Le guide ultime du moteur à induction triphasé : Construction et principe de fonctionnement

Les moteurs à induction triphasés effectuent une grande partie du travail difficile dans le monde d'aujourd'hui. On trouve ces puissants moteurs à induction dans de nombreux endroits. Ils se trouvent dans les très grosses machines d'usine. Ils se trouvent également dans les pompes qui vous fournissent de l'eau. Cet article est un guide simple qui vous aidera à les comprendre. Nous expliquerons comment un moteur à induction triphasé est construit et comment il fonctionne, en suivant des étapes simples. À la fin de votre lecture, vous saurez comment fonctionne ce grand moteur électrique. Vous saurez également pourquoi il est si utilisé.

Qu'est-ce qui fait vraiment tourner un moteur à induction triphasé ?

Un moteur à induction triphasé est un type de moteur à courant alternatif. Dans ce moteur, la puissance est transmise à la partie du rotor par induction électromagnétique. Il s'agit du même principe qu'un transformateur. C'est pourquoi les gens appellent parfois ces moteurs à induction des "transformateurs rotatifs". Ce qu'il faut savoir, c'est qu'il n'y a pas de fil qui se connecte directement à la partie qui bouge, c'est-à-dire le rotor.

Ce type de moteur est célèbre parce qu'il est construit de manière simple et solide. Il ne comporte pas de pièces appelées brosses, comme c'est le cas pour d'autres moteurs. C'est pourquoi il ne nécessite pas beaucoup d'entretien ni de réparations. Ces moteurs à induction démarrent également d'eux-mêmes. C'est un gros avantage par rapport à un moteur à induction monophasé. Parce qu'ils sont si simples et que vous pouvez compter sur eux, les moteurs à induction triphasés sont le type de moteur à courant alternatif le plus courant dans les usines. La principale fonction de ce moteur à induction triphasé est de transformer l'électricité triphasée en mouvement.

Quelles sont les deux grandes parties des moteurs à induction ?

Chaque moteur à induction à phase comporte deux parties principales. Si vous comprenez ces parties, vous pouvez commencer à comprendre le fonctionnement de l'ensemble du moteur. Le moteur à induction se compose de deux éléments importants :

1. Le stator : C'est la partie du moteur qui reste immobile. Elle ne bouge pas du tout. Son rôle est de créer un champ magnétique lorsque vous le connectez à une source de courant alternatif triphasé. Le stator est un cadre en acier qui contient des bobines de fil. Ce groupe de bobines est appelé bobinage.
2. Le rotor : C'est la partie du moteur qui tourne. Il se trouve à l'intérieur du stator. Le rotor possède son propre ensemble de barres ou de fils métalliques. Lorsque le champ magnétique du stator passe devant les barres du rotor, un courant se produit à l'intérieur de celles-ci. Ce courant crée son propre champ magnétique. C'est ce qui pousse le rotor et le fait tourner. C'est la magie des moteurs à induction.

Il y a un très petit espace entre le stator et le rotor. Cet espace est l'entrefer. L'entrefer est aussi réduit que possible afin d'améliorer le fonctionnement du moteur. C'est la façon dont ces deux pièces principales fonctionnent ensemble qui permet à tous les moteurs à induction de faire tourner un arbre et d'accomplir un travail.

Comment se compose le stator des moteurs à induction triphasés ?

Le stator des moteurs à induction triphasés est construit avec beaucoup de soin. Il a la forme d'un tube creux et est constitué de fines tôles d'acier de haute qualité. Ces fines tôles d'acier sont pressées les unes contre les autres en une pile. L'utilisation de tôles fines permet de réduire la quantité d'énergie perdue. À l'intérieur du stator, il y a des entailles appelées fentes. Le bobinage du stator est placé dans ces fentes. L'enroulement est constitué d'un fil de cuivre recouvert d'un revêtement spécial qui empêche l'électricité de s'échapper.

