machines asynchrones - choix et problèmes connexes

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Moteurs asynchrones

Choix et problèmes connexespar Maxime DESSOUDE

Ingénieur de l’École Nationale Supérieure d’Électricité et de Mécanique de NancyIngénieur-Chercheur du Département Machines Électriques à la Direction des Étudeset Recherches d’Électricité de France

Cet article est une mise à jour du texte rédigé par Michel FALLOU. Une grande partie de cetexte a été conservée.

e moteur asynchrone est de beaucoup le moteur le plus utilisé dans toutesles applications industrielles ou domestiques de l’électricité, du fait de sa

facilité d’installation, de son bon rendement et de son excellente fiabilité.Il existe plusieurs types de moteurs asynchrones : monophasé, triphasé à cage,

triphasé à rotor bobiné (§ 1 et § 2).

1. Caractéristiques ....................................................................................... D 3 490 - 21.1 Généralités ................................................................................................... — 21.2 Moteur asynchrone triphasé....................................................................... — 31.3 Moteur asynchrone monophasé ................................................................ — 4

2. Différents types de moteurs asynchrones........................................ — 52.1 Généralités ................................................................................................... — 52.2 Rotor bobiné ................................................................................................ — 52.3 Rotor à cage ................................................................................................. — 52.4 Rotor à double cage .................................................................................... — 52.5 Rotor à encoches profondes....................................................................... — 5

3. Choix du moteur monophasé ............................................................... — 63.1 Comparaison entre moteur monophasé et moteur triphasé ................... — 63.2 Démarrage des moteurs monophasés ...................................................... — 7

4. Choix des caractéristiques.................................................................... — 74.1 Tension nominale ........................................................................................ — 74.2 Réduction du courant de démarrage ......................................................... — 94.3 Détermination du couple ............................................................................ — 104.4 Puissance nominale et service nominal .................................................... — 124.5 Rendement ................................................................................................... — 124.6 Conception ................................................................................................... — 13

5. Perturbations de la tension................................................................... — 145.1 Origine.......................................................................................................... — 145.2 Répercussions des coupures brèves.......................................................... — 145.3 Répercussions des creux de tension.......................................................... — 155.4 Contacteurs .................................................................................................. — 15

6. Vitesse variable ........................................................................................ — 156.1 Intérêt............................................................................................................ — 156.2 Réglage discontinu de la vitesse ................................................................ — 166.3 Réglage continu de la vitesse ..................................................................... — 176.4 Choix des variateurs de vitesse pour moteurs asynchrones ................... — 21

7. Conclusion ................................................................................................. — 23

Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. D 3 491

L

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MOTEURS ASYNCHRONES _______________________________________________________________________________________________________________

La généralisation actuelle, au moins en Europe, des réseaux triphasés fait queles moteurs monophasés, dont les performances sont inférieures à celles de leurshomologues triphasés, ne sont plus employés que dans des applicationsparticulières où les puissances sont limitées à quelques kilowatts et oùl’alimentation se fait à basse tension (§ 3).

Plusieurs caractéristiques, dont les principales font l’objet de normalisation,conduisent donc au choix d’un moteur asynchrone pour une application donnée :la puissance nominale, le service nominal, la tension d’alimentation, le modede construction mécanique et le degré de protection des enveloppes (§ 4). Il fautaussi veiller à ce que le démarrage se fasse dans de bonnes conditions pour lemoteur et la machine entraînée ainsi que pour le réseau d’alimentation. Deuxfacteurs non complètement indépendants sont ainsi à surveiller : le couple etl’intensité du courant de démarrage. Ces facteurs peuvent ainsi conduire àorienter le choix technologique du moteur.

Le bon fonctionnement des moteurs peut être altéré par les perturbations dela tension provoquées par les incidents de nature aléatoire intervenant sur lesréseaux et les installations électriques, qui résultent du fonctionnement desautomatismes de protection. Des précautions de mise en œuvre peuvent êtreemployées pour réduire la sensibilité des moteurs aux perturbations de typescreux de tension ou coupures brèves (§ 5).

En outre, avec les progrès de l’électronique de puissance, les utilisations dela variation électronique de vitesse des moteurs se sont développées, enparticulier pour les applications industrielles. Il existe maintenant plusieurstechnologies d’entraînements à vitesse variable utilisant des moteursasynchrones qui couvrent une gamme très étendue de puissances etd’applications (§ 6). La technologie du convertisseur de fréquence à onduleur detension commandé en modulation de largeur d’impulsions associé à un moteurasynchrone à cage tend à s’imposer comme la solution de référence pour despuissances atteignant quelques centaines de kilowatts.

1. Caractéristiques

1.1 Généralités

Le moteur asynchrone, fréquemment appelé moteur à induction,comporte :

— un enroulement polyphasé inducteur, réparti sur une armaturecylindrique et parcouru par un système de courants polyphasés quiengendre un champ tournant ;

Notations et symboles principaux

Symbole Unité Définition

C N · m couple (CD : démarrage, Cr : résistant)f Hz fréquenceg ............. glissementI A courantL H inductance

H inductance de fuitesN tr/min vitesse réelleNs tr/min vitesse de synchronismeP W puissance activep ............. nombre de paires de pôlesQ var puissance réactiveR Ω résistance rotoriqueS VA puissance apparenteU V tension composéeV V tension simpleα ............. coefficient de stabilité (= Cmax /Cn)η ............. rendement (ηr : rotor)

ωm rad/s pulsation mécanique (vitesse du rotor)ωr rad/s pulsation des courants induits (= g ωs )ωs rad/s pulsation des courants inducteurs

Liste des Indices

1 primaire

2 ou r rotor

D démarrage

n nominal

s synchronisme

u utile

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______________________________________________________________________________________________________________ MOTEURS ASYNCHRONES

— un second enroulement polyphasé, placé coaxialement defaçon qu’il soit balayé par le champ tournant qui y induit un deuxièmesystème de courants polyphasés.

De l’action du champ tournant inducteur sur les courants induits(qui créent à leur tour un champ tournant secondaire ayant la mêmevitesse angulaire que le champ inducteur) naît un couple électro-magnétique dont la valeur moyenne n’est, en règle générale, pasnulle.

Normalement l’enroulement inducteur est fixe (stator), l’enrou-lement induit est mobile (rotor). Sauf dans quelques cas particuliersde fonctionnement, ce dernier enroulement est fermé sur lui-même,et les courants induits n’en sortent pas.

Il résulte, du principe même du moteur asynchrone [15] que lerotor soumis à son seul couple électromagnétique ne peut tourner àune vitesse angulaire égale à celle du champ tournant inducteur (ditevitesse de synchronisme) : si, par un artifice quelconque, on leportait à cette vitesse, il ne serait plus balayé par le champ statorique,donc ne serait plus le siège de courants induits, et par suite ne seraitplus soumis au couple qui en résulte ; il tendrait à ralentir, jusqu’à ceque les courants induits atteignent une amplitude suffisante pourcréer un couple égal, et de signe contraire, au couple mécaniques’opposant à la rotation.

Pour caractériser la vitesse du rotor, on définit le glissement g,qui est l’écart relatif entre la vitesse de synchronisme Ns et sa vitesseréelle N soit :

(1)

et, on a :

ωs = 2πf

ωr = ωs – pωm = gωs

avec f fréquence du réseau,

p nombre de paires de pôles,

ωm pulsation mécanique,

ωr pulsation des courants induits,

ωs pulsation des courants inducteurs.

Les vitesses N et Ns sont exprimées en tours par minute et ωmet ωs en radians par seconde.

1.2 Moteur asynchrone triphasé

L’étude et le calcul du fonctionnement d’un moteur asynchroneétant traités dans l’article spécifique référencé [15], nous yrenvoyons le lecteur et nous nous contenterons ici de donner lesprincipaux éléments qui permettent de caractériser simplement unmoteur asynchrone.

1.2.1 Schéma équivalent

Le schéma équivalent le plus commode d’emploi est le schémamonophasé de la figure 1 où le moteur asynchrone est assimilé àun transformateur statique dont le secondaire serait fermé sur unerésistance R /g inversement proportionnelle au glissement. Dans ceschéma :

I1 est le courant primaire,

I2 est le courant rotorique ramené au stator,

L1 est l’inductance cyclique d’une phase statorique,

est l’inductance de fuites totales ramenée au stator,

R est la résistance du rotor ramenée au stator,

RFe est une résistance qui représente les pertes fer,

V1 est la tension étoilée au primaire.Nota : les pertes magnétiques du moteur, représentées figure 1, sont faibles (1 à 3 %).

Elles ont globalement peu d’effet sur les caractéristiques du moteur. On n’en tient pascompte dans les équations (§ 1.2.2), car elles seraient trop complexes.

On peut considérer que le courant :

représente, comme dans le schéma du transformateur, le courantmagnétisant de la machine ; mais alors que, dans un transformateurayant une puissance supérieure à quelques dizaines de kilovoltam-pères, le courant magnétisant est inférieur ou égal à 2 % du courantnominal, il est, dans un moteur asynchrone, de l’ordre de 30 à 40 %de ce courant.

L’intérêt fondamental du schéma monophasé de la figure 1, quirappelons-le, ne tient pas compte de la saturation et des pertes Jouleau stator, est qu’il permet de déterminer aisément les caractéris-tiques de fonctionnement d’un moteur asynchrone. En particulier,on en déduit :

— la puissance active P2 fournie au rotor :

(2)

— la puissance utile Pu sur l’arbre :

Pu = P2 (1 – g ) (3)

— le couple C :

(4)

— le rendement du rotor ηr :

ηr = (1 – g ) (5)

— la puissance réactive totale Q1 :

(6)

en introduisant la tension composée .

gNs N–

Ns-------------------

ωs pωm–

ωs----------------------------= =

ωm2πN60

--------------=

Figure 1 – Schéma monophasé équivalentd’un moteur asynchrone triphasé

I µ I 1 I 2–=

P2Rg

R 2

2ωs2g2

+----------------------------------- U1

2=

C P2p

ωs-------- p

ωs-------- Rg

R2

2ωs2g2

+----------------------------------- U1

2= =

Q1U 1

2

L1ωs---------------

ωsgR

---------------- P2+=

U1 V1 3=



On observe que la puissance utile [relation (3)] change de signeavec g, ce qui correspond au fait que, au-delà de la vitesse desynchronisme, le moteur se transforme en génératrice.

En revanche, la puissance réactive [relation (6)] est toujours posi-tive et donc toujours fournie par le réseau ; on peut montrer qu’elleest la somme :

— de la puissance réactive absorbée par le stator (puissancemagnétisante incluse) ;

— de la puissance réactive absorbée par le rotor, multipliée parle rapport des pulsations ωs /g ωs .

Le réseau fournit donc l’énergie réactive du rotor, mais cela avecun facteur multiplicatif 1/g.

1.2.2 Couple d’un moteur

La courbe du couple d’un moteur asynchrone en fonction de savitesse [relation (4)] a l’allure de la courbe tracée sur la figure 2 :

— elle croît, d’abord, de manière sensiblement hyperbolique àpartir de l’arrêt (glissement égal à 1) ; où le couple initial dedémarrage, à vitesse nulle, a pour valeur :

— elle passe par un maximum :

pour une vitesse correspondant au glissement :

— puis, elle décroît pour atteindre, de façon presque linéaire,une valeur nulle à la vitesse du synchronisme (g = 0).

Pour de faibles glissements (g de l’ordre de quelques pour-cent),on peut représenter le couple par la formule simplifiée suivante :

Des impératifs de stabilité, sur lesquels nous reviendrons auparagraphe 4.3.1, font que seule la partie décroissante de la courbeC (N ), correspondant à g < gmax , est utilisable.

1.2.3 Courant de démarrage

Au décollage d’un moteur, c’est-à-dire au tout premier instant deson démarrage, la force contre-électromotrice qui s’oppose à latension appliquée à la machine est nulle ; il apparaît donc un courantI1 élevé. Dans le cas du moteur asynchrone, ce courant est de l’ordrede 5 à plus de 10 fois le courant nominal In , ce qui crée à la foisune contrainte pour le moteur lui-même et une gêne pour le réseau.Ce problème sera examiné au paragraphe 4.2.

1.2.4 Antinomie des caractéristiques

Les paramètres constructifs R, L1 , intervenant de façon diffé-rente dans les relations donnant les couples et les puissances (§ 1.2.1et 1.2.2), il n’est pas possible de modifier une caractéristique d’unmoteur sans réagir de façon contradictoire sur au moins une desautres.

1.3 Moteur asynchrone monophasé

L’enroulement inducteur monophasé ne peut, a priori, créer unchamp tournant ; toutefois, il engendre un champ alternatif qui estdécomposable en deux champs tournants de même amplitude, etqui tournent l’un ➀ dans le sens direct, supposé être celui del’entraînement du rotor, l’autre ➁ dans le sens inverse : tout se passedonc, du point de vue électrique, comme si l’on avait affaire à deuxmoteurs triphasés identiques ayant des enroulements statoriquesmontés en série, dont deux phases sont croisées, et des rotorscouplés sur le même arbre (figure 3a ).

La tension étoilée U1 du réseau triphasé fictif alimentant cesmoteurs est égale à la tension réelle appliquée au moteur mono-phasé.

La valeur du couple d’un moteur monophasé Cres [15], pour unglissement donné g, est donc égale à la différence de deux couples(figure 3b ) :

— celui (Cd ) correspondant au même glissement g, du moteurtriphasé de sens direct ;

— celui (C i ) correspondant au glissement 2 – g, du moteurtriphasé de sens inverse.

Il en résulte immédiatement que :— le couple de démarrage est nul ;— le couple maximal est inférieur à celui d’un moteur triphasé

de dimensions équivalentes et de même tension ;— le couple à la vitesse du synchronisme Ns est négatif.

Nous reviendrons au paragraphe 3 sur les problèmes d’emploidu moteur monophasé.

C0p

ωs-------- R

R 2

2ωs2

+---------------------------- U1

2 pωs-------- R

2ωs

2-------------- U 1

2≈=

Cmaxpωs--------

U12

2ωs--------------=

gmax R / ωs=

C pωs-------- g

R------ U1

2≈

Pour augmenter le couple de démarrage, on peut augmenterla résistance rotorique R, mais, ce faisant, on augmente le glisse-ment correspondant au couple maximal, donc celui corres-pondant au couple nominal, ce qui se traduit par une baisse derendement.

Pour accroître le couple maximal, il faut diminuer la valeur de, ce qui est également favorable au couple de démarrage, mais

se traduit par une augmentation du courant de démarrage.

Figure 2 – Courbe du couple d’un moteur asynchrone triphaséen fonction de sa vitesse relative et de son glissement



2. Différents typesde moteurs asynchrones

2.1 Généralités

Les différents types de moteurs asynchrones ne se distinguentque par le rotor.

Dans tous les cas, le stator reste, au moins dans son principe, lemême : il est constitué d’un enroulement bobiné réparti à l’intérieurd’une carcasse cylindrique faisant office de bâti et logé à l’intérieurd’un circuit magnétique supporté par cette carcasse. Ce circuitmagnétique est formé d’un empilage de tôles, en forme decouronnes circulaires, dans lesquelles sont découpées les encochesparallèles à l’axe de la machine.

