Ce chapitre couvre l'ensemble des connaissances requises pour l'examen Sceau rouge en électricité de construction concernant les moteurs, leurs contrôleurs et les variateurs de fréquence. Vous devez maîtriser les principes de fonctionnement, les méthodes d'installation, les calculs de protection et les exigences réglementaires du Code canadien de l'électricité, Chapitre V (CCE). Ce chapitre est structuré pour suivre la logique d'installation : du moteur lui-même, à son contrôleur, puis à son système de protection et finalement aux variateurs de fréquence.
Principes fondamentaux des moteurs électriques
Classification des moteurs
Les moteurs se classifient selon leur source d'alimentation et leur principe de fonctionnement. Pour l'examen, vous devez distinguer clairement :
Type de moteur
Alimentation
Caractéristique principale
Usage typique
Moteur à courant continu (CC)
CC
Vitesse variable par tension d'induit
Treuils, machines-outils
Moteur synchrone
CA triphasé
Vitesse constante = fréquence × 120 / nombre de pôles
Grandes charges, correction de facteur de puissance
Moteur à induction (asynchrone)
CA triphasé
Glissement nécessaire pour produire le couple
Pompe, ventilateur, convoyeur
Moteur monophasé
CA monophasé
Nécessite un circuit de démarrage
Petits appareils, ventilateurs résidentiels
Moteur à induction triphasé — principe de fonctionnement
Le moteur à induction triphasé est le plus répandu dans l'industrie. Son stator crée un champ magnétique tournant à la vitesse synchrone :
n_sync = 120 × f / p
Où :
n_sync = vitesse synchrone en tours par minute (tr/min)
f = fréquence en hertz (Hz)
p = nombre de pôles par phase
Exemple : un moteur 4 pôles alimenté à 60 Hz tourne à une vitesse synchrone de 120 × 60 / 4 = 1800 tr/min.
Le rotor, en retard sur le champ tournant, développe un glissement (s) :
s = (n_sync − n_rotor) / n_sync × 100 %
Un glissement typique à pleine charge est de 2 à 5 %. Le glissement est essentiel : sans lui, aucune force électromotrice n'est induite dans le rotor et aucun couple n'est produit.
Couple et courant de démarrage
Au démarrage, un moteur à induction tire un courant de 600 % à 800 % de son courant à pleine charge (courant nominal). Ce courant élevé dure de 1 à 3 secondes pour les petits moteurs, mais peut persister plus longtemps pour les gros moteurs. Le couple de démarrage est généralement de 150 % à 200 % du couple nominal.
Formule de puissance mécanique :
P (kW) = √3 × U × I × cos φ × η / 1000
Où :
U = tension entre phases (V)
I = courant de ligne (A)
cos φ = facteur de puissance
η = rendement (exprimé en décimal, ex. 0,90)
Données de plaque signalétique
La plaque signalétique du moteur est une source d'information obligatoire pour tout calcul. Vous devez savoir lire et interpréter chaque donnée :
Tension nominale (ex. 208 V, 240 V, 480 V, 600 V)
Courant à pleine charge (FLA — Full Load Amps)
Facteur de service (FS) — typiquement 1,15
Classe d'isolation (A, B, F, H) — détermine la température maximale admissible
Code de lettre rotor bloqué (ex. Code J, K, L) — indique le courant de démarrage en kVA/HP
Vitesse nominale (tr/min)
Fréquence (60 Hz au Canada)
Puissance (HP ou kW)
Type d'enveloppe (TEFC, ODP, etc.)
Conversion HP ↔ kW : 1 HP = 0,746 kW ; 1 kW = 1,34 HP
Contrôleurs de moteurs
Définition et fonctions
Un contrôleur de moteur est tout appareil qui commande le fonctionnement d'un moteur, que ce soit pour le démarrage, l'arrêt, la vitesse ou l'inversion de sens de rotation. Le contrôleur doit être capable d'interrompre le courant de rotor bloqué du moteur.
