courant alternatif monophasé et
• si une puissance plutôt faible (<= 2,2 kW) est utilisée.

Les ventilateurs, pompes et compresseurs constituent des exemples d'application typiques. Il existe deux différences fondamentales en termes de structure.

D'une part, le moteur triphasé asynchrone classique est raccordé uniquement à la phase et au conducteur neutre. Le troisième raccordement est réalisé via le décalage des phases à l'aide d'un condensateur. Étant donné que le condensateur peut générer uniquement un décalage de phase de 90° et non de 120°, ce type de moteur monophasé présente généralement une puissance nominale équivalente à deux tiers de la puissance d'un moteur triphasé comparable.

La deuxième façon de concevoir un moteur monophasé consiste à faire des adaptations au niveau du bobinage. Seules deux phases sont implémentées à la place du bobinage triphasé, une phase principale et une phase auxiliaire. Les bobines décalées de 90° dans l'espace sont également alimentées au moyen du condensateur décalé lui aussi de 90°, ce qui génère le champ tournant. Les rapports de courant différents du bobinage principal et du bobinage auxiliaire permettent en règle générale uniquement deux tiers de la puissance d'un moteur triphasé de taille identique. Les moteurs de condensateur, les moteurs à pôles fendus et les moteurs à rotor en cloche, sans condensateurs, sont des moteurs typiques pour le fonctionnement monophasé.

Les deux types de moteurs monophasés sont proposés dans l'éventail des produits SEW ; ce sont les moteurs DRK.. . Les deux sont fournis avec un condensateur de fonctionnement intégré. Ce dernier étant directement intégré dans la boîte à bornes, il n'y a pas d'arêtes saillantes. Avec un condensateur de fonctionnement, 45 à 50 % du couple nominal est disponible pour le démarrage.

Pour les clients ayant besoin d'un couple de démarrage plus élevé, jusqu'à 150 % du couple nominal, SEW USOCOME fournit les valeurs de capacité nécessaires pour les condensateurs de démarrage usuels, disponibles dans les commerces spécialisés.

Les moteurs couple sont des versions spéciales de moteurs triphasés avec rotor à cage d'écureuil. Dans leur conception, leur puissance nominale est telle qu'ils consomment tout juste assez de courant pour ne pas s'endommager thermiquement lorsque la vitesse est nulle. Cette caractéristique est utile p. ex. pour ouvrir des portes, régler des aiguillages ou sur les outils de presse lorsqu'une position est atteinte et doit être maintenue au moyen d'un moteur électrique.

Un autre mode usuel est le mode de freinage par contre-courant : une charge externe est en mesure de tourner le rotor dans le sens inverse du sens de rotation du champ tournant. Le champ tournant "réduit" la vitesse et absorbe de l'énergie génératrice du système. Cette énergie est ensuite réinjectée dans le réseau, comme un freinage rotatif sans travail mécanique du frein.

SEW USOCOME propose les moteurs couple DRM.. / DR2M.. 12 pôles conçus thermiquement pour l'utilisation à long terme avec un couple nominal à l'arrêt. Les moteurs couple SEW s'adaptent aux besoins et aux différentes vitesses ; ils sont disponibles avec trois couples nominaux maximum en fonction du mode d'exploitation.

En cas d'utilisation de moteurs électriques dans les zones à risque d'explosion (selon la directive européenne 2014/34/UE, (ATEX)), certaines mesures de protection doivent être prises en ce qui concerne les entraînements. À cet effet, SEW USOCOME propose différentes exécutions de moteurs triphasés en exécution pour atmosphères explosibles en fonction du domaine et du pays d'utilisation.

Pour les applications fonctionnant directement sur réseau et qui nécessitent une vitesse synchrone où cette propriété est disponible sans codeur dans un variateur de vitesse d'entrée de gamme, SEW USOCOME propose les moteurs LSPM. LSPM signifie Line Start Permanent Magnet. Le moteur LSPM est un moteur triphasé asynchrone avec des aimants permanents supplémentaires avec rotor. Il fonctionne de façon asynchrone, se cale sur la fréquence d'alimentation pour fonctionner ensuite sans glissement en mode synchronisé par rapport à la fréquence réseau. Une technologie de moteurs qui offrent de toutes nouvelles et flexibles possibilités d'utilisation d'un système d'entraînement, par exemple le transfert de charges sans réduction de vitesse.

Ces moteurs hybrides compacts ne génèrent pas de pertes rotoriques en fonctionnement et impressionnent par leur rendement élevé. Leur rendement est conforme aux exigences des classes jusqu'à IE4.

Le moteur DR..J avec technologie LSPM est plus petit de deux tailles par rapport à un servomoteur de puissance équivalente et de même classe de rendement. Les moteurs ont donc un rendement 2 x supérieur à celui des moteurs asynchrones de même taille.