Ce bobinage n'est pas une seule grande boucle de fil. Il s'agit en réalité de trois ensembles différents d'enroulements. Chaque enroulement correspond à une phase de l'alimentation triphasée en courant alternatif. Les enroulements sont placés dans les fentes selon un schéma très précis. Ils sont placés à 120 degrés les uns des autres. Lorsque vous branchez une source d'alimentation en courant alternatif triphasé sur cet enroulement triphasé, il se crée un champ magnétique d'un type particulier. Ce champ est la clé du fonctionnement de tous les moteurs à induction. Le stator est bobiné pour un nombre défini de pôles. Le nombre de pôles permet de définir la vitesse du moteur. Le moteur est constitué de cette partie très importante.

Qu'est-ce qu'un rotor à cage d'écureuil et pourquoi tant de moteurs l'utilisent-ils ?

Le type de rotor que vous voyez le plus souvent est le rotor à cage d'écureuil. Il doit son nom à sa forme. Il ressemble un peu à la roue d'un petit animal. Ce rotor Le rotor est constitué d'un noyau d'éléments empilésIl est constitué de tôles d'acier minces. Il présente des fentes sur sa surface extérieure. Ce rotor n'a pas de fil d'enroulement. Il utilise plutôt d'épaisses barres de cuivre ou d'aluminium. Ces barres sont placées dans les fentes du rotor.

Toutes les barres sont reliées entre elles à chaque extrémité. Elles sont reliées par des anneaux métalliques épais appelés anneaux d'extrémité. Cela permet de créer un chemin électrique complet. La barre de cuivre et les anneaux d'extrémité ressemblent à une cage, d'où le nom de cage d'écureuil. Cette conception est très robuste et n'est pas compliquée. Elle ne comporte pas de balais ni de bagues collectrices susceptibles de se casser ou de s'user. Le moteur à induction à cage d'écureuil est de construction très robuste. Il s'agit donc d'une machine sur laquelle vous pouvez compter et qui n'est pas chère à fabriquer. C'est la raison pour laquelle plus de 9 moteurs à induction sur 10 utilisent ce type de rotor. Le rotor d'un moteur à induction triphasé est presque toujours du type à cage d'écureuil.

Existe-t-il un autre type de rotor ? Parlons du rotor bobiné.

Oui, il existe un autre type de rotor. On l'appelle rotor bobiné ou moteur à bagues. Ce type de rotor est différent de la version à cage d'écureuil. Un rotor bobiné possède un enroulement triphasé complet, tout comme l'enroulement du stator. Il n'utilise pas de barres pleines. L'enroulement est constitué d'un fil de cuivre enrobé et est placé dans les fentes du rotor. C'est pourquoi on parle de rotor à enroulement de phase.

Les extrémités de l'enroulement du rotor ne sont pas reliées entre elles comme dans une cage d'écureuil. Au lieu de cela, elles sont reliées à trois bagues métalliques spéciales qui se trouvent sur l'arbre. Ces bagues sont appelées bagues collectrices. De petits blocs de carbone, appelés balais, s'appuient sur ces bagues collectrices. Cela permet de connecter des éléments extérieurs, comme des résistances dans le circuit du rotor. L'ajout d'une résistance permet de mieux contrôler le fonctionnement du moteur. Par exemple, cela donne au moteur un couple de démarrage beaucoup plus fort que celui d'un moteur à cage d'écureuil. Un moteur à induction à bague collectrice est utilisé pour les travaux qui nécessitent beaucoup de puissance pour démarrer. Ce moteur bobiné est plus difficile à construire et coûte plus cher.

Comment l'idée principale de l'induction électromagnétique fait-elle fonctionner ces moteurs à induction ?

