Collection technique Cahier technique n° 207

Cahier techniquen° 207Les moteurs électriques

E. Gaucheron

Collection technique

Les Cahiers Techniques constituent une collection d’une centaine de titresédités à l’intention des ingénieurs et techniciens qui recherchent uneinformation plus approfondie, complémentaire à celle des guides, catalogueset notices techniques.

Les Cahiers Techniques apportent des connaissances sur les nouvellestechniques et technologies électrotechniques et électroniques. Ils permet-tent également de mieux comprendre les phénomènes rencontrés dans lesinstallations, les systèmes et les équipements.Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thème précis dans lesdomaines des réseaux électriques, protections, contrôle-commande et desautomatismes industriels.

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Technicien supérieur en électrotechnique, de formation. Après uncourt passage chez Thomson il rejoint l’activité VVD (Variation deVitesse et Démarreur) de Télémécanique en 1970 ; puis étant auservice après vente Télémécanique il complète sa formation auxArts et Métiers de Paris. Spécialiste de la commande des moteurs, il participe à l’évolution dela variation de vitesse vers la commande des moteurs alternatifs. Sonexpérience s’enrichit dans les différents postes qu’il occupe : plate-formiste système puis chef de produits variateurs pour machine-outil,chef de produit variateur pour moteur asynchrone (produits Altivar) etresponsable de l’équipe marketing projet de VVD.Actuellement, il est le spécialiste « applications » autour de lacommande moteur au sein de l’équipe anticipation pour l’activité PCP(Protection et Commande de Puissance) de Schneider Electric.

n° 207Les moteurs électriques… pour mieux les piloter et les protéger

CT 207 édition juin 2004

Etienne Gaucheron

Cahier Technique Schneider Electric n° 207 / p.2


Les moteurs électriques… pour mieux les piloter et les protéger

Sommaire

1 Les moteurs asynchrones triphasés 1.1 Principe de fonctionnement p. 4

1.2 Constitution p. 6

1.3 Les différents types de rotor p. 6

2 Les autres types de moteurs électriques 2.1 Les moteurs asynchrones monophasés p. 10

2.2 Les moteurs synchrones p. 10

2.3 Moteurs à courant continu p. 14

3 Exploitation des moteurs asynchrones 3.1 Moteurs à cage p. 17

3.2 Moteurs à bagues p. 19

3.3 Autres systèmes de variation de vitesse p. 20

4 Conclusion p. 22

Les moteurs électriques sont de nos jours, à l’exception des dispositifsd’éclairage, les récepteurs les plus nombreux dans les industries et lesinstallations tertiaires. Leur fonction, de convertir l’énergie électrique enénergie mécanique, leur donne une importance économique touteparticulière qui fait qu’aucun concepteur d’installation ou de machine,aucun installateur et aucun exploitant ne peut les ignorer.

Parmi tous les types de moteurs existants, les moteurs asynchronestriphasés notamment les moteurs à cage sont les plus utilisés dansl’industrie et au-delà d’une certaine puissance dans les applications dubâtiment tertiaire. De plus, bien que leur commande par des équipementsà contacteurs soit parfaitement adaptée pour un grand nombred'applications, l'emploi de matériels électroniques en constanteprogression élargit leur champ d’application. C’est le cas pour contrôler ledémarrage et l'arrêt avec les démarreurs-ralentisseurs progressifs, commelorsqu'un réglage précis de la vitesse est également nécessaire avec lesvariateurs-régulateurs de vitesse.

Toutefois, les moteurs asynchrones à bagues sont utilisés pour certainesapplications de forte puissance dans l’industrie et les moteurs asynchronesmonophasés restent adaptés pour des applications de puissances limitéesplutôt pour les applications du bâtiment.

L’utilisation des moteurs synchrones dits sans balais ou à aimantspermanents associés à des convertisseurs se généralise dans lesapplications nécessitant de fortes performances, notamment en coupledynamique (au démarrage ou aux changements de régime), et enprécision et plage de vitesse.

Ce Cahier Technique, après une présentation des divers types de moteursélectriques et de leur principe de fonctionnement, détaille plusparticulièrement la technique et les particularités d'emploi des moteursasynchrones, notamment les principaux dispositifs de démarrage, leréglage de vitesse et le freinage qui leur sont associés. Il est une base deconnaissance minimale pour bien comprendre toute la problématique quereprésente le pilotage et la protection des moteurs.

Ce Cahier Technique aborde brièvement la variation de vitesse desmoteurs électriques. Ce sujet est traité spécifiquement dans le CahierTechnique CT 208 « Démarreurs et variateurs de vitesse électroniques ».La protection des moteurs fait l’objet d’un Cahier Technique en cours derédaction.


1 Les moteurs asynchrones triphasés

Ce chapitre est consacré à la présentation desmoteurs asynchrones triphasés, moteurs lesplus utilisés pour l'entraînement des machines.Ces moteurs s’imposent en effet dans un grandnombre d'applications en raison des avantagesqu'ils présentent : normalisés, ils sont robustes,simples d’entretien, faciles à mettre en œuvre etde faible coût.

La présentation des autres types de moteurs faitl’objet du chapitre 2.La description et la comparaison des principauxdispositifs de démarrage, réglage de vitesse etfreinage qui leur sont associés font l’objet duchapitre 3.

1.1 Principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement d'un moteurasynchrone repose sur la création d'un courantinduit dans un conducteur lorsque celui-ci coupeles lignes de force d'un champ magnétique, d'oùle nom de « moteur à induction ». L’actioncombinée de ce courant induit et du champmagnétique crée une force motrice sur le rotordu moteur.

Supposons une spire ABCD en court-circuit,située dans un champ magnétique B, et mobileautour d'un axe xy (cf. fig. 1 ).

Si, par exemple, nous faisons tourner le champmagnétique dans le sens des aiguilles d'unemontre, la spire est soumise à un flux variable etdevient le siège d'une force électromotriceinduite qui donne naissance à un courant induit i(loi de Faraday).

D'après la loi de Lenz, le sens du courant est telqu'il s'oppose par son action électromagnétiqueà la cause qui lui a donné naissance. Chacundes deux conducteurs est donc soumis à uneforce F de Laplace (de Lorentz, pour les Anglo-saxons), de sens opposé à son déplacementrelatif par rapport au champ inducteur.

La règle des trois doigts de la main droite (actiondu champ sur un courant, cf. fig. 2 ) permet dedéfinir facilement le sens de la force F appliquéeà chaque conducteur.

Le pouce est placé dans le sens du champ del'inducteur. L'index indique le sens de la force.Le majeur est placé dans le sens du courantinduit. La spire est donc soumise à un couple quiprovoque sa rotation dans le même sens que lechamp inducteur, appelé champ tournant. Laspire se met donc en rotation et le coupleélectromoteur produit équilibre le couplerésistant.

