Moteurs asynchrones - Qu'est-ce que c'est et comment ça fonctionne ?

Les moteurs asynchrones ont pour avantage d’être simples à mettre en œuvre, faciles d’entretien et abordables. Ils offrent l’avantage de s’alimenter directement par le réseau de distribution contrairement à d’autres types de moteurs (synchrones, à courant continu, pas à pas etc.).

Les moteurs asynchrones utilisent l'induction électromagnétique du bobinage de leur stator (partie fixe du moteur) pour produire un champ magnétique tournant. La force électromagnétique créée vient agir sur leur rotor (partie en mouvement du moteur) afin de générer un mouvement de rotation au bout de leur axe. La notion asynchrone s’explique par le fait qu’ils sont incapables d’atteindre la vitesse du champ tournant produite par leur stator (appelée également vitesse de synchronisme). Cette différence de vitesse exprimée en % est appelée glissement et obtenue par la relation ci-dessous.

s = (no – nn)/ no

• S = Glissement
• no= Vitesse du champ tournant
• nn= Vitesse de l'arbre moteur

La vitesse du champ tournant quant à elle s’exprime selon la relation suivante :

no = (f x 60)/p

• no = Vitesse du champ tournant
• f = Fréquence du réseau
• p = Nombre de paires de pôles

Ces relations démontrent ainsi les particularités des moteurs asynchrones qui fonctionnent selon une vitesse constante définie par la fréquence du réseau (50Hz en France) et le nombre de paires de pôles disponibles sur leur stator.

Ces moteurs à courant alternatif sont les plus couramment utilisés dans l’industrie. Les versions monophasées sont dédiées aux déplacements des petites charges. On les retrouve plus particulièrement dans les appareils électroménagers. Les modèles triphasés sont davantage utilisés pour les applications industrielles intensives telles que les compresseurs, pompes, systèmes de convoyeurs et le matériel de levage.

1 - Démarrage direct

Les moteurs asynchrones ont la particularité de pouvoir se brancher directement sur le réseau de distribution. Cependant le démarrage direct génère un courant d’appel pouvant atteindre 7 fois la valeur du courant nominal du moteur, ce qui peut amener des perturbations, chutes de tension ou encore des déclenchements de protections. Ceci implique que le réseau soit suffisamment dimensionné. Dans le cas contraire, il sera nécessaire d’opter pour un autre type de démarrage tel que l’étoile-triangle ou le démarreur progressif que nous évoquerons par la suite.

Pour des raisons de sécurité, il est nécessaire de faire appel à un minimum de protection pour effectuer le branchement sur le réseau. Ainsi un circuit démarrage direct élémentaire est réalisé avec des appareillages suivants :

• Sectionneur – porte fusible : permettant de couper l’alimentation du circuit de démarrage moteur (commande manuelle dans l’armoire de commande). Fonction 2 en 1 : Isolement par sectionnement et protection contre les courts-circuits à l’aide des fusibles de type AM.
• Contacteur : appareillage de commande permettant de contrôler le passage du courant à l’aide d’une bobine d’excitation (commande déportée sur le pupitre de commande de la machine).
• Relais thermique : dispositif de protection capable de couper le circuit en cas de surchauffe lié à une surcharge et de ce fait à l’élévation du courant.

2 - Démarrage étoile/triangle

Le démarrage étoile/triangle permet notamment de réduire le courant de pointe au démarrage des moteurs. En effet le couplage étoile permet d’appliquer aux enroulements une tension divisée par racine de 3. Par conséquence, le courant d’appel et le couple sont plus faibles. Ceci a pour avantage de permettre un démarrage moins brusque des moteurs tout en limitant les contraintes sur la mécanique associée.

Le processus de démarrage s’effectue selon deux étapes. Le moteur est sollicité dans un premier temps et ce durant quelques seconds par un couplage étoile de ses bobines. La transition vers un couplage des bobines en triangle s’effectue ensuite afin d’atteindre pouvoir atteindre la vitesse nominale du moteur et ainsi de bénéficier de toutes ses capacités.

Il faut noter que le circuit étoile/triangle est uniquement possible si la boîte à bornes du moteur présente l’ensemble des connexions des bobines. Ce procédé est également réservé à des applications où le moteur est peu sollicité au démarrage.