Contacteurs et relais
Le contacteur est l'élément de puissance du contrôleur. Il est composé de :
Bobine de commande (24 V, 120 V, 240 V, 480 V)
Contacts principaux (de puissance)
Contacts auxiliaires (pour la logique de commande)
Le relais de surcharge protège le moteur contre les surintensités prolongées. Il existe deux types principaux :
Type
Principe
Avantage
Inconvénient
Thermique (bilame)
Dilatation différentielle de deux métaux
Simple, économique
Moins précis, temps de réponse lent
Électronique
Mesure du courant par transformateur de courant
Précision, réglage fin, protection contre la perte de phase
Plus coûteux
Le relais de surcharge doit être réglé à pas plus de 125 % du courant à pleine charge du moteur (règle 28-308 du CCE), sauf exceptions prévues pour les moteurs à facteur de service de 1,15 ou plus, ou à élévation de température de 40 °C, où le réglage peut atteindre 140 %.
Démarreurs à pleine tension (directs)
Le démarreur direct (DOL — Direct On Line) applique la pleine tension au moteur dès la fermeture du contacteur. C'est le plus simple et le plus économique, mais il impose un courant de démarrage élevé au réseau. Il est acceptable pour les moteurs de faible puissance ou lorsque le réseau peut supporter l'appel de courant.
Démarreurs à tension réduite
Pour réduire le courant de démarrage, on utilise des démarreurs à tension réduite :
1. Démarreur étoile-triangle (Y-Δ) :
Le moteur démarre en configuration étoile (Y), où chaque enroulement reçoit U/√3.
Après une temporisation (typiquement 5 à 10 secondes), on commute en triangle (Δ), où chaque enroulement reçoit la pleine tension.
Le courant de démarrage est réduit à 33 % du courant de démarrage direct.
Le couple de démarrage est également réduit à 33 %.
Nécessite un moteur avec 6 bornes accessibles et conçu pour le fonctionnement en Δ.
2. Démarreur autotransformateur :
Utilise un autotransformateur avec prises à 50 %, 65 % et 80 % de la tension.
Le courant de ligne est réduit au carré du rapport de tension (ex. à 65 % : 0,65² = 42 % du courant direct).
Le couple est réduit au carré du rapport de tension également.
3. Démarreur à résistance statorique :
Insère des résistances en série avec les enroulements du stator au démarrage.
Les résistances sont court-circuitées après la montée en vitesse.
Le courant est réduit proportionnellement à la chute de tension dans les résistances.
4. Démarreur électronique (soft starter) :
Utilise des thyristors (SCR) pour contrôler la tension appliquée progressivement.
Permet un réglage continu de la tension de démarrage et du temps de rampe.
Réduit les à-coups mécaniques et les surtensions hydrauliques.
Comparaison des méthodes de démarrage
Méthode
Courant de démarrage (% du direct)
Couple de démarrage (% du direct)
Coût relatif
Complexité
Direct (DOL)
100 %
100 %
1×
Faible
Étoile-triangle
33 %
33 %
1,5×
Moyenne
Autotransformateur (65 %)
42 %
42 %
2×
Moyenne
Résistance statorique
50-80 %
50-80 %
1,5×
Moyenne
Électronique (soft starter)
50-80 % (réglable)
50-80 % (réglable)
2,5×
Élevée
Piège d'examen : le démarreur étoile-triangle réduit le courant à 33 %, mais le couple à 33 % également. Si la charge exige un couple de démarrage supérieur à 33 % du couple nominal, cette méthode est inadaptée.
Protection des moteurs
Protection contre les surintensités (court-circuit)
Les conducteurs alimentant un moteur doivent être protégés contre les courts-circuits par des fusibles ou des disjoncteurs. Selon la règle 28-200 du CCE, le dispositif de protection contre les surintensités doit être réglé à :
Pas plus de 300 % du courant à pleine charge pour les fusibles à action retardée (classe CC, J, RK1, RK5, L).
Pas plus de 250 % pour les fusibles à action rapide.
Pas plus de 250 % pour les disjoncteurs à courbe de déclenchement inverse.
Si ces valeurs ne permettent pas le démarrage du moteur (déclenchements intempestifs), le CCE permet d'augmenter la valeur jusqu'à 400 % pour les fusibles à action retardée et 300 % pour les disjoncteurs, à condition que le conducteur soit dimensionné en conséquence.
Protection contre les surcharges
La protection contre les surcharges (relais thermique ou électronique) protège le moteur contre les échauffements excessifs. Les exigences de la règle 28-308 :
Réglage maximal de 125 % du courant à pleine charge pour les moteurs standard.
Réglage maximal de 140 % pour les moteurs avec facteur de service de 1,15 ou plus, ou avec élévation de température de 40 °C.