Fig. 1 : Création d’un courant induit dans une spire encourt-circuit.

Fig. 2 : La règle des trois doigts de la main droite pourtrouver la direction de la force.

Champ

Chemin(force)

Courant

Nord

i

D

F

C

y

x

A

B

i

B

Sud

F


Création du champ tournant

Trois enroulements, géométriquement décalésde 120°, sont alimentés chacun par une desphases d'un réseau triphasé alternatif(cf. fig. 3 ). Les enroulements sont parcouruspar des courants alternatifs présentant le mêmedécalage électrique, et qui produisent chacun unchamp magnétique alternatif sinusoïdal. Cechamp, toujours dirigé suivant le même axe, estmaximal quand le courant dans l'enroulementest maximal.

Le champ généré par chaque enroulement est larésultante de deux champs qui tournent en sensinverse et ayant chacun pour valeur constante lamoitié de la valeur du champ maximal. A uninstant t1 quelconque de la période (cf. fig. 4 ),les champs produits par chaque enroulementpeuvent être représentés comme suit :v le champ H1 diminue. Les 2 champs qui lecomposent ont tendance à s'éloigner de l'axeOH1,v le champ H2 augmente. Les 2 champs qui lecomposent ont tendance à se rapprocher del'axe OH2,

Fig. 3 : Principe d’un moteur asynchrone triphasé.

Fig. 4 : Champs générés par les trois phases.

v le champ H3 augmente. Les 2 champs qui lecomposent ont tendance à se rapprocher del'axe OH3.

Le flux correspondant à la phase 3 est négatif.Le champ est donc dirigé dans le sens opposé àla bobine.

En superposant les trois diagrammes, nousconstatons que :

v les trois champs tournant dans le sens inversedes aiguilles d'une montre sont décalés de 120°et s'annulent,

v les trois champs tournant dans le sens desaiguilles d'une montre se superposent. Ceschamps s'additionnent pour former le champtournant d'amplitude constante 3Hmax/2. C'estun champ à une paire de pôles.Ce champ effectue un tour pendant une périodedu courant d'alimentation. Sa vitesse est fonctionde la fréquence du réseau (f), et du nombre depaires de pôles (p). Elle est appelée « vitesse desynchronisme ».

Glissement

Le couple moteur ne peut exister que si uncourant induit circule dans la spire. Ce coupleest déterminé par le courant qui circule dans laspire et qui ne peut exister que s'il existe unevariation de flux dans cette spire. Il faut doncqu'il y ait une différence de vitesse entre la spireet le champ tournant. C'est la raison pourlaquelle un moteur électrique fonctionnantsuivant le principe que nous venons de décrireest appelé « moteur asynchrone ». La différenceentre la vitesse de synchronisme (Ns) et celle dela spire (N) est appelée « glissement » (g) ets'exprime en % de la vitesse de synchronisme.

g = [(Ns - N) / Ns] x 100

En fonctionnement, la fréquence du courantrotorique s’obtient en multipliant la fréquenced’alimentation par le glissement. Au démarragela fréquence du courant rotorique est doncmaximale.

120˚

B3 B2

H2H3

Ph2Ph3 Ph1

H1 B1

Ph1

H2 max2

Ph3Ph2

H2O

H2 max2

H3 max2

H3 max2

H3

O

Ph2Ph3

Ph1

Ph2

H1 max2

H1 max2

Ph1

Ph3

O

H1


Le glissement en régime établi est variablesuivant la charge du moteur et selon le niveaude la tension d’alimentation qui lui est appliqué :il est d'autant plus faible que le moteur est peuchargé, et il augmente si le moteur est sousalimenté.

Vitesse de synchronismeLa vitesse de synchronisme des moteursasynchrones triphasés est proportionnelle à lafréquence du courant d’alimentation etinversement proportionnelle au nombre depaires de pôles constituant le stator.Par exemple :Ns = 60 f/pAvec :v Ns : vitesse de synchronisme en tr/minv f : fréquence en Hz,v p : nombre de paires de pôles.

Pour les fréquences industrielles de 50 Hz et60 Hz et une autre fréquence (100 Hz), lesvitesses de rotation du champ tournant, ouvitesses de synchronisme, en fonction dunombre de pôles, sont données dans le tableaude la figure 5 .

Dans la pratique il n’est pas toujours possibled'augmenter la vitesse d'un moteur asynchrone

Fig. 5 : Vitesses de synchronisme fonction du nombrede pôles et de la fréquence du courant.

en l'alimentant sous une fréquence supérieure àcelle pour laquelle il est prévu, même si latension est adaptée. Il convient en effet devérifier si ses conceptions mécanique etélectrique le permettent.A noter que compte tenu du glissement, lesvitesses de rotation en charge des moteursasynchrones sont légèrement inférieures auxvitesses de synchronisme indiquées dans letableau.

1.2 Constitution

Un moteur asynchrone triphasé à cage comportedeux parties principales : un inducteur ou statoret un induit ou rotor.

Le statorC’est la partie fixe du moteur. Une carcasse enfonte ou en alliage léger renferme une couronnede tôles minces (de l'ordre de 0,5 mmd'épaisseur) en acier au silicium. Les tôles sontisolées entre elles par oxydation ou par un vernisisolant. Le « feuilletage » du circuit magnétiqueréduit les pertes par hystérésis et par courantsde Foucault.Les tôles sont munies d’encoches danslesquelles prennent place les enroulementsstatoriques destinés à produire le champtournant (trois enroulements dans le cas d'un

moteur triphasé). Chaque enroulement estconstitué de plusieurs bobines. Le mode decouplage de ces bobines entre elles définit lenombre de paires de pôles du moteur, donc lavitesse de rotation.

Le rotor

C’est l’élément mobile du moteur. Comme lecircuit magnétique du stator, il est constitué d'unempilage de tôles minces isolées entre elles etformant un cylindre claveté sur l'arbre du moteur.Cet élément, de par sa technologie, permet dedistinguer deux familles de moteurs asynchrones :ceux dont le rotor est dit « à cage », et ceux dontle rotor bobiné est dit « à bagues ».

1.3 Les différents types de rotor

Le rotor à cagePlusieurs types de rotor à cage existent, ils sonttous conçus selon l’exemple de la figure 6 .

En citant ces moteurs dans l'ordre du moinsrépandu au plus courant :

c Rotor à cage résistanteLe rotor résistant existe surtout en simple cage(voir plus loin la définition du moteur simple

cage). La cage est fermée par deux anneauxrésistants (alliage particulier, section réduite,anneaux d'inox …).Ces moteurs présentent un fort glissement aucouple nominal.Leur couple de démarrage est élevé et lecourant de démarrage faible (cf. fig. 7 ).En raison des pertes dans le rotor, leurrendement est faible.

