Qu’est-ce qu’un moteur à induction ?
Les moteurs à induction sont des moteurs qui fonctionnent avec du courant alternatif et qui sont alimentés par la force générée par l’induction électromagnétique.
C’est pourquoi ils sont également appelés moteurs à courant alternatif, le terme AC signifiant courant alternatif. Les moteurs à induction font partie des moteurs les plus anciens. Ils ont une structure simple et fonctionnent simplement en se connectant à une source d’alimentation en courant alternatif, sans conversion d’énergie particulière.
Ils combinent donc une grande fiabilité et une longue durée de vie, et sont encore largement utilisés aujourd’hui. Autre avantage, ils n’utilisent pas d’aimants contenant des métaux rares, ce qui leur assure une rotation très efficace à faible coût.
Utilisations des moteurs à induction
Les moteurs à induction sont utilisés dans un large éventail de situations, des appareils ménagers tels que les machines à laver et les ventilateurs aux gros équipements de production dans les usines : plus la capacité est grande, plus le rendement est élevé.
En modifiant les caractéristiques du moteur, celui-ci peut également être utilisé comme source d’énergie pour des équipements nécessitant un couple de démarrage élevé, tels que les portes automatiques, ou pour des équipements nécessitant un couple d’arrêt élevé, tels que les broyeurs.
Principe du moteur à induction
Les moteurs à induction peuvent être divisés en deux catégories principales, les moteurs triphasés et les moteurs monophasés, en fonction du courant alternatif.
1. Moteurs triphasés
Les moteurs à induction sont constitués d’un “stator”, et d’un “rotor”. Le stator comporte des bobines qui conduisent le courant alternatif triphasé. Le rotor comporte un câblage en forme de cage qui conduit le courant par induction électromagnétique à partir du champ magnétique rotatif.
Lorsque ce champ magnétique traverse le câblage en forme de cage incorporé dans le rotor, qui est un conducteur, une tension est générée conformément à l’induction électromagnétique. Cela entraîne la circulation d’un courant dans le câblage en forme de cage, qui interagit à son tour avec le champ magnétique rotatif du stator pour produire un couple. La rotation du rotor se rapproche asymptotiquement de la vitesse du champ magnétique rotatif généré par le stator, sans jamais l’égaler.
Le rapport entre les vitesses des champs magnétiques tournants du rotor et du stator à ce moment-là est appelé “glissement” et constitue l’un des principaux facteurs déterminant les caractéristiques de couple des moteurs à Induction.
2. Moteurs monophasés
Pour faire tourner un moteur à courant alternatif monophasé, il faut générer un champ magnétique tournant. Un condensateur est donc incorporé dans l’enroulement auxiliaire du moteur. L’enroulement principal est connecté directement à l’alimentation électrique et l’enroulement auxiliaire est connecté à l’alimentation électrique via un condensateur pour générer le champ magnétique rotatif.
Lorsqu’un courant alternatif monophasé est connecté à l’enroulement principal et à l’enroulement auxiliaire via un condensateur, le courant dans l’enroulement auxiliaire est en avance de 90° sur le courant dans l’enroulement principal. Ces deux courants, décalés de 90°, génèrent un champ magnétique rotatif et le moteur gagne en puissance de rotation.
Autres informations sur les moteurs à induction
1. Vitesse de rotation du moteur à induction
La vitesse de rotation nominale d’un moteur à induction est calculée à partir de la formule suivante
N (tr/min) = 120/p (nombre de pôles) × f (Hz)
où p est le nombre de pôles du moteur et f la fréquence de l’alimentation électrique. Plus le nombre de pôles est faible, plus le moteur tourne vite, et plus la fréquence de l’alimentation électrique est élevée, plus la vitesse de rotation est élevée. Au Japon, l’alimentation électrique commerciale est de 60 Hz dans l’ouest du pays et de 50 Hz dans l’est. Si un moteur doit fonctionner sur une alimentation électrique commerciale, la vitesse de rotation nominale sera fonction du nombre de pôles.
De plus, les moteurs à induction ont un glissement, ce qui signifie que la vitesse de rotation diminue progressivement en fonction du couple de charge, et la vitesse de rotation réelle, où s est le glissement, est la suivante
N(1-s) (tr/min)
2. Contrôle de la vitesse du moteur à induction
La vitesse nominale d’un moteur à induction dépend de la fréquence de l’alimentation électrique et du nombre de pôles, comme indiqué précédemment. Cependant, selon le type de moteur et d’alimentation, la vitesse de rotation peut être modifiée. Le contrôle de la vitesse des moteurs à Induction est mis en œuvre de la manière suivante
Utilisation de moteurs à changement de pôles
Le moteur à changement de pôles est un moteur dont le nombre de pôles peut être déterminé par la méthode de câblage. Les inconvénients sont que le moteur lui-même devient plus grand et moins polyvalent. La vitesse de rotation ne peut varier que par paliers en fonction du nombre de pôles.
Contrôle de la résistance des moteurs bobinés
Le contrôle de la vitesse est possible avec les moteurs à induction bobinés. Le principe est le suivant : le moteur possède des bobines au lieu d’une cage dans le rotor. En faisant passer un courant à travers une résistance dans le bobinage (bobinage secondaire), le glissement est augmenté et la vitesse peut être ralentie davantage par rapport à la valeur nominale. Cette méthode présente toutefois l’inconvénient de nécessiter une résistance.
Il faut également une bague collectrice séparée pour faire passer le courant dans l’enroulement du rotor en rotation, ce qui augmente le nombre de composants et les coûts de maintenance. Les pertes d’énergie sont également importantes en raison de la chaleur dégagée par la résistance.
Contrôle de la vitesse de rotation à l’aide d’accouplements hydrauliques
Une accélération en douceur, par exemple au démarrage, peut être obtenue à l’aide d’un accouplement de fluides qui relie l’arbre moteur et l’arbre entraîné sous l’effet de la pression hydraulique.
Comme l’arbre moteur et l’arbre entraîné sont reliés par un fluide, l’accouplement fluidique absorbe d’importantes fluctuations de charge. Cependant, l’inconvénient est que l’arbre moteur et l’arbre entraîné ne sont pas reliés de manière rigide, de sorte que l’huile est agitée, ce qui provoque un échauffement de l’huile et des pertes.
Contrôle de la vitesse de rotation par convertisseur
Actuellement, les moteurs à induction sont généralement régulés en vitesse par des onduleurs. Une alimentation en courant alternatif triphasé avec une tension et une fréquence fixes est contrôlée par la commutation d’un pont triphasé utilisant des dispositifs de puissance tels que les IGBT pour faire varier la vitesse du moteur. En faisant varier la tension en même temps que la fréquence, le moteur peut être entraîné avec un couple constant.
La perte d’énergie est également extrêmement faible, à seulement quelques pour cent de l’énergie d’entraînement, grâce aux améliorations des semi-conducteurs et de la technologie de contrôle. Celle-ci est la plus largement utilisée pour contrôler la vitesse de rotation des moteurs à induction à une époque où les objectifs de développement durable sont activement préconisés..