Moteurs électriques monophasés : Caractéristiques et applications

par Kevin Heinecke, LEESON Electric Corporation

Les moteurs à courant alternatif monophasés sont aussi omniprésents qu'ils sont utiles -Principales sources d'énergie elles offrent un choix apparemment sans limites d'applications de petites puissances en HP pour l'industrie et le résidentiel. Savoir appliquer les divers types d’application est la clef à une conception réussie.

Là où la puissance triphasée n’est pas disponible ce sont les moteurs monophasés qui viennent à la rescousse. Bien que leurs efficacités énergétiques soient inférieurs à leurs cousins triphasés, ils restent que le moteur monophasé qui est correctement sélectionné pour son application peut fonctionner longtemps et avec peut d’entretient.

De temps en temps un défaut de fabrication peut avoir comme conséquence une défaillance du moteur. Cependant, la plupart des défaillances sont le résultat d’une application inadéquate. Prêtez une attention particulière aux conditions d'application avant de choisir un moteur pour le remplacement d’un moteur défectueux ou pour une nouvelle conception. Le mauvais choix du type et de puissance d’un moteur peut résulter à des défaillances répétitives et causer des arrêts de production coûteuse. Évidemment, vous ne voulez pas utiliser un moteur trop petit pour un application, ce qui aurait pour résultat une surcharge électriques qui peut causer une défaillance prématuré du moteur. L’utilisation d’un moteur trop puissant aura pour effet de changer les caractéristiques de conception en raison de sa puissance accrue. Elle peut avoir des effets sérieux. Par exemple, un moteur avec un rotor bloqué et un couple de rupture élevé peut endommager l’équipement sur lequel il est installé. Également l’utilisation d’un tel moteur dans un application serait inefficace car un moteur doit au moins utiliser son courrant nominal afin d’être performant, cette option aura comme effet de vous coûter plus d’argent et gaspiller du courrant non utilisé.

La clef : il faut d'abord sélectionner le moteur adéquat à l'application mais, en tenant en considération les caractéristiques et les différents types de moteurs monophasés – des caractéristiques qui sont propres à l’application et au remplacement d’un moteur.

À phase auxiliaire

Le moteur à phase auxiliaire également connu comme moteur à induction de départ/induction de marche, est probablement le moteur monophasé le plus simple construit pour l'usage industriel, bien qu’il soit limité. Il a deux enroulements : un de départ et un enroulement principal, la figure 1. L'enroulement de départ est fait avec un fil plus petit et moins de tours relativement à l'enroulement principal afin de créer plus de résistance, ce qui a pour effet de créer un champ magnétique différent à l’enroulement principal, et faire tourner l’arbre du moteur. L'enroulement principal, est fait d’un fils plus gros car ce bobinage reste alimenté tout le temps ou le moteur est en marche.

Un moteur à phase auxiliaire emploie un mécanisme de commutation qui débranche l'enroulement de départ de l'enroulement principal quand le moteur atteint environ à 75% de sa vitesse nominale. Dans la plupart des cas, c'est un interrupteur centrifuge monté sur l'arbre du moteur.

La conception du moteur à phase auxiliaire est simple et en général coûte moins cher à fabriquer que d'autres types de moteurs monophasés. Cependant, ce type de moteur offre des performances limitées. Le couple de départ est généralement bas, environ 100 à 175% de la charge nominale. Également ce type de moteur a besoin de fort courrant de décollage qui se situe entre 700 à 1.000% du courrant nominale FLA indiqué. En conséquence, un temps de départ prolongé pourrait faire surchauffer et brûler l’enroulement de départ. Donc si un couple de départ élevé est requis pour votre application n'utiliser pas ce type de moteur.

D'autres caractéristiques de moteur à phase auxiliaire: Les couples maximal varient de 250 à 350% de la normale. La sélection de protection thermique est difficile car le courrant élevé de rotor bloqué versus le courrant d’opération continue est délicate car la protection thermique doit réagir dans délais assez rapide afin d’éviter de brûler l’enroulement de départ. Ces moteurs sont habituellement conçus pour la tension monophasé ce qui limite la flexibilité d'application.

Les applications appropriées pour les moteurs à phase auxiliaire sont: de petite affûteuse, de petit ventilateur et unité de ventilation qui requiert des couple de décollage bas à des puissance  de 1/20 à 1/3 HP. Évitez toutes applications exigeant des taux élevés de cycle ou de couple élevé.