Nombre Vitesse de rotation en tr/minde pôles

50 Hz 60 Hz 100 Hz

2 3000 3600 6000

4 1500 1800 3000

6 1000 1200 2000

8 750 900 1500

10 600 720 1200

12 500 600 1000

16 375 540 750


Fig. 6 : Eclaté d’un moteur à rotor à cage.

Ces moteurs sont en principe utilisés sur desapplications pour lesquelles il est intéressantd’avoir du glissement afin d’adapter la vitesse enfonction du couple, par exemple :v cas de plusieurs moteurs liés mécaniquementsur lesquels doit être répartie la charge, tels que

Fig. 7 : Courbes couple/vitesse suivant les types derotors à cage (à Un).

1. Ces moteurs asynchrones moto-ventilés à fortglissement sont utilisés en variation de vitesse, leurcourant au calage est voisin de leur courant nominal ; leurcaractéristique de couple/vitesse est très plongeante.Avec une alimentation variable il est possible d'adaptercette caractéristique et de régler le couple moteur enfonction de la traction souhaitée.

train à rouleaux d’un laminoir, entraînement d’unportique de levage ;v fonction enrouleur-dérouleur à partir demoteurs Alquist (1) prévus à cet effet ;v besoin d’un fort couple de démarrage avec uncourant d’appel limité (palans de levage ouconvoyeurs).

Ils permettent la variation de vitesse parmodification de la seule tension, mais cetteapplication tend à disparaître au profit desconvertisseurs de fréquence. Si tous les moteurssont auto-ventilés, certains moteurs avec rotor àcage résistante sont moto-ventilés (motorisationdistincte de leur ventilateur).

c Rotor à simple cageDans des trous ou dans des encoches disposéssur le pourtour du rotor (à l’extérieur du cylindreconstitué par l’empilage de tôles) sont placésdes conducteurs reliés à chaque extrémité parune couronne métallique et sur lesquels vients'exercer le couple moteur généré par le champtournant. Pour que le couple soit régulier, les

N0

C

Rotor à simple cage

Rotor à double cage

Rotor à cage résistante

Boîte de raccordement

Enroulementstatorique

Roulement

Flasque paliercôté bout d'arbre

Roulement

Rotor à cage

Stator

VentilateurCapot deventilation

Flasque paliercôté ventilateur


conducteurs sont légèrement inclinés par rapportà l'axe du moteur. L’ensemble a l’aspect d’unecage d’écureuil, d’où le nom de ce type de rotor.La cage d’écureuil est généralemententièrement moulée, (seuls les très grosmoteurs sont réalisés à l'aide de conducteursinsérés dans des encoches ). L’aluminium estinjecté sous pression et les ailettes derefroidissement, coulées lors de la mêmeopération, assurent la mise en court-circuit desconducteurs du stator.Ces moteurs ont un couple de démarragerelativement faible et le courant absorbé lors dela mise sous tension est très supérieur aucourant nominal (cf. fig. 7 ).En contre partie ils ont un faible glissement aucouple nominal.Ces moteurs sont utilisés principalement en fortepuissance pour améliorer le rendement desinstallations sur des pompes et ventilateurs. Ilssont également associés à des convertisseursde fréquence en vitesse variable, les problèmesde couple et de courant de démarrage sont alorsparfaitement résolus.

c Rotor à double cageIl comporte deux cages concentriques, l’uneextérieure, de faible section et assez résistante,I’autre intérieure, de forte section et derésistance plus faible.

v Au début du démarrage, les courantsrotoriques étant à fréquence élevée, l'effet depeau qui en résulte fait que la totalité du courantrotorique circule à la périphérie du rotor et doncdans une section réduite des conducteurs. Audébut du démarrage, le courant rotorique étantde fréquence élevée, le courant ne circule quedans la cage extérieure. Le couple produit par lacage extérieure résistante est important etl’appel de courant réduit (cf. fig. 7 ).

v En fin de démarrage, la fréquence diminuedans le rotor, le passage du flux à travers lacage intérieure est plus facile. Le moteur secomporte alors sensiblement comme s’il étaitconstruit avec une seule cage peu résistante.En régime établi, la vitesse n’est que trèslégèrement inférieure à celle du moteur à simplecage.

c Rotor à encoches profondesC'est la réalisation standard.Les conducteurs rotoriques sont moulés dansles encoches du rotor qui sont de formetrapézoïdale dont le petit coté du trapèze sesitue à l'extérieur du rotor.Le fonctionnement est analogue au moteur àdouble cage : l’intensité du courant rotoriquevarie en fonction inverse de sa fréquence.

Ainsi :

v Au début du démarrage, le couple est élevé etl’appel de courant réduit.

v En régime établi, la vitesse est sensiblementcelle du moteur à simple cage.

Le rotor bobiné (rotor à bagues)

Dans des encoches pratiquées à la périphériedu rotor sont logés des enroulements identiquesà ceux du stator (cf. fig. 8 ). Généralement lerotor est triphasé.Une extrémité de chacun des enroulements estreliée à un point commun (couplage étoile). Lesextrémités libres peuvent être raccordées sur uncoupleur centrifuge ou sur trois bagues encuivre, isolées et solidaires du rotor. Sur cesbagues viennent frotter des balais à base degraphite raccordés au dispositif de démarrage.

En fonction de la valeur des résistancesinsérées dans le circuit rotorique, ce type demoteur peut développer un couple de démarrages’élevant jusqu’à 2,5 fois le couple nominal.

Le courant au démarrage est sensiblementproportionnel au couple développé sur l’arbremoteur.Cette solution est de plus en plus abandonnéeau profit de solutions électroniques associées àun moteur à cage standard. En effet cesdernières permettent de résoudre des problèmesde maintenance (remplacement des balaisd’alimentation du rotor usés, entretien desrésistances de réglage), de réduire l’énergiedissipée dans ces résistances et aussid’améliorer de façon importante le rendement del’installation.


Fig. 8 : Eclaté d’un moteur à rotor à bagues.

Boîte de raccordement

Roulement

Balais

Flasque paliercôté bout d'arbre

Roulement

Rotor bobinéà encoches

Stator

Ventilateur

Capot deventilation

Flasque paliercôté bagues

Bagues

Couvercle d'accès aux balais


2 Les autres types de moteurs électriques

2.1 Les moteurs asynchrones monophasés

Le moteur asynchrone monophasé, bien quemoins utilisé dans l’industrie que son homologuetriphasé, représente néanmoins une partd'applications non négligeable dans les petitespuissances et dans les applications du bâtimentqui utilisent le réseau monophasé 230 V .A puissance égale, il est plus volumineux qu'unmoteur triphasé.Par ailleurs, son rendement et son cosinus ϕsont beaucoup plus faibles que dans le cas dutriphasé et ils varient considérablement enfonction d’une part de la puissance, d’autre partdu constructeur.Les moteurs monophasés jusqu’à une dizainede kW sont d’utilisation courante aux Etats Unis.

