Moteurs électriques à courant alternatif : pièces, types, câblage et fonctionnement

Comment un Moteur à courant alternatif Travaux

Un moteur à courant alternatif convertit l’énergie électrique alternative en énergie de rotation mécanique grâce au principe de l’induction électromagnétique. Lorsque la tension d'alimentation alternative est appliquée aux enroulements du stator, elle génère un champ magnétique tournant (RMF). La vitesse à laquelle ce champ tourne est appelée vitesse synchrone , déterminé par la fréquence d'alimentation et le nombre de paires de pôles magnétiques dans le stator : Ns = 120f/P , où f est la fréquence d'alimentation en Hz et P est le nombre de pôles.

Dans un moteur à induction – le type de moteur à courant alternatif le plus courant – le champ magnétique tournant traverse les conducteurs du rotor et induit un courant à l'intérieur de ceux-ci selon la loi de Faraday. Ce courant induit produit son propre champ magnétique, et l'interaction entre le champ du rotor et le champ tournant du stator génère un couple qui fait tourner le rotor. Le rotor tourne toujours légèrement plus lentement que la vitesse synchrone ; cette différence de vitesse est appelée glisser , généralement 2 à 8 % dans les moteurs à induction standard. Sans glissement, aucun mouvement relatif n'existe entre le champ et les conducteurs du rotor, aucun courant n'est induit et aucun couple n'est produit.

Dans les moteurs AC synchrones, le rotor est excité par un champ DC ou utilise des aimants permanents, le verrouillant pour tourner à une vitesse exactement synchrone avec un glissement nul. Cela fait des moteurs synchrones le choix privilégié lorsqu'un fonctionnement précis à vitesse constante est essentiel, comme dans les mécanismes d'horlogerie, certaines machines textiles et les entraînements à vitesse variable à haut rendement.

Parties d'un moteur à courant alternatif

Comprendre l'architecture interne d'un moteur à courant alternatif aide à spécifier la bonne unité, à diagnostiquer les défauts et à planifier les intervalles de maintenance. Les principaux composants sont :

• Stator : L'ensemble extérieur stationnaire qui abrite le noyau de fer laminé et les enroulements en cuivre. Le noyau du stator est construit à partir de fines tôles d'acier au silicium empilées ensemble pour minimiser les pertes par courants de Foucault. Les enroulements sont enroulés dans des fentes dans le noyau et connectés à l'alimentation CA.
• Rotor : L'ensemble intérieur rotatif monté sur l'arbre de sortie. Dans les moteurs asynchrones à cage d'écureuil, le rotor est constitué de barres conductrices en aluminium ou en cuivre court-circuitées à chaque extrémité par des bagues d'extrémité. Dans les moteurs à rotor bobiné, le rotor porte des enroulements triphasés connectés à des résistances externes via des bagues collectrices.
• Arbre de sortie : L'arbre en acier massif qui transfère le couple mécanique à la charge entraînée. Le diamètre de l'arbre et les dimensions de la rainure de clavette sont normalisés selon les spécifications de taille de cadre CEI ou NEMA.
• Roulements : Généralement des roulements à billes à gorge profonde à l'extrémité motrice (DE) et à l'extrémité non motrice (NDE). Les roulements supportent les charges radiales et axiales imposées par le rotor et la charge entraînée, et constituent l'élément de remplacement de maintenance le plus courant.
• Boucliers d'extrémité (cloches d'extrémité) : Des boîtiers en fonte ou en aluminium qui recouvrent chaque extrémité du châssis du moteur, maintenant les roulements en position et enfermant l'ensemble interne.
• Ventilateur et couvercle du ventilateur : La plupart des moteurs à courant alternatif sont de conception TEFC (Totally Enclosed Fan Cooled), avec un ventilateur de refroidissement externe monté sur l'extension de l'arbre de l'extrémité opposée à l'entraînement, entouré d'un couvercle de ventilateur en acier embouti. Le ventilateur aspire l'air ambiant sur les ailettes du châssis du moteur pour dissiper la chaleur.
• Boîte à bornes (boîte de jonction) : Un boîtier résistant aux intempéries sur le châssis du moteur qui contient les bornes de connexion du bobinage (généralement étiquetées U1, V1, W1, U2, V2, W2 selon la convention CEI). C'est ici que sont connectés les câbles d'alimentation et les éventuelles liaisons de configuration étoile/triangle.
• Cadre : Le corps structurel extérieur, généralement en fonte nervurée ou en alliage d'aluminium, qui fournit un support mécanique, agit comme un dissipateur thermique et porte les pieds de montage ou la bride pour l'installation.

Les composants supplémentaires présents dans des types de moteurs spécifiques incluent glisser rings and brushes (moteurs asynchrones à rotor bobiné), commutateurs de démarrage centrifuges (moteurs monophasés à démarrage par condensateur), et condensateurs (conceptions de condensateur de fonctionnement monophasé et de démarrage/fonctionnement de condensateur).