À induction/départ par condensateur

Voici un moteur qui offre une vaste étendue d’application pour l’usage industriel. Il est semblable au moteur à phase auxiliaire mais il possède un enroulement de décollage supérieur car il intègre un condensateur de décollage dans son circuit ce qui a pour effet de fournir un surplus de tension au décollage (figure 2). Comme le moteur à phase auxiliaire, le moteur à induction/départ par condensateur utilise également un mécanisme de décollage soit mécanique ou électronique. Ce mécanisme débranche non seulement le circuit de bobinage de départ mais également le condensateur quand le moteur atteint environ 75% de sa vitesse nominale.

Les moteurs à induction/départ par condensateur ont plusieurs avantages par rapport aux moteurs à phase auxiliaire puisque le condensateur est en série avec le circuit de démarrage, il crée plus de couple de départ, en général 200 à 400% de sa charge nominale. Le courant de décollage est de 450 à 575% de son courrant nominal FLA qui est de loin inférieur à son confrère à phase auxiliaire grâce principalement à l’utilisation d’un fil plus gros pour son bobinage de départ. Ceci permet un taux plus élevés de cycle et une protection thermique plus fiable.

Le moteur de moteur à induction/départ par condensateur coûte plus cher à produire que son confrère à phase auxiliaire due principalement aux composantes r’ajoutées. L’utilisation d'application est beaucoup plus vaste en raison d'un couple de décollage plus élevé et d'un courant de décollage inférieur. Employé à plusieurs sauces comme sur des unités à courroies, de petits convoyeurs, des ventilateurs et pompes et même avec des unités de réducteur de vitesse. Ils sont considérés comme le cheval de bataille des moteurs monophasé pour l’industrie.

Condensateur divisé en permanence PSC

Un moteur à condensateur divisé en permanence (PSC), figure 3, n'a aucun commutateur de démarrage, ni de condensateur. Au lieu de cela, il a un condensateur de marche branché en permanence dans l’enroulement de départ. Ceci a pour effet que l’enroulement de départ devient un enroulement auxiliaire lorsque le moteur atteint sa vitesse nominale. Puisque le condensateur de marche doit être conçu pour un usage continu, il ne peut fournir la poussée de décollage que son confrère à induction/départ par condensateur. Les couples de décollages typiques des moteurs PSC sont bas. Ils sont de 30 à 150% de la charge nominale, donc ces moteurs ne sont pas conçue pour des applications à couples de départs élevés. Cependant, la différence entre un moteur à phase auxiliaire et un moteur à condensateur divisé en permanence PSC est que le courrant de décollage du moteur PSC est plus bas, il est de 200% de son courrant nominale ce qui en fait un moteur idéal pour des application à cycles élevés. Le couple de rupture varie selon l’application et sa conception, bien qu'il soit en général légèrement inférieur que son confrère à induction/départ par condensateur.

Les moteurs PSC ont plusieurs avantages. Ils n'ont besoin d'aucun mécanisme de décollage donc l’inversion de rotation peut être faites facilement. La conception de ceux-ci peut être modifié facilement afin d’utiliser ces moteurs avec des contrôleurs de vitesse. Ils peuvent également être conçues pour une efficacité optimale et un facteur élevé pour une charge déterminé. Ils sont considérés comme les moteurs monophasés les plus fiables car aucun mécanisme de décollage n’est nécessaire.

Les moteurs à condensateur divisé en permanence (PSC) ont une grande variété d'applications selon leur conception. Ceux-ci incluent des ventilateurs, des unités de ventilation avec couple de démarrage bas, des applications à cycles intermittent comme les barrières de stationnement, porte de garage ou tout autre application qui requiert un inversion de rotation instantané.

À induction/condensateur de départ/condensateur de marche.

Ce type, (figure 4), combine les meilleurs aspects du moteur à induction/condensateur de départ et le moteur à condensateur divisé en permanence (PSC). Il utilise un condensateur de départ comme le moteur à induction /condensateur de départ pour un couple de décollage élevé et comme le moteur à condensateur divisé en permanence (PSC) il utilise un condensateur de marche en série dans l’enroulement auxiliaire qui devient actif après que le condensateur de départ se débranche du circuit. Ceci permet un couple de rupture et de surcharge élevé.