Le principe de fonctionnement de tous les moteurs à induction découle d'une règle scientifique appelée induction électromagnétique. Cette règle stipule que si vous déplacez un fil (un conducteur) dans un champ magnétique, une tension (emf) sera produite, ou induite, dans le fil. La même chose se produit si le champ magnétique est en mouvement et que le fil est immobile. Ce qui compte, c'est que l'un bouge par rapport à l'autre. C'est ce qu'on appelle le mouvement relatif.

Dans un moteur à induction triphasé, l'enroulement du stator crée un champ magnétique qui tourne autour de lui. Ce champ tournant passe devant les barres métalliques du rotor. Les barres du rotor sont toutes connectées, formant un cercle complet pour l'électricité. La force électromotrice induite fait circuler un courant à travers elles. Ce courant circule dans les barres du rotor. Vous avez maintenant un conducteur parcouru par un courant (le rotor) à l'intérieur d'un champ magnétique (celui du stator). Cela crée une force de rotation, ou couple, sur le rotor. Ce couple est la force qui fait tourner le rotor. L'énergie passe du stator au rotor en utilisant simplement l'induction électromagnétique du stator.

Qu'est-ce qu'un champ magnétique tournant et pourquoi est-ce si important ?

Un champ magnétique tournant est le secret qui permet aux moteurs à induction triphasés de fonctionner si bien. Lorsque vous connectez une bonne source d'énergie triphasée à l'enroulement du stator, il se passe quelque chose d'intéressant. Chacun des trois enroulements crée son propre champ magnétique. Ce champ s'intensifie et s'affaiblit au fur et à mesure que l'alimentation en courant alternatif change. Mais comme les enroulements sont espacés de 120 degrés les uns des autres, leurs champs magnétiques s'additionnent pour créer un seul grand champ magnétique.

Ce nouveau champ magnétique combiné ne reste pas au même endroit. Il tourne autour du stator à une vitesse constante. Nous appelons cette vitesse la vitesse synchrone. La vitesse synchrone est déterminée par deux éléments : la vitesse de cycle de la source d'alimentation en courant alternatif (sa fréquence) et le nombre de pôles du stator. C'est ce champ magnétique tournant qui passe devant les conducteurs du rotor et qui fait tout démarrer. Sans ce champ, le moteur à induction à phase ne pourrait pas démarrer de lui-même. Le champ magnétique du stator doit tourner.

Qu'est-ce que le "glissement" lorsqu'on parle d'un moteur à induction ?

Le rotor d'un moteur à induction tourne toujours un peu plus lentement que le champ magnétique tournant du stator. La différence de vitesse entre la vitesse synchrone du champ et la vitesse réelle du rotor est ce que nous appelons le glissement. Le glissement est généralement exprimé en pourcentage. Si le rotor pouvait tourner exactement à la même vitesse que le champ magnétique (vitesse synchrone), le champ ne se déplacerait pas devant le rotor.

S'il n'y a pas de mouvement entre eux, le champ magnétique ne traverse pas les conducteurs du rotor. Cela signifie qu'il n'y aurait pas de force électromotrice et qu'aucun courant ne circulerait dans le rotor. S'il n'y a pas de courant, il n'y a pas de couple. Sans couple, le rotor ralentirait. Ainsi, pour que le moteur tourne, le rotor doit tourner plus lentement que le champ magnétique. C'est la seule façon d'obtenir un couple. C'est également la raison pour laquelle un moteur à induction est parfois appelé moteur asynchrone (c'est-à-dire qui n'est pas synchronisé). Le glissement augmente lorsque le moteur est plus sollicité. Un moteur à induction normal peut avoir un glissement de 3% à 5% lorsqu'il fonctionne à plein régime.

Quelle est la bonne façon de brancher un moteur à induction triphasé ?

La plupart des moteurs à induction triphasés ont une boîte comportant six points de connexion. Ces points correspondent aux extrémités des trois enroulements à l'intérieur du stator. Il existe deux façons principales de les connecter : Étoile (également appelé Wye) et Delta. La façon dont vous choisissez de les connecter modifie le fonctionnement du moteur.