ConstitutionLe moteur monophasé, comme le moteurtriphasé, est composé de deux parties : le statoret le rotor.c Le statorIl comporte un nombre pair de pôles et sesbobinages sont raccordés sur le réseaud’alimentation.c Le rotorIl est le plus souvent à cage d’écureuil.

Principe de fonctionnement

Considérons un stator comprenant deuxenroulements raccordés sur le réseaud’alimentation L1 et N (cf. fig. 9 ).Le courant alternatif monophasé engendre dansle rotor un champ alternatif simple H qui est lasuperposition de deux champs tournants H1 etH2 de même valeur et de sens contraires.

A l’arrêt, le stator étant alimenté, ces champsprésentent le même glissement par rapport aurotor et produisent par conséquent deux coupleségaux et opposés. Le moteur ne peut démarrer.Une impulsion mécanique sur le rotor provoqueune inégalité des glissements. L’un des couplesdiminue pendant que l’autre augmente. Lecouple résultant provoque le démarrage dumoteur dans le sens où il a été lancé.

Afin de résoudre ce problème de couple lors dela phase de démarrage, un deuxième bobinagedécalé de 90° est inséré dans le stator. Cettephase auxiliaire est alimentée par un artifice dedéphasage (condensateur ou inductance) ; unefois le démarrage effectué la phase auxiliairepeut être supprimée.Nota : Un moteur triphasé peut être égalementutilisé en monophasé, le condensateur dedémarrage est alors inséré en série ou enparallèle avec l’enroulement non utilisé.

Fig. 9 : Principe de fonctionnement d’un moteurasynchrone monophasé.

2.2. Les moteurs synchrones

Constitution

Le moteur synchrone se compose, comme lemoteur asynchrone, d'un stator et d'un rotorséparés par l'entrefer. Il s'en différencie par lefait que le flux dans l'entrefer n'est pas dû à unecomposante du courant statorique : il est créépar des aimants ou par le courant inducteurfourni par une source à courant continuextérieure qui alimente un enroulement placédans le rotor.

c Le statorLe stator comprend une carcasse et un circuitmagnétique généralement constitués de tôles

d'acier au silicium et d’un bobinage triphaséanalogue à celui d’un moteur asynchronealimenté en courant alternatif triphasé pourproduire un champ tournant.

c Le rotorLe rotor porte des aimants ou des bobinesd'excitation parcourues par un courant continuqui créent des pôles Nord et Sud intercalés. Lerotor, à la différence des machines asynchronestourne sans glissement à la vitesse du champtournant.Il existe donc deux types distincts de moteurssynchrones : les moteurs à aimants et lesmoteurs à rotor bobiné.

L1 N

H1 H2

HEnroulement statorique

Enroulement statorique

Rotor


v Pour les premiers, le rotor du moteur estéquipé d'aimants permanents (cf. fig. 10 ), engénéral en terre rare pour obtenir un champélevé dans un volume réduit. Le stator comporteles enroulements triphasés.Ces moteurs peuvent accepter des courants desurcharge importants pour réaliser desaccélérations très rapides. Ils sont toujoursassociés à un variateur de vitesse et cesensembles moto-variateurs sont destinés à desmarchés spécifiques comme ceux des robots oudes machines-outils pour lesquels un moindrevolume des moteurs, les accélérations et labande passante sont des impératifs.

Fig. 10 : Coupe d’un moteur à aimants permanents.

v Les autres machines synchrones sont à rotorbobiné, elles sont réversibles et peuventfonctionner en générateurs (alternateurs) ou enmoteurs. Pendant longtemps ces machines ontsurtout été utilisées en alternateurs. Leur usageen moteur était pratiquement confiné auxapplications où il était nécessaire d'entraîner descharges à vitesse fixe en dépit des variationsrelativement importantes de leur couplerésistant.Le développement des convertisseurs defréquence directs (du type cycloconvertisseur)ou indirects fonctionnant en commutationnaturelle grâce à l'aptitude des machinessynchrones à fournir de la puissance réactive, apermis la réalisation d'entraînements électriquesà vitesse variable performants, fiables etparticulièrement compétitifs par rapport auxsolutions concurrentes lorsque la puissancedépasse le mégawatt.Bien que l’on puisse trouver des moteurssynchrones utilisés industriellement dans lagamme de puissance de 150 kW à 5 MW, c’estau-delà de 5 MW que les entraînementsélectriques utilisant des moteurs synchrones sesont pratiquement imposés, majoritairementassociés à des variateurs de vitesse.

Caractéristiques de fonctionnementLe couple moteur de la machine synchrone estproportionnel à la tension à ses bornes alors quecelui de la machine asynchrone estproportionnel au carré de cette tension.Contrairement au moteur asynchrone, il peuttravailler avec un facteur de puissance égal àl'unité ou très voisin de celle-ci.

Le moteur synchrone, par rapport au moteurasynchrone, bénéficie donc d’un certain nombrede particularités avantageuses en ce quiconcerne son alimentation par le réseau àtension et fréquence constantes :v la vitesse du moteur est constante, quelle quesoit la charge ;v il peut fournir de la puissance réactive etpermettre d’améliorer le facteur de puissanced’une installation,v il peut supporter sans décrocher des chutes detension relativement importantes (de l'ordre de50 % en raison de ses possibilités desurexcitation).

Toutefois, le moteur synchrone alimentédirectement par le réseau de distributiond'énergie à tension et fréquence constantesprésente deux inconvénients :v il a des difficultés de démarrage ; de fait, si lemoteur n’est pas associé à un variateur devitesse, le démarrage doit s’effectuer à vide, soitpar démarrage direct pour les petits moteurs,soit à l’aide d’un moteur de lancement quil’entraîne à une vitesse proche du synchronismeavant le couplage direct sur le réseau,v il peut décrocher si le couple résistant dépasseson couple électromagnétique maximal et, dansce cas, il faut reprendre tout le processus dedémarrage.

Autres types de moteurs synchronesPour terminer le tour d’horizon des moteursindustriels citons les moteurs linéaires, lesmoteurs asynchrones synchronisés et lesmoteurs pas à pas.

c Les moteurs linéairesLeur structure est identique à celle des moteursrotatifs de type synchrone : ils sont composésd’un stator (plateau) et d’un rotor (tige d’avance)développés en ligne. En général le plateau sedéplace sur une glissière le long de la tiged’avance.Ce type de moteur s’affranchit de toutecinématique intermédiaire pour la transformationdu mouvement d’où l’absence de jeu et d’usuremécanique de cet entraînement.

c Les moteurs asynchrones synchronisésCe sont des moteurs à induction. Lors de laphase de démarrage, le moteur fonctionne enmode asynchrone et lorsqu'il a atteint unevitesse proche du synchronisme, il passe enmode synchrone.

