Types de moteurs à courant alternatif à collecteur

Climatisation commutateur Les moteurs occupent désormais une niche étroite : couple de démarrage élevé, large plage de vitesse, châssis compacts et négociation constante avec l'usure des balais et les limites de commutation. Ils ne sont plus le moteur industriel par défaut, mais si vous travaillez avec des installations, des appareils ou des machines spécialisées hérités, vous devez toujours savoir de quel type il s'agit et ce que cela implique en termes de contrôle, de qualité de l'alimentation et de maintenance.

Ce que les ingénieurs entendent par “ moteur à courant alternatif à collecteur ”

Ce terme désigne les machines qui fonctionnent à partir d'une alimentation en courant alternatif, mais qui utilisent un commutateur segmenté et des balais pour gérer le courant du rotor. En d'autres termes, elles empruntent la commutation mécanique des machines à courant continu, mais acceptent une alimentation sinusoïdale. Les manuels les regroupent généralement séparément des moteurs à induction et synchrones, car leurs courbes couple-vitesse, leur comportement en matière de facteur de puissance et leur profil de maintenance sont très différents.

Il existe deux grandes familles. Les types monophasés sont directement issus des moteurs à courant continu en série : les moteurs à courant alternatif en série, les moteurs en série compensés, les moteurs universels et les variantes à répulsion. Les moteurs polyphasés à collecteur, principalement le Schrage et ses dérivés, utilisent la force électromotrice injectée dans le rotor pour obtenir une vitesse variable régulière tout en restant synchronisés avec un réseau triphasé.

Vous savez déjà comment les enroulements sont connectés et comment fonctionne la commutation. Ce qui est intéressant maintenant, c'est de voir comment les variantes diffèrent dans la pratique : comportement du couple, options de commande, niveaux de puissance typiques et comment les utiliser dans une installation qui dispose également de machines à induction alimentées par des variateurs de fréquence et d'entraînements modernes.

Classification globale

La plupart des notes modernes sur les machines à courant alternatif répertorient les types de commutateurs suivants : série, série compensée, dérivation, répulsion, répulsion-induction, répulsion-démarrage induction-fonctionnement, ainsi que des conceptions polyphasées telles que le moteur Schrage.

Le tableau ci-dessous donne une orientation concise avant que nous passions en revue chaque groupe. Les chiffres sont uniquement indicatifs, mais suffisants pour une réflexion au niveau de la conception.

Avec cette carte en tête, les variantes cessent d'apparaître comme une longue liste et commencent à former deux ou trois familles qui se comportent de manière reconnaissable.

Famille de séries : moteurs de la série AC et moteurs compensés

Un moteur à courant alternatif en série simple est essentiellement un moteur à courant continu en série adapté juste assez pour fonctionner sur du courant alternatif. La réactance du champ limite le courant, et l'induit ressemble à un secondaire de transformateur avec un tour court-circuité à l'arrêt, ce qui sollicite le commutateur. C'est pourquoi les manuels sérieux répètent que les moteurs à courant alternatif en série non compensés ne sont pratiques que pour les très petites puissances.

Le moteur à série compensée résout ce problème en ajoutant un enroulement de compensation dans le stator, en série avec l'induit, positionné de manière à ce que sa force magnétomotrice annule la réaction de l'induit sous les pôles. Cela permet d'obtenir trois résultats à la fois. Premièrement, cela améliore la commutation à basse vitesse et à forte charge. Deuxièmement, cela permet d'obtenir un entrefer plus petit et moins de spires de champ, ce qui réduit la chute de tension réactive et améliore le facteur de puissance. Enfin, cela rend la courbe couple-vitesse plus proche de celle d'un moteur à courant continu en série sur une plage de fonctionnement significative, plutôt que de s'effondrer dès que la charge change.

En termes de conception, une fois que vous incluez le bobinage de compensation, la machine devient le moteur à courant alternatif à collecteur “ par défaut ”. La plupart des entraînements à courant alternatif historiques, quelle que soit leur taille, sont en fait des machines à série compensée, même si la plaque signalétique est vague. Le manque de précision dans la dénomination pose problème lorsque quelqu'un spécifie des grades de balais de remplacement ou des données de rebobinage à partir d'un ancien dessin qui indique seulement “ série CA ”.

