Applications des machines asynchrones triphasées
Lorsqu'on veut utiliser un moteur asynchrone triphasé pour une application particulière, on se rend compte que plusieurs types de moteurs remplissent les exigences de la charge. Il faut donc faire un choix.
Le problème est généralement simplifié du fait que le fabricant du tour, du ventilateur, de la pompe, etc., indique la catégorie de moteur convenant le mieux à la charge à entraîner.
Il est cependant très utile de connaître les caractéristiques de construction et d'utilisation des différents types de moteurs asynchrones triphasés, car ce sont elles qui en déterminent le choix.
Nous étudierons aussi dans cette section le principe de fonctionnement d'une génératrice asynchrone et d'un convertisseur de fréquence.
Standardisation et classification des moteurs asynchrones
Tous les moteurs industriels de puissance inférieure à 500 HP ont des carcasses dont les dimensions importantes ont été standardisées par des organismes de normalisation.
Mentionnons la Canadian Electrical Manufacturers Association (CEMA), l'Association Canadienne de normalisation (CSA), la National Electrical Manufacturer's Association (NEMA). En général, les normes de CEMA (Canada) et de NEMA (États-Unis) sont identiques
Ainsi, le moteur de 25 HP, 1725 r/min, 60 Hz d'un fabricant peut être remplacé par celui d'un autre fabricant sans qu'il soit nécessaire de changer les trous de fixation, la hauteur de l'arbre ou le mode d'accouplement.
La standardisation ne couvre pas seulement l'aspect mécanique; elle dicte également les exigences minimales en ce qui concerne les caractéristiques électriques des moteurs.
Ainsi, les moteurs doivent satisfaire aux valeurs limites établies pour le couple de démarrage, le courant de démarrage, la capacité de surcharge, l'échauffement et les normes de sécurité.
Classification selon les conditions environnementales
Selon les conditions environnementales auxquelles on les destine, les moteurs peuvent être classés en cinq types principaux:
1. Moteurs abrités («Drip-proof»).
Leur carcasse protège les bobinages contre la chute des particules solides et liquides qui tombent verticalement à un angle compris entre 0° et 15° de la verticale. Ils sont ventilés par l'intérieur, grâce à un ventilateur solidaire du rotor. Leur échauffement par résistance peut être de 60 °C, 80 °C, 105 °C ou 125 °C selon la classe d'isolation utilisée. Ces moteurs sont utilisables dans la plupart des applications (Fig. 34-1).
Figure 34-1 Moteur abrité à haut rendement ayant une capacité de 3 hp, 1750 r/min, 230 V/460 V, 3 phases, 60 Hz
2. Moteurs étanches aux éclaboussures («Splash-proof»).
Leur carcasse protège les bobinages contre la chute des particules solides ou liquides qui tombent à un angle compris entre 0° et 100° de la verticale. Leur ventilation se fait aussi par l'intérieur. Leur limite d'échauffement admissible est la même que celle des moteurs abrités. Ces moteurs sont surtout employés dans les endroits humides.
3. Moteurs blindés («Totally enclosed, non-ventilated»).
Ils comportent une enveloppe empêchant toute communication directe entre l'intérieur du moteur et le milieu ambiant. Ils sont destinés aux locaux très humides ou très poussiéreux.
Ces moteurs sont habituellement de faible puissance ; l'évacuation de la chaleur s'y fait difficilement, car ils ne comportent ni ventilation intérieure, ni ventilation extérieure (Fig . 34-2).
On leur permet un échauffement par résistance de 65 °C, 85 °C, 110 °C ou 130 °C selon leur mode d'isolation.
Figure 34-2 Moteur blindé pour pompe centrifuge
4. Moteurs blindés avec ventilateur extérieur («Totally enclosed, fan-cooled»).
Le refroidissement des moteurs fermés de moyenne et grande puissances, servant dans les conditions défavorables, est assuré par une ventilation extérieure forcée; il suffit de souffler de l'air entre la carcasse du moteur et une seconde enveloppe concentrique (Fig. 34-3). On leur permet le même échauffement que pour les moteurs abrités .
Figure 34-3 a. Vue éclatée d'un moteur blindé avec ventilateur extérieur ; b. Même moteur assemblé
5. Moteurs anti explosifs («Explosion-proof»).
Ces moteurs sont utilisés quand le milieu environnant pré- sente des dangers d'explosion (mines de charbon, raf- finerie de pétrole, moulins à grain).
