Classification des entraînements

a. Entraînements à c.a.

Entraînements à fréquence variable

Les EFV électroniques sont des appareils de contrôle de la vitesse qui font varier la tension et la fréquence d’alimentation d’un moteur à induction par la technique de modulation d’im¬pulsions en durée (PWM). Les EFV sont devenus le moyen privilégié pour faire varier la vitesse de fonctionnement d’une machine, car ils sont relativement peu coûteux et d’une très grande fiabilité.

Les EFV utilisent des dispositifs à semi-conducteurs de puis¬sance nommés transistors bipolaires à grille isolée (IGBT). La modulation d’impulsions en durée (PWM) permet de réguler la vitesse et les caractéristiques de couple d’un moteur, de façon à ce qu’elles correspondent aux besoins de la charge. Les EFV convertissent la tension d’alimentation c.a. à fréquence fixe du moteur en une alimentation à tension et fréquence variables, et peuvent réguler la vitesse d’un moteur à induction entre 10 % et 200 % environ, des gammes plus étendues étant possibles selon le modèle et les options choisis.

La précision de la vitesse est sensible au glissement du moteur, ce qui se traduit, pour une fréquence donnée, par une vitesse de fonctionnement légèrement inférieure à la vitesse synchrone. La précision peut être grandement accrue grâce au signal de réaction d’un tachymètre. Un contrôle extrêmement précis de la vitesse et de la position de l’arbre d’un moteur s’obtient par l’usage d’un EFV avec contrôle des vecteurs.

L’EFV est à même d’offrir de nombreuses solutions qui dépen¬dent de l’application envisagée. Un EFV peut par exemple apporter :

  1. Des économies d’énergie dans les applications de ventilateurs et de pompes;
  2. Un meilleur contrôle et une meilleure régulation du procédé;
  3. L’accélération ou le ralentissement d’une machine ou d’un procédé;
  4. La correction inhérente du facteur de puissance;
  5. Des possibilités d’isolement en cas d’urgence;
  6. La protection contre les courants de surcharge;
  7. Une accélération sans danger.

b. Autres entraînements c.a.

Commande des moteurs à rotor bobiné

Les moteurs à rotor bobiné sont un type particulier de moteur à induction, qui comportent des enroulements rotoriques en cuivre à la place des barres en aluminium du rotor classique à cage d’écureuil.

Les raccordements à ces enroulements se font par le biais d’un ensemble de bagues collectrices montées sur l’arbre.

Si les enroulements sont raccordés en court-circuit, le moteur fonctionne comme un moteur à cage d’écureuil à vitesse fixe; mais si on ajoute des résistances dans le circuit du rotor, le glissement du moteur augmente, ce qui permet de réguler la vitesse du moteur.

L’énergie prélevée sur le circuit rotorique pendant le démar¬rage est dissipée dans les résistances sous forme de chaleur.

Comme variante, on peut remplacer les résistances par un circuit électronique afin de diminuer l’énergie gaspillée. Ce circuit récupère l’énergie et la renvoie au réseau d’alimentation c.a., accroissant ainsi le rendement global du moteur.

Autrefois très répandue, cette technique de contrôle de la vitesse d’un moteur a été largement remplacée par les EFV électroniques.

Moteurs à plusieurs vitesses

Les moteurs à plusieurs vitesses sont des moteurs à induction comportant des stators à bobinages spéciaux qui permettent de faire varier le nombre de pôles magnétiques en raccordant les enroulements du moteur suivant différentes configurations.

Les moteurs à plusieurs vitesses à simple enroulement pro¬curent un rapport de vitesse de 2 à 1. Le changement de pôles est réalisé en raccordant les enroulements de façon à doubler le nombre de pôles en inversant le courant dans chaque groupe de bobinages alternés. Cette technique est appelée changement de pôles conséquents.

Dans le cas des moteurs à deux enroulements, il est possible de les configurer selon plusieurs nombres de pôles, ce qui permet d’autres rapports de vitesses. Trois vitesses sont obtenues en configurant l’un des enroulements selon les principe des pôles conséquents, et quatre vitesses en configurant chacun des deux enroulements suivant le même principe.

Du fait que les moteurs à plusieurs vitesses à deux enroule¬ments comportent un deuxième ensemble de bobinages, ils ont souvent des dimensions plus importantes que leurs équivalents à une seule vitesse de même puissance.

Les moteurs à plusieurs vitesses sont une option relativement peu coûteuse dans les cas où des vitesses de fonctionnement déterminées fixes et limitées sont acceptables.

Contrôleurs de vitesse à tension variable

Ces contrôleurs font généralement appel à des thyristors (SCR) qui commandent la tension d’alimentation du moteur.