Constitution d’un démarrage étoile – triangle :

• 1 Sectionneur – porte fusible : permet de couper l’alimentation du circuit de démarrage moteur (commande manuelle dans l’armoire de commande). Fonction 2 en 1 isolement par sectionnement et protection court-circuit à l’aide des fusibles de type AM.
• 3 Contacteurs : appareillages de commande permettant de contrôler le passage du courant à l’aide d’une bobine d’excitation (commande déportée sur le pupitre de commande de la machine).
• 1 pour le couplage étoile pendant le démarrage (KM1)
• 1 pour le couplage triangle pour la phase de fonctionnement (vitesse stabilisée) (KM3)
• 1 pour la commande moteur via le circuit de commande (pupitre)(KM2)
• 1 relais thermique : dispositif de protection capable de couper le circuit en cas de surchauffe lié à une surcharge et de ce fait à l’élévation du courant.

Schéma pour la représentation du démarrage étoile/triangle :

3 - Démarrage progressif

Le démarreur progressif est le premier dispositif de commande moteur intégrant des composants électroniques pour contrôler la vitesse et le couple des moteurs lors de leur phase de démarrage. Ces appareils électroniques utilisent les caractéristiques de déclenchement des thyristors et triac pour contrôler la puissance de l’alimentation appliquée au moteur.

Ils utilisent le procédé de déclenchement à angle de phase. Cette technique effectue un amorçage par impulsion sur la commande (gâchette) du composant électronique pour créer un retard de conduction par rapport au passage par zéro de la tension alternative appliquée. Ainsi, la découpe (ou le hachage) de la tension obtenue permet une réduction de la valeur effective de la puissance appliquée proportionnelle au temps de conduction des composants électroniques.

Le principe reste uniquement dédié aux phases de démarrage car les conditions appliquées ne permettent pas aux moteurs de délivrer les performances nominales pour lesquelles il est conçu.

Représentation en schéma démarrage progressif :

Les systèmes évoqués précédemment sont destinés à accompagner les moteurs dans leur phase de démarrage pour atteindre leur vitesse de fonctionnement. En effet, par leur conception les moteurs asynchrones fonctionnent à une vitesse constante déterminée notamment par le nombre de pôles dans leur bobinage, la fréquence de la tension d’alimentation et le glissement.

Avant l’apparition des variateurs de vitesse électroniques, les machines nécessitant une variation de vitesse dans le processus de fonctionnement utilisaient des moyens mécaniques basés sur des systèmes de poulies ou d’engrenage. Ces dispositifs mécaniques avaient un certain nombre d’inconvénients comme notamment une nuisance sonore accrue, un entretien soutenu et l’incapacité de maintenir le couple en cas de variation de la charge.

Les variateurs de fréquence ont balayé toutes ces problématiques et ont permis d’ajouter de nouvelles fonctionnalités comme la commande à distance, l’asservissement de la vitesse, la programmation des différentes phases de fonctionnement ou encore la communication avec d’autres machines comme les automates ou les salles de commande.

Le principe de fonctionnement du variateur consiste à redresser la tension alternative de l’alimentation pour obtenir une tension continue à l’aide d’un redresseur et d’un filtre de lissage associé. Cette transformation de la source d’alimentation offre la possibilité de la traiter de manière numérique afin de délivrer au moteur une source d’alimentation contrôlée selon les paramètres fréquence et tension via une modulation de large d’impulsion (MLI or PWM en anglais).

La vitesse de moteur est ainsi contrôlée en fréquence tout en agissant sur l’amplitude de sa tension afin de maintenir un couple constant. En effet, pour rappel, ces deux paramètres sont intimement liés par la relation suivante :

C = (U/f) x I

• C = couple moteur
• I = courant moteur
• f = Fréquence du réseau
• U = tension réseau

Le traitement numérique réalisé par un microcontrôleur a ainsi ouvert la voie aux nombreuses fonctionnalités évoquées précédemment, mais on peut noter également qu'il permet de délivrer uniquement la quantité d’énergie nécessaire au moteur. Il contribue ainsi à améliorer significativement l’efficacité énergétique des machines, ce qui incite les entreprises à choisir ce mode de contrôle pour réduire leur consommation électrique. Cette démarche est d’ailleurs fortement encouragée par les instances européennes avec la mise en application de la norme CEI 60034-30-1.