Le relais de surcharge doit être situé dans le circuit de puissance, entre le contacteur et le moteur.
Calcul du courant nominal et des conducteurs
Exemple de calcul complet :
Un moteur triphasé de 25 HP, 600 V, facteur de puissance 0,85, rendement 0,90.
95.Courant à pleine charge :
I = P / (√3 × U × cos φ × η)
I = (25 × 746) / (1,732 × 600 × 0,85 × 0,90)
I = 18650 / 795,3 = 23,4 A
99.Conducteurs (règle 28-106) : les conducteurs doivent avoir une capacité d'au moins 125 % du courant à pleine charge.
I_min = 23,4 × 1,25 = 29,3 A
→ Conducteur #10 AWG (35 A à 75 °C) ou #8 AWG selon la longueur et la chute de tension.
102.Protection contre les surcharges (règle 28-308) :
Réglage maximal = 23,4 × 1,25 = 29,3 A → relais réglé à 29 A (ou à la valeur standard la plus proche).
104.Protection contre les courts-circuits (règle 28-200) :
Fusibles à action retardée : 23,4 × 3,00 = 70,2 A → fusible standard de 70 A.
Si déclenchement intempestif : jusqu'à 23,4 × 4,00 = 93,6 A → fusible de 90 A.
Facteurs de correction
Les conducteurs doivent être corrigés pour la température ambiante et le regroupement (règles 4-004 et 4-006 du CCE). N'oubliez pas d'appliquer ces facteurs avant de comparer la capacité du conducteur avec le courant requis.
Variateurs de fréquence (VFD)
Principe de fonctionnement
Un variateur de fréquence (VFD — Variable Frequency Drive) contrôle la vitesse d'un moteur à induction en modifiant simultanément la fréquence et la tension d'alimentation. Le principe fondamental est de maintenir un rapport V/f constant pour préserver le couple du moteur.
Relation vitesse-fréquence :
n = 120 × f / p × (1 − s)
En variant f de 0 à 60 Hz, on obtient une variation de vitesse de 0 à la vitesse nominale. Au-delà de 60 Hz, la tension ne peut plus augmenter (limite de l'alimentation), le couple diminue alors proportionnellement à 1/f (région de défluxage).
Architecture interne d'un VFD
Le VFD se compose de trois étages principaux :
1. Redresseur (convertisseur AC/DC) :
Pont de diodes ou de thyristors
Convertit la tension alternative en tension continue
La tension continue est d'environ 1,35 × la tension efficace (ex. 480 V → 648 V CC)
2. Circuit intermédiaire (bus DC) :
Condensateurs de filtrage (lissage de la tension)
Inductances (lissage du courant)
Résistance de freinage (pour dissiper l'énergie de décélération)
3. Onduleur (convertisseur DC/AC) :
Six transistors IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
Modulation de largeur d'impulsion (MLI ou PWM) à haute fréquence (2 à 16 kHz)
Produit une tension alternative de fréquence et d'amplitude variables
Modulation de largeur d'impulsion (MLI/PWM)
La MLI consiste à commuter les IGBT à haute fréquence en variant le rapport cyclique (duty cycle) pour créer une onde sinusoïdale approximative. La fréquence de découpage (switching frequency) influence :
Fréquence de découpage
Avantage
Inconvénient
Basse (2-4 kHz)
Moins de pertes, moins de chaleur
Bruit acoustique du moteur
Haute (8-16 kHz)
Fonctionnement silencieux
Plus de pertes, plus de chaleur, plus d'interférences
Câblage et installation des VFD
Exigences importantes :
137.Câbles blindés : les câbles entre le VFD et le moteur doivent être blindés pour réduire les interférences électromagnétiques (EMI). Le blindage doit être mis à la terre aux deux extrémités.
138.Séparation des circuits : les câbles de puissance du VFD doivent être séparés des câbles de commande et d'instrumentation (distance minimale de 300 mm ou séparation par cloison métallique mise à la terre).
139.Mise à la terre : le VFD doit être mis à la terre conformément à la règle 10-200 du CCE. Une mise à la terre de haute fréquence peut nécessiter des conducteurs tressés plats.
140.Protection amont : le VFD doit être protégé par des fusibles ou un disjoncteur dimensionnés selon les recommandations du fabricant, généralement entre 125 % et 150 % du courant nominal du VFD.