• Connexion en étoile (Y) : Pour cette connexion, vous joignez une extrémité des trois enroulements en un seul point. Ensuite, vous connectez le courant triphasé aux trois autres extrémités. Cette connexion est souvent utilisée pour démarrer le moteur. Il abaisse la tension de chaque enroulement. Le courant de démarrage est donc plus faible, ce qui peut être bénéfique pour le système électrique du bâtiment. Mais le couple de démarrage est également plus faible.
• Connexion delta (Δ) : Pour cette connexion, vous reliez les enroulements bout à bout. Ils forment ainsi un triangle. Le courant triphasé est ensuite connecté aux trois points où les enroulements se rejoignent. Dans une connexion Delta, chaque enroulement reçoit la pleine tension de la ligne électrique. Cela permet d'obtenir un couple de démarrage plus important, mais aussi un courant de démarrage beaucoup plus élevé. De nombreux gros moteurs à induction utilisent un "démarreur étoile-triangle" spécial. Ce démarreur démarre en étoile et passe en triangle une fois que le moteur a atteint sa vitesse de croisière.

Y a-t-il des inconvénients ? Les inconvénients des moteurs à induction triphasés.

Même si les moteurs à induction triphasés sont d'excellentes machines, ils ne sont pas parfaits. Ils présentent quelques points faibles qu'il convient de connaître. Voici les principaux inconvénients des moteurs à induction triphasés.

• Mauvais facteur de puissance avec une charge légère : le facteur de puissance d'un moteur à induction n'est pas très bon lorsqu'il fonctionne sans beaucoup de travail. Un faible facteur de puissance n'est pas bon pour la compagnie d'électricité.
• Vitesse difficile à contrôler : il n'est pas facile de modifier la vitesse d'un moteur à induction à cage d'écureuil ordinaire. Sa vitesse est étroitement liée à la fréquence de l'énergie qu'il reçoit. Pour bien contrôler la vitesse d'un moteur à induction triphasé, il faut un équipement spécial et coûteux (comme un variateur de fréquence).
• Faible puissance de démarrage (pour le type à cage d'écureuil) : Comparé à d'autres types de moteurs (comme les moteurs à courant continu ou les moteurs à bagues), le moteur à induction normal à cage d'écureuil n'a pas un couple de démarrage très élevé. Cela signifie qu'il n'est pas un bon choix pour les travaux qui doivent démarrer avec une charge très lourde.
• Courant de démarrage élevé : Lorsqu'un moteur à induction à phase démarre pour la première fois, il peut absorber une énorme quantité d'électricité. Ce courant est souvent 5 à 7 fois supérieur à son courant de fonctionnement normal. Les lumières peuvent alors s'éteindre pendant un moment, car la tension dans les lignes électriques chute.

Malgré ces problèmes, les bons côtés des moteurs à induction, comme le fait qu'ils soient très fiables et peu coûteux, en font le premier choix pour de très nombreux travaux.

Ce qu'il faut retenir

• Les moteurs à induction utilisent le principe de l'induction électromagnétique. Il n'y a pas de fils qui se connectent directement au rotor en rotation.
• Les deux parties principales sont le stator, qui reste immobile, et le rotor, qui tourne.
• Le stator produit un champ magnétique rotatif lorsqu'il est connecté à une alimentation triphasée.
• Le type de rotor le plus courant est le rotor à cage d'écureuil. Il est très utilisé parce qu'il est simple, solide et peu coûteux.
• Le rotor bobiné, également appelé moteur à bagues, offre un couple de démarrage très élevé et un meilleur contrôle. Mais il est plus compliqué et plus coûteux.
• Le glissement est la différence de vitesse entre le champ du stator et le rotor. Le glissement est nécessaire pour obtenir un couple.
• Vous pouvez connecter les moteurs à induction en étoile (Y) ou en triangle (Δ). Cela modifie le courant et le couple de démarrage.