Nota : on trouvera, dans ce traité, dans l’article référencé [15], une figure présentantles principales parties d’une machine asynchrone. En outre, pour avoir plus d’informationssur la conception des moteurs asynchrones, il y a lieu de se reporter, dans ce traité, à l’articleréférencé [16].

2.2 Rotor bobiné

Le rotor comporte un enroulement bobiné à l’intérieur d’uncircuit magnétique constitué de disques empilés sur l’arbre de lamachine. Cet enroulement est obligatoirement polyphasé, même sile moteur est monophasé, et, en pratique, toujours triphasé àcouplage en étoile. Les encoches, découpées dans les tôles, sontthéoriquement parallèles à l’axe du moteur, mais, en fait, légèrementinclinées par rapport à cet axe de façon à réduire certaines pertesdues aux harmoniques.

Les extrémités de l’enroulement rotorique sont sorties et reliéesà des bagues montées sur l’arbre, sur lesquelles frottent des balaisen carbone. On peut ainsi mettre en série avec le circuit rotoriquedes éléments de circuit complémentaires qui permettent desréglages, par exemple de couple (§ 4.2.2) ou de vitesse (§ 6.3.3).

2.3 Rotor à cage

Le circuit du rotor est constitué de barres conductrices régu-lièrement réparties entre deux couronnes métalliques formant lesextrémités, le tout rappelant la forme d’une cage d’écureuil. Bienentendu, cette cage est insérée à l’intérieur d’un circuit magnétiqueanalogue à celui du moteur à rotor bobiné.

Les barres sont faites en cuivre, en bronze ou en aluminium,suivant les caractéristiques mécaniques et électriques recherchéespar le constructeur. Dans certaines constructions, notamment pourdes moteurs à basse tension (par exemple 230/400 V), la cage estréalisée par coulée et centrifugation d’aluminium.

On démontre que, si le nombre de barres Nb est suffisammentgrand (soit, en pratique, ), la cage se transforme automa-tiquement en un circuit polyphasé de polarité adéquate.

Ce type de moteur, beaucoup plus aisé à construire que le moteurà rotor bobiné, est d’un prix de revient inférieur et a une robustesseintrinsèquement plus grande. Il n’est donc pas étonnant qu’ilconstitue, et de loin, la plus grande partie du parc des moteursasynchrones en service.

Son inconvénient majeur est qu’il ne permet pas d’insérer unrhéostat et qu’il a, au démarrage, de mauvaises performances(courant élevé et couple faible). C’est pour remédier à cette situationqu’ont été développés deux autres types de moteur (rotor à doublecage et rotor à encoches profondes).

2.4 Rotor à double cage

Le rotor comporte deux cages coaxiales (figure 4) :— l’une (fréquemment réalisée en laiton ou en bronze), externe,

à résistance relativement élevée, est placée près de l’entrefer ;— l’autre (en cuivre), interne, de plus faible résistance, est noyée

dans le fer, ayant ainsi une inductance de fuites supérieure à lapremière.

Au démarrage, le courant rotorique, de fréquence égale à lafréquence f du réseau d’alimentation, se répartit de façon inverse-ment proportionnelle aux réactances des cages, qui sont alorsgrandes devant les résistances. Dans ces conditions, c’est la cageexterne qui est parcourue par le maximum de courant ; sa relative-ment forte résistance réduit l’appel de courant et accroît le couple.

Au contraire, lorsque le moteur atteint son régime nominal defonctionnement, normalement caractérisé par un faible glissementg et une fréquence basse gf, ce sont les résistances qui contrôlentla répartition du courant, ce qui favorise la cage interne de faiblerésistance.

On peut, ainsi, obtenir des couples de démarrage CD de deux àtrois fois supérieurs à ceux du rotor à simple cage.

La figure 5 montre, en fonction de la vitesse, la variation du coupled’un moteur à double cage, dont la cage externe est calculée pourobtenir le couple maximal au démarrage.

2.5 Rotor à encoches profondes

Le rotor à double cage est beaucoup plus difficile à construire quele rotor à simple cage et est donc d’un coût plus élevé.

Figure 3 – Moteur asynchrone monophasé

Nb 8 p



On peut pallier cet inconvénient, tout en gardant une partie deses avantages, en construisant une cage rotorique simple avec desbarres très plates s’enfonçant profondément dans le circuitmagnétique (figure

6

a

) :— lors du

démarrage

, la réactance, qui croît avec la profondeur,tend à imposer aux lignes de courant de se concentrer près de lapériphérie et à leur assigner ainsi une section de conducteur réduiteet une résistance accrue ;

— en revanche, en

marche normale

, cet effet disparaît et les lignesde courant, en occupant la pleine section de la barre, retrouvent uncircuit de faible résistance.

Ce type de moteur, dit

à encoches profondes

, est très utilisé,notamment dans le cas des moteurs à haute tension et à fortcouple de démarrage. Il présente cependant l’inconvénientd’entraîner une augmentation du coefficient de dispersion desenroulements, donc une diminution du facteur de puissance dumoteur, et, bien sûr, d’exiger un diamètre de rotor plus important.

Pour remédier à ce dernier inconvénient, on a parfois fait appel àdes conducteurs ayant des formes plus compliquées, en

trapèze

(figure

6

b

), voire en

L

(la base du L étant en fond d’encoche).

3. Choix du moteur monophasé

3.1 Comparaison entre moteur monophasé et moteur triphasé

Le moteur monophasé et le moteur triphasé sont construits defaçon semblable, avec toutefois cette différence importante que,dans le moteur monophasé, on ne se sert généralement que des deuxtiers des encoches du stator. Par conséquent, dans ce moteur, lesmatériaux sont moins bien utilisés. Par ailleurs, à dimensionnementégal, le moteur monophasé a des performances inférieures à cellesde son homologue triphasé, et, en particulier, n’a pas de couple dedémarrage, ce qui impose de faire appel à un artifice pour le lancer.

A priori, le moteur triphasé s’impose donc, sauf si l’on ne disposepas d’une source d’alimentation triphasée ou si l’on veut profiter dela plus grande facilité d’installation du moteur monophasé. Actuel-lement, ces deux raisons ne peuvent apparaître que dans le domainede la basse tension. Dans ce domaine, la politique des distributeursd’électricité varie grandement d’un pays à l’autre :

— en Amérique du Nord (États-Unis et Canada), la distribution nese fait pratiquement que par des réseaux monophasés, ce qui amèneles utilisateurs à employer systématiquement des moteursmonophasés ;

— en Europe, au contraire, la distribution se fait essentiellementpar des réseaux triphasés ; en particulier, en France, les utilisateurssont raccordés en triphasé dès que leur puissance souscrite avoisinela dizaine de kilowatts.

Toutefois, il faut remarquer que, même si les utilisateurs domes-tiques ont un branchement triphasé, leur installation intérieure estnormalement réalisée par des liaisons à deux fils (conducteur desécurité non compris), ce qui amène les constructeurs d’appareilsusuels, du type électroménager par exemple, à n’employer que desmoteurs monophasés.

Le moteur monophasé ayant par ailleurs un sens de rotation fixépar construction, c’est-à-dire après fixation de son dispositif dedémarrage, présente un avantage pour les appareils mobiles (sciesde chantier par exempe). Il évite, en effet, d’avoir, à chaquebranchement, à rechercher le sens adéquat de rotation des phases.

Figure 4 – Rotor à double cage : schéma

Figure 5 – Moteur à double cage : courbe du coupleen fonction de sa vitesse

Figure 6 – Encoches profondes (a) et conducteurs en trapèze (b) : schémas



3.2 Démarrage des moteurs monophasés

Dans le domaine de basse tension et de puissance inférieure àquelques kilowatts, le procédé de démarrage des moteurs mono-phasés le plus employé est celui du

condensateur auxiliaire

: dansla partie du stator non utilisée par l’enroulement principal, on insèreun enroulement auxiliaire, que l’on met en série avec uncondensateur, le tout étant alimenté par le réseau. Du déphasageentre les courants des deux enroulements, principal et auxiliaire,résulte un champ tournant elliptique et, par suite, un couple dedémarrage.

Ce procédé de démarrage nécessite de fortes valeurs de capacité(environ 50 µF pour un moteur de 600 W) qui, en pratique, ne peuventêtre obtenues que par des condensateurs électrochimiques. Ceséléments, présentant un facteur de pertes élevé (de l’ordre de 10 %),ne sont pas laissés sous tension permanente ; ils sont déconnectésautomatiquement, après le démarrage, par un relais mis sur l’arbreet sensible à la force centrifuge, ou par un relais chronométrique.L’enroulement auxiliaire n’ayant, dans ces conditions, qu’une duréed’utilisation très faible, ne subit pas de fortes contraintes thermiqueset peut être réalisé en fil fin.

Pour des moteurs ayant une puissance nominale réduite (100 à300 W par exemple), dont le démarrage n’exige pas de capacitéssupérieures à quelques microfarads, on utilise parfois uncondensateur branché en permanence. Dans ce cas, la capacitédu condensateur et les caractéristiques de l’enroulement auxiliairepeuvent être déterminées de façon que les performances du moteurà son régime nominal (mais à lui seul) soient équivalentes à cellesde son homologue triphasé.

On peut, également pour des moteurs de puissance réduite, éviterl’emploi d’un condensateur en utilisant un enroulement auxiliaire,conçu de telle sorte que le courant qui le traverse ait un déphasageimportant (de l’ordre de 30o par exemple) par rapport au courant del’enroulement principal. Le plus souvent, ce déphasage est obtenusans artifice externe, en jouant sur la section du fil et le nombre detours de l’enroulement auxiliaire.

Cet enroulement doit être déconnecté après démarrage, sonéchauffement devenant rapidement excessif.

On peut aussi obtenir deux flux inducteurs déphasés dans unmoteur à pôles saillants, en insérant une spire conductrice encourt-circuit (spire de Frager) sur une partie du circuit magnétiquede chacun des pôles (figure 7). Cet artifice, qui élimine le problèmede la commutation des condensateurs, ne permet pas de conférer àces moteurs, dits à pôles fendus, des performances aussi bonnes queprécédemment et voit son emploi limité à des petits moteurs (100à 200 W par exemple).

Enfin, une autre solution, utilisable pour démarrer un moteurmonophasé, consiste à utiliser un moteur pilote, c’est-à-dire unmoteur auxiliaire doté de trois enroulements couplés en étoile dontla puissance est faible vis-à-vis de celle du moteur principal.

On lance tout d’abord ce petit moteur, par exemple à la main ; unefois mis en rotation, il délivre à ses bornes un système de tensionstriphasées à peu près équilibrées, qui sert de source pour le démar-rage du moteur principal (lequel doit comporter également troisenroulements en étoile). À son tour d’ailleurs, celui-ci peut servir desource d’alimentation pour un moteur plus puissant, et ainsi de suite.

En pratique, avec la généralisation des réseaux d’alimentationtriphasés, cette solution est devenue obsolète.

4. Choix des caractéristiques

4.1 Tension nominale

4.1.1 Raccordement à un réseau existant

Un industriel qui veut installer un moteur, soit pour créer uneinstallation nouvelle, soit pour étendre une installation existante, vatout naturellement chercher à le raccorder aux réseauxd’alimentation :

— dans tous les cas, il dispose d’un réseau à basse tension (BT :230/400 V), lequel est le plus souvent alimenté par un réseau dedistribution à moyenne tension (HTA) à travers un poste HTA/BT ;

— si la puissance appelée par l’installation est suffisammentgrande, il dispose également du réseau de distribution à hautetension HTA lui-même ; compte tenu de la normalisation, ce réseauest à 20 kV ; il existe encore, en certaines villes, des réseauxsouterrains à tension plus réduite, mais ils tendent à disparaître auprofit du réseau à 20 kV.

Certaines usines particulièrement importantes sont raccordées àun réseau de répartition à haute tension (HTB : 63 ou 90 kV), voireau réseau à très haute tension (225 kV). Mais de telles tensions nepeuvent en aucun cas permettre une alimentation directe desmoteurs, et les réseaux correspondants ne servent alors que desources primaires à un ou à des réseaux HTA propres à l’usine.

Le coût d’un moteur est, en outre, d’autant plus élevé, touteschoses égales par ailleurs, que sa tension nominale est plus élevée.Cela n’est vrai, toutefois que si la puissance considérée pour lemoteur n’entraîne pas de difficultés particulières de construction à latension considérée, autrement dit si l’on est loin des butées construc-tives (par exemple grosso modo quelques centaines de kilovoltam-pères en basse tension, quelques mégavoltampères à 5 ou 6 kV). Àcette réserve près, l’utilisateur a donc, a priori, intérêt à raccorder sonnouveau moteur au réseau de plus faible tension dont il dispose et,en particulier au réseau BT.

Une difficulté risque toutefois d’apparaître, du fait du courant dedémarrage. En effet, en règle générale, plus la tension d’un réseauest basse, plus sa puissance de court-circuit est faible (c’est-à-direplus son impédance interne est grande). Donc, pour un moteur depuissance donnée, les chutes de tension dues au courant dedémarrage seront d’autant plus importantes que son alimentationse fera par un réseau à tension plus faible. Or ces chutes de tensionpeuvent devenir insupportables pour le réseau, comme pour lemoteur.

Figure 7 – Moteur à pôles fendus : schéma de principe



Une telle chute de tension n’est pas acceptable, surtout si elle seproduit à un moment où la tension de service est inférieure à savaleur nominale :

— d’une part, elle risque de perturber le fonctionnement du maté-riel voisin, notamment de faire déclencher, par baisse de tension,les contacteurs ;

— d’autre part, elle réduit de près de 45 % le couple de démarragedu moteur, qui est alors susceptible de ne plus pouvoir entraînersa charge.

Il y a également lieu de regarder si les autres utilisateurs duréseau de distribution publique ne souffrent pas d’un à-coup detension qui les gêne [19].

On a supposé, dans l’exemple précédent, que le réseau HTA avaitune impédance négligeable devant celle du transformateur ; on adonc éliminé toute influence du courant de démarrage sur la tensionde ce réseau. Mais une telle hypothèse est loin d’être toujours admis-sible. En pratique, il faut demander au distributeur la valeur de lapuissance de court-circuit au point de raccordement, donc celle del’impédance du réseau d’alimentation et, à partir de là, calculer lachute de tension en ce point (cf. encadré dans le paragraphe 4.2.1) :la valeur maximale normalement tolérée est de 5 %, afin de resterdans la limite des valeurs de fréquence et d’amplitude des à-coupsde tension (courbe de flicker) définies par la publication 1000-2-2 dela CEI.

Lorsque l’on se heurte à des chutes de tension excessives, onpeut :

— augmenter la puissance du poste de transformation pourréduire son impédance interne, ce qui se traduit par un surinves-tissement important (transformateur et appareillage) et un surcoûtd’exploitation dû à l’accroissement des pertes à vide dutransformateur ; mais, bien entendu, cela ne peut résoudre le casoù la chute de tension dépasse 5 % sur le réseau HTA ;

— réduire le courant d’appel au démarrage ; nous examineronsce moyen au paragraphe 4.2.