141.Réactances de ligne : recommandées lorsque la distorsion harmonique est un problème ou lorsque la source d'alimentation est faible.
Harmoniques et distorsion
Les VFD génèrent des harmoniques de courant et de tension en raison de la commutation électronique. Les principaux effets :
Échauffement des transformateurs et des condensateurs
Déclenchement intempestif des protections
Perturbation des équipements électroniques sensibles
Surtension au neutre (courants de 3e harmonique)
Solutions :
Réactances de ligne (3 % ou 5 % d'impédance)
Filtres passifs (trapèzes accordés sur les harmoniques dominants, généralement 5e et 7e)
Filtres actifs
Transformateurs à décalage de phase (12 ou 18 pulsations)
Freinage des moteurs avec VFD
Le VFD peut freiner le moteur de plusieurs façons :
1. Freinage par injection de courant continu :
Le VFD applique une tension continue au stator
Le moteur s'arrête rapidement
Utilisé pour le maintien à l'arrêt
2. Freinage dynamique (résistance de freinage) :
L'énergie de décélération est dissipée dans une résistance
Nécessaire pour les charges à forte inertie
La résistance est commandée par un hacheur (chopper) interne
3. Freinage par récupération :
L'énergie est renvoyée au réseau
Nécessite un redresseur à quatre quadrants
Plus coûteux mais économe en énergie
Paramétrage essentiel d'un VFD
Les paramètres suivants doivent être configurés lors de la mise en service :
Paramètre
Description
Valeur typique
Tension nominale du moteur
Tension de la plaque signalétique
480 V
Courant nominal du moteur
FLA de la plaque signalétique
23,4 A
Fréquence maximale
Fréquence de base
60 Hz
Fréquence minimale
Limite basse de vitesse
0-10 Hz
Rampe d'accélération
Temps pour atteindre la vitesse
5-30 s
Rampe de décélération
Temps pour s'arrêter
5-30 s
Couple de démarrage
Couple supplémentaire au démarrage
0-150 %
Compensation de glissement
Correction de vitesse en charge
0-5 %
Protection intégrée des VFD
Les VFD modernes intègrent de nombreuses protections :
Protection contre les surintensités (électronique, plus rapide qu'un relais thermique)
Protection contre les surtensions du bus DC
Protection contre les sous-tensions
Protection contre la surchauffe du variateur
Protection contre la perte de phase
Protection contre les défauts à la terre
Protection contre les courts-circuits de sortie
Important : le VFD ne remplace pas nécessairement la protection contre les surcharges du moteur. Selon la règle 28-308, le VFD peut être considéré comme un dispositif de protection contre les surcharges s'il est réglé conformément aux exigences et si le fabricant le certifie.
Exigences réglementaires spécifiques (CCE)
Règle 28-106 — Conducteurs
Les conducteurs d'alimentation d'un moteur doivent avoir une capacité d'au moins 125 % du courant nominal à pleine charge du moteur. Cette règle s'applique aux conducteurs entre le dernier dispositif de protection contre les surintensités et le moteur.
Règle 28-110 — Moteurs monophasés
Pour les moteurs monophasés, le courant nominal est celui indiqué sur la plaque signalétique. Les conducteurs doivent être dimensionnés à 125 % de ce courant.
Règle 28-200 — Protection contre les surintensités
Comme détaillé précédemment, la protection contre les courts-circuits doit être réglée entre 250 % et 300 % du courant nominal, avec possibilité d'augmentation jusqu'à 400 % (fusibles) ou 300 % (disjoncteurs) en cas de besoin.
Règle 28-308 — Protection contre les surcharges
Le dispositif de protection contre les surcharges doit être réglé à pas plus de 125 % du courant nominal (ou 140 % pour les moteurs spéciaux). Il doit être capable de supporter le courant de démarrage sans déclencher.
Règle 28-500 — Sectionneurs
Chaque moteur doit avoir un sectionneur visible et accessible qui permet de couper l'alimentation du moteur et de son contrôleur. Le sectionneur doit :
Être capable d'interrompre le courant nominal du moteur
Être verrouillable en position ouverte
Être situé à moins de 9 m du moteur, ou être verrouillable et conforme aux exigences de la règle
Règle 28-600 — Contrôleurs
Le contrôleur doit :
Être capable d'interrompre le courant de rotor bloqué du moteur
Avoir une tension nominale au moins égale à celle du circuit
Être monté dans un endroit accessible
Interrompre tous les conducteurs non mis à la terre
Pièges à éviter
204.Confondre courant de pleine charge et courant de démarrage : le courant de démarrage est de 6 à 8 fois le courant nominal. Les calculs de protection contre les surintensités utilisent le courant nominal, pas le courant de démarrage.