11

10

12 12

3

4

5

678

9

S S

N

N

Enroulementstatorique

Rotor à aimantspermanents(4 pôles)


Si sa charge mécanique est importante, il nepeut plus tourner en mode synchrone et repasseen mode asynchrone.Cette particularité est obtenue par uneconstruction spéciale du rotor et en général pourdes moteurs de faible puissance.

c Les moteurs pas à pasLe moteur pas à pas est un moteur qui tourne enfonction des impulsions électriques alimentantses bobinages. Selon son alimentationélectrique, il peut être de type :v unipolaire si ses bobinages sont toujoursalimentés dans le même sens par une tensionunique, d'où le nom d'unipolaire ;v bipolaire lorsque ses bobinages sont alimentéstantôt dans un sens, tantôt dans l'autre sens. Ilscréent une fois un pôle Nord, une fois un pôleSud d'où le nom de bipolaire.Les moteurs pas à pas peuvent être à réluctancevariable, à aimants ou une combinaison desdeux (cf. fig. 11 ).

L'angle de rotation minimal entre deuxmodifications des impulsions électriquess'appelle un pas. On caractérise un moteur par

le nombre de pas par tour (c’est-à-dire pour360°). Les valeurs courantes sont 48, 100 ou200 pas par tour.

La rotation du moteur se fait donc de manièrediscontinue. Pour améliorer la résolution, cenombre de pas peut être augmenté de manièrepurement électronique (fonctionnement enmicropas).

En faisant varier par échelon le courant(cf. fig. 12 ) dans les bobines, on crée un champrésultant qui glisse d'un pas à un autre, ce qui apour résultat la réduction effective du pas.Les circuits pour micropas multiplient par 500 lenombre de pas d’un moteur qui passe ainsi, parexemple, de 200 à 100 000 pas.

L'électronique permet de piloter la chronologiede ces impulsions et d'en comptabiliser lenombre. Les moteurs pas à pas et leur circuit decommande permettent ainsi la rotation d'un axeavec beaucoup de précision en vitesse et enamplitude.

Leur fonctionnement s’apparente donc à celuid’un moteur synchrone quand l’arbre est enrotation continue, ce qui correspond à des

Fig. 11 : Les trois types de moteur pas à pas.

45˚ 15˚ 30˚

Type Bipolaire à Unipolaire à Bipolaireaimant réductance hybridepermanent variable

Caractéristiques 2 phases, 4 fils 4 phases, 8 fils 2 phases, 4 fils

Nombre pas/tour 8 24 12

Etapes de Fonctionnement

Pas 1

Etat intermédiaire

Pas 2


Fig. 12 : Echelons de courant appliqués aux bobines d’un moteur pas à pas pour réduire son pas.

limites spécifiées de fréquence, de couple etd’inertie de la charge entraînée (cf. fig. 13 ). Sices limites sont dépassées, le moteur décrochece qui se traduit par l’arrêt du moteur.

Un positionnement angulaire précis est possiblesans boucle de mesure. Ces moteurs depuissance en général en dessous du kW, sont,pour les petits modèles alimentés en bassetension. Industriellement, ces moteurs sontutilisés pour des applications de positionnementtelles que réglage de butées pour coupe à

Fig. 13 : Couple maximal en fonction de la fréquence du pas.

longueur, commande de vannes, de dispositifsoptiques ou de mesure, chargement décharge-ment de presses ou de machines outils etc.

La simplicité de cette solution la rendparticulièrement économique (pas de boucle deretour). Les moteurs pas à pas à aimantsprésentent également l’avantage d’un couple àl’arrêt en l’absence d’alimentation. Par contre, laposition initiale du mobile doit être connue etprise en compte par l’électronique afin d’assurerun pilotage efficace.

Fréquence limite de démarrage

Plage d'accélération

Couple limite de travail

Fréquence maximale des pas

Fréquence des pas (Hz)

Couple

Coupled'arrêt

Plage de démarrage

0,86

0,5

B1 I1B1

tB2

I2B2

t


2.3 Moteurs à courant continu

Les moteurs à courant continu à excitationséparée sont encore quelquefois utilisés pourl'entraînement à vitesse variable des machines.Très faciles à miniaturiser, ils s'imposent dansles très faibles puissances et les faiblestensions. Ils se prêtent également fort bien,jusqu'à des puissances importantes (plusieursmégawatts), à la variation de vitesse avec destechnologies électroniques simples et peuonéreuses pour des performances élevées(plage de variation couramment exploitée de 1 à100).

Leurs caractéristiques permettent également unerégulation précise du couple, en moteur ou engénérateur. Leur vitesse de rotation nominale,indépendante de la fréquence du réseau, estaisément adaptable par construction à toutes lesapplications.

Ils sont en revanche moins robustes que lesmoteurs asynchrones et beaucoup plus chers,tant en coût matériel qu'en maintenance, car ilsnécessitent un entretien régulier du collecteur etdes balais.

Constitution

Un moteur à courant continu est composé deséléments suivants :c L'inducteur ou statorC'est un élément du circuit magnétique immobilesur lequel un enroulement est bobiné afin deproduire un champ magnétique. L'électro-aimantainsi réalisé comporte une cavité cylindriqueentre ses pôles.c L'induit ou rotorC'est un cylindre en tôles magnétiques isoléesentre elles et perpendiculaires à l'axe ducylindre. L'induit est mobile en rotation autour deson axe et est séparé de l'inducteur par unentrefer. A sa périphérie, des conducteurs sontrégulièrement répartis.c Le collecteur et les balaisLe collecteur est solidaire de l'induit.Les balais sont fixes, ils frottent sur le collecteuret ainsi alimentent les conducteurs de l'induit.

Principe de fonctionnement

Lorsque l'inducteur est alimenté, il crée unchamp magnétique (flux d’excitation) dansl'entrefer, dirigé suivant les rayons de l'induit. Cechamp magnétique « rentre » dans l'induit ducôté du pôle Nord de l'inducteur et « sort » del'induit du côté du pôle Sud de l'inducteur.