Si l’on alimentait le moteur considéré par le réseau HTA (à 20 kVpar exemple), il n’y aurait plus de chute de tension perturbatriceappréciable ; mais on aboutirait alors à une solution excessivementonéreuse et peu satisfaisante du point de vue technique : lesconducteurs étant parcourus par de faibles courants ne nécessitantque des sections très faibles, devraient être dimensionnés plus pardes considérations mécaniques qu’électriques. En outre, cesconducteurs devraient être revêtus d’une isolation importante entrespires et par rapport à la masse, ce qui augmenterait le coût etnécessiterait, de plus, un accroissement des dimensions desencoches, donc de toutes celles de la machine.

4.1.2 Utilisation d’une tension intermédiaire

Une autre solution pour alimenter un moteur consiste à faireappel à un réseau à tension intermédiaire, de l’ordre de quelques kilo-volts. Une telle solution s’impose lorsque la puissance du moteur estsupérieure à celle qui serait raisonnablement admissible, du point devue constructif, pour un moteur à basse tension. Mais, bien entendu,si la puissance de la source (ou puissance que peut délivrer la sourcesans chute de tension excessive), c’est-à-dire en pratique celle dutransformateur d’alimentation, est dimensionnée pour la seulepuissance du moteur, les difficultés liées au courant de démarrageresteront les mêmes que précédemment.

La situation est tout autre si le réseau intermédiaire sert àalimenter un certain nombre de moteurs différents. La puis-sance de la source étant alors forcément supérieure à la puissancedes moteurs pris individuellement, le problème du démarrages’estompe, dans la mesure où l’on s’abstient de démarrer tous lesmoteurs à la fois.

Dans un tel cas, la fixation de la tension d’alimentation résulte d’unchoix économique qui fait intervenir, outre le coût des moteurs, ceuxdu poste d’alimentation et de l’appareillage. Or ces trois facteurs ontchacun une sensibilité différente à la tension :

— comme il a été indiqué (§ 4.1.1), hors de toute butée construc-tive, le prix d’un moteur décroît avec sa tension nominale ;

— dans l’intervalle de tension considéré ici (jusqu’à 20 kV), le prixd’un transformateur ne varie pratiquement pas avec la tension ;

— à courant nominal et courant de court-circuit constants, le prixde l’appareillage est indépendant de la tension ou, du moins, ne varieque suivant des paliers très larges de tension ; cette invariancerésulte très simplement de la normalisation qui n’introduit qu’unnombre discret de tensions nominales : ainsi, que l’on commandeun matériel à 4 ou à 6 kV par exemple, on obtiendra du fabricantle même produit conçu pour 7,2 kV.

La normalisation n’introduit également qu’un nombre discret devaleurs pour les courants nominaux comme pour les courants decourt-circuit des éléments du poste (interrupteur compris) ; par suite,si, en augmentant la tension, on peut diminuer d’un cran au moinsune des deux valeurs normalisées de courant à prendre en compte,on y gagne en prix.

Dans le cas particulier où l’installation industrielle nécessite ungrand nombre de moteurs ayant des puissances nominales trèsdifférentes (indépendamment des petits moteurs qui sont, a priori,justiciables de la basse tension), on peut envisager de faire appel àdeux réseaux de tensions différentes.

Un calcul économique est évidemment à faire, mais l’expériencemontre qu’une telle solution est rarement intéressante ; même si elles’avère apporter un léger gain en investissement, elle entraîne unecomplication d’exploitation non négligeable et peut accroître lescoûts d’exploitation (frais d’entretien, de stockage de pièces deréserve, etc.).

À titre d’illustration, supposons qu’un utilisateur veuille installer unmoteur à cage de 100 kVA sous 400 V et que, pour l’alimenter, il installeun poste HTA/BT de 160 kVA, ce qui lui donne une réserve luipermettant d’alimenter quelques autres appareils. Les puissances nor-malisées des transformateurs de distribution publique sont 50, 100,160, 250, 400, 630 et 1 000 kVA et leur tension de court-circuit est de4 %, de 50 à 630 kVA.

Admettons, comme première approximation, que la puissance duréseau HTA est infiniment grande devant celle du transformateur, quele courant de démarrage du moteur est égal à 10 fois son courantnominal et qu’il est entièrement réactif.

On démontre que la chute de tension relative ∆U /U (en %) àl’extrémité d’une ligne est donnée par la relation [17] [18] :

avec et résistance et inductance totales de la ligne,

P et Q puissances active et réactive transitant dans laligne,

ω pulsation du réseau.Compte tenu des hypothèses, on a :

P = 0 (les pertes du transformateur sont négligées)

Q = 1 000 kvar = 106 var

Il en résulte, au démarrage, une chute de tension relative :

∆U /U ≈ 25 %

∆UU

----------RP LωQ+

U 2------------------------------------=

R L

L ω 0,04 Ω=

À titre d’exemple, on peut avoir un réseau à 5 kV pour des moteursde quelques centaines de kilovoltampères et un réseau à 10 kV pourdes moteurs de quelques mégavoltampères.



4.2 Réduction du courant de démarrage

4.2.1 Moteur à cage

Une première solution consiste à coupler les enroulements dustator en étoile au moment du démarrage, puis à revenir aucouplage normal en triangle une fois le moteur lancé (figures 8aet 8b ). Cela revient à diviser, pendant la première phase du démar-rage, par la tension d’alimentation des enroulements

, par 3 le courant en ligne (en fait, un peu plus si l’ontient compte de la saturation) et par 3 le couple.

Ce procédé, qui nécessite bien évidemment que toutes les extré-mités des enroulements du stator soient sorties, est utilisable pourdes petits moteurs, si le couple résistant le permet, mais ne l’estplus quand la puissance dépasse quelques dizaines de kilowatts.La raison en est essentiellement la brutalité des régimes transitoi-res de courant et de couple qui se manifestent lors du changementde couplage (figure 8c ).

Un autre moyen consiste à réduire la tension aux bornes, en intro-duisant une résistance en série sur chacune des phases du moteur.Les résistances peuvent être des résistances métalliques, muniesd’un ou plusieurs crans que l’on court-circuite au fur et à mesure dela montée en vitesse, ou bien des résistances électrolytiques ; dansces éléments, la variation de résistance est continue et obtenue soitpar l’échauffement d’un électrolyte sous l’effet du passage du cou-rant (la résistivité d’un électrolyte décroissant avec la température),soit par une variation commandée du niveau de l’électrolyte entredes électrodes. La valeur initiale de la résistance des appareilsélectrolytiques est fixée par la concentration du bain de l’électrolyte.

En associant le réglage étoile-triangle et les résistances stato-riques, on aboutit à un système qui conserve la forte réduction ducourant initial et qui réduit l’appel de courant consécutif à la remiseen triangle des enroulements. Le démarrage se fait en trois temps :alimentation en étoile, alimentation en triangle avec insertion derésistances statoriques, puis mise en court-circuit de ces résistances.

On peut également, pour réduire la tension aux bornes du moteur,utiliser des inductances à la place des résistances statoriques. Ellesprésentent l’avantage d’éviter une dissipation d’énergie active etd’avoir une isolation plus facilement réalisable. Alors que les résis-tances ne sont employées pratiquement qu’en basse tension(§ 4.1.1), les inductances le sont en HTA, pour des moteurs dequelques centaines de kilowatts.

Elles peuvent, en variante, se présenter sous la formed’inductances saturables avec un enroulement auxiliaire à courantcontinu.

Un autre dispositif de limitation du courant de démarrage est letransformateur-bloc : il s’agit d’un transformateur fourni avec lemoteur (d’où son nom) ayant une forte impédance de fuites (del’ordre de 8 à 15 %) qui joue le rôle d’une inductance statorique ensérie. Ce transformateur permet de choisir librement la tensiond’alimentation du moteur, mais diminue le rendement (de quelquespoints) et augmente l’énergie réactive ou absorbée en marchenormale.

Ce transformateur-bloc peut être remplacé par un autotrans-formateur à une ou plusieurs prises. Dans le cas où il n’y a qu’unseul rapport de transformation (figure 9), le démarrage a lieu en troisétapes :

— d’abord, l’alimentation est faite par la prise, donc sous tensionréduite ;

— puis, on ouvre le point neutre de l’autotransformateur enlaissant son enroulement série en série avec le moteur ;

— en dernier lieu, ou court-circuite cet enroulement, ce qui metle moteur sous sa tension nominale.

Ce dispositif est utilisable en HTA comme en BT ; pour un mêmecourant en ligne, il donne un couple moteur plus élevé qu’avec uneinductance statorique (approximativement, dans le rapport inversedu rapport de transformation).

Enfin, il existe un dispositif à semiconducteurs permettant delimiter le courant de démarrage, qui est le gradateur. Sa descriptionen est donnée au paragraphe 6.3.4, car il sert aussi à faire varier lavitesse de moteurs de faible puissance [20] [21].

3V1 U1 3⁄=( )

Figure 8 – Moteur asynchrone à cage. Démarrage étoile-triangle

Figure 9 – Moteur asynchrone à cage. Démarragepar autotransformateur à un seul rapport de transformation

La détermination des tensions et courants lors du démarraged’un moteur, prenant en compte les caractéristiques du réseau,du moteur et de son dispositif de réglage, nécessite unprogramme informatique : beaucoup d’utilisateurs industrielsimportants possèdent un ou des programmes plus généraux quileur permettent d’obtenir ces valeurs [22]. Néanmoins, il fautsignaler qu’il existe un programme spécifique public(programme CADMOS), aisément transposable sur calculatricesprogrammables. Le lecteur le trouvera dans la publicationréférencée [3].



4.2.2 Moteur à rotor bobiné

Avec le moteur à rotor bobiné, malheureusement plus coûteux quele simple moteur à cage, on a la possibilité d’insérer, lors dudémarrage, un rhéostat dans le circuit du rotor (figure 10a ). Celapermet à la fois de diminuer le courant de démarrage I1 , commeon peut s’en rendre compte en examinant le schéma équivalent(figure 1), et d’augmenter le couple moteur. Il est même possible,mais rarement utile, d’obtenir ainsi un couple de démarrage CD égalau couple maximal Cmax du moteur.

Les résistances métalliques que l’on court-circuite progressive-ment par des contacteurs K1, K2, ..., K (j – 1) permettent decommander des moteurs de plusieurs mégawatts. Les caractéris-tiques associées aux différentes positions des contacteurs sontdonnées sur la figure 10b.

On fait également souvent appel aux résistances électrolytiquesdans lesquelles la décroissance continue de la résistance est due soità la vaporisation partielle d’un électrolyte (puissance limite aux envi-rons de 700 kW), soit à l’immersion progressive d’électrodes dansune cuve par motopompe (puissance limite aux environs de1 500 kW), soit au déplacement électromécanique d’électrodes(pratiquement sans puissance limite).

4.3 Détermination du couple

4.3.1 Stabilité théorique

Le régime permanent de fonctionnement d’un moteur estobtenu, du point de vue théorique, lorsqu’il y a égalité entre soncouple d’entraînement C et le couple résistant Cr du mécanismeentraîné. Il est nécessaire toutefois, pour qu’un tel régime puisseréellement se maintenir, qu’il s’établisse un équilibre stable descouples ; en pratique, cela signifie que, lorsque l’égalité estobtenue, il faut qu’à toute augmentation ou diminution acciden-telle de la vitesse corresponde respectivement une diminution ouun accroissement du couple moteur par rapport au couplerésistant, de façon que le système tende à revenir au pointd’équilibre. La stabilité dépend donc de l’allure des caractéristiquesmotrices et résistantes.

Traçons la courbe du couple C d’un moteur asynchrone enfonction de son glissement g (figure 11).

Supposons, tout d’abord, que le couple résistant Cr1 soitindépendant de la vitesse. L’intersection des deux caractéris-tiques C et Cr1 donne deux points P1 et P’1, mais seul le point P1correspond à un fonctionnement stable. En effet, on démontre que,d’une façon générale, la condition de stabilité s’écrit :

ce qui signifie que la pente de la caractéristique C (g ) doit être supé-rieure à celle de la caractéristique C r (g ). Cette condition est évi-demment réalisée pour P1 mais pas pour P’1.

Supposons, maintenant, que la caractéristique C r soit unefonction de la vitesse, par exemple qu’elle soit proportionnelle aucarré de la vitesse (cas d’un ventilateur ou d’une pompe). Sonintersection avec C (g) peut, si la courbure est suffisante, ne donner

qu’un seul point tel que P2, sur la partie ascendante, ou P3 sur lapartie descendante. Dans ce cas particulier, les deux points P2 et P3peuvent correspondre chacun à un fonctionnement stable puisque lacondition de stabilité y est respectée pour l’un comme pour l’autre.Il faut cependant remarquer que la partie de la courbe où C diminuequand g augmente a une pente relativement faible sur une grandepartie de son tracé, comme le fait bien ressortir la figure 2, lafigure 11 ayant, elle, été déformée suivant l’axe des g, pour faciliterla représentation.

Il en résulte qu’à une faible variation de Cr3 peut correspondreune grande variation de l’ordonnée g du point P3, ce qui donne unrégime relativement peu stable. De plus, le glissement étant alorsfort, le rendement des moteurs est faible et l’échauffement desbobinages important. Tout fonctionnement permanent dans cettezone doit donc être exclu.

Exemple : pendant la phase de démarrage, on enclenche succes-sivement les contacteurs K1, K2, ..., K (j – 1), à des intervalles de tempstels que le couple du moteur puisse varier entre deux valeurs, l’uneCD un peu inférieure au couple maximal Cmax , l’autre au voisinage ducouple nominal Cn .

À l’arrêt, les (j – 1) contacteurs sont ouverts et la résistance complèteest insérée ; en régime final, les (j – 1) contacteurs sont fermés et larésistance est mise en court-circuit.

dC dCr–

dg-------------------------- 0> ou dC

dg---------

dCr

dg---------->

Figure 10 – Moteur asynchrone à rotor bobiné. Démarragepar rhéostat rotorique



Un des facteurs qui détermine le temps au bout duquel un moteuratteint son régime d’équilibre est le couple accélérateur Ca qui estla différence, à chaque instant, entre C et Cr : plus il est grand, plusce temps est court. Bien évidemment, s’il est négatif dans la phasedu démarrage le moteur ne peut décoller.

Si J est le moment d’inertie global des masses en mouvement,on a :

Plus le couple accélérateur est élevé, plus vite est atteinte la vitessenominale et plus faible est la contrainte thermique que subit lemoteur.

Toutefois, le constructeur peut être amené à imposer une valeurmaximale à Ca pour limiter les contraintes mécaniques decertaines pièces en rotation.

On définit parfois un couple accélérateur moyen Ca moy (expriméen N · m) en déterminant, par intégration, l’aire comprise entre lesdeux courbes C et Cr .

