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A moteur asynchrone triphasé est une machine à courant alternatif qui transforme l'énergie électrique triphasée en énergie mécanique rotative par induction électromagnétique plutôt que par une connexion électrique directe au rotor. Un champ magnétique tournant est produit dans les enroulements du stator et ce champ induit un courant dans les barres du rotor, qui à son tour génère un couple. La vitesse du rotor suit toujours la vitesse du champ tournant par une petite marge appelée glissement, c'est exactement pourquoi cette machine est également connue sous le nom de moteur à induction triphasé .
Parce qu'il ne nécessite ni balais, ni excitation externe du rotor, ni condensateur pour démarrer, le moteur asynchrone triphasé est devenu la norme. moteur électrique triphasé pour les usines, les ateliers et les installations de services publics. Les gammes de produits typiques vont des petites unités fractionnées d'environ 0,09 kW jusqu'aux grandes tailles d'environ 375 kW, avec des options d'enroulement à 2, 4, 6 et 8 pôles couvrant tout, des ventilateurs à grande vitesse pour charges légères aux convoyeurs à faible vitesse pour charges lourdes. Les boîtiers sont généralement construits en fonte à haute résistance ou en alliage d'aluminium léger, associés à une isolation de classe F et à un indice de protection IP55 pour l'exposition à la poussière et à l'eau légère.
Bref, quand quelqu'un cherche un Moteur à induction triphasé ou un moteur triphasé à courant alternatif , ils décrivent presque toujours cette même famille de machines. Les sections restantes ci-dessous expliquent comment il fonctionne, de quoi il est fait, comment lire sa plaque signalétique et comment en dimensionner une correctement pour un travail donné.
Trois groupes d'enroulements distincts sont placés à 120 degrés électriques l'un de l'autre à l'intérieur du stator. Lorsque le courant triphasé les traverse en séquence, le champ magnétique combiné ne reste pas fixe en un seul endroit : il tourne autour de l’intérieur de l’alésage du stator à une vitesse appelée vitesse synchrone. La vitesse synchrone dépend uniquement de la fréquence d'alimentation et du nombre de pôles enroulés dans le stator, suivant la relation Ns = 120 x f / P, où f est la fréquence en hertz et P est le nombre de pôles.
Les barres du rotor se trouvent à l’intérieur de ce champ tournant mais ne sont pas physiquement connectées à l’alimentation électrique. Lorsque le champ passe devant le rotor, il induit une tension et un courant dans les barres du rotor, et ce courant induit produit son propre champ magnétique. L'interaction entre le champ du stator et le champ induit du rotor crée un couple qui entraîne le rotor, mais le rotor ne peut jamais vraiment rattraper le champ - s'il le faisait, il ne resterait aucun mouvement relatif pour induire du courant en premier lieu. Cet écart de vitesse, généralement un petit pourcentage de la vitesse synchrone sous charge normale, est le glissement qui définit une machine asynchrone (à induction).
Contrairement à une conception monophasée, un moteur asynchrone triphasé produit un véritable champ tournant à partir du moment où l'alimentation est appliquée, il est donc intrinsèquement auto-démarrant et ne dépend pas d'un condensateur de démarrage ou d'un enroulement auxiliaire. C'est l'une des raisons pour lesquelles un moteur à induction triphasé est généralement préféré une fois que la taille de la charge ou le cycle de service dépasse ce qu'une petite unité monophasée peut gérer confortablement.
Chaque moteur asynchrone triphasé est construit à partir d'un petit ensemble de pièces qui se répètent dans toutes les tailles de châssis, depuis une unité compacte dans un boîtier en aluminium jusqu'à un grand moteur triphasé industriel en fonte. L'illustration ci-dessous indique les principales sections référencées dans les descriptions qui suivent.
Disposition structurelle simplifiée d'un châssis de moteur asynchrone triphasé typique
Le stator est un empilement de fines tôles d'acier au silicium pressées dans un cadre en fonte ou en alliage d'aluminium, avec des bobines d'enroulement en cuivre insérées dans des fentes autour de l'alésage interne. L'empilement de tôles limite les pertes par courants de Foucault, tandis que le châssis lui-même confère au moteur sa résistance mécanique et sa surface de montage.