Ils sont toujours fermés hermétiquement; de plus, leur carcasse peut résister à l'énorme pression qui résulterait d'un violent court-circuit interne (Fig . 34-4). On leur permet le même échauffement que pour les moteurs blindés.
Figure 34-4 Moteur anti explosif avec ventilateur extérieur. Noter la construction particulièrement robuste
Classification selon les caractéristiques électriques et mécaniques
En plus de pouvoir choisir parmi les catégories environnementales, l'usager peut également opter pour une grande variété de moteurs triphasés offrant des caractéristiques électriques et mécaniques diverses.
Nous ne donnons ici que les principales catégories :
1 . Moteurs à couple de démarrage normal (CEMA classe B).
La grande majorité des moteurs asynchrones appartient à ce groupe. Ces moteurs, d'usage général, peuvent entraîner des ventilateurs, des pompes centrifuges, des machines-outils, etc .
2. Moteurs à couple de démarrage élevé (CEMA classe C).
Ces moteurs sont utilisés dans les cas où le démarrage est difficile ou d'une durée plutôt longue. Les pompes et les compresseurs à piston qui démarrent en charge doivent être entraînés par de tels moteurs. Ces moteurs comportent, en général, un rotor spécial à double cage.
3. Moteurs à glissement élevé (CEMA classe D).
En plus de développer un couple de démarrage très élevé, ces moteurs ont un bas courant de démarrage.
Ainsi, les moteurs qui entraînent des charges à grande inertie (comme un séchoir centrifuge) démarrent lentement ; leur courant de démarrage doit donc être assez faible pour éviter l'échauffement excessif des bobinages.
La vitesse nominale de ces moteurs est d'environ 10 % plus faible que leur vitesse synchrone. Cette caractéristique est parfois mise à profit pour l'entraînement de machines telles que cisailles, poinçonneuses et presses.
Celles-ci comportent un volant qui emmagasine de l'énergie mécanique et la restitue lorsque de fortes surcharges sont brusquement appliquées. Ces moteurs sont aussi employés avec des appareils de levage.
Cependant, dans tous les cas, leur régime de charge dot être intermittent afin de prévenir tout échauffement excessif. La cage d'écureuil de ces moteurs est généralement en laiton.
Le graphique de la Fig. 34-5 permet de comparer les caractéristiques couple-vitesse de ces différents moteurs.
Figure 34-5 Courbes du couple en fonction de la vitesse pour moteurs de classe B, C et D de CEMA. Chaque courbe donne les couples minimaux de démarrage, d'accélération et de décrochage pour un moteur triphasé à cage d'écureuil de 60 Hz . La vue en coupe du rotor indique le genre de conducteurs utilisés
Les détails de construction de leurs rotors y sont également indiqués. Remarquer que les différentes caractéristiques sont obtenues surtout par des changements effectués sur le rotor.
Ainsi, plus la résistance de la cage d'écureuil est élevée, plus le couple de démarrage est grand et plus la vitesse nominale est basse.
L'emploi du laiton au lieu du cuivre dans le rotor a pour effet d'augmenter sa résistance et, par conséquent, son couple.
Par contre, plus la résistance du rotor est considérable, plus les pertes dans celui-ci sont grandes en régime normal, et plus le rotor s'échauffe.
Le fonctionnement du rotor à double cage (moteur classe C) est basé sur le fait que la fréquence du courant rotorique diminue à mesure que la vitesse du moteur croît, et que la réactance inductive est plus grande pour un conducteur logé profondément dans l'acier (cage 2) que pour un autre placé près de la surface du rotor (cage 1).
De plus, à cause de sa petite section, la résistance de la cage 1 est sensiblement plus grande que celle de la cage 2.
Au moment où le moteur est mis sous tension, la fréquence du courant dans le rotor est égale à celle de la ligne d'alimentation.
La réactance inductive de la cage 2 est alors élevée, de sorte que le courant circule surtout dans la cage 1 à haute résistance.
À mesure que le moteur accélère, la réactance inductive des deux cages d'écureuil baisse et, finalement, lorsque le moteur marche en régime normal, elle devient tellement basse que le courant dans le rotor est limité seulement par les résistances en parallèle de la cage 1 et de la cage 2.
On peut constater que la valeur de la résistance effective du rotor est élevée au démarrage et basse en régime normal.