On montre que la durée de démarrage tD (exprimée ensecondes) est donnée par la relation :

4.3.2 Couple nominal

Il résulte du paragraphe 4.3.1 que le point de fonctionnementd’un moteur doit être situé dans la petite zone, à variation rapide decouple, délimitée par le point de glissement nul et le point corres-pondant au couple maximal (§ 1.2.2). Toutefois, il est prudent de nepas le situer trop près de ce dernier, car on risque un phénomèneaccidentel d’instabilité. Si, en effet, il se produit une baisse de latension d’alimentation (qui, rappelons-le, intervient sur la valeur descouples par le carré de l’amplitude de la tension) ou s’il apparaît unpoint dur (frottement, par exemple) dans le mécanisme entraîné, lecouple résistant à la vitesse considérée risque de devenir supé-rieur au couple moteur maximal.

Dans le cas où le couple résistant Cr (g) est indépendant duglissement (comme Cr1 sur la figure 11), ou ne varie que faiblementavec lui, cela va se traduire par un arrêt du moteur, qui doit alors êtrerapidement mis hors service par un système de protections.

Dans le cas où il présente une caractéristique variant fortementavec le glissement (Cr2 et Cr3 sur la figure 11), on peut obtenir unechute brutale de vitesse, puis un fonctionnement pseudo-stable avecdes oscillations plus ou moins prononcées autour d’un point d’équi-libre correspondant à un glissement élevé, donc un rendement faibleet des courants rotorique et statorique élevés. On dit souvent, dansce cas, que le moteur rampe. Un tel fonctionnement ne doit pas êtremaintenu longtemps, pour éviter une destruction de la machine pareffet thermique.

On caractérise le risque qu’a un moteur à se trouver dans une tellesituation en introduisant le coefficient de stabilité, qui est le rap-port entre son couple maximal Cmax et son couple nominal Cn . Plusce rapport est grand, plus le risque d’instabilité est faible.

En pratique, pour un moteur triphasé, on adopte généralement :

Pour différentes raisons, qui ne tiennent pas uniquement à la sta-bilité, les normes imposent d’ailleurs une valeur minimale à ce coef-ficient α. Par exemple, les normes NF C 51-111 et NF C 51-200spécifient :

— pour les moteurs polyphasés en général ..................... α > 1,6— pour les moteurs polyphasés à cage spécialement

prévus pour avoir au démarrage un courant inférieurà 4,5 In............................................................................... α > 1,5

— pour les moteurs monophasés :• à condensateur et coupleur ............................................ α > 1,5• à condensateur permanent............................................. α > 1,4• à bague de déphasage .................................................... α > 1,2

4.3.3 Couple de démarrage

Dans le cas d’un moteur à rotor bobiné, le couple de démarrageCD peut être réglé à la valeur que souhaite l’utilisateur, au moyend’un rhéostat triphasé adéquat dont les sorties constituent le pointneutre de l’enroulement rotorique (figure 10).

Le couple de démarrage d’un moteur à cage est, en revanche, fixépar la construction même du moteur et ne peut être modifié, dumoins augmenté, par l’utilisateur. Les normes imposent cependant :

— pour les moteurs triphasés de moins de 100 kW ;— pour les moteurs triphasés de plus de 100 kW,

pour tous les moteurs monophasés et pour les moteurs triphasésà plusieurs vitesses.

Les couples de démarrage que l’on considère ainsi sont descouples déterminés en régime établi. Au moment du décollage, ilse superpose un couple transitoire oscillant à la fréquence du réseau,dont l’amplitude peut être cinq fois supérieure à celle du couplemoyen, avec une durée d’amortissement de l’ordre de lademi-seconde. Il est donc prudent, surtout pour les gros moteurspar exemple de puissance supérieure à 100 kW), d’avoir une ligned’arbre dont la fréquence de résonance soit éloignée de celle duréseau.

Figure 11 – Intersection de la caractéristique du couple d’un moteur asynchrone et de différentes caractéristiques de couples résistants

Ca C Cr– Jdωm

dt--------------= =

tDπ

30------ J N

Ca moy-----------------≈

La courbe du couple moteur en fonction de la vitesse estétablie par le constructeur en supposant un régime stationnaireà chaque valeur de la vitesse. Or, lors du démarrage, ou plusgénéralement lors d’une variation de vitesse, c’est le coupledynamique qui intervient, et sa valeur maximale est inférieureà celle du couple statique. L’écart, difficile à déterminer, estd’autant plus grand que l’accélération est plus forte, donc quel’inertie du système entraîné est plus faible.

αCmax

Cn--------------- 1,8≈=

CD 0,5 C nCD 0,3 C n



4.4 Puissance nominaleet service nominal

Dans le cas très fréquent où un moteur fonctionne sinon d’unefaçon rigoureusement

permanente

(service continu), du moins avecde très

grandes périodes de fonctionnement

, la définition de la puis-sance apparente

S

n

ne soulève aucun problème ; elle a pour valeur :

alors que la puissance nominale active est :

avec

C

n

couple nominal à la vitesse nominale,

P

n

puissance nominale du moteur, qui est la puissanceutile sur l’arbre et qui vaut

C

n

ω

mn

,

U

n

et

I

n

valeurs efficaces des tension et courant du moteuren régime permanent,

η

n

rendement du moteur au régime nominal,

ϕ

n

déphasage entre courant et tension de chaqueenroulement.

Nota :

P

n

désigne usuellement la puissance nominale, qui est en fait une puissance méca-nique, et non pas électrique. L’introduction de

P

1n

permet d’éviter cette confusion et désignela puissance électrique active au régime nominal.

À partir de ces valeurs, le constructeur définit la conception dumoteur, en faisant intervenir les échauffements créés par lecourant permanent. Il peut, du moins en première approximation,et si l’inertie de la masse tournante, donc la durée du démarrage,n’est pas trop grande, négliger l’effet de l’échauffement dû à la sur-intensité initiale, d’autant que celle-ci ne se développe que lorsquele moteur est à l’état froid.

Mais si, sur le même circuit de charge, on soumet le moteur ainsiconçu à des

cycles rapprochés de

démarrage et d’arrêt

, il seproduit un suréchauffement des enroulements qui réduit la duréede vie des isolants. Pour maintenir la température de ceux-ciau-dessous de la valeur maximale admissible, il est donc nécessairede déclasser la puissance

affichée

du moteur.

Bien entendu, si, en plus de ces cycles, on impose à ce moteurdes

périodes de

freinage électrique

, le déclassement risque d’êtreplus sévère.

En revanche, en établissant dans les cycles des intervalles de reposayant une durée suffisante vis-à-vis des constantes de temps ther-miques du moteur, on améliore la situation. En particulier, si lestemps de mise sous tension sont courts et les périodes de reposgrandes (ce qui caractérise ainsi ce que l’on appelle le

servicetemporaire

), l’échauffement peut être plus faible que dans le casdu régime continu.

La notion de puissance nominale n’a donc pas de sens du pointde vue constructif, si on ne lui associe pas tout ce qui caractériseles conditions d’emploi et qui forme le

service nominal

. Malheu-reusement, à part quelques cas simples, il n’est pas aisé de définirle service nominal, car il fait intervenir un grand nombre de para-mètres plus ou moins indépendants, tels que les temps de fonction-nement en charge, de démarrage et de freinage, la durée des cycleset l’inertie des masses tournantes.

Pour faciliter le travail, il a été normalisé huit services types(figure

12

), nous renvoyons le lecteur à la norme NF C 51-111 poury trouver la définition et le contenu précis de chacun de ces services,classés S1 à S8.

4.5 Rendement

4.5.1 Valeurs actuelles

Les moteurs asynchrones, comme la plupart des moteursélectriques, ont la réputation d’avoir de bons rendements. Cetteréputation, qui résulte d’une comparaison implicite avec les sys-tèmes mécaniques ou thermiques, est justifiée, comme le montre letableau 1 où sont données, à titre d’exemple, les valeurs du rende-ment à pleine charge de moteurs quadripolaires, c’est-à-dire devitesse 1 500 tr/min pour une alimentation à 50 Hz, de différentespuissances. On y observe l’effet de taille bien connu qui fait que lesrendements peuvent être d’autant plus élevés que la puissance nomi-nale Pn des appareils est plus grande. (0)

Sn UnIn 3=

P1n UnIn 3 cos ϕn2π60--------

CnNn

ηn-----------------

Pn

ηn--------= = =

Figure 12 – Services normalisés des moteurs

Tableau 1 – Exemples de rendement de moteurs quadripolaires de différentes puissances

Puissance nominaledu moteur ....................... (kW) 1,1 11 55 110 1 000 5 000

Rendement à pleine charge ... 0,78 0,88 0,94 0,95 0,96 0,97



Par ailleurs, comme le montre l’exemple de la figure 13, lerendement est peu variable sur une plage qui s’étend au moins entreles 2/3 de la puissance nominale et cette puissance nominale. L’adap-tation du moteur à sa charge ne pose donc pas de problème critiquede ce point de vue.

Cette réputation de bon rendement des moteurs asynchrones a eul’inconvénient de désensibiliser les acheteurs des moteurs usuels(moteurs à basse tension essentiellement) vis-à-vis de lavaleur même de ce rendement. De ce fait, certains constructeurs, quisont soumis à une forte concurrence sur ce marché, peuvent êtreamenés à minimiser les prix de revient de leurs appareils audétriment du rendement. Lorsque ces moteurs sont utilisés de façontemporaire ou avec des cycles de marche relativement courts, celan’a guère d’importance. En revanche, s’ils doivent assurer desrégimes continus pour une charge supérieure à 50 % de la pleinecharge nominale, comme c’est le cas de la majorité des moteurs àusage industriel, ils peuvent être pénalisants en coût d’exploitationpour l’utilisateur, qui a intérêt, alors, à rechercher un moteur demeilleur rendement.

4.5.2 Amélioration possible

Pour augmenter le rendement d’un moteur, il faut chercher àréduire chacun des principaux postes de pertes [23].

On peut tout d’abord chercher à réduire les pertes Joule desenroulements du stator. Les moteurs ont profité des caractéristiquesthermiques améliorées des isolants modernes, qui sont désormaiscouramment de classe de température F, pour augmenter la tempé-rature de service des enroulements, tout en maintenant des tempé-ratures de fonctionnement assurant une longévité compatible avecdes exigences de service industriel [24].

La réduction des pertes Joule peut s’obtenir soit par une dimi-nution de la résistance des enroulements, procurée par une meilleureutilisation de la matière en réduisant la masse des conducteurs dansla partie des enroulements qui ne participe pas directement à laconversion électromécanique (comme les têtes de bobines), soit parune réduction de la température moyenne par une amélioration dela capacité de refroidissement.

On peut chercher à réduire les pertes électromagnétiquespar hystérésis et courants de Foucault en utilisant des tôles à faiblespertes massiques ou de faible épaisseur. Les matériaux magnétiquessont, sur cet aspect, en progrès réguliers. Cependant, l’intégration deces matériaux performants dans les moteurs est réalisée au rythmede l’évolution des gammes de moteurs. Notons que les tôles àcristaux orientés qui sont utilisées dans les transformateurs ne sontpas utilisables efficacement dans les moteurs, car elles n’ont de fai-bles pertes massiques que lorsque l’induction est parallèle au sensde laminage ; or, dans les moteurs, l’induction tend à être multi-directionnelle.

Enfin, un moyen supplémentaire de réduction des pertes magné-tiques est le surdimensionnement du circuit magnétique, parexemple en augmentant la longueur et en conservant le diamètre,de façon à utiliser les matériaux de façon moins intense, ce quiconduit à réduire les pertes volumiques.

Lorsque les pertes électriques sont réduites, il devient possiblede réduire les pertes mécaniques et de ventilation par l’utili-sation d’un ventilateur de plus faible taille. L’amélioration deséchanges thermiques du moteur permet d’augmenter la capacité derefroidissement et de réduire la puissance nécessaire à la ventilation.Les pertes de friction des paliers peuvent être réduites par l’utilisationde roulements performants.

La réduction des pertes d’un moteur est étroitement liée audimensionnement d’ensemble, car la capacité d’emploi d’un moteurest limitée par la température atteinte par les conducteurs.

L’optimisation du rendement d’un moteur est un problèmeglobal de conception, concernant à la fois le dimensionnementet la construction. Outre l’amélioration de la qualité des matériaux,la conception des moteurs les plus modernes a progressé grâce audéveloppement des outils de CAO dans le domaine de l’électro-magnétisme et de la thermique. Le lecteur pourra trouver dansl’article Conception assistée par ordinateur (CAO) en génieélectrique. Méthodes et techniques [22] des informations détailléessur ces outils.

Nota : le lecteur peut également se reporter à l’article Machines cryoélectriques [25].Il existe maintenant des fils supraconducteurs pour applications à 50 Hz qui sont, en théorie,utilisables pour des stators de moteurs industriels, mais qui, en pratique, ne le sont paspour des raisons de coût et de difficultés de mise en œuvre en exploitation industrielle.

4.6 Conception

4.6.1 Normalisation

Nota : le lecteur pourra se reporter dans le fascicule [Doc. D 3 491] au paragrapheNormalisation.

Les puissances nominales des moteurs de moins de 1 000 kWont fait l’objet d’une normalisation internationale.

Le lecteur trouvera dans la norme NF C 51-110 deux tableaux :— le premier concerne les moteurs de moins de 280 kW ; il

indique, en plus des valeurs normalisées proprement dites, desvaleurs intermédiaires admissibles en cas de nécessité absolue ;

— le second concerne les moteurs de 280 à 1 000 kW.

À une exception près, donnée uniquement à titre transitoire, lesvaleurs de ces deux tableaux sont toutes alignées sur celles de lanorme internationale (CEI 34-1).

On a cependant constaté récemment, à l’occasion de lanormalisation européenne des valeurs de tension (passage de220/380 V à 230/400 V), un renouvellement des gammes demoteurs les plus utilisés (moteurs asynchrones triphasés à cageà basse tension), qui s’est accompagné d’une améliorationsensible des performances de rendement.

Figure 13 – Moteur asynchrone à cage d’environ 100 kW : courbedu rendement en fonction de sa puissance utile Purapportée à la puissance nominale Pn

Pour des usages intensifs (§ 4.4), le rendement d’un moteurest un des critères techniques et économiques de choix. Onnotera, aussi, que l’amélioration du rendement des moteurss’accompagne en général d’une réduction du bruit, grâce à l’utili-sation d’un ventilateur moins puissant.



La normalisation des performances des moteurs est définie parla norme NF C 51-111 et son équivalent CEI 34-1. Le documentCEI 34-12 définit des performances complémentaires de couple et depuissance apparente au démarrage des moteurs asynchronestriphasés à cage d’une puissance inférieure ou égale à 630 kW et detension inférieure ou égale à 660 V.

Les moteurs font l’objet d’une certaine normalisation desdimensions. Cela concerne essentiellement les cotes de fixation(NF C 51-104 et NF C 51-120) et, dans le cas des moteurs BT d’usagecourant, les cotes d’encombrement des moteurs fermés (guideUTE C 51-151) et les dimensions des bouts d’arbre des moteursfermés et protégés (NF C 51-150, NF C 51-155, NF C 51-160 etNF C 51-165).