Sous tension réduite, un moteur va “glisser” davantage et sa vitesse tendra donc à diminuer.

Ce schéma de commande est normalement limité aux applica¬tions de ventilateurs et nécessite un moteur à glissement élevé du rotor.

Le contrôle est peu précis et ses applications sont limitées aux moteurs à condensateur permanent (MCP), à une seule phase. De tels moteurs se retrouvent en général dans les applications agricoles pour des puissances jusqu’à plusieurs HP.

On n’utilise plus les contrôleurs de vitesse à tension variable dans les applications industrielles et commerciales.

c. Entraînements à c.c.

Les moteurs à courant continu (c.c.) sont par essence des machines à vitesse variable. La commande de la vitesse et du couple est obtenue en faisant varier la tension d’induit, le courant d’excitation, ou les deux.

Autrefois, pour réguler la vitesse d’un moteur c.c., on utilisait un groupe convertisseur ou groupe M-G. Dans un groupe M-G, un moteur c.a. entraîne une génératrice c.c. qui fournit une tension c.c. variable destinée à faire fonctionner le moteur c.c. Les groupes M-G sont encombrants, ont un mauvais rende¬ment et exigent beaucoup d’entretien.

Les groupes M-G sont désormais remplacés par des ensembles redresseurs à commande par microprocesseurs, qui permettent une régulation simple et précise de la vitesse, et offrent un rendement et une fiabilité élevés.

Cependant, en raison de la complexité, du coût et de l’entretien des moteurs c.c., ces ensembles sont rarement employés dans les applications nouvelles. De nombreuses applications d’entraînements à c.c. sont remplacées par des moteurs c.a. avec entraînements EFV.

Les nouvelles applications faisant appel aux moteurs c.c. sont en général des applications sophistiquées pour lesquelles les moteurs et entraînements c.a. ne sont pas en mesure de répondre aux exigences de la charge. Un exemple en est les équipements de traction dans lesquels les couples de démarrage exigés dépassent ceux que peuvent fournir les moteurs c.a.

d. Embrayages à courants de Foucault

Les embrayages à courants de Foucault peuvent être employés pour commander des moteurs c.a. à induction à cage d’écureuil classiques. Leur rendement est toutefois peu élevé par rapport aux EFV et leurs applications sont limitées.

Un embrayage à courants de Foucault comporte essentielle¬ment trois composantes :

  • un tambour d’acier directement entraîné par un moteur c.a.,
  • un rotor muni de pôles,
  • des enroulements situés sur les pôles et qui fournissent le flux variable nécessaire à la régulation de la vitesse.

Une tension est appliquée aux enroulements des pôles pour établir le flux, un déplacement relatif se produisant alors entre le tambour et son rotor de sortie. En faisant varier la tension appliquée, la quantité du couple transmis varie, ce qui permet de modifier la vitesse.

e. Moteurs perfectionnés

Les moteurs perfectionnés se classent généralement dans une catégorie de moteurs dont le fonctionnement fait appel à l’électronique de puissance et à des commandes par micropro¬cesseurs. Ce concept avait été énoncé il y a bien des années, mais n’a pu se concrétiser qu’avec l’électronique moderne actuelle. Tous les moteurs perfectionnés peuvent fonctionner à des vitesses variables.

On commence à les utiliser dans les applications de fabricants de matériel d’origine, comme par exemple les moteurs de soufflantes des thermopompes et compresseurs d’air de haut de gamme. Certains moteurs perfectionnés sont maintenant des moteurs à usage général d’une puissance assignée pouvant atteindre 600 HP. Citons les moteurs à réluctance commutés, les moteurs à commutation électronique, et les moteurs à pôles inscriptibles (Written Pole).

f. Commande mécanique de la vitesse

Le fonctionnement des machines à vitesse variable peut être obtenu à l’aide d’un moteur à vitesse fixe, équipé d’un dispositif mécanique de commande de la vitesse. Parmi les applications, citons par exemple : accouplements hydrauliques, systèmes de poulies réglables, contrôles magnétiques de la vitesse et transmissions mécaniques telles qu’entraînements par courroie, entraînements par chaîne, boîtes de vitesses, etc.

Dans les méthodes mécaniques de commande de la vitesse, le moteur fonctionne à vitesse constante et le choix de l’accou¬plement modifie la vitesse de la charge entraînée. Le rende¬ment du système dépend de plusieurs facteurs comme la tension des courroies, le type et le nombre de courroies et/ou de chaînes, etc. Les méthodes mécaniques classiques donnent lieu à des vitesses constantes et prédéfinies qui ne peuvent être réglées dynamiquement pour des charges variables. Les dispositifs mécaniques de commande de la vitesse ont en général des rendements peu élevés aux faibles charges.

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