Grosseur des moteurs
Le tableau 34-1 donne les dimensions approximatives de la gamme des moteurs asynchrones compris entre 0.75 kW et 7500 kW.
Remarquer qu'un moteur de 750 kW n'est pas mille fois plus gros qu'un moteur de 0.75 kW, ce qui explique son prix relativement bas.
En effet, les dimensions et la masse d'un appareil augmentent toujours moins rapidement que sa puissance.
Choix de la vitesse des moteurs asynchrones
Le choix de la vitesse des moteurs asynchrones est limité du fait que la vitesse synchrone est déterminée uniquement par la fréquence du réseau et par le nombre de pôles de la machine.
Ainsi, lorsque la source d'alimentation est de 60 Hz, il est impossible de construire un moteur asynchrone ayant un rendement acceptable et dont la vitesse serait, disons, de 2000 r/min.
Un tel moteur aurait nécessairement deux pôles, mais comme la vitesse synchrone est alors de 3600 r/min, il s'ensuit que le glissement serait (3600 - 2000)/3600 = 0,44.
Cela implique que 44 % de la puissance fournie au rotor serait dissipée sous forme de chaleur, donnant ainsi un très mauvais rendement.
Pour une application particulière, le choix de la vitesse du moteur est fixé par la nature de la charge à entrainer.
Dans le cas de charges devant tourner à basse vitesse, il est souvent plus avantageux d'utiliser un moteur à haute vitesse avec un réducteur de vitesse (engrenage, poulie) au lieu d'un moteur à basse vitesse accouplé directement à la charge. Les avantages d'un moteur équipé avec une boîte de vitesses sont les suivants :
1. pour une puissance donnée, l'encombrement et le coût d'un moteur à haute vitesse sont plus petits que pour un moteur à haute vitesse;
2. le rendement et le facteur de puissance des moteurs asynchrones sont d'autant plus haut que la vitesse est plus haute ;
3. le couple de démarrage relatif (en p.u.) d'un moteur à haute vitesse est toujours plus fort que celui d'un moteur à basse vitesse de même catégorie.
À titre d'exemple, comparons les caractéristiques de deux moteurs triphasés de 10 hp, 60 Hz, ayant des vitesses synchrones différentes (tableau 34-2).
L'écart dans les prix justifie à lui seul l'emploi d'un moteur à haute vitesse avec un système de poulies et de courroie pour entraîner une charge à 900 r/min.
Lorsque des moteurs doivent tourner à des vitesses très basses (200 r/min ou moins), le choix d'une boîte de vitesses s'impose. Les engrenages font souvent partie intégrante de l'unité motrice (Fig . 34-6) et sont habituellement peu encombrants.
Figure 34-6 Moteur asynchrone de 2,25 kW, 1740 r/min, 60 Hz avec engrenage réducteur. La vitesse et le couple à la sortie sont respectivement de 125 r/min et 172 N •m
On a aussi recours à une boîte de vitesses lorsqu'on doit entraîner une charge à une vitesse supérieure à 3600 r/min.
Par exemple, dans une application industrielle où la fréquence disponible est de 60 Hz, un compresseur de 1200 hp, 5000 r/min est entraîné par un moteur asynchrone tournant à 3560 r/min.
Moteurs à deux vitesses
On peut bobiner le stator d'un moteur à cage d'écureuil de telle sorte que le moteur tourne à deux vitesses différentes.
Ces moteurs sont utilisés sur les ventilateurs, les pompes et les perceuses à colonne. Une méthode simple consisterait à utiliser deux enroulements distincts, ayant, par exemple, respectivement 4 et 6 pôles.
L'inconvénient de cette technique est qu'un seul enroulement est en service à la fois, de sorte que seulement la moitié du cuivre dans les encoches est utilisée. C'est pourquoi on a inventé des enroulements spéciaux dont on peut faire varier le nombre de pôles simplement en changeant les connexions extérieures.
Les vitesses synchrones ainsi obtenues sont toujours dans un rapport de 2 à 1 : 3600/1800 r/min; 1200/600 r/min, 900/450 r/min, etc.
Considérons, par exemple, l'enroulement d'une phase d'un moteur triphasé, à 2 pôles, 60 Hz, (Fig. 34-7a).