La norme NF C 51-150, ainsi que le document d’harmonisationCENELEC HD 231, définissent la coordination entre la puissancenominale et les dimensions pour les moteurs de type fermé à rotoren court-circuit d’une hauteur d’axe inférieure ou égale à 315 mm, depuissance inférieure ou égale à 132 kW et de 2, 4, 6 ou 8 pôles.

Les publications CEI 72-1, CEI 72-2 et CEI 72-3 constituent une miseà jour de ces documents de normalisation dimensionnelle.

4.6.2 Protection

Ce terme englobe à la fois le souci de protéger les personnes contreles contacts avec les pièces en mouvement ou sous tension, enprenant en compte les outils qu’elles peuvent avoir en main, et celuide protéger le moteur lui-même contre les contraintes qu’il a à subirdu fait de l’environnement dans lequel il fonctionne (poussières dedifférentes tailles, humidité, jets d’eau, gaz, etc.). Les normes ontintroduit deux systèmes de classification différents, le premier pourles moteurs de moins de 600 W, le second pour ceux de plusde 600 W.

Pour les moteurs de puissance nominale inférieure ou égaleà 600 W, la classification est faite en combinant la protection despersonnes et celle du moteur et comporte douze catégories de niveaucroissant, allant de la machine ouverte à la machine à surpressioninterne (norme NF C 51-200). Les moteurs les plus courants sont lesmoteurs protégés et les moteurs fermés.

La classification des autres moteurs, de puissance nominalesupérieure à 600 W, comporte séparément six niveaux (classés de0 à 5) pour la protection des personnes, et neuf niveaux (classés de0 à 8) pour la protection du moteur contre l’introduction d’eau (normeNF C 51-115). Les niveaux de protection de ces machines sont définissymboliquement par les lettres IP suivies de deux indices respecti-vement égaux à un niveau de chacune de ces protections, parexemple IP 11, IP 23 ou IP 44 (moteurs pris parmi les plus courants).

Nota : le lecteur pourra se reporter, dans ce traité, aux articles Installations électriquesà basse tension [26] et Prévention des accidents électriques [27].

Pour les utilisations en zones industrielles exposées aux risquesd’explosion d’origine gazeuse, il existe des moteurs dont laconstruction spécifique garantit qu’ils ne soient pas sourced’explosion. La définition des zones à risques et les performancesdes matériels qui y sont utilisés sont définies par les normes NF Csérie 23 et leurs équivalents CENELEC et CEI (cf., dans ce traité,l’article Matériels et installations électriques en atmosphèresexplosibles. Normalisation [28]).

5. Perturbations de la tension

5.1 Origine

Les réseaux et les installations électriques sont le siège d’incidentsde nature aléatoire, dont les plus fréquents sont les courts-circuitset plus particulièrement les courts-circuits entre phase et masse [29].

Les répercussions de ces incidents sur la continuité du service etle fonctionnement du matériel dépendent de la nature des défauts,de leur emplacement et des moyens de protection mis en œuvrepour les éliminer.

Dans une installation industrielle, quand, par exemple, se produitle claquage d’un élément (câble, moteur, transformateur, etc.), onobserve :

— si la protection est assurée par le seul disjoncteur d’arrivée, ledéclenchement de toute l’installation ;

— si cette protection est ramifiée en plusieurs zones, le déclen-chement de la zone comportant l’élément défectueux et une chutede tension pouvant atteindre 100 % sur une des phases des autreszones pendant le temps d’élimination du défaut.

Dans ce dernier cas, il y a donc à la fois coupure d’une partie del’installation (jusqu’à sa remise en état) et creux de tension de plusou moins forte amplitude, mais sans coupure, sur l’autre partie.

En fait, il est statistiquement beaucoup plus fréquent qu’un défautse produise dans les réseaux aériens, soit, en pratique, dans lesréseaux de distribution ou de transport, plutôt que dans lesinstallations intérieures ou liaisons souterraines situées à l’abri descontraintes climatiques (pluie, foudre, etc.) et d’environnement(branches d’arbre, plombs de chasse, etc.). En outre, par suite del’interconnexion des différents réseaux, tout court-circuit affectantl’un d’eux sera ressenti, en toute rigueur, par n’importe lequel desautres, étant évidemment entendu que sa perception sera d’autantplus faible qu’il en sera plus éloigné.

Il en résulte que les installations électriques peuvent subir unnombre difficilement prévisible de perturbations de tension, dontl’éventail va de la chute de tension transitoire, d’amplitude variableentre 0 et 100 %, jusqu’à la coupure brève, de durée inférieure à300 ms, et, dans les cas les plus graves, jusqu’à la coupure de longuedurée (appelée simplement coupure ).

Le lecteur trouvera, dans l’article Qualité de la tension dans lesréseaux électriques. Creux de tension, flicker et harmoniques [19]des précisions sur ces perturbations, leur origine et leur classement.Il y trouvera, en particulier, un exposé sur le réenclenchement rapide,qui est à l’origine du plus grand nombre des coupures brèvesobservées, ce qui peut sembler paradoxal puisque ce système a pourbut d’améliorer la continuité du service. Mais, en fait, ces automa-tismes de protection permettent d’éliminer rapidement la plusgrande part des défauts qui sont de nature fugitive.

5.2 Répercussions des coupures brèves

Quand on coupe la tension d’alimentation d’un moteurasynchrone, celui-ci fonctionne en génératrice et délivre à ses bornesune tension d’amplitude et de fréquence progressivement décrois-santes. On peut fréquemment admettre que la tension, au bout de0,5 s, a encore la moitié de sa valeur initiale. Si, après un temps del’ordre de 0,3 s, on réapplique la tension du réseau, il apparaît iné-vitablement une différence de phase, voire même une oppositionde phase, entre la tension de la machine et celle du réseau. Toutse passe sensiblement, du point de vue de la surintensité qui enrésulte, comme si l’on appliquait au moteur complètement déma-gnétisé une tension égale à la somme vectorielle de ces deuxtensions. Les contraintes sont plus fortes qu’au démarrage etpeuvent être préjudiciables au moteur. Il y a donc lieu d’interdiretout réenclenchement tant que la tension résiduelle n’a pas disparu(ou, à la rigueur, pour certains moteurs de construction récente, tantqu’elle n’est pas au moins inférieure à 20 % de sa valeur nominale).

En pratique, cela signifie que, sauf nécessité absolue imposée parle processus de fabrication auquel est attaché le moteur, toute cou-pure brève doit entraîner le déclenchement de ce dernier.



5.3 Répercussions des creux de tension

La chute de tension aux bornes d’un moteur se traduit par unediminution de son couple d’entraînement (qui est proportionnel aucarré de la tension, § 1.2.2), et par conséquent par son ralentisse-ment. La variation de la vitesse est une fonction de l’amplitude dela chute de tension, de sa durée et de l’inertie des masses enmouvement.

Pour réduire cette variation de vitesse, on a donc la possibilité dejouer sur l’inertie, par exemple en plaçant sur l’arbre du moteur unvolant. C’est une solution parfois utilisée lorsque le ralentissementd’un moteur, pendant la durée prévisible d’un fort creux de tensionou d’une coupure brève, risque d’avoir des répercussions graves surl’installation dans laquelle il est inséré. Bien entendu, ce volantentraîne un accroissement du temps de démarrage et une augmen-tation des contraintes subies par le moteur ; il faut donc que celui-cisoit conçu en conséquence. Il peut d’ailleurs être alors plusintéressant d’alimenter le moteur par une source de tension nonperturbable.

À la fin de la perturbation, lorsque la tension revient à sa valeurinitiale, le moteur devrait retrouver sa caractéristique normale decouple et revenir à la position d’équilibre de couple et de vitessequ’il avait auparavant. Malheureusement, deux obstacles risquentd’apparaître :

— le couple du moteur, qui dépend du glissement atteint par lerotor à cet instant, peut-être inférieur au couple résistant dumécanisme entraîné ; il n’y a alors plus d’équilibre possible et il estnécessaire de déclencher le moteur ou de faire intervenir des auto-mates qui permettent la réapparition rapide d’un coupleaccélérateur (§ 4.3.1) ;

— la surintensité, qu’engendre à ce même instant la variationbrusque de tension, provoque une chute de tension dans le réseau,accentuant le risque d’instabilité ; la chute de tension est, bien sûr,d’autant plus forte qu’il y a plus de machines dans l’installation.

Par ailleurs, sur un à-coup de tension, les moteurs à rotor bobinése comportent comme des moteurs à cage et sont le siège d’unesurintensité pouvant dépasser celle pour laquelle ils sont conçus etles endommager.

Il n’est pas possible de définir, ni même d’esquisser, une politiquegénérale à appliquer lors des creux de tension. Chaque cas doit êtreexaminé en prenant en compte ses propres paramètres (caractéris-tiques des moteurs et de leur système de démarrage, inertie desmasses entraînées, impératifs d’exploitation, puissance de court-circuit du réseau, etc.).

5.4 Contacteurs

Les contacteurs, dont la bobine de commande est alimentée parle réseau à courant alternatif (cas assez général), se déclenchent enquelques dizaines de millisecondes lorsque la tension du réseaubaisse d’au moins 30 %, chaque appareil ayant d’ailleurs ses carac-téristiques propres [26]. De ce fait, les contacteurs tendent à trans-former toute chute de tension transitoire en une coupure.

Pour remédier à une telle situation, on a souvent préconisé de tem-poriser le déclenchement par manque de tension du contacteur, parexemple en alimentant sa bobine à travers un pont de redresseurssuivis de condensateurs qui fixent la valeur de la temporisation. Ceprincipe de temporisation est tout à fait valable lorsque l’on a affaireà des circuits passifs, mais l’expérience actuelle montre qu’il ne fautpas y faire appel pour des moteurs.

Le contacteur est, en effet, en l’absence d’un système sophistiquéd’automates, la meilleure protection des moteurs contre lescoupures brèves et les creux de tension de trop grande amplitude.

Cependant, en cas de nécessité, pour des moteurs de faiblepuissance, le maintien en position fermée du contacteur d’alimen-tation du moteur est une solution pour assurer la continuité deservice du moteur sur une coupure brève de tension ou un creuxde tension profond. En effet, pour des moteurs asynchrones à cagede puissance inférieure à 30 kW environ, la tension résiduelle décroîtsuffisamment rapidement pour qu’au bout de 0,3 s, elle ait atteintun niveau admissible pour un réenclenchement sans surintensitéinadmissible. Toutefois, l’emploi de cette solution est soumis à lacondition qu’un redémarrage automatique ne nuise pas à la sécuritédes matériels et des personnes.

Nota : l’article Régimes transitoires des machines électriques tournantes [29], ainsi quel’ouvrage [13] fourniront des informations détaillées sur les régimes transitoires complexesdes moteurs asynchrones qui se produisent lors d’une perturbation de la tensiond’alimentation.

6. Vitesse variable

6.1 Intérêt

Bien que les moteurs asynchrones n’aient pas, comme les moteurssynchrones, une vitesse strictement constante, puisque [relation (1)]N = Ns (1 – g ), il n’est guère possible, pour autant, de les considérercomme des moteurs à vitesse variable. Leur vitesse est en effetbornée, d’un côté par la vitesse de fonctionnement au couplemaximal, de l’autre par la vitesse de synchronisme, ce qui ne donnequ’une plage de variation inférieure à 10 %. Par ailleurs, on nedispose pas de moyens électriques simples et économiques (commeles rhéostats de champ des moteurs à courant continu) pour réglerleur vitesse.

Les quelques remarques suivantes peuvent aider à laréflexion.

On observe que, dans les creux de tension modérés (disonsde l’ordre de 30 %), qui sont les plus fréquents, la plupart desinstallations se comportent bien, sans précaution particulière. Leproblème que posent les creux de tension n’atteint une véritableacuité que dans un nombre limité de cas, où souvent d’ailleursleur existence n’a pas été prévue.

Un moteur à cage sans système de démarrage ne seheurte pas, lors d’un creux de tension, à des conditions de coupleet de surintensité plus sévères que pendant son démarrage, dansla mesure du moins où il n’y a pas d’autres moteurs au voisinagepour créer une chute de tension supplémentaire. En dehors de cecas, et si le système entraîné le permet, il peut supporter tous lescreux de tension, coupures brèves exclues.

Un moteur à rotor bobiné, n’ayant plus le couple moteursuffisant après le ralentissement consécutif à une baisse detension, peut le retrouver par l’insertion automatique d’une résis-tance dans son circuit rotorique. Dans le cas fréquent où le couplerésistant croît avec la vitesse, l’emploi de la résistance dedémarrage risque de ne pas permettre de récupérer assez decouple. Il est donc nécessaire de prévoir une autre résistance, ditede repli, de valeur adéquate.

Les contacteurs agissent sur le comportement d’une instal-lation de moteurs, comme nous le précisons au paragraphesuivant.



Pourtant la variation de vitesse d’un moteur présente deux intérêtsfondamentaux.

— Le premier, qui est le plus évident, est de répondre auxexigences de variation de vitesse de l’organe entraîné (le cas le plustypique est celui de la traction).

— Le second est de fournir un réglage performant au systèmeentraîné, sans que celui-ci ait, en toute rigueur, besoin d’un réglagede vitesse.

Pour illustrer ce gain de rendement, portons dans un systèmed’axes débit q – pression p (figure 14) les caractéristiques respec-tives du compresseur (courbe I) et du réseau qu’il alimente. Leurintersection donne le point de fonctionnement nominal N défini parles valeurs pn et qn , auquel correspond une puissance électrique

pn proportionnelle à (η étant le rendement du moteur).

Si l’on veut réduire le débit à une valeur inférieure q1 , on peutalors :

— soit utiliser une vanne, ce qui revient à déformer la caracté-ristique du réseau (courbe en tireté) : la pression d’équilibre devientp1 (point A) ;

— soit réduire la vitesse du moteur entraînant le compresseur,donc abaisser sa caractéristique (courbe II) : la pression d’équilibreest alors p2 (point B).

Le gain d’énergie de la solution électrique est proportionnel à

, en supposant, pour simplifier, un rendement constant.

Si le compresseur est appelé à fonctionner souvent hors de sonpoint de fonctionnement nominal, ce gain de rendement peut êtresuffisant pour compenser l’accroissement de coût imposé par l’intro-duction d’un entraîneur à vitesse variable. Il en est particulièrementainsi lorsque, pour des raisons de sécurité, on est amené à sur-dimensionner le compresseur par rapport aux besoins normaux del’installation, car celui-ci fonctionne alors en permanence en régimedégradé.

6.2 Réglage discontinu de la vitesse

On peut obtenir un nombre discret de vitesses en utilisant deuxenroulements statoriques ou en modifiant le nombre des pôles dustator.

6.2.1 Double enroulement statorique

Lorsque l’on veut obtenir deux vitesses qui ne soient pas dansle rapport de 2 à 1, on munit le stator de deux enroulements quel’on alimente séparément. Pour éviter que l’enroulement utilisén’induise des courants dans l’autre, ce qui provoquerait des perteset des échauffements parasites, il est nécessaire de faire appel à desenroulements en étoile, ou sinon d’ouvrir, au moyen de contactsauxiliaires, le triangle de celui des enroulements qui n’est pas enservice.