205.Oublier le facteur 125 % pour les conducteurs : les conducteurs alimentant un moteur doivent être dimensionnés à 125 % du courant nominal, pas à 100 %.
206.Négliger les facteurs de correction : la température ambiante et le regroupement des conducteurs modifient la capacité réelle des conducteurs. Appliquez toujours les facteurs de correction avant de choisir la grosseur du conducteur.
207.Confondre étoile-triangle et démarreur électronique : l'étoile-triangle réduit le courant à 33 % mais impose une commutation brutale ; le démarreur électronique offre une rampe progressive.
208.Oublier le glissement dans les calculs de vitesse : la vitesse nominale d'un moteur à induction est toujours inférieure à la vitesse synchrone. Ne confondez pas les deux.
209.Ignorer les harmoniques avec les VFD : les VFD génèrent des harmoniques qui peuvent causer des problèmes sur le réseau. Prévoyez des réactances ou des filtres lorsque nécessaire.
210.Utiliser des câbles non blindés entre VFD et moteur : cela cause des interférences électromagnétiques et peut endommager les équipements sensibles.
211.Mauvaise interprétation du facteur de service : le facteur de service permet une surcharge temporaire, mais ne modifie pas le courant nominal utilisé pour les calculs de protection.
212.Oublier la protection contre les surcharges lors de l'utilisation d'un VFD : le VFD doit être programmé pour protéger le moteur, ou un relais de surcharge externe doit être installé.
213.Confondre les unités HP et kW : 1 HP = 0,746 kW. Une erreur de conversion fausse tous les calculs de courant.
Résumé
Le moteur à induction triphasé fonctionne par champ magnétique tournant ; sa vitesse synchrone est n = 120 × f / p, et le glissement est essentiel à son fonctionnement.
La plaque signalétique fournit toutes les données nécessaires : tension, courant, facteur de service, code de rotor bloqué, classe d'isolation.
Le contrôleur doit interrompre le courant de rotor bloqué ; les relais de surcharge protègent contre les échauffements prolongés.
Les méthodes de démarrage à tension réduite (étoile-triangle, autotransformateur, soft starter) réduisent le courant de démarrage mais aussi le couple.
La protection contre les courts-circuits est réglée entre 250 % et 300 % du courant nominal (jusqu'à 400 % pour les fusibles en cas de besoin).
La protection contre les surcharges est réglée à 125 % (ou 140 % pour moteurs spéciaux) du courant nominal.
Les conducteurs sont dimensionnés à 125 % du courant nominal, avec application des facteurs de correction.
Le VFD contrôle la vitesse en variant fréquence et tension avec un rapport V/f constant ; il comprend redresseur, bus DC et onduleur à IGBT.
Les VFD génèrent des harmoniques et nécessitent des câbles blindés, une séparation des circuits et une mise à la terre adéquate.
Le CCE (Chapitre V) impose des règles précises pour les conducteurs (28-106), la protection contre les surintensités (28-200), les surcharges (28-308), les sectionneurs (28-500) et les contrôleurs (28-600).
Entraînez-vous à lire une plaque signalétique et à effectuer le calcul complet d'un circuit de moteur (conducteurs, protection, surcharge).
Connaissez les valeurs limites du CCE par cœur : 125 %, 250 %, 300 %, 400 %.
Pour les questions sur les VFD, retenez le principe V/f constant et les trois étages du variateur.
Lisez chaque question deux fois : les examinateurs piègent souvent sur les unités (HP vs kW), les phases (monophasé vs triphasé) et les tensions (208 vs 600 V).
Utilisez systématiquement les tableaux du CCE pour les capacités des conducteurs et les facteurs de correction.
Ce chapitre couvre l'ensemble des notions essentielles pour réussir les questions du Sceau rouge sur les moteurs, les contrôleurs et les variateurs de fréquence. La pratique des calculs et la connaissance précise des règles du CCE sont vos meilleurs alliés le jour de l'examen.