Du point de vue des commandes modernes, la gamme de produits est facile à moduler à l'aide d'un système électronique très simple. Un régulateur à angle de phase ou un variateur à triac permet de varier la vitesse de manière rudimentaire mais efficace. Pas de rétroaction, juste une réduction de la puissance. Le coût est le bruit, tant acoustique qu'électromagnétique, et un facteur de puissance qui peut être assez médiocre à faible charge. Ce compromis est acceptable dans une perceuse ou un mixeur où le service est intermittent et le réseau rigide. Il est beaucoup moins acceptable lorsque le moteur est de plusieurs dizaines de kilowatts à l'intérieur d'une usine qui a déjà du mal à se conformer aux normes harmoniques.

Moteurs universels : même châssis, courant alternatif ou continu

Les moteurs universels sont simplement des moteurs à série compensée suffisamment petits pour que les pertes dans le fer et les limites de commutation restent tolérables aussi bien en courant alternatif qu'en courant continu. Leur caractéristique principale est leur capacité de vitesse : des dizaines de milliers de tours par minute à partir d'un châssis très compact, quel que soit le type d'alimentation.

La relation couple-courant est presque identique en courant alternatif et en courant continu, car le même champ série est utilisé. En courant alternatif, l'inductance de l'enroulement et les pertes dans le fer réduisent quelque peu la vitesse, mais la saturation aux pics de l'onde sinusoïdale la fait remonter ; l'effet net est une vitesse qui ne varie pas beaucoup entre le courant continu et 50/60 Hz.

Dans la pratique, les moteurs universels sont les seuls moteurs à courant alternatif à collecteur que la plupart des ingénieurs non spécialisés voient aujourd'hui. On les trouve dans les aspirateurs, les meuleuses, les scies sauteuses, les sèche-cheveux et de nombreux autres appareils qui nécessitent une puissance élevée dans un boîtier compact et bon marché, et pour lesquels on peut accepter les balais, le bruit et la durée de vie limitée. Lorsqu'un moteur tombe en panne, on remplace l'appareil, et pas seulement le moteur. Cette réalité commerciale a influencé la conception mécanique autant que les considérations électromagnétiques.

Du point de vue de la conception du système, les moteurs universels interagissent fortement avec l'impédance d'alimentation. Les chutes de tension au démarrage ou en cas de blocage peuvent être importantes sur les réseaux faibles, c'est pourquoi on les voit parfois associés à des circuits de démarrage progressif ou à de simples limiteurs de courant. Le contrôle par gradation d'angle de phase est si courant que les ingénieurs oublient parfois que la machine sous-jacente reste un moteur à collecteur entièrement bobiné, avec toutes les sensibilités habituelles liées aux balais et à la commutation.

Famille Repulsion : quand vous avez vraiment besoin d'un couple de démarrage

Les moteurs à répulsion simple placent un champ monophasé sur le stator, directement connecté à la ligne CA, et un rotor bobiné relié à un commutateur avec des balais court-circuités placés à un angle par rapport à l'axe du champ. Le stator induit un courant dans les enroulements du rotor ; l'axe incliné des balais permet au champ du rotor de s'opposer et de se déplacer par rapport au champ du stator, produisant ainsi un couple.

Ce qui est intéressant, c'est que vous obtenez un comportement similaire à celui d'un transformateur à l'arrêt sans consommer un courant de démarrage énorme provenant de l'alimentation. Le couple de démarrage peut facilement dépasser plusieurs fois le couple nominal tandis que le courant reste gérable. Cela a rendu les moteurs à répulsion attrayants pour les ascenseurs, les premières tractions et les entraînements lourds où le démarrage DOL d'un moteur à induction aurait nécessité des impédances absurdement faibles ou de grands autotransformateurs.

Le contrôle de la vitesse dans un moteur à répulsion simple s'effectue en déplaçant mécaniquement les balais. Déplacez-les vers l'alignement avec le champ et le couple diminue ; éloignez-les et le couple s'inverse. Ce type de contrôle mécanique est fluide mais demande beaucoup de travail. Il convient parfaitement lorsqu'un entraînement fonctionne à quelques vitesses fixes définies par le personnel de maintenance, mais pas lorsque vous souhaitez des régulateurs en boucle fermée et des recettes avec des centaines de points de consigne.