Types de moteurs électriques à courant alternatif

Les moteurs à courant alternatif se divisent en deux familles principales : à induction (asynchrone) et synchrone, chacune avec plusieurs sous-types optimisés pour différentes exigences de fonctionnement.

Pour la majorité des applications industrielles, le moteur asynchrone triphasé à cage d'écureuil reste le choix par défaut. Il ne nécessite aucun balai, bague collectrice ou excitation externe, ce qui en fait l'option nécessitant le moins d'entretien et la plus rentable pour les charges à vitesse constante. Les entraînements à fréquence variable (VFD) ont étendu leur utilisation aux applications à vitesse variable qui nécessitaient auparavant des moteurs à courant continu ou à rotor bobiné.

Bases du schéma de câblage du moteur à courant alternatif

Le câblage correct d’un moteur à courant alternatif est essentiel pour un fonctionnement sûr et pour obtenir les caractéristiques de couple et de vitesse correctes. La configuration de la boîte à bornes varie selon le type de moteur et la tension d'alimentation, mais ce qui suit couvre les scénarios les plus courants.

Moteurs triphasés bitension (étoile/triangle)

La plupart des moteurs à induction triphasés sont enroulés pour deux niveaux de tension – généralement 230 V/400 V ou 400 V/690 V – et la boîte à bornes contient six fils étiquetés U1, V1, W1 (débuts d'enroulement) et U2, V2, W2 (extrémités d'enroulement). La tension d'alimentation détermine la connexion :

• Connexion étoile (Y) — tension plus élevée : Reliez U2, V2 et W2 ensemble pour former le point étoile neutre. Connectez l'alimentation triphasée à U1, V1, W1. Chaque enroulement voit une tension phase-neutre. Utilisé lorsque la tension d'alimentation correspond à la tension nominale supérieure du moteur (par exemple, alimentation 400 V sur un moteur 230/400 V).
• Connexion Delta (Δ) — tension inférieure : Reliez U1 à W2, V1 à U2, W1 à V2, formant une boucle fermée. Connectez l'alimentation triphasée sur chaque paire de bornes jointes. Chaque enroulement voit la pleine tension ligne à ligne. Utilisé lorsque la tension d'alimentation correspond à la tension nominale inférieure du moteur (par exemple, alimentation 230 V sur un moteur 230/400 V).

Démarrage étoile-triangle est une méthode de démarrage progressif courante pour les gros moteurs : le moteur démarre en étoile (tension réduite aux bornes de chaque enroulement = courant de démarrage inférieur, généralement 1/3 de l'appel direct en ligne), puis passe en triangle une fois qu'il approche de la pleine vitesse. Cela réduit les perturbations de l'alimentation mais réduit également le couple de démarrage du même facteur 1/3, il ne convient donc qu'aux applications de démarrage à faible charge.

Câblage du moteur monophasé

Les moteurs à courant alternatif monophasés nécessitent un circuit de démarrage auxiliaire car une alimentation monophasée ne peut à elle seule produire un champ magnétique tournant. L'agencement du terminal comprend généralement :

• Bornes de l'enroulement principal (M) : Connecté directement sur la ligne et le neutre.
• Commencez à enrouler les bornes (S) : Connecté en parallèle avec l'enroulement principal mais en série avec le condensateur de démarrage. Le condensateur crée un déphasage (environ 90°) entre les courants des enroulements principal et auxiliaire, produisant un champ tournant suffisamment fort pour développer le couple de démarrage.
• Interrupteur centrifuge ou relais PTC : Déconnecte l'enroulement de démarrage une fois que le moteur atteint environ 75 à 80 % de la vitesse synchrone. La défaillance de cet interrupteur – qu'il reste ouvert (le moteur ne démarre pas) ou qu'il reste fermé (l'enroulement de démarrage surchauffe et grille) – est l'un des défauts de moteur monophasé les plus fréquents.

Inversion de rotation du moteur

L'inversion du sens de rotation d'un moteur triphasé nécessite d'échanger deux des trois phases d'alimentation aux bornes du moteur, par exemple en échangeant les connexions en U1 et V1. Cela inverse la direction du champ magnétique tournant et par conséquent du rotor. Pour les moteurs monophasés, l'inversion est obtenue en échangeant les connexions de l'enroulement de démarrage par rapport à l'enroulement principal ; certains moteurs fournissent des marquages ​​de bornes dédiés à cet effet, tandis que d'autres nécessitent une reconnexion interne.

Mise à la terre et protection contre les surcharges

Chaque installation de moteur à courant alternatif doit inclure un connexion à la terre de protection (PE) relié au châssis du moteur, relié à la terre d'alimentation au niveau de la boîte à bornes. De plus, un bien noté relais de surcharge thermique ou un relais électronique de protection du moteur doit être installé dans le circuit d'alimentation, réglé sur le courant nominal à pleine charge (FLC) du moteur. La protection contre les surcharges est la principale défense contre le mode de défaillance moteur le plus courant : surintensité prolongée due à une surcharge mécanique, monophasée ou ventilation restreinte qui élève la température de l'enroulement au-delà de la limite de la classe d'isolation.