Quand l'induit est alimenté, ses conducteurssitués sous un même pôle inducteur (d'un mêmecôté des balais) sont parcourus par des courantsde même sens et sont donc, d'après la loi deLaplace, soumis à une force. Les conducteurssitués sous l'autre pôle sont soumis à une force

de même intensité et de sens opposé. Les deuxforces créent un couple qui fait tourner l'induit dumoteur (cf. fig. 14 ).Lorsque l’induit du moteur est alimenté sous unetension continue ou redressée U, il produit uneforce contre-électromotrice E dont la valeur estE = U – RIRI représente la chute de tension ohmique dansl'induit.La force contre-électromotrice E est liée à lavitesse et à l'excitation par la relation E = k ω Φdans laquelle :v k est une constante propre au moteur,v ω, la vitesse angulaire,v Φ, le flux.

Cette relation montre qu'à excitation constante laforce contre-électromotrice E, proportionnelle àω, est une image de la vitesse.

Le couple est lié au flux inducteur et au courantdans l'induit par la relation :C = k Φ IEn réduisant le flux, le couple diminue.

Deux méthode permettent de faire croître lavitesse.

c Soit augmenter la force contre-électromotrice E,donc la tension d'alimentation à excitationconstante : c'est le fonctionnement dit « à coupleconstant » ;

c Soit diminuer le flux d'excitation, donc lecourant d'excitation, en maintenant la tensiond'alimentation constante : c'est lefonctionnement dit en régime « défluxé » ou « àpuissance constante ». Ce fonctionnementimpose que le couple soit décroissant avecl'augmentation de vitesse (cf. fig. 15 ). D'autrepart, pour des rapports élevés de défluxage cefonctionnement nécessite des moteurs

Fig. 14 : Production d’un couple dans un moteur àcourant continu.

F

F

i f i f

I

I

NS

Pôle inducteur Pôle inducteur

Balai

Balai


spécialement adaptés (mécaniquement etélectriquement) pour s'affranchir des problèmesde commutation.

Le fonctionnement d'un tel appareil (moteur àcourant continu) est réversible :v si la charge s’oppose au mouvement derotation (charge dite résistante), l’appareil fournitun couple et fonctionne en moteur,v si la charge est telle qu’elle tend à faire tournerl’appareil (charge dite entraînante) ou qu’elles’oppose au ralentissement (phase d’arrêt d’unecharge présentant une certaine inertie), l’appareilfournit de l'énergie électrique et fonctionne engénératrice.

Différents types de moteurs à courantcontinu (cf. fig. 16 )

c A excitation parallèle (séparée ou shunt)Les bobinages, induit et inducteur, sontconnectés en parallèle ou alimentés par deuxsources de tensions différentes pour desquestions d’adaptation aux caractéristiques de lamachine (ex. : tension d’induit 400 volts ettension d’inducteur 180 volts).

L'inversion du sens de rotation s'obtient parl'inversion de l'un ou de l'autre desenroulements, en général par inversion de latension d'induit en raison des constantes detemps beaucoup plus réduites. La majorité des

Fig. 15 : Courbes couple/vitesse d’un moteur à excitation séparée.

Fig. 16 : Schémas des différents types de moteurs à courant continu.

Couple

Un

; Φn

0 Nmax

-Cn

-Cmax

CnI = In

I = Imax

I = -In

I = -Imax

Cmax

Vitesse

Fonctionnement à :couple puissanceconstant constante

b : à puissance constantea : à couple constant

Couple

U=

-Un

U=

0

U=

-0,8

Un

U=

-0,6

Un

U=

-0,4

Un

U=

-0,2

Un

U=

0,2U

n

U=

0,4U

n

U=

0,8U

n

U=

Un

U=

0,6U

n

Vitesse0 Nn

M

M M

M

Alim 1 Alim

a : Moteur à excitation séparée

b : Moteur à excitation série

c : Moteur à excitation shunt

d : Moteur à excitation composée

Alim 2

AlimAlim


variateurs bidirectionnels pour moteur à courantcontinu travaillent de la sorte.

c A excitation sérieCe moteur est de construction semblable à celledu moteur à excitation séparée. Le bobinageinducteur est connecté en série avec lebobinage induit, d'où son appellation.

L'inversion du sens de rotation est obtenueindifféremment par inversion des polarités del'induit ou de l'inducteur. Ce moteur estessentiellement utilisé en traction, en particuliersur les chariots alimentés par batteriesd’accumulateurs. En traction ferroviaire lesanciennes motrices du TGV utilisaient ce type demoteur, les plus récentes utilisent des moteursasynchrones.

c A excitation série parallèle (composée ou« compound »)Cette technologie permet de réunir les qualitésdu moteur à excitation série et du moteur àexcitation parallèle.

Ce moteur comporte deux enroulements parpôle inducteur. L'un est en parallèle avec l'induit.Il est parcouru par un faible courant au regard ducourant de travail. L'autre est en série.

Le moteur est à flux additif si les ampères-toursdes deux enroulements ajoutent leurs effets. Ilest à flux soustractif dans le cas contraire, maisce mode de montage est très rarement utilisé caril conduit à un fonctionnement instable pour lesfortes charges.


3 Exploitation des moteurs asynchrones

3.1 Moteurs à cage

Conséquences d’une variation de tension

c Effet sur le courant de démarrageLe courant de démarrage varie avec la tensiond’alimentation. Si celle-ci est plus élevéependant la phase de démarrage, le courantabsorbé à l’instant de la mise sous tensionaugmente. Cette augmentation de courant estaggravée par la saturation de la machine.

c Effet sur la vitesseLors des variations de tension, la vitesse desynchronisme n’est pas modifiée, mais sur unmoteur en charge, une augmentation de latension entraîne une légère diminution duglissement. Concrètement, cette propriété estinexploitable car en raison de la saturation ducircuit magnétique du stator, le courant absorbéaugmente fortement et un échauffement anormalde la machine est à craindre même sur unfonctionnement à faible charge. En revanche, sila tension d’alimentation décroît le glissementaugmente et, pour fournir le couple le courantabsorbé augmente, avec le risqued'échauffement qui en résulte. D'autre part,comme le couple maximum décroît comme lecarré de la tension, un décrochage est possibleen cas de diminution importante de tension.

Conséquences d'une variation de fréquence

c Effet sur le coupleComme dans toute machine électrique, le coupledu moteur asynchrone est de la formeC = K I Φ(K = cœfficient constant dépendant de lamachine)

Dans le schéma équivalent de la figure 17 , lebobinage L est celui qui produit le flux et Io est lecourant magnétisant.

En première approximation, en négligeant larésistance devant l'inductance magnétisante(c'est-à-dire pour des fréquences de quelquesHertz) le courant Io a pour expression :Io = U / 2π L fet le flux aura pour expression :Φ = k IoLe couple de la machine a donc pourexpression :C = K k Io IIo et I sont les courants nominaux pour lesquelsle moteur est dimensionné.Pour ne pas dépasser les limites il faut maintenirIo à sa valeur nominale, ce qui ne peut s'obtenirque si le rapport U/f reste constant.