Un autre avantage de ce type de est qu’il peut être conçu pour que le courant pleine charge soit inférieur avec un rendement plus élevé. Ceci signifie qu'il fonctionne à une température plus basse que d'autres types de moteur monophasés à puissance équivalente.

Le seul inconvénient à un ce type de moteur est son coût plus élevé car l’ajout de composantes est directement responsable de cette situation. L’avantage par contre est que ce type de moteur peut être appliqué à des endroits ou tout autre moteur monophasé ne pourrait effectuer le travail. Voici quelques exemples d’applications: machines pour travailler le bois, compresseurs à air, pompes à haute pression, pompes à vide et d'autres applications un couple élevé est requis de 1 à 10hp.

Pôle à bague de déphasage

Contrairement à tous les types de moteur mentionné précédemment le moteur à pôle à bague de déphasage n’a qu’un seul enroulement principal et aucun enroulement de départ (figure 5). Le décollage est fait au moyen d’une bague de cuivre continue autour d'une petite partie de chaque pôle du moteur. Cette bague à pour but de cacher une partie du pôle créant un champ magnétique dans la section entouré de cuivre versus celle qui ne l’est pas. La réaction des deux champs crée la rotation de l’arbre du moteur.

Le fait que le moteur à pôle à bague de déphasage ne possède pas d’enroulement de départ, de commutateur de départ et de condensateur de départ il est devient donc peut coûteux à produire. La vitesse peut être varié simplement en changeant la tension d’entrée, ou par de multiple branchement dans l'enroulement. Mécaniquement, la fabrication du moteur à pôle à bague de déphasage peut être en grande capacité. Nous pourrions même affirmer que ce sont des moteurs que l’on considère jetables car leur coûts de réparations dépassent de loin leur valeurs d’achats.

Le moteur à pôle à bague de déphasage offre beaucoup d’avantages mais ils ont par contre beaucoup de désavantages. Le couple de démarrage est très bas, il est de 25 à 75% du couple pleine charge. Un glissement élevé est également obtenu avec ce type de moteur, il est de 7 à 10% en dessous de la vitesse synchrone. Il est très inefficace, habituellement en dessous de 20%.

Le coût initial convient aux moteurs à pôle à bague de déphasage de basse puissance en HP. Leur plus grande utilisation serait dans des ventilateurs de vitesses multiple à usage résidentielle. L’utilisation de ce type de moteur pour usage industriel est impensable car leur faible couple, leur efficacité et leur construction générale ne sont pas conformes aux normes industriels.

L'information qui précède établit des directives pour déterminer le type de moteur pour votre application. Cependant, il y a toujours des cas spéciaux et des applications dans lesquels il est acceptable de changer ces directives. Vérifier avec votre fabricant de moteur et leur département technique afin de confirmer votre sélection.

Détails sur les condensateurs

Condensateur de départ: Le condensateur électrolytique de départ aide le moteur pour réaliser les angles de phase les plus bénéfiques entre l’enroulement de départ et celui de marche pour obtenir le plus de couple de rotor bloqué versus le plus d’ampérage de rotor bloqué. Celui-ci est débranché du circuit quand le moteur atteint environ 75% de sa vitesse nominale.

Le condensateur de départ est conçu pour une opération à court terme. L'application prolongée de tension au condensateur peut causé une défaillance prématuré de celui-ci, sinon la destruction immédiate. Les valeurs typiques pour les condensateurs de démarrage sont: de 100 à 1000 micro farads (UF) avec un voltage de 115 à 125 volts C.A.

Cependant, certaines application exigent une valeur en tension plus élevé comme: 165 à 250 volts C.A, qui sont physiquement plus gros que les condensateurs à tension inférieure pour la même capacité. La capacité est une mesure de combien de charge qu'un condensateur peut emmagasiner relativement à la tension a appliquée.

Condensateur de marche : Ceux-ci ont une construction similaire aux condensateurs de départ sauf qu’ils ne sont pas électrolyte. Ils sont conçus pour servir sans interruption dans le circuit de marche du moteur. Ils résistent à des tensions plus élevées qui se situe entre 250 à 370 volts C.A. Ils ont également une capacité inférieure, qui se situe à moins de 65 micro farads (UF).

Kevin Heinecke, Groupe moteur à courant alternatif chez LEESON Electric Corporation.