Théoriquement, on pourrait utiliser plus de deux enroulements dif-férents pour augmenter le nombre des vitesses, mais, d’un point devue pratique, cela n’est guère possible.

Par ce procédé, on réalise des moteurs électrodomestiques ayantun rapport de vitesses pouvant atteindre 8 à 10 ; dans le cas desmoteurs industriels, ce rapport ne dépasse guère 4.

6.2.2 Enroulements à changement de pôles

Il est relativement facile de changer la vitesse d’un moteur asyn-chrone dans le rapport classique de 2 à 1 avec un seul enroulementstatorique.

La méthode la plus courante consiste à inverser la polarité de lamoitié des pôles de chacune des phases d’un enroulementconventionnel, de façon à obtenir un enroulement où tous les pôlesaient la même polarité. Un tel enroulement, dit à pôles conséquents,a la propriété d’engendrer un champ tournant deux fois pluslentement que l’enroulement conventionnel ayant même nombretotal de pôles [30].

Bien entendu, pour revenir à la vitesse double, on opère la commu-tation inverse qui permet de retrouver un enroulement dont les pôlessont successivement de signes contraires.

La réalisation est différente suivant que l’on désire, lors duchangement de vitesse, conserver au moteur sa puissance nominaleou lui conserver son couple à pleine charge (sa puissance nominaleest alors proportionnelle à la vitesse de synchronisme) ou obtenirun moteur ayant un couple à pleine charge proportionnel à la vitessede synchronisme (et donc une puissance nominale proportionnelleau carré de cette vitesse).

Pour les figures 15, 16 et 17 donnant les différents schémasd’enroulement d’un moteur à deux vitesses, les lettres U, V et Wfixent le sens de rotation pour les deux vitesses.

La figure 15 donne le schéma de couplage des enroulements, etson application à un moteur quadripolaire, dans le cas de lapuissance constante ; l’enroulement est connecté en trianglesérie pour la grande vitesse et en étoile parallèle pour la petite.

À titre d’exemple de ce second cas, on peut citer le fonctionnementde compresseurs d’air ; il est d’usage très fréquent d’entraîner cesappareils par un moteur asynchrone et de régler le débit d’air par desvannes qui introduisent une perte de charge. En installant un moteurd’entraînement à vitesse variable, on substitue à ce réglage, qui dégradel’énergie, un réglage à rendement sensiblement constant.

Figure 14 – Réglage du débit d’un compresseur

pn qn

η----------------

p1 p2–( ) q1

η---------------------------------

Exemple : les points 1U, 1V et 1W sont les milieux de chacun desenroulements de phase 2U 2W, 2V 2U et 2W 2V.

À grande vitesse (vitesse normale), l’alimentation se fait par lespoints 2U, 2V, 2W, les trois extrémités 1 étant ouvertes.

Couplage du moteur : triangle. À petite vitesse (demi-vitesse), l’alimentation se fait par les points

1U, 1V, 1W, les trois extrémités 2U, 2V, 2W étant connectéesensemble, en un point neutre.

Couplage du moteur : 2 étoiles en parallèle.



Dans le cas du couple constant (figure 16), l’enroulement est enétoile parallèle pour la grande vitesse et en triangle série pour lapetite.

Dans le cas du couple proportionnel (figure 17), l’enroulementest en étoile parallèle pour la grande vitesse et en étoile série pourla petite.

6.3 Réglage continu de la vitesse

6.3.1 Généralités

Le réglage continu de la vitesse (N et Ns étant exprimées entr/min) :

peut être obtenu en agissant sur la fréquence, le glissement ou latension.

Jusqu’à la fin des années soixante, le réglage continu de la vitessed’un moteur asynchrone se faisait par action sur le glissement, aumoyen d’une association de machines telles que la cascade Kraemerou Scherbius.

Le développement des semiconducteurs de puissance a renduobsolètes tous ces systèmes en permettant de réaliser, à partir duréseau à fréquence industrielle, des sources de tension et de courantà pulsation réglable ayant des performances d’emploi tout à faitremarquables.

Les composants électroniques de puissance utilisés actuel-lement pour la variation de vitesse des moteurs asynchrones àusages industriels sont :

— les transistors, notamment les transistors IGBT (Insulated GateBipolar Transistor ), jusqu’à des puissances unitaires de quelquescentaines de kilowatts, voire même 1 MW ;

— au-delà, les thyristors ordinaires et les thyristors GTO (GateTurn Off ) ;

La frontière d’emploi entre les transistors de puissance, lesthyristors ordinaires et les thyristors GTO évolue très rapidementavec les progrès des performances des composants de puissance,principalement ceux des transistors IGBT, et des structures desconvertisseurs qui les utilisent. Il est cependant acquis aujourd’huique, pour les applications de faible et moyenne puissances (moinsde 200 kW et, à terme, moins de quelques mégawatts), le transistorsera le principal composant utilisé. L’utilisation de thyristorsordinaires et thyristors GTO tend à se limiter aux entraînements depuissance supérieure à quelques centaines de kilowatts environ etquelques mégawatts à terme.

Outre les progrès des composants électroniques de puissance, lesvariateurs électroniques de vitesse pour moteurs asynchrones ontaussi bénéficié des progrès des composants numériques delogique programmée. Les processeurs modernes ont permis denumériser le contrôle-commande des convertisseurs en autorisantl’implantation d’algorithmes de commande sophistiqués procurantun meilleur contrôle du couple moteur et de la vitesse, et améliorantl’interface de communication homme-machine.

Figure 15 – Moteur à deux vitesses à puissance constante : schémas d’enroulement

Figure 16 – Moteur à deux vitesses à couple constant : schémas d’enroulement

Figure 17 – Moteur à deux vitesses à couple proportionnel : schémas d’enroulement

Exemple : les points 1U, 1V et 1W sont les milieux de chacun desenroulements de phase 2V 2W, 2V 2U et 2W 2U.

À grande vitesse (vitesse normale), l’alimentation se fait par lespoints 2U, 2V, 2W, les trois extrémités 1 étant connectées ensemble,en un point neutre.

Couplage du moteur : 2 étoiles en parallèle. À petite vitesse (demi-vitesse), l’alimentation se fait par les points

1U, 1V, 1W, les trois extrémités 2 étant ouvertes.Couplage du moteur : triangle.

Exemple : les points 2U, 2V et 2W sont les points intermédiairesde connexion de chacun des enroulements de phase 1U 1W, 1V 1U,1W 1V.

À grande vitesse (vitesse normale), l’alimentation se fait par lespoints 2U, 2V, 2W, les points 1 étant connectés ensemble, en un pointneutre.

Couplage du moteur : 2 étoiles en parallèle. À petite vitesse (demi-vitesse), l’alimentation se fait par les points

1U, 1V, 1W, les extrémités 2 étant ouvertes.Couplage du moteur : 2 étoiles en série.

En ajoutant à l’un de ces enroulements un enroulementcomplémentaire, simple ou à changement de pôles, on aboutità un moteur à trois ou quatre vitesses. C’est le maximumpratiquement réalisable.

N Ns 1 g–( ) 60 fp------ 1 g–( )= =



Nous nous limiterons ici à indiquer brièvement les grandes lignesdes solutions technologiques actuellement les plus employées pourfaire varier la vitesse des moteurs asynchrones. Le lecteur trouveradans l’article de ce traité. Alimentation des machines asynchrones[21], un exposé des différents schémas possibles, avec leursvariantes, ainsi qu’une explication détaillée de leur fonctionnementet de leur mode de contrôle-commande. On pourra également sereporter aux articles Convertisseurs statiques. Composants semi-conducteurs de puissance [31], Convertisseurs continu-alternatif etalternatif-continu [32] et Commande numérique des ensemblesconvertisseurs-machines [33].

6.3.2 Réglage par variation de la fréquence

6.3.2.1 Généralités

La solution qui paraît, a priori, la plus simple pour faire varier lavitesse d’un moteur asynchrone est celle qui consiste à faire varierla fréquence de sa source d’alimentation. La mise en œuvre de ceprincipe pour des applications industrielles utilise un convertisseurtriphasé-triphasé qui transforme le système industriel triphasé detensions de fréquence et d’amplitude fixes, aux légères fluctuationsnormales près, en un système triphasé de tensions ou de courantsde fréquence et d’amplitude maîtrisées.

Les principaux types de convertisseurs employés pour les moteursasynchrones sont des convertisseurs indirects de fréquence,c’est-à-dire qui utilisent un étage intermédiaire à fréquence nulle(tension ou courant continu) par l’association d’un convertisseuralternatif-continu (redresseur) et d’un convertisseur continu-alternatif (onduleur). Plusieurs technologies de convertisseursreposent sur ce principe, selon que l’étage à fréquence nulle estconstitué d’une source de tension ou d’une source de courant etselon les formes d’ondes produites par l’onduleur.

Des convertisseurs directs de fréquence, dénommés cyclo-convertisseurs, qui réalisent la conversion de fréquence sansrecourir à un étage intermédiaire à fréquence nulle, sont aussi utiliséspour des cas particuliers d’entraînements par moteurs asynchronesde forte puissance (quelques mégawatts).

6.3.2.2 Redresseur-onduleur de tension à modulationde largeur d’impulsions (MLI)

Le schéma de principe de ce convertisseur de fréquence estprésenté sur la figure 18a. Il comporte :

— un redresseur triphasé à diodes qui délivre une tensioncontinue d’amplitude pratiquement constante (pour une tensionalternative d’alimentation constante) ;

— un étage de filtrage, comportant principalement un conden-sateur de forte capacité ;

— un onduleur de tension délivrant des impulsions de tensiond’amplitude fixe mais de largeur variable, qui, en moyenne,restituent un système de tensions d’amplitude et de fréquencevariables ; en général, la tension fondamentale est d’amplitudeproportionnelle à la fréquence de façon à maintenir un flux magné-tique (rapport U /f ) constant dans le moteur sur toute la plage devitesse (figure 18b ).

L’onduleur nécessite l’utilisation d’interrupteurs électroniques depuissance entièrement commandables, c’est-à-dire dont la mise enconduction et le blocage sont maîtrisables à chaque instant ; c’estpourquoi on utilise actuellement :

— des transistors IGBT, systématiquement pour les variateurs depuissance inférieure à 200 kW environ ; les variateurs MLI à transi-stors IGBT deviennent de plus en plus usuels pour des puissancessupérieures, atteignant 1 MW ;

— des thyristors GTO, pour des puissances de quelques centainesde kilowatts à 3 MW environ.

Ce convertisseur est actuellement le plus employé pour lesentraînements industriels de faible et moyenne puissances. Cettesolution est attractive, car elle utilise un moteur asynchrone à cageet offre une gande souplesse de fonctionnement. De plus, l’utilisationde transistors IGBT et du contrôle-commande numérique a permisd’augementer les performances d’ensemble tout en diminuant lescoûts de ces matériels.

Un progrès récent est le développement de la commande vecto-rielle de couple qui permet, pour des applications exigeantes, derégler finement le couple du moteur, notamment à faible vitesse.Des logiciels de contrôle-commande très sophistiqués effectuent,en temps réel, une simulation numérique du fonctionnement dumoteur pour calculer, à chaque instant, les valeurs de courants etde tensions à lui appliquer pour fournir un couple parfaitementmaîtrisé ; on parle, pour ces variateurs, de commande vectorielle,car ils règlent les positions des courants et du flux magnétique dumoteur, représentés mathématiquement par des vecteurstournants.

Les convertisseurs indirects de fréquence sont aujourd’hui lesplus utilisés, avec essentiellement le convertisseur MLI.

Les moteurs à courant continu, grâce à leur très bonnesperformances de réglage dynamique de couple, ont longtempsété la seule technologie disponible pour les entraînements demachines à papier, qui ont une puissance de quelques dizainesà quelques centaines de kilowatts. Le développement devariateurs de vitesse pour moteurs asynchrones à contrôlevectoriel de couple a permis de répondre aux exigences deprécision de vitesse et de réglage de couple nécessaires à lamaîtrise de qualité de fabrication du papier. Les moteurs asyn-chrones à vitesse variable sont, maintenant, utilisés pour cesmachines car ils offrent, par rapport aux moteurs à courantcontinu, des avantages significatifs de facilité d’installation, derobustesse et de réduction de maintenance.

Figure 18 – Convertisseur de fréquence à modulation de largeur d’impulsion



Cette technologie de convertisseur permet de faire varier lavitesse d’un moteur industriel en réduisant sa fréquenced’alimentation, mais elle permet aussi d’augmenter la fréquencepour alimenter des moteurs au-delà de la fréquence industrielle de50 Hz. Cela permet, notamment, de réaliser des entraînements àgrande vitesse de rotation qui peuvent ainsi largement dépasser lavitesse de 3 000 tr/min pour atteindre des vitesses supérieures à20 000 tr/min à des puissances de plusieurs dizaines de kilowatts,voire plusieurs centaines de kilowatts.

6.3.2.3 Redresseur-onduleur de tension pleine-onde

Ce convertisseur est constitué d’un redresseur à thyristorsdélivrant une tension continue d’amplitude variable et d’un onduleurà transistors ou à thyristors GTO alimentant le moteur à l’aided’impulsions rectangulaires de tension de durée proportionnelle àla fréquence et d’amplitude variable.

Ce montage est principalement utilisé pour les moteurs demoyenne puissance, jusqu’à 3 MW environ, et pour des fréquencesd’alimentation pouvant atteindre plusieurs centaines de hertz.

6.3.2.4 Redresseur-onduleur de courant

Ce convertisseur est constitué par un redresseur à thyristors enpont Graetz, commandé en courant, et d’un onduleur autonome àthyristors, qui délivre au moteur des impulsions de courant de formerectangulaire de fréquence et d’amplitude variables. Cette techno-logie est en déclin au bénéfice des convertisseurs MLI et elle n’estutilisée que pour des applications particulières, nécessitant notam-ment un fonctionnement en freinage électrique, comme le levage.

6.3.2.5 Convertisseurs pour moteurs asynchronesde forte puissance

Les progrès des composants électroniques de puissance ontpermis le développement, pour des applications industrielles, destructures de convertisseurs à haute tension pour moteurs asyn-chrones à cage de forte puissance.

La première structure, illustrée par la figure 19, est dérivée duconvertisseur de tension MLI, par l’utilisation d’un onduleurconstitué de 3 hacheurs à 3 niveaux de tensions. Cette structure, diteà 3 niveaux, permet d’appliquer au moteur une onde de tension plusproche d’une sinusoïde que l’onduleur MLI classique. Au lieud’appliquer entre les phases du moteur une tension prenant lesvaleurs – E ou + E (figure 18), les tensions prennent les valeurs– E, – E /2, 0, + E /2 et + E, si E est la tension de la boucle à tensioncontinue. Cette topologie permet de réduire les harmoniques detension et de courant du moteur et permet aussi de doubler la tensiond’utilisation, pour des composants de puissance donnés.