La plupart des unités industrielles utilisent un rotor à cage d'écureuil, dans lequel des barres d'aluminium ou de cuivre sont coulées dans un noyau de rotor laminé et court-circuitées aux deux extrémités par des anneaux d'extrémité. Cette conception n'a pas d'enroulements à isoler ni de bagues collectrices à entretenir, ce qui est l'une des principales raisons pour lesquelles un moteur à induction triphasé est considéré comme simple à faire fonctionner pendant de longues périodes.
Un ventilateur externe monté sur l'extrémité opposée à l'entraînement aspire l'air à travers les ailettes nervurées sur la surface du cadre, maintenant la température de l'enroulement dans la limite d'isolation de classe F. Les flasques d'extrémité maintiennent les roulements en place et maintiennent le rotor centré à l'intérieur de l'alésage du stator, tandis que la boîte à bornes fournit un point de connexion étanche pour les câbles d'alimentation entrants.
Le nombre de pôles est l'un des premiers choix à faire lors de la comparaison d'un moteur électrique triphasé pour une application donnée, car il fixe la vitesse de fonctionnement de base avant l'ajout d'une boîte de vitesses ou d'un entraînement. Avec une alimentation de 50 Hz, la vitesse synchrone pour le comptage des pôles communs est indiquée ci-dessous.
Vitesse synchrone par nombre de pôles à une fréquence d'alimentation de 50 hertz
| Nombre de pôles | Vitesse synchrone | Service typique |
|---|---|---|
| 2 pôles | 3000 tr/min | Pompes, ventilateurs à grande vitesse, compresseurs |
| 4 pôles | 1500 tr/min | Machines-outils générales, convoyeurs |
| 6 pôles | 1000 tr/min | Ventilateurs plus grands, mélangeurs, lecteurs à basse vitesse |
| 8 pôles | 750 tr/min | Transmission à faible vitesse et charge lourde |
Les étiquettes de classe d'efficacité décrivent la quantité d'énergie électrique qu'un moteur perd sous forme de chaleur plutôt que de la convertir en puissance à l'arbre. L'échelle de dénomination va de IE1 à IE4, chaque étape représentant une réduction supplémentaire des pertes grâce à un meilleur acier de stratification, des conducteurs en cuivre plus épais et des entrefers plus serrés. Un Moteur triphasé IE3 se situe dans la tranche premium de cette échelle, tandis qu'un Moteur triphasé IE4 se situe un cran au-dessus, destiné aux applications à service continu où les heures de fonctionnement sont suffisamment élevées pour que des pertes plus faibles se traduisent par une réduction significative de l'énergie gaspillée pendant la durée de vie de la machine.
Comparaison illustrative de la progression relative de l’efficacité entre les classes ; les chiffres réels varient en fonction de la puissance de sortie et du nombre de pôles
En pratique, le cours nécessaire dépend du modèle de course. Un moteur qui ne fonctionne que quelques heures par semaine ne justifie généralement pas la recherche de la classe la plus élevée disponible, tandis qu'un moteur fonctionnant en continu dans une conduite de ventilateur, de pompe ou de compresseur est un candidat sérieux pour la bande IE3 ou IE4 car les heures accumulées amplifient même un petit pourcentage de différence de pertes.
Le rendement et le facteur de puissance d'un moteur à induction triphasé ne sont pas des chiffres fixes ; ils se déplacent en fonction de la charge du moteur par rapport à sa puissance nominale. La forme générale de cette relation est cohérente dans toute la famille de produits, même si les chiffres exacts varient en fonction de la taille du cadre.
Forme typique de la courbe d'efficacité en fonction du pourcentage de charge de la puissance nominale
L'efficacité augmente généralement rapidement à mesure que la charge augmente à partir d'une charge partielle légère, atteint un large pic entre environ soixante-quinze et cent pour cent de la puissance nominale, puis diminue légèrement en cas de surcharge. C'est pourquoi le dimensionnement d'un moteur pour qu'il fonctionne près de son point nominal, plutôt que sous une forte sous-charge, a tendance à donner une efficacité et un facteur de puissance plus stables tout au long d'un changement de vitesse.