Figure 34-7
a. Les deux bobines connectées en série produisent un pôle nord et un pôle sud. Noter que I1 = I2.
b. Lorsque les bobines sont connectées en parallèle, il en résulte deux pôles nord, car le courant I2 circule dans le sens inverse du précédent. Les deux pôles sud sont des pôles conséquents
L'enroulement est composé de deux groupes (pôles) connectés en série et la prise 4 est amenée à la boîte de connexions avec les fils 1 et 2.
Si l'alimentation est branchée entre les bornes 1 et 2, on obtient un pôle nord et un pôle sud; selon l'équation (33-1), la vitesse synchrone de ce moteur est:
ns = 120 f / p = 120 x 60 / 2 = 3600 r/min
Relions maintenant les bornes 1 et 2 et branchons l'alimentation entre la jonction obtenue et la borne 4.
Les courants I1, I2 doivent donc circuler dans le sens indiqué sur la Fig. 34-7b.
Cette connexion crée maintenant deux pôles de même polarité, soit deux pôles nord au moment où les courants alternatifs circulent dans le sens indiqué.
D'autre part, comme tout pôle nord implique l'existence d'un pôle sud, il se produit deux pôles sud intercalés entre ces deux pôles nord.
Les pôles sud ainsi créés sont appelés pôles conséquents.
La nouvelle connexion produit donc 4 pôles en tout et la vitesse synchrone correspondante est de 1800 r/min. En d'autres termes, il est possible de doubler le nombre de pôles d'un moteur simplement en changeant ses connexions.
C'est ce principe qu'utilisent la plupart des moteurs asynchrones à deux vitesses.
Noter que dans ces machines, le pas des bobines doit être égal au pas polaire de la basse vitesse. La Fig. 34-8 est un diagramme schématique montrant les connexions du stator pour une machine triphasée à deux vitesses ayant 4 pôles et 8 pôles, respectivement.
Figure 34-8
a. Connexions d'un moteur triphasé donnant 4 pôles (haute vitesse).
b. Connexions du même moteur donnant 8 pôles (basse vitesse). Le moteur développe la même puissance aux deux vitesses.
Six fils numérotés 1 à 6 sont logés dans la boîte de connexions du moteur.
Pour la haute vitesse, la ligne triphasée est connectée aux bornes 1, 2, 3 et les bornes 4, 5, 6 sont ouvertes.
Cette connexion en triangle produit deux pôles N et deux pôles S alternés, soit un total de 4 pôles (Fig . 34- 8a).
Il est entendu que les pôles à l'intérieur du moteur suivent la séquence N-S-N-S.
Pour la basse vitesse, les bornes 1, 2, 3 sont mises en court-circuit, et la source est branchée entre les bornes 4. 5, 6. Il en résulte une connexion en double étoile parallèle, créant sur chaque phase quatre pôles de même polarité (Fig. 34-8b).
Quatre autres pôles conséquents de polarité inverse sont automatiquements créés, donnant ainsi un total de 8 pôles.
Ces machines possèdent un rendement et un facteur de puissance inférieurs à ceux des moteurs conventionnels. Ils peuvent être construits pour fournir une puissance constante, un couple constant ou un couple variable, selon le type de charge à entraîner.
Dans le cas des ventilateurs et des pompes centrifuges, le couple et le débit varient avec le carré de la vitesse. On choisira donc un moteur à couple variable.
La vitesse étant réduite de moitié, le débit (m³ / min) chute à (1/2)², soit 1/4 du débit original.
Cependant, cette variation de débit est trop grande pour certaines applications. Afin de surmonter ce problème, on a conçu des moteurs à cage dont le rapport des vitesses est inférieur à 2.
Avec ces moteurs spéciaux, appelés moteurs PAM, on peut obtenir des rapports de vitesse tels que 8 :10, 14:16, 26:28, 10:14 et 38:46.
PAM est l'abréviation anglaise de : «Pole Amplitude Modulation».
Ces moteurs sont utilisés pour entraîner les gros ventilateurs à débit variable dont la puissance est de quelques centaines de kilowatts.
Le moteur PAM offre l'avantage de réduire la vitesse d'un ventilateur, sans que la réduction de débit soit excessive.
Par exemple, les connexions du stator d'un moteur PAM à 38 pôles peuvent être changées pour passer à 46 pôles.
Sur un réseau à 60 Hz, les vitesses synchrones correspondantes sont respectivement de 189,5 r/min et 156,5 r/min. Le débit est donc réduit par un facteur:
(156,5/189,5)² = 0,68 .
Moteur asynchrone fonctionnant comme frein