Les composants utilisés pour l’onduleur sont des thyristors GTOà haute tension. Les convertisseurs actuels ont des tensions d’utili-sation le plus souvent de 3,3 kV et pouvant atteindre 6,6 kV, avecune faisabilité en puissance atteignant 12 MW.

Une seconde structure de convertisseur adaptée aux moteursasynchrones à cage de forte puissance est dérivée de celle desmoteurs synchrones à commutateur de courant assisté par lamachine (cf. article Alimentation des machines synchrones [34]). Ceconvertisseur, dont le schéma de principe est illustré par la figure 20,est constitué d’un redresseur triphasé à thyristors commandé encourant, d’un étage de filtrage à courant continu et d’un onduleur decourant à thyristors fonctionnant en commutation assistée par lacharge. Des condensateurs de forte valeur sont placés en sortie del’onduleur et connectés en parallèle sur les enroulements du moteurde façon à fournir la puissance réactive de magnétisation du moteuret celle nécessaire à la commutation naturelle du pont onduleur. Ces

condensateurs constituent aussi un filtre à basse fréquence quipermet ainsi de délivrer au moteur des tensions et des courantspresque sinusoïdaux. Un convertisseur supplémentaire, de typehacheur, est placé sur la boucle à courant continu pour assurer lefonctionnement du convertisseur aux fréquences faibles pendant ledémarrage.

Cette technologie est disponible pour des puissances atteignant20 MW à des tensions de 7 kV viore davantage par l’utilisation d’untransformateur élevateur en sortie d’onduleur ; elle est adaptée àl’entraînement de machines centrifuges (pompes, ventilateurs etcompresseurs), avec une plage de variation de vitesse usuelle de60 à 100 % de la vitesse nominale.

Un exemple d’utilisation de convertisseurs à 3 niveaux estl’équipement de démarrage de turbines à gaz d’un banc d’essais situéen France, constitué d’un moteur asynchrone de 5 000 kW à1 200 tr/min alimenté par un convertisseur de 6 500 kVA, de tension3,3 kV. Le contrôle-commande du convertisseur de type vectorielmaintient le couple moteur constant sur toute la plage de vitesse de0 à 1 200 tr/min.

Exemple : grâce aux tensions et courants du moteur quasimentsinusoïdaux que produit l’onduleur, cette technologie de convertisseurest, en particulier, utilisée pour convertir à la vitesse variable desmoteurs asynchrones à haute tension à vitesse fixe. Aux États-Unis,au cours des années 80, de nombreux entraînements de pompes etventilateurs de centrales électriques, atteignant des puissances uni-taires de 7 MW, ont ainsi été modernisés pour procurer des économiesd’énergie.

Les technologies d’entraînements à vitesse variable de fortepuissance par moteurs asynchrones à cage viennent renforcerl’offre technique dans un domaine de puissance où n’existaientjusqu’à présent, outre les entraînements par cascade hyposyn-chrone (§ 6.3.3), que les moteurs synchrones à commutateur decourant assisté.

Figure 19 – Convertisseur de fréquence MLI à 3 niveauxpour moteur asynchrone de forte puissance



6.3.2.6 Cycloconvertisseurs

On peut convertir directement la fréquence du réseau industrielen une fréquence variable plus faible à l’aide d’un cycloconver-tisseur à commutation naturelle. Ce convertisseur est constitué(figure 21) de deux ponts de Graetz par phase et nécessite donc,en triphasé, 36 soupapes. En commutant les angles de retard desdifférents thyristors, on peut, par un procédé d’échantillonnage,obtenir une tension de sortie qui soit, en moyenne, sinusoïdale. Àcause des difficultés dues aux harmoniques et à la commutation,la fréquence maximale que peut délivrer le cycloconvertisseur estde l’ordre du tiers de la fréquence d’entrée.

La vitesse d’un moteur asynchrone ainsi alimenté ne peut doncdépasser 1 000 tr/min.

En pratique d’ailleurs, les cycloconvertisseurs sont employés pourentraîner des moteurs plutôt lents, tournant au plus à 600 tr/min oumoins (broyeurs de cimenterie par exemple), mais avec des puis-sances qui peuvent atteindre 10 MW.

6.3.3 Cascade hyposynchrone

Avec un moteur à rotor bobiné, on a la possibilité de faire varierle glissement en modifiant la résistance rotorique. Si l’on utilise pourcela un rhéostat, on dissipe en pure perte de l’énergie active et onabaisse de façon inacceptable le rendement. Pour que le procédé soitviable, il faut faire appel à un circuit actif qui permet la récupérationde l’énergie correspondante en la réinjectant dans le réseau. C’est surce principe qu’étaient réalisés les systèmes de machines tournantesutilisées dans le passé. Maintenant, on redresse le courant rotoriquepar un pont de diodes et, après filtrage, on le renvoie dans le réseauau moyen d’un onduleur à commutation naturelle et d’un transfor-mateur adaptateur de tension. Le réglage du glissement s’effectue enjouant sur le retard à l’amorçage des thyristors. Le rendementobtenu, de l’ordre de 0,90 à 0,95, est au moins aussi bon que celuid’un moteur à courant continu. Cet ensemnble, dont le schéma estdonné figure 22, constitue la cascade hyposynchrone.

Figure 20 – Convertisseur de fréquence à commutateur de courant assisté pour moteur asynchrone de forte puissance

Figure 21 – Cycloconvertisseur : schéma

Figure 22 – Cascade hyposynchrone : schéma



Il est, en théorie, possible de régler la vitesse depuis sa valeurmaximale jusqu’au voisinage de l’arrêt. En fait, il n’est pasintéressant de prévoir une telle plage de variation : d’une part, il estrare que l’on ait besoin d’une si grande variation de vitesse, d’autrepart, on montre que la puissance de dimensionnement de la cascadeest proportionnelle au glissement ; du point de vue des coûts, il fautdonc la dimensionner pour la seule marge de glissement nécessaire,ce qui implique d’utiliser un rhéostat pour le démarrage.

En pratique, les cascades hyposynchrones sont utilisées pour desplages de variation de vitesse de 50 à 100 % de la vitesse nominale,le plus souvent entre 70 et 100 % de la vitesse nominale, ce qui estbien adapté à l’entraînement de machines centrifuges (pompes,ventilateurs, compresseurs).

La cascade hyposynchrone a longtemps été la solution la plusemployée pour faire varier la vitesse des moteurs asynchrones. Elleest encore employée pour les moteurs de forte puissance ; elle estmême parfois préférée aux moteurs à courant continu, car elle auto-rise des puissances environ dix fois supérieures à grande vitesse(1 500 ou 3 000 tr/min) et ne nécessite que des bagues, beaucoupmoins contraignantes, pour l’exploitation, que les collecteurs.

Les caractéristiques limites actuelles de la cascade sont de l’ordrede 3 MW à 3 600 tr/min et 60 MW à 1 900 tr/min (hyposynchrone ethypersynchrone inclus).

Cependant le développement rapide des convertisseurs de vitessepour moteurs asynchrones à cage et les inconvénients des moteursasynchrones à rotor bobiné (présence de bagues et de balaisdemandant de l’entretien et présentant des difficultés d’installationen atmosphère explosible et une grande sensibilité aux perturba-tions de tension du réseau) font que cette solution technologiquen’est pratiquement plus utilisée en faible et moyenne puissances(typiquement moins de 1 MW).

En remplaçant le pont de diodes par un pont de thyristors et eninjectant, à partir du réseau, de l’énergie dans le rotor, on acquiert lemoyen de dépasser la vitesse de synchronisme, en réalisant ainsi unecascade hypersynchrone.

L’utilisation d’un convertisseur réversible, c’est-à-dire capable deprélever ou d’injecter de la puissance au rotor, permet de réaliser unecascade hypo-hypersynchrone, c’est-à-dire un entraînementcapable de fonctionner à une vitesse inférieure ou supérieure à lavitesse de synchronisme. Les convertisseurs utilisés sont, en fortepuissance, des cycloconvertisseurs ou, en moyenne puissance, desconvertisseurs indirects et réversibles dotés, du côté du réseau, d’unpont de Graetz tête-bêche à thyristors.

6.3.4 Réglage de vitesse par la tension d’alimentation. Gradateur

Le gradateur est un réducteur de tension constitué de deuxthyristors montés tête-bêche sur chacune des phases [20] [21]. Enréglant l’angle de retard à l’amorçage des thyristors, on fait varierde façon progressive la tension statorique, donc le couple et lavitesse. Ce type de réglage ne convient donc qu’aux entraînementsayant un faible couple résistant à basse vitesse. Compte tenu despertes de glissement, la variation de vitesse que l’on peut en obtenirne doit pas dépasser 5 à 10 %.

Le gradateur voit son application en variateur de vitesse restreinteaux moteurs à cage résistante de faible puissance (moins dequelques kilowatts), demandant un réglage de vitesse limité ou desdémarrages fréquents.

6.4 Choix des variateurs de vitessepour moteurs asynchrones

Les technologies d’entraînements à vitesse variable pour moteursasynchrones sont nombreuses et viennent compléter les techno-logies disponibles pour les moteurs à courant continu et les moteurssynchrones. Le choix de la technologie et de la structure duconvertisseur dépend de nombreux facteurs liés à l’application visée.Parmi les principaux facteurs techniques de choix figurent :

— la puissance et la vitesse nominales ;— le régime d’utilisation (utilisation en régime permanent ou

intermittent) ;— la plage de variation de vitesse et le domaine de fonctionne-

ment dans le plan puissance-vitesse (1 quadrant, 2 quadrants, 4quadrants) ;

— le type de machine entraînée (inertie, caractéristique de couplerésistant selon la vitesse) ;

— la précision de contrôle de couple et de vitesse ;— la tension du réseau d’alimentation ;— les contraintes d’installation (place disponible, degrés de

protection, etc.).

Le lecteur pourra trouver, dans l’ouvrage référencé [3] dans l’indexbibliographique, des informations détaillées sur la nature des spécifi-cations techniques nécessaires au choix d’un entraînement.

Enfin, un critère essentiel est bien sûr le coût total d’investis-sement de l’entraînement comprenant le coût du variateur, dumoteur et de leur installation. Le coût d’exploitation de l’entraî-nement (maintenance, coût d’indisponibilité, pertes énergétiques)est un critère économique supplémentaire de choix.

Le tableau 2 présente les principales caractéristiques des tech-nologies d’entraînements à vitesse variable pour moteurs asyn-chrones que nous avons évoquées précédemment. On y a aussirappelé, à titre de comparaison, les caractéristiques d’entraînementspar moteurs synchrones. Toutes les technologies présentées sontdisponibles sur le marché français. Le convertisseur MLI est la solu-tion qui constitue l’offre technique la plus étendue, car de nombreuxconstructeurs proposent ce produit.

Les moteurs asynchrones alimentés à fréquence variableprésentent le sérieux avantage de ne donner aucune surintensitéappréciable lors du démarrage, car les convertisseurs permettent derégler la fréquence et la tension du moteur pendant le démarragede sorte à n’appeler au réseau qu’un courant voisin du courant nomi-nal. Ils ne nécessitent donc aucun surdimensionnement en puissancedu circuit d’alimentation et peuvent démarrer aussi souvent quenécessaire sans risques de suréchauffement.

Cependant, comme tout convertisseur électronique de puissanceindustriel, les variateurs électroniques absorbent au réseau descourants entachés d’harmoniques qui induisent sur le réseaud’alimentation des tensions harmoniques susceptibles de perturberle fonctionnement des récepteurs alimentés par ce même réseau.Il faut donc veiller à ce que les harmoniques engendrés par cesconvertisseurs ne polluent pas le réseau. En cas de difficultés, ilexiste des solutions qui permettent de résoudre les problèmes enréduisant le taux de pollution harmonique. Cela peut être soit leraccordement, lorsque cela est possible, à une source de plus fortepuissance, soit l’utilisation de convertisseurs à structure adaptée(utilisation d’un pont redresseur à structure dodécaphasée parexemple), soit l’installation de filtres antiharmoniques à composantspassifs voire actifs (un convertisseur piloté de façon adéquateengendre un spectre d’harmoniques qui compense le spectred’harmoniques perturbateurs).

(0)

Cette technologie est aussi utilisable pour des génératricesasynchrones, notamment pour des centrales hydrauliques deproduction d’électricité. Le record actuel de puissance est détenupar la machine hydraulique réversible de pompage installée àOhkawachi au Japon dont le cycloconvertisseur du circuit d’exci-tation est dimensionné pour une puissance de 72 MVA.



Tableau 2 – Principales caractéristiques des entraînements à variation électronique de vitessepour moteurs asynchrones (complétées d’un rappel sur les entraînements

par moteurs synchrones et moteurs à courant continu)

Technologiesd’entraînements

Convertisseurde tension MLIpour moteur

asynchrone (§ 6.3.2.2)

Convertisseur pleineonde de tension

pour moteur asynchrone (§ 6.3.2.3)

Convertisseurde tension MLI

à 3 niveaux pour moteur asynchrone (§ 6.3.2.5)

Commutateurautonome de courant


Nature du moteur asynchrone à cage asynchrone à cage asynchrone à cagehaute tension

asynchrone à cagebasse tension

Nature du convertisseur redresseur-onduleurde tension à commutation

forcée et MLI

redresseur-onduleurde tension

à commutation forcée

redresseur-onduleurde tension à 3 niveauxà commutation forcée

et MLI

redresseur-onduleur auto-nome de courant

Composants du convertisseur réseau (redresseur)

diodes thyristors diodes thyristors

Composants du convertisseur moteur (onduleur)

GTO ou transistorset diodes

GTO GTO et diodes thyristors et diodes

Gamme de puissance de 1 kW à 3 MW jusqu’à 3 MW jusqu’à 12 MW 0,1 à 3 MW

Gamme de tensiondu variateur et du moteur

380 à 660 Vet jusqu’à 1 500 V

380 à 660 Vet jusqu’à 1 500 V

3,3 à 6,6 kV < 1 000 V

Gamme de vitessenominale(ou de fréquence)

jusqu’à plusieurs milliersde tr/min(< 400 Hz)

jusqu’à plusieurs milliers de tr/min)

(< 1 000 Hz)

jusqu’à 8 000 tr/min

(< 120 Hz)

< 6 000 tr/min

(< 100 Hz)

Plage de variationde vitesse

1 à 100 % 10 à 100 % 1 à 100 % 2 à 100 %

Domainede fonctionnement

2 quadrants(4 quadrants en option)

2 quadrants4 quadrants

avec convertisseur réseau à ponts tête-bêche

2 quadrants(4 quadrants en option)

4 quadrants

Applications principales technologie de référencepour toutes applications

industrielles de faibleet moyenne puissances

pompes, ventilateurs, compresseurs,

extrudeuses, malaxeuses

pompes, compresseurs, ventilateurs, extrudeuses, malaxeuses, laminoirs,...

applications spécifiques (levage, manutention,...)