Le matériau du cadre affecte le poids, la dissipation thermique et la rigidité du montage. Les boîtiers en fonte et en alliage d'aluminium restent courants sur le marché des moteurs industriels triphasés, et le bon choix se résume généralement à l'équilibre entre poids et masse thermique qu'exige une installation donnée.
| Attribut | Boîtier en fonte | Boîtier en alliage d'aluminium |
|---|---|---|
| Poids relatif | Plus lourd | Plus léger |
| Dissipation thermique | Masse thermique élevée | Refroidissement plus rapide des surfaces |
| Gamme de cadres typique | Tailles de cadre moyennes à grandes | Tailles de cadre petites à moyennes |
| Paramètre commun | Service industriel lourd continu | Équipements à usage général et mobiles |
Quel que soit le matériau du boîtier, le système d'enroulement lui-même est normalement construit selon une isolation de classe F, ce qui offre une marge contre l'augmentation de la température lors du démarrage et des surcharges à court terme, tandis qu'un indice IP55 maintient la poussière et les jets d'eau dirigés à l'écart des enroulements internes dans l'atelier et dans les environnements extérieurs adjacents.
De nombreux acheteurs recherchant un moteur asynchrone triphasé le comparent en fait à une alternative monophasée pour une application limite. La comparaison des radars ci-dessous regroupe six attributs pratiques côte à côte.
La zone bleue représente un moteur asynchrone triphasé, la zone orange représente un moteur monophasé comparable, sur une échelle relative illustrative
Parce qu'il démarre avec un véritable champ tournant, un moteur asynchrone triphasé a tendance à fournir un couple de démarrage plus fort par unité de taille de châssis, ainsi qu'une efficacité de fonctionnement plus stable à la charge nominale. Un moteur monophasé peut toujours convenir aux outils résidentiels légers ou aux petits ateliers où l'alimentation triphasée n'est pas disponible, mais une fois que la charge, le cycle de service ou la demande de couple augmentent, un moteur à courant alternatif triphasé est généralement la voie la plus pratique pour un service industriel continu.
La combinaison d'une large plage de puissance, d'options multipolaires et d'une construction robuste est la raison pour laquelle un moteur à induction triphasé apparaît dans un si large éventail de types d'équipements.
Dans les secteurs de l’industrie manufacturière, de l’énergie, des mines, de la construction, du textile, de l’imprimerie et des machines portuaires, l’exigence sous-jacente est en grande partie la même : un moteur industriel triphasé fiable qui peut fonctionner sur de longues périodes avec des besoins de maintenance prévisibles plutôt que des arrêts fréquents imprévus.
Certaines applications nécessitent plusieurs vitesses fixes à partir d'une seule image. Les enroulements de vitesse à plusieurs étapes permettent à un moteur d'être reconnecté entre deux ou plusieurs comptes de pôles, offrant ainsi un moyen grossier mais fiable de changer de vitesse sans entraînement à fréquence variable séparé.
Lorsqu'une charge doit s'arrêter et maintenir sa position rapidement, comme sur des palans ou des tables d'indexation, un frein électromagnétique intégré serre l'arbre au moment où la puissance est coupée, raccourcissant ainsi le temps de décélération et améliorant la précision du positionnement.
L'association d'un moteur asynchrone triphasé avec un entraînement à fréquence variable permet d'ajuster la vitesse en douceur sur une large plage, ce qui est courant sur les ventilateurs, les pompes et les convoyeurs où le débit ou le débit doit suivre une demande changeante du processus plutôt que de fonctionner à une vitesse fixe unique.
Pour les installations minières de charbon, pétrochimiques et autres zones dangereuses, les boîtiers antidéflagrants contiennent tout arc interne ou étincelle afin qu'ils ne puissent pas enflammer les gaz ou poussières inflammables environnants, permettant ainsi à un moteur électrique triphasé de fonctionner en toute sécurité dans des zones où un boîtier ouvert standard ne serait pas approprié.
Le fait de suivre l'ordre suivant réduit généralement le champ rapidement, que la cible soit une petite unité en aluminium ou un gros moteur triphasé industriel en fonte.