Fig. 17 : Schéma équivalent d’un moteur asynchrone.

Par conséquent, il est possible d'obtenir lecouple et les courants nominaux tant que latension d'alimentation U peut être ajustée enfonction de la fréquence.Quand cet ajustement n’est plus possible, lafréquence peut toujours être augmentée, mais lecourant Io diminue et le couple utile égalementcar il n’est pas possible de dépasser de manièrecontinue le courant nominal de la machine sansrisque d’échauffement.

Pour obtenir un fonctionnement à coupleconstant quelle que soit la vitesse il fautmaintenir le ratio U/F constant… ce que réaliseun convertisseur de fréquence.c Effet sur la vitesseLa vitesse de rotation d'un moteur asynchroneest proportionnelle à la fréquence de la tensiond’alimentation. Cette propriété est souventutilisée pour faire fonctionner à très grandevitesse des moteurs spécialement conçus, parexemple avec une alimentation en 400 Hz(rectifieuses, appareils de laboratoire ouchirurgicaux, etc.) Il est aussi possible d’obtenirune vitesse variable par réglage de la fréquence,par exemple de 6 à 50 Hz (rouleauxtransporteurs, appareils de levage, etc.).

Réglage de vitesse des moteurs asynchronestriphasés(sujet détaillé dans le Cahier Technique n° 208)

Pendant longtemps, les possibilités de réglagede la vitesse des moteurs asynchrones ont étédes plus réduites. Les moteurs à cage étaient laplupart du temps utilisés à leur vitesse nominale.Pratiquement seuls les moteurs à couplage depôles ou à enroulements statoriques séparés,

Stator Rotor

Inductance de fuite

Pertes« Joule »

Inductance Lde flux magnétique

Pertes« fer »

Puissanceactive

Io


encore fréquemment utilisés de nos jours,permettaient de disposer de plusieurs vitessesfixes.Avec les convertisseurs de fréquence, lesmoteurs à cage sont aujourd'hui courammentcommandés en vitesse variable, et peuvent ainsiêtre employés dans des applications jusqu'alorsréservées aux moteurs à courant continu.

Moteurs à couplage de pôles

Comme nous l’avons vu précédemment, lavitesse d’un moteur à cage est fonction de lafréquence du réseau d’alimentation et dunombre de paires de pôles. Il est donc possibled’obtenir un moteur à deux ou plusieurs vitessesen créant dans le stator des combinaisons debobinages qui correspondent à des nombres depôles différents.Ce type de moteur ne permet que des rapportsde vitesses de 1 à 2 (4 et 8 pôles, 6 et 12 pôles,etc.). Il comporte six bornes (cf. fig. 18 ).

Pour l’une des vitesses, le réseau est connectésur les trois bornes correspondantes. Pour laseconde, celles-ci sont reliées entre elles, leréseau étant branché sur les trois autres bornes.

Le plus souvent, aussi bien en grande qu’enpetite vitesse, le démarrage s’effectue parcouplage au réseau sans dispositif particulier(démarrage direct).

Dans certains cas, si les conditions d’exploitationl’exigent et si le moteur le permet, le dispositif de

Fig. 18 : Différents types de couplage Dahlander.

démarrage réalise automatiquement le passageen petite vitesse avant d’enclencher la grandevitesse ou avant l'arrêt.

Suivant les courants absorbés lors descouplages Petite Vitesse -PV- ou GrandeVitesse -GV-, la protection peut être réalisée parun même relais thermique pour les deuxvitesses ou par deux relais (un pour chaquevitesse).

Généralement, ces moteurs ont un rendementpeu élevé et un facteur de puissance assezfaible.

Moteurs à enroulements statoriques séparés

Ce type de moteurs, comportant deuxenroulements statoriques électriquementindépendants, permet d'obtenir deux vitessesdans un rapport quelconque. Cependant leurscaractéristiques électriques sont souventaffectées par le fait que les enroulements PVdoivent supporter les contraintes mécaniques etélectriques résultant du fonctionnement dumoteur en GV. Ainsi, de tels moteursfonctionnant en PV absorbent parfois un courantplus important qu'en GV.

Il est également possible de réaliser desmoteurs à trois ou quatre vitesses en procédantau couplage des pôles sur l'un des enroulementsstatoriques ou sur les deux. Cette solution exigedes prises supplémentaires sur les bobinages.

Ph1

2U 2W2V

1U 1W1V

2U 2W2V

1U 1W1V

Ph2 Ph3

Grande vitesseGrande vitesse

Ph1 Ph2 Ph3

Petite vitesse

Ph1

2U 2W2V

1U 1W1V

2U 2W2V

1U 1W1V

Ph2 Ph3

Grande vitesse

Ph1 Ph2 Ph3

Petite vitesseGrande vitessePetite vitesse

Couplage Dahlander triangle/étoile (pour couple constant)

Couplage Dahlander étoile/étoile-étoile (pour couple quadratique)

Petite vitesse

Ph2

Ph1

2V

2U 2W

1V1W

1U

Ph3 Ph2

Ph1

2U

2W 2V

1U 1W

1V Ph3

Ph1

2V 2W

2U

1W 1V

1U

Ph3 Ph2

Ph1

2U

2W 2V

1U 1W

1V

Ph3 Ph2


3.2 Moteurs à bagues

Utilisation de la résistance rotorique

La résistance rotorique pour ce type de moteurpermet de définir :v son couple de démarrage (cf. chap. 1),v et sa vitesse.

En effet, le raccordement d’une résistancepermanente aux bornes du rotor d’un moteur àbagues abaisse sa vitesse, et cela d’autant plusque la résistance est de valeur élevée. C’est unesolution simple pour faire varier la vitesse.

Réglage de vitesse par glissementCes résistances rotoriques ou « de glissement »peuvent être court-circuitées en plusieurs cranspour obtenir soit un réglage discontinu de lavitesse, soit l’accélération progressive et ledémarrage complet du moteur. Elles doiventsupporter la durée du fonctionnement, surtoutquand elles sont prévues pour faire varier lavitesse. De ce fait, leur volume est parfoisimportant et leur coût élevé.

Ce procédé extrêmement simple est de moinsen moins employé car il présente deuxinconvénients importants :v pendant la marche à vitesse réduite, unegrande partie de l’énergie prise au réseau estdissipée en pure perte dans les résistances,v la vitesse obtenue n’est pas indépendante dela charge, mais varie avec le couple résistant

Fig. 19 : Courbe vitesse/couple avec résistance « de glissement ».

appliqué par la machine sur l’arbre du moteur(cf. fig. 19 ). Pour une résistance donnée, leglissement est proportionnel au couple. Ainsi parexemple, la baisse de vitesse obtenue par unerésistance peut être de 50 % à pleine charge et25 % seulement à demi-charge, alors que lavitesse à vide reste pratiquement inchangée.