Les moteurs à répulsion compensée ajoutent un enroulement de compensation en série, similaire au principe du moteur en série compensé. L'objectif est là encore d'améliorer la commutation et le facteur de puissance, mais ici, cela permet également de modeler la caractéristique couple-vitesse pour qu'elle ressemble davantage à celle d'un moteur en série tout en conservant le comportement de démarrage par répulsion. Certains textes font référence aux conceptions Latour-Winter-Eichberg avec plusieurs jeux de balais et des prises de transformateur alimentant une partie du commutateur ; il s'agit de machines intelligentes mais mécaniquement complexes, intéressantes en laboratoire mais difficiles à produire.

Démarrage par répulsion - fonctionnement par induction

Les moteurs à démarrage par répulsion et à fonctionnement par induction constituent un compromis pragmatique entre le comportement de répulsion et celui d'induction. À l'arrêt, le rotor est un rotor à répulsion avec balais et commutateur, offrant un couple de démarrage élevé et un facteur de puissance correct. À une vitesse proche de la vitesse de fonctionnement, un dispositif centrifuge court-circuite tous les segments du commutateur et soulève souvent les balais, transformant le rotor en quelque chose qui s'apparente à une cage d'écureuil.

À partir de ce moment, la machine se comporte comme un moteur à induction monophasé standard. Cela signifie qu'en régime permanent, vous bénéficiez de caractéristiques familières, d'une protection simple et d'une absence d'usure continue des balais. Le prix à payer est une complexité mécanique supplémentaire au niveau du mécanisme de commutation et du commutateur, ainsi que le coût d'un rotor plus complexe.

Où les trouve-t-on encore aujourd'hui ? Principalement dans les compresseurs, les pompes et les petites installations industrielles ou domestiques lourdes où un couple de démarrage élevé était essentiel, mais où le concepteur souhaitait tout de même un fonctionnement simple de type à induction une fois la charge inertielle en mouvement. Aujourd'hui, lorsqu'une telle machine tombe en panne, elle est souvent remplacée par un moteur à induction à démarrage par condensateur associé à un démarreur progressif ou à un variateur de fréquence, car cette combinaison est plus facile à trouver et à entretenir.

Moteurs à induction à répulsion

Les moteurs à induction à répulsion combinent un enroulement de rotor à répulsion connecté à un commutateur avec un enroulement à cage d'écureuil intégré. Au démarrage, l'action de répulsion domine, fournissant un couple élevé avec un courant contrôlé. À mesure que la vitesse augmente, les courants induits dans la cage deviennent plus importants et le comportement tend vers celui d'un moteur à induction, même sans court-circuit mécanique du commutateur.

Ce comportement mixte offre une courbe de couple intéressante pour certaines applications, mais complique la conception du rotor, l'isolation et le refroidissement. Avec l'arrivée des moteurs à induction à démarrage et à fonctionnement par condensateur, qui offrent un bon couple de démarrage sans balais et une construction beaucoup plus simple, les types à induction par répulsion ont largement disparu des nouvelles conceptions.

Moteurs à courant alternatif à collecteur à dérivation

Les tableaux de classification incluent parfois les “ moteurs à courant alternatif à collecteur shunté ” ou les “ moteurs à courant alternatif à caractéristique shuntée à balais fixes ”. Conceptuellement, il s'agit de versions à courant alternatif des moteurs à courant continu shuntés : le champ est excité à partir de la même alimentation, mais pas en série avec l'induit. Il en résulte une vitesse relativement rigide par rapport à la charge, plus proche d'un entraînement à vitesse constante que d'une machine en série.

Le contrôle du champ à l'aide d'un rhéostat ou d'un transformateur séparé permet d'obtenir une légère augmentation de la vitesse au-dessus de la vitesse de base en affaiblissant le champ. En courant alternatif, l'avantage est moins marqué qu'avec les machines à courant continu en raison des contraintes liées au facteur de puissance et à la commutation. C'est l'une des raisons pour lesquelles cette catégorie est restée petite et spécialisée.