Le démarrage direct des moteurs asynchrones triphasés génère des contraintes importantes sur les installations électriques. Le couplage étoile-triangle permet de réduire significativement le courant de démarrage, mais nécessite une étude approfondie du couple moteur selon l'application. Les enroulements couplés en étoile réduisent la tension appliquée d'un facteur √3, ce qui impacte directement le couple de démarrage. La commutation vers le couplage triangle doit être temporisée précisément pour éviter les à-coups mécaniques lors de la mise en rotation.

La mise en œuvre d'un démarrage étoile-triangle requiert trois contacteurs principaux dont les bobines doivent être alimentées selon une séquence précise. Le schéma de câblage intègre un verrouillage électrique entre les contacteurs étoile et triangle pour éviter tout court-circuit. La temporisation du passage étoile-triangle s'ajuste en fonction du temps nécessaire au moteur pour atteindre environ 80% de sa vitesse nominale. Un bouton poussoir de commande permet la mise en marche, tandis que les contacts de la temporisation gèrent automatiquement la commutation.

La combinaison des moteurs électriques asynchrones triphasés avec des systèmes de démarrage adaptés permet d'optimiser leur utilisation dans diverses applications industrielles. Le calcul des tensions appliquées aux enroulements lors de la commutation étoile-triangle doit tenir compte des caractéristiques spécifiques des moteurs à induction. La mise sous tension progressive évite les pics d'intensité qui pourraient endommager les bobines du contacteur étoile. Pour les applications nécessitant un contrôle précis du sens de rotation, des schémas de câblage spécifiques permettent de gérer le changement de sens via des contacteurs dédiés.

Les démarreurs modernes intègrent désormais des fonctionnalités avancées de protection et de contrôle. La tension simple appliquée aux bornes lors du couplage étoile permet de réduire significativement le courant de démarrage, tandis que le passage en tension composée en couplage triangle offre les performances nominales du moteur. Les systèmes de verrouillage électrique entre contacteurs garantissent une commutation sécurisée, particulièrement importante lorsque l'application nécessite des démarrages fréquents.

L'étude approfondie du branchement des moteurs asynchrones triphasés est essentielle pour optimiser leur fonctionnement. Les trois contacteurs principaux doivent être dimensionnés selon l'intensité nominale du moteur, généralement entre 16A et 40A pour les applications courantes. Le temps de démarrage en configuration étoile s'écoule jusqu'à ce que le moteur atteigne sa vitesse de régime, moment où la commutation vers le couplage triangle s'effectue automatiquement. Un système de boutons poussoirs permet la commande manuelle et l'arrêt d'urgence, complété par des contacts de temporisation pour la gestion automatique du cycle de démarrage.

La configuration des enroulements du stator joue un rôle crucial dans l'efficacité du démarrage étoile-triangle. Chaque enroulement reçoit une tension adaptée selon le type de couplage, ce qui influence directement le couple de démarrage du moteur. Les extrémités des bobines sont reliées selon un schéma précis qui doit permettre la commutation sans interruption du flux magnétique. Cette approche technique améliore la durée de vie des moteurs électriques tout en garantissant un démarrage optimal adapté aux contraintes industrielles moderne

Les démarreurs industriels modernes offrent des solutions adaptées aux moteurs de différentes puissances. Pour les moteurs triphasés jusqu'à 11 kW, le démarrage étoile-triangle constitue une solution économique et fiable. Le branchement des bornes doit respecter la configuration du stator et tenir compte des tensions composées du réseau. L'intensité au démarrage reste un paramètre critique qui influence le dimensionnement des contacteurs, généralement calibrés entre 25A et 63A selon l'application.

Les moteurs asynchrones de type cage sont les plus utilisés dans l’industrie. Ils sont reconnus pour être simples à mettre en œuvre, faciles d’entretien et abordables. Leur capacité à se brancher en direct sur le réseau d’alimentation a contribué à leur succès dans l’industrie. Les dispositifs mécaniques ajoutés pour permettre la variation de vitesse apportent une nuisance sonore accrue, un entretien soutenu et l’incapacité de maintenir le couple en cas de variation de la charge. Ces inconvénients sont dorénavant écartés grâce à l’arrivée de variateurs de fréquence et leurs nombreux avantages permettront à ce type de moteur d’entrer sereinement dans le monde de l’industrie du futur.