Si un conducteur surveille en permanence lamachine, il peut, en modifiant à la demande lavaleur de la résistance, fixer la vitesse dans unecertaine zone pour les couples relativementimportants, mais tout réglage est pratiquementimpossible pour les faibles couples. En effet, sipour obtenir un point « faible vitesse à faiblecouple », il insère une très forte résistance, lamoindre variation du couple résistant fait passerla vitesse de zéro à près de 100 %. Lacaractéristique est trop instable.

Pour des machines à variation particulière ducouple résistant en fonction de la vitesse, leréglage peut s’avérer également impossible.Exemple de fonctionnement en glissement. Pourune machine qui applique au moteur un couplerésistant de 0,8 Cn, il peut être obtenu desvitesses différentes représentées par le signe •sur le diagramme de la figure 19.

A couple égal, la vitesse diminue lorsque larésistance rotorique augmente.

1

0,75

0,50

0,25

0 0,5 1 1,5 20,8 Couple

Vitesse

Zone de fonctionnement en glissement

Zone d'accélération

Courbe naturelle du moteur

Courbe avec résistance rotorique faible

Courbe avec résistance rotorique importante


3.3 Autres systèmes de variation de vitesse

Le variateur de tensionCe dispositif n’est utilisé que pour des moteursasynchrones de petite puissance. Il nécessite unmoteur à cage résistante.

La variation de vitesse s’obtient en augmentantle glissement du moteur consécutif à ladiminution de tension.

Son utilisation est assez répandue dans lessystèmes de ventilation, de pompes et decompresseurs, applications pour lesquelles sacaractéristique du couple disponible permet unfonctionnement satisfaisant. Les convertisseursde fréquence devenant très compétitifsremplacent progressivement cette solution.

Autres systèmes électromécaniques

Les systèmes électromécaniques de réglage devitesse, cités ci-après pour mémoire, sont d’unemploi moins fréquent depuis la généralisationdes variateurs de vitesse électroniques.

c Moteurs alternatifs à collecteur (Schrage)Il s’agit de moteurs spéciaux. La variation devitesse est obtenue en faisant varier, par rapportà la ligne neutre, la position des balais sur lecollecteur.

c Variateurs à courant de FoucaultIl se compose d’une cloche connectéedirectement au moteur asynchrone tournant àvitesse constante, et d’un rotor comportant unbobinage alimenté par du courant continu(cf. fig. 20 ).

Le mouvement est transmis à l’arbre de sortiepar couplage électromagnétique. En ajustantl’excitation de ce bobinage, il est possibled’ajuster le glissement de cet ensemble.Une génératrice tachymétrique incorporéepermet de contrôler la vitesse avec une bonneprécision.

Un système de ventilation permet d’évacuer lespertes dues au glissement.

Ce principe a été largement utilisé dans desengins de levage et en particulier les grues dechantier. Sa constitution en fait un systèmerobuste, sans pièces d’usure et peut convenirpour des fonctionnements intermittents et pourdes puissances jusqu’à une centaine de kW.

c Groupe Ward LéonardCe dispositif, autrefois très répandu, estconstitué d’un moteur et d’un générateur decourant continu lequel alimente un moteur acourant continu (cf. fig. 21 ).

La variation de vitesse s’obtient en réglantl’excitation de la génératrice. Un faible courantde contrôle permet de maîtriser des puissancesde plusieurs centaines de kW dans tous lesquadrants couple vitesse. Ce type de variateur aété utilisé sur les laminoirs ainsi que sur lesascenseurs de mines.

Fig. 20 : Coupe schématique d’un variateur de vitesseà courant de Foucault.

Cette solution de variation de vitesse était la pluséconomique et la plus performante avantl’apparition des semi-conducteurs qui l’a renduobsolète.

Variateurs de vitesse mécaniques ethydrauliques

Les variateurs mécaniques et hydrauliques sonttoujours utilisés.

En ce qui concerne les variateurs mécaniquesde multiples solutions ont été imaginées(poulies / courroies, billes, cônes …). Cesvariateurs ont pour désavantage de réclamerune maintenance soignée et se prêtentdifficilement aux asservissements. Cesvariateurs sont fortement concurrencés par lesconvertisseurs de fréquence...

Les variateurs hydrauliques sont toujours trèsrépandus pour des applications particulières.

Fig. 21 : Schéma d’un groupe Ward Léonard.

Moteur asynchrone

Génératrice tachymétrique

Bobine alimentée en CC Cloche métallique

Arbrede sortie

Rotor

Moteur CCGénératriceMoteur CA

Réseau électrique


Ils sont caractérisés par des puissancesmassiques considérables et la capacité dedévelopper des couples importants a vitessenulle de manière continue. Dans les applications

industrielles, on les trouvera principalement dansdes applications de servo–commande.Nous ne détaillerons pas ce type de variateursqui n'entre pas dans le cadre de cet ouvrage.


Le tableau ci-après permet de visualiser trèsrapidement l’ensemble des moteurs électriquesdisponibles, leurs principales caractéristiques etleurs domaines d’emploi.Il faut souligner la place tenue par les moteursasynchrones à cage triphasés dont le qualificatif

de « standard » est de nos jours renforcé parune parfaite adaptation à l’emploi consécutive audéveloppement des dispositifs électroniques quiautorisent la variation de vitesse.

4 Conclusion

Type de moteur Asynchrone à cage Asynchrone à Synchrone à Pas à pas A couranttriphasé monophasé bague rotor bobiné rotor terres continu

rares

Coût du moteur Faible Faible Elevé Elevé Elevé Faible Elevé

Moteur étanche Standard Possible Sur demande, Sur demande, Standard Standard Possiblecoûteux coûteux Très coûteux

Démarrage Aisé Aisé Dispositif de Impossible à Non prévu Non prévu Non prévudirect sur démarrage partir dele réseau particulier quelques kW

Variation de Facile Très rare Possible Fréquent Toujours Toujours Toujoursvitesse

Coût de De plus en Très Economique Très Assez Très Trèsla solution plus économique économique économique économique économiquevariation de économiquevitesse

Performance en De plus en Très faible Moyenne Elevée Très élevée Moyenne à Elevée àvariation de plus élevée élevée très élevéevitesse

Emploi Vitesse En majorité, Vitesse Vitesse Vitesse variable Vitesse Vitesse variableconstante vitesse constante constante variableou variable constante ou variable ou variable

Utilisation Universelle Pour les petites En diminution Dans les Machines outils, Positionnement En diminutionindustrielle puissances grandes forte dynamique en boucle

puissances en ouverte,moyenne pour les petitestension puissances

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Collection technique Cahier technique n° 207