Dans la pratique, on les trouve principalement dans les anciennes installations où un moteur à courant alternatif à vitesse constante et à collecteur entraînait un arbre de transmission ou une machine critique avant que les moteurs à induction ne deviennent bon marché et largement contrôlables. Si vous en héritez d'un, considérez-le comme un entraînement à vitesse constante nécessitant beaucoup d'entretien et dont les pièces de rechange sont difficiles à trouver ; il est généralement plus simple de le remplacer par un moteur à induction et un variateur de fréquence, sauf si l'intégration mécanique est très étroite.

Moteurs triphasés à courant alternatif à collecteur : le Schrage et ses dérivés

Le moteur Schrage est le moteur à courant alternatif triphasé à collecteur le plus largement documenté. Il s'agit essentiellement d'un moteur à induction à vitesse variable dans lequel une force électromotrice triphasée auxiliaire est injectée dans le circuit du rotor via un collecteur et des balais réglables.

Un Schrage typique comprend un stator triphasé, un rotor avec un enroulement relié à des bagues collectrices pour l'alimentation principale, et un deuxième enroulement de rotor connecté à un commutateur. Des balais réglables alimentent ce commutateur à partir d'un enroulement de régulation. En déplaçant les balais, vous modifiez l'amplitude et la phase de la force électromotrice injectée, ce qui modifie à la fois le glissement et le facteur de puissance. Avec une conception appropriée, vous pouvez fonctionner à des vitesses sous-synchrones, synchrones et super-synchrones à partir de la même fréquence de réseau tout en conservant un bon couple et un facteur de puissance proche de l'unité sur une grande partie de la plage.

Avant l'apparition des entraînements électroniques, cette combinaison était extrêmement intéressante pour les machines textiles, les laminoirs et les presses à imprimer. Elle permettait d'obtenir une variation de vitesse fluide, un rendement élevé et un contrôle raisonnable de la puissance réactive sans aucun convertisseur rotatif ni équipement à arc au mercure. Le prix à payer était un système de rotor et de commutateur mécaniquement complexe qui nécessitait une maintenance spécialisée. Les opérateurs devaient comprendre le réglage des balais, l'ajustement du neutre et l'effet de l'état des contacts sur le facteur de puissance.

Il existe également des moteurs à courant alternatif à commutateur alimentés par le stator, dans lesquels le stator est alimenté directement et le commutateur du rotor est principalement utilisé pour le contrôle du facteur de puissance ou le réglage de la vitesse plutôt que pour une variation à large plage. Ceux-ci sont moins courants et apparaissent souvent dans les anciennes installations marines ou de traction. Le principe général est le même : injection d'une force électromotrice via un commutateur pour manipuler le glissement et la puissance réactive sans modifier la fréquence d'alimentation.

Dans les conceptions modernes, un moteur à induction standard associé à un onduleur à source de tension résout le même problème avec moins de pièces mobiles. Le Schrage et ses cousins sont donc désormais des sujets spécialisés : on les étudie pour comprendre les entraînements historiques ou pour maintenir en état de fonctionnement une usine héritée du passé.

Choisir entre les types dans des projets réels

Dans les conceptions actuelles, presque personne ne spécifie plus de gros moteurs à courant alternatif à collecteur. Ce n'est pas parce que ces machines sont inefficaces, mais parce que l'électronique de puissance rend les options sans balais plus faciles à justifier. Aujourd'hui, ces moteurs sont principalement utilisés pour remplacer des moteurs défectueux dans des équipements existants ou dans le cadre de modernisations progressives où une refonte mécanique complète ne se justifie pas.

Lorsque vous êtes confronté à un petit appareil électroménager ou à un outil à main, le choix est presque prédéterminé. Les moteurs universels persistent parce qu'ils sont bon marché, compacts et faciles à se procurer auprès de plusieurs fournisseurs. Si le bruit, les interférences électromagnétiques ou la durée de vie des balais deviennent un problème sérieux, vous passez à un moteur à courant continu sans balais ou à un moteur synchrone à aimant permanent et acceptez le coût des composants électroniques du variateur.