Une formule de départ simple pour la puissance triphasée est P (kW) = (racine de trois x V x I x facteur de puissance x efficacité) / 1 000, en utilisant la tension de ligne V et le courant de ligne I. Pour une charge mécanique connue, la puissance à l'arbre en kW peut également être estimée à partir du couple et de la vitesse comme P = (Couple en Nm x Vitesse en tr/min) / 9 550, puis arrondie à la puissance nominale du châssis standard suivante avec une marge de départ raisonnable.
La puissance et les kilowatts décrivent la même puissance en utilisant différentes unités, liées par environ 1 ch = 0,746 kW. Plutôt que de choisir un chiffre de puissance isolément, il est utile de travailler à rebours à partir des données du fabricant de l'équipement entraîné ou du courant de fonctionnement mesuré, car un moteur sous-dimensionné fonctionnera à chaud sous une charge normale tandis qu'un moteur surdimensionné transporte un poids inutile et un facteur de puissance de fonctionnement inférieur à charge partielle.
Un moteur à induction triphasé est mécaniquement simple, mais une courte routine contribue grandement à maintenir les heures de fonctionnement prévisibles.
Suivre un programme simple comme celui-ci a tendance à prolonger considérablement la durée de vie pratique d'un moteur à courant alternatif triphasé plutôt que de réagir uniquement après l'apparition d'un défaut.
T1. Qu'est-ce qu'un moteur asynchrone triphaséIl s'agit d'un moteur à courant alternatif qui utilise un champ magnétique tournant dans le stator pour induire un courant dans le rotor, créant ainsi un couple sans aucune connexion électrique directe avec le rotor lui-même. | Q2. Comment fonctionne un moteur à induction triphaséLe courant triphasé dans les enroulements du stator produit un champ tournant ; ce champ induit du courant dans les barres du rotor et l'interaction entre les deux champs fait tourner l'arbre. |
Q3. Quelle est la différence entre un moteur asynchrone et un moteur à inductionIls décrivent la même machine. Asynchrone fait référence à la vitesse du rotor en retard sur la vitesse du champ, tandis que l'induction fait référence à la façon dont le courant atteint le rotor, par induction plutôt que par connexion directe. | Q4. Quels sont les avantages d'un moteur à induction triphaséConstruction simple en cage d'écureuil, démarrage automatique sans condensateur, vitesse de fonctionnement constante sous charge variable et large plage de puissance disponible allant de fractions de kilowatts à des centaines de kilowatts. |
Q5. A quoi servent les moteurs triphasésVentilateurs, pompes, compresseurs, convoyeurs, machines-outils et équipements industriels généraux dans les secteurs de la fabrication, de l'énergie, des mines, du textile et de la manutention portuaire. | Q6. Comment choisir un moteur à induction triphaséCommencez par le type de charge entraînée et la vitesse requise, dimensionnez la puissance de l'arbre avec une marge de départ, puis adaptez le nombre de pôles, le boîtier et l'indice de protection à l'environnement d'installation. |
Q7. Comment puis-je calculer la taille du moteur dont j'ai besoinEstimez la puissance de l'arbre à partir du couple de charge et de la vitesse en utilisant P égal au couple multiplié par la vitesse divisé par 9 550, puis arrondissez à la valeur nominale du cadre standard la plus proche avec une marge raisonnable. | Q8. Comment choisir la puissance du moteurTravaillez à partir des besoins de puissance réels de l'équipement entraîné plutôt que de deviner, la conversion entre la puissance et les kilowatts en utilisant environ 1 ch équivaut à 0,746 kW. |
Q9. Combien de pôles mon moteur doit-il avoirChoisissez le nombre de pôles dont la vitesse synchrone est la plus proche de la vitesse de sortie souhaitée, car cela réduit généralement la taille de toute réduction supplémentaire de boîte de vitesses ou de poulie nécessaire. | Q10. De quel entretien un moteur triphasé a-t-il besoinUne attention de routine portée au débit d'air de refroidissement, à la lubrification des roulements, aux niveaux de vibrations et aux connexions de la boîte à bornes couvre la plupart de ce qui permet à une unité de fonctionner de manière fiable dans le temps. |