Observations contrôle-commandevectoriel disponiblepour pilotage précis

du couple

adapté à l’entraînement direct de machines

grande vitesse

pour machinesde forte puissance

technologie de moinsen moins utilisée

Les progrès de l’électronique de puissance et de contrôle-commande ont aussi permis le développement de structuresspécifiques de variateurs à absorption sinusoïdale de courant,qui sont disponibles sur le marché en faible et moyenne puissances.L’utilisation de tels variateurs peut se justifier dans certains casparticuliers où la pollution harmonique du réseau doit être très fai-ble. Le lecteur pourra se reporter pour un complément d’informa-tion aux articles Convertisseurs statiques. Réduction de la puissanceréactive et des harmoniques produits [35] et Réseaux industriels.Correction de la puissance réactive et des harmoniques [36].

De façon corollaire, les convertisseurs électroniques alimententles moteurs par des courants et des tensions affectés d’harmo-niques qui produisent ainsi des couples pulsatoires harmoniquesse superposant au couple moteur moyen. Il faut donc veiller à ceque, dans le domaine d’utilisation de l’entraînement, la fréquenceet l’amplitude de ces couples harmoniques n’excitent pas desfréquences propres de machines qui seraient nuisibles pour l’inté-grité du matériel. De même, il faut veiller à ce qu’aucune fréquencepropre de la ligne d’arbre, en flexion et en torsion, ne puisse êtreexcitée de façon dangereuse par la fréquence de rotation dansl’ensemble du domaine de fonctionnement de l’entraînement.



Commutateurde courant assisté


Cascade hyposynchroneet hypersynchrone (§ 6.3.3)

Cycloconvertisseurpour moteur

asynchrone (§ 6.3.2.6)Moteur synchrone

autopilotéMoteur à courant

continu

asynchrone à cage asynchrone à rotorbobiné

asynchrone à cage synchrone à rotorbobiné

à excitation séparée

redresseur-onduleurcourant à commutation

assistée (filtre)

redresseur-onduleurde courant assistéraccordé au rotor

convertisseur directde fréquence

à commutation assistée

redresseur-onduleurde courant assisté

redresseur assistéet onduleur assisté

(si entraînementréversible)

thyristors thyristors thyristors thyristors thyristors

thyristors thyristorsou GTO et diodes

thyristors thyristors

0,5 à 20 MW hyposynchrone

20 MW

hypersynchrone

60 MW

10 MW 0,5 à 50 MW et plus 0 à 20 MW

0,5 à 7,2 kV < 18 kV 1 à 10 kV 1 à 2 kV

4 000 tr/min(plus pour applications

particulières)

1 500 tr/min 1 900 tr/min(forte

puissance) 3 600 tr/min (quelques

MW)

600 tr/min(1 000 tr/min en théorie)

jusqu’à 8 000 tr/min < 3 000 tr/min

10 à 100 % 50 à 100 % 70 à 130 % 0 à 100 % 5 à 100 % 0 à 100 %

2 quadrants 1 ou 2 quadrants moteur 4 quadrants 4 quadrants 2 quadrants4 quadrants

avecpont tête-bêche

pompes, ventilateurs,compresseurs

centrifuges

entraînementsde pompes, ventilateurs,compresseurs centrifuges

applications faible vitesse fort couple (laminoir,

propulsion de navires)

technologie utiliséepour les grands

entraînements industriels, en particulier

les compresseurs

toutes applicationsindustrielles en vitesse

variable

références en conversion de moteurs à la vitesse

variable

technologie anciennepénalisée par l’utilisation

d’un moteur à bagues

convertisseur utiliséaussi pour moteurssynchrones pourles mêmes applica-tions

produit puissance× vitesse limité

à 2 000 MW · tr/minpar le collecteur

Tableau 2 – Principales caractéristiques des entraînements à variation électronique de vitessepour moteurs asynchrones (complétées d’un rappel sur les entraînements

par moteurs synchrones et moteurs à courant continu) (suite)

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.

7. Conclusion Le bon fonctionnement en service d’un moteur asynchronedépend largement de la façon dont ont été analysées et prises encompte les contraintes auxquelles il aura à faire face. Deux facteurs,non complètement indépendants, sont particulièrement à surveiller :le couple et l’intensité du courant de démarrage :

— il faut tout d’abord que le couple moteur soit supérieur aucouple résistant à tout instant et, en particulier, pendant ledémarrage ; cela peut nécessiter de faire appel à des constructionsspéciales de cages (cages à encoches profondes ou doubles cages)ou à utiliser des moteurs à rotor bobiné avec insertion derésistances ;

— quant au courant de démarrage, dont l’intensité peut varierentre 6 et plus de 10 fois le courant nominal, il ne doit pas provoquerdes chutes de tension qui perturbent les installations voisines ou quiréduisent trop le couple de démarrage.

Comme ces chutes de tension dépendent des caractéristiques duréseau d’alimentation, il est nécessaire qu’il y ait un rapprochemententre le distributeur d’énergie et l’installateur pour rechercher lesconditions optimales de raccordement du moteur, dès que l’intensitédu courant de démarrage n’est pas une fraction négligeable ducourant de court-circuit.

Par ailleurs, il faut garder à l’esprit qu’un réseau d’alimentationpeut être le siège de défauts de nature aléatoire, tels que les chutesde tension transitoires ou les coupures brèves (cf., dans cetraité [15] [19]). L’expérience montre qu’heureusement la majoritédes chutes de tension qui apparaissent n’affectent pas de façonsérieuse les installations. Il y a, toutefois, des chutes de tension qui,par leur profondeur, provoquent un ralentissement tel qu’il n’est pluspossible au moteur ou au système entraîné de revenir d’eux-mêmesau régime initial. Il n’y a malheureusement pas de règles généralesqu’on puisse édicter pour remédier à ce genre d’incidents et chaqueinstallation doit faire l’objet d’une étude propre. L’important est quecette étude soit menée au stade de l’ingénierie et non après coup, carles remèdes deviennent alors difficiles à trouver et coûteux.

© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 3 490 − 23


La variation de vitesse d’un moteur asynchrone est très limitéepar ses conditions de stabilité et il n’est pas possible de considérervraiment ce type de moteur comme un moteur à vitesse variable. Onpeut essentiellement par des artifices de bobinage, multiplier oudiviser la vitesse d’un moteur asynchrone, mais uniquement avec unpetit nombre de rapports fixes.

En fait, pour obtenir une variation continue de la vitesse, il fautadjoindre au moteur des moyens de faire varier soit sa résistancerotorique, soit sa fréquence d’alimentation, voire la tension à sesbornes.

Les procédés électromécaniques utilisés à ces fins dans le passén’ont pas eu d’applications étendues, car ils étaient compliqués etavaient un rendement médiocre. La situation a, en revanche, totale-ment changé avec le développement des transistors et des thyristorsqui permettent de créer d’excellents convertisseurs de fréquence.

Le schéma le plus utilisé actuellement est celui du convertisseurde fréquence MLI. Il constitue, avec le moteur asynchrone à cage,une solution d’entraînement offrant de nombreux atouts, ce qui enfait la solution de référence en faible et moyenne puissances. Elleoffre une grande souplesse de fonctionnement (régulation fine devitesse, démarrage et arrêt progressifs), de grandes performancesdynamiques et se prête naturellement à l’automatisation des proces-sus. L’installation est aisée (le variateur se raccorde électriquemententre le moteur et son alimentation) et le moteur est de constructionsimple et robuste. Les performances de contrôle-commande ontprogressé de telle sorte que cette solution technique est désormaisutilisable pour des applications qui, encore récemment, étaientréservées aux moteurs à courant continu. En complément de cettesolution technologique de base, d’autres schémas se sont déve-loppés, en forte puissance notamment, pour procurer aux moteursasynchrones à cage un large domaine d’emploi.

La figure 23 représente, dans le plan puissance-vitesse, la faisa-bilité technologique des entraînements à vitesse variable parmoteurs asynchrones à cage. L’extension de ce domaine s’esteffectuée vers les fortes puissances pour atteindre une limite de20 MW, mais aussi vers les grandes vitesses de rotation en moyenne

et forte puissances. Des applications nouvelles comme les entraî-nements directs de grands compresseurs industriels ou la tractionélectrique de véhicules ferroviaires ou routiers sont devenues acces-sibles aux moteurs asynchrones.

Figure 23 – Domaine indicatif de faisabilité des moteursà vitesse variable (refroidissement par air)


Do

c. D

3 4

91

6 -

1996

POUR

EN

S

Moteurs asynchrones

Choix et problèmes connexespar Maxime DESSOUDE

Ingénieur de l’École Nationale Supérieure d’Électricité et de Mécanique de NancyIngénieur-Chercheur du Département Machines Électriques à la Direction des Étudeset Recherches d’Électricité de France

AVOIR

PLUS

BibliographieRéférences bibliographiques[1] CAHEN (F.). – Électrotechnique. Tome 4

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MOTEURS ASYNCHRONES _______________________________________________________________________________________________________________POUR

EN

SAVOIR

PLUS

NormalisationAssociation Française de Normalisation AFNOR. Commission Électrotechnique Internationale CEI. Union technique de l’Électricité UTE.

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Machines électriques tournantes

Titre UTE-AFNOR CEI

Machines électriques tournantes : Cotes de fixation. Raccordement

NF C 51-104 01.1974

Bouts d’arbres cylindriques de la série longue avec clavetage

NF C 51-105 09.1971Add. 1 12.1983

Machines électriques tournantes d’usage général : Glissières de fixation

NF C 51-106 04.1963

Valeurs normales de la puissance nominale NF C 51-110 02.1977 ≈ 34-1 1994≈ 279 1969

Règles d’établissement des machines électriques tournantes

NF C 51-111 11.1975Add. 1 02.1977Add. 2 10.1981

≈ 34-1 1994≈ 279 1969

Méthodes pour la détermination des pertes et du rendement des machines électriques tournantes à partir d’essais

NF C 51-112 11.1975 34-2 199434-2A 1974

Classification des degrés de protection procurés par les enveloppes des machines électriques tournantes (code IP)

NF C 51-115 09.1987(NF EN 60034-5)

34-5 1991

Modes de refroidissement (code IC) NF C 51-116 04-1995(NF EN 60034-6)

34-6 1992

Classification des formes de construction et des dispositions de montage. Modes de refroidissement (code IM)

NF C 51-117 04.1995(NF EN 60034-7)

34-7 1992

Marques d’extrémités et sens de rotation des machines tournantes

NF C 51-118 02.1996 34-8 1972Modif 1 1990

Limites de bruit NF C 51-119 05.1995(NF EN 60034-9)

34-9 1990

Protection thermique incorporée. Chapitre 1 : Règles concernant la protection des machines électriques tournantes

34-11 1978

Protection thermique incorporée. Chapitre 2 : Détec-teurs thermiques et auxiliaires de commande utili-sés dans les dispositifs de protection thermique

34-11-2 1984Modif. 1 1990

Protection thermique incorporée. Chapitre 3 : Règles générales concernant les protecteurs thermiques utilisés dans les dispositifs de protection thermique

34-11-3 1984

Caractéristiques de démarrage des moteurs asyn-chrones triphasés à induction à cage à une seule vitesse pour des tensions d’alimentation inférieures ou égales à 660 V

34-12 1980Modif. 2 1995

Spécifications pour les moteurs auxiliaires pour laminoirs

34-13 1980

Vibrations mécaniques de certaines machines de hauteur d’axe supérieure ou égale à 56 mm. Mesu-rage, évaluation et limites de l’intensité vibratoire

34-14 1988

Niveaux de tension de tenue aux chocs desmachines tournantes à courant alternatif à bobines stator préformées

34-15 1990

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______________________________________________________________________________________________________________ MOTEURS ASYNCHRONESPOUR

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PLUS

Moteurs

Titre UTE-AFNOR CEI

Moteurs asynchrones triphasés d’usage général de faible et moyenne puissance : Cotes de fixation. Raccordement. Connexions internes

NF C 51-120 04.1965Add. 1 07.1969Add. 2 10.1980

Moteurs asynchrones triphasés : Type « fermé ». Rotor en court-circuit

NF C 51-150 04.1965Add. 1 10.1981

Guide concernant les cotes d’encombrement de moteursfermés à rotor en court-circuit d’usage général

UTE C 51-151 09.1982

Moteurs asynchrones triphasés à quatre pôles : Type « fermé ».Rotor bobiné

NF C 51-155 03.1969Add. 1 07.1981

Moteurs asynchrones triphasés : Type « fermé ». Rotor bobiné.Marche intermittente

NF C 51-157 06.1968

Moteurs asynchrones triphasés : Type « protégé ». Rotor en court-circuit

NF C 51-160 04.1965Add. 1 10.1981

Moteurs asynchrones triphasés : Type « protégé ». Rotor bobiné

NF C 51-165 04.1965Add. 1 10.1981

Machines électriques de puissance nominale inférieure ou égale à 600 VA ou 600 W : Règles

NF C 51-200 09.1964

Machines électriques tournantes de puissance nominale infé-rieure ou égale à 600 W ou 600 VA. Moteurs incorporés : Dimensions

NF C 51-221 12.1973

Guide d’application des moteurs à induction à cage alimentés par convertisseurs

34-17 1992

Évaluation fonctionnelle des systèmes d’isolation. Section 1 :Principes directeurs généraux

NF C 51-318-1 04.1995(NF EN 60034-18-1)

34-18-1 1992

Évaluation fonctionnelle des systèmes d’isolation. Section 21 :Procédures d’essai pour enroulements à fils. Évaluationthermique et classification

NF C 51-318-21 04.1995(NF EN 60034-18-21)

34-18-21 1992

Évaluation fonctionnelle des systèmes d’isolation. Section 31 :Procédures d’essai pour enroulements préformés. Évaluation thermique et classification des systèmes d’isolation utilisés dans les machines jusqu’à et y compris 50 MVA et 15 kV

NF C 51-318-31 04.1995(NF EN 60034-18-31)

34-18-31 1992

Dimensions et séries de puissances des machines électriques tournantes. Partie 1 : Désignation des carcasses entre 56 et 400 et des brides entre 55 et 1080

72-1 1991

Dimensions et séries de puissances des machines électriques tournantes. Partie 2 : Désignation des carcasses ente 355 et 1000 et des brides entre 1180 et 2360

72-2 1990

Dimensions et séries de puissances des machines électriques tournantes. Partie 3 : Petits moteurs incorporés. Désignation des brides BF 10 à BF 50

72-3 1994

Électronique de puissance

Titre UTE-AFNOR CEI

Convertisseurs à semiconducteurs. Spécifications communes et convertisseurs commutés par le réseau. Partie 1-1 : Spécifications des clauses techniques de base

NF C 53-211 05.1993(NF EN 60146-1-1)

146-1-1 1991

Convertisseurs à semiconducteurs. Spécifications communes et convertisseurs commutés par le réseau. Partie 1-2 : Guide d’application

146-1-2 1991

Convertisseurs à semiconducteurs. Spécifications communes et convertisseurs commutés par le réseau. Partie 1-3 : Transformateurs et bobines d’inductance

NF C 53-213 05.1993(NF EN 60146-1-3)

146-1-3 1991

Convertisseurs autocommutés à semiconducteurs NF C 53-221 12.1980 146-2 1974

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copieest strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Doc. D 3 491 − 3

machines asynchrones - choix et problèmes connexes

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