Pour les entraînements industriels monophasés traditionnels qui nécessitent encore un couple de démarrage élevé, on trouve souvent sur la plaque signalétique des machines à démarrage par répulsion et à fonctionnement par induction ou des machines à répulsion-induction. Pour les remplacer, il existe trois solutions courantes. La première est un moteur à induction à démarrage par condensateur à couple élevé avec un contacteur à usage intensif ou un démarreur progressif. Une autre solution consiste à utiliser un moteur à induction triphasé avec un petit variateur de fréquence alimenté par une alimentation monophasée. La troisième solution, moins courante, consiste à utiliser un moteur à collecteur similaire provenant d'un reconstructeur spécialisé, généralement choisi parce que l'enveloppe mécanique est peu pratique et que la remplacer coûterait plus cher que de conserver l'ancien concept.

Pour les grands variateurs de vitesse initialement construits avec des moteurs Schrage, les équipes techniques considèrent souvent la machine existante comme faisant partie de l'équipement mécanique plutôt que du système électrique. Si le commutateur est en bon état et que des pièces de rechange sont disponibles, vous pouvez le laisser en place et simplement améliorer la protection et la surveillance. Si le commutateur devient le goulot d'étranglement, vous prévoyez une mise à niveau vers une machine à induction et un onduleur, mais cela affecte généralement la hauteur des arbres, les circuits de refroidissement et parfois la structure du bâtiment.

Problèmes transversaux : ce que tous les moteurs à courant alternatif à collecteur ont en commun

Plusieurs contraintes s'appliquent à tous les types. Tout d'abord, la commutation sur courant alternatif est intrinsèquement plus exigeante que sur courant continu, car les inversions de courant dans les bobines d'induit doivent se produire en plus d'une alimentation sinusoïdale. C'est pourquoi les enroulements de compensation, les conceptions à faible réactance et les matériaux de balais soigneusement sélectionnés sont des thèmes récurrents dans la littérature.

Deuxièmement, le facteur de puissance et les harmoniques sont toujours à l'ordre du jour. Les moteurs en série et à répulsion peuvent offrir un bon facteur de puissance d'entrée sous charge, mais à faible charge, ils consomment un courant magnétisant important et présentent des formes d'onde inhabituelles sur le réseau. Dans les usines où les limites harmoniques sont strictes, c'est souvent la véritable raison du remplacement, et non l'état mécanique de la machine.

Troisièmement, les pratiques de maintenance sont plus importantes que sur les machines à induction à cage. La pression des balais, l'état de la surface du commutateur et la propreté du circuit de refroidissement ont une incidence directe sur la commutation et, par conséquent, sur les pulsations de couple, le bruit et la durée de vie. Un moteur à commutateur théoriquement capable de performances élevées peut se comporter de manière erratique si l'équipement des balais est négligé. C'est une autre raison pour laquelle de nombreux ingénieurs préfèrent les remplacer plutôt que de former une nouvelle équipe de maintenance.

Enfin, la qualité de la documentation est souvent médiocre. De nombreux moteurs anciens ne portent que des marquages génériques tels que “ série AC ” ou “ moteur à répulsion ” sans indication claire quant à leur compensation, la qualité des balais requise ou le réglage d'origine du neutre. La rétro-ingénierie de ces machines relève davantage de la recherche que de la conception. Avoir une image mentale claire des familles et de leur comportement vous aide à déduire ce que vous observez à partir de quelques tests simples : couple au démarrage, réponse au changement de balais et courant à la tension nominale.

Résumé

Les moteurs à courant alternatif à collecteur constituent un groupe compact mais varié : les moteurs en série et universels dominent les outils à faible puissance, les machines à répulsion fournissent un couple de démarrage élevé dans les anciens entraînements monophasés, les moteurs à collecteur shunt et triphasés tels que le Schrage répondent au besoin historique d'entraînements industriels à vitesse variable. Leur point commun est la commutation mécanique sur une alimentation en courant alternatif, avec tous les avantages et inconvénients que cela comporte. Il est toujours utile de comprendre le type de moteur dont vous disposez et ce que cela implique en termes de couple, de contrôle, de qualité de l'alimentation et de maintenance, même dans un monde où les moteurs à induction et les entraînements électroniques sont désormais la norme.