Moteurs et systèmes de commande de moteurs

Introduction

Ce chapitre couvre l'ensemble des connaissances requises pour l'examen Sceau rouge concernant les moteurs électriques et leurs systèmes de commande. Vous devez maîtriser les principes de fonctionnement, les types de moteurs, les méthodes de démarrage, les protections, et les circuits de commande conformément au Code canadien de l'électricité, Chapitre V (CCE). Ce chapitre est structuré pour suivre la progression logique : d'abord les principes physiques, puis les types de moteurs, ensuite les méthodes de démarrage et de protection, et finalement les circuits de commande et le dépannage.

Principes fondamentaux des moteurs

Le champ magnétique tournant

Tout moteur à courant alternatif (CA) fonctionne sur le principe du champ magnétique tournant. Lorsqu'un système triphasé équilibré alimente trois bobines disposées à 120° les unes des autres, le champ magnétique résultant tourne à une vitesse appelée vitesse synchrone (Ns).

La vitesse synchrone se calcule avec la formule suivante :

Ns = 120 × f / P

Où :

Ns = vitesse synchrone en tours par minute (tr/min)

f = fréquence de l'alimentation en hertz (Hz) — au Canada, 60 Hz

P = nombre de pôles du moteur (toujours un nombre pair)

Exemple de calcul : Pour un moteur 4 pôles alimenté à 60 Hz :

Ns = 120 × 60 / 4 = 1800 tr/min

Le glissement

Le glissement (s) est la différence entre la vitesse synchrone et la vitesse réelle du rotor, exprimée en pourcentage :

s = (Ns − Nr) / Ns × 100 %

Où Nr est la vitesse réelle du rotor.

Pour un moteur à induction typique, le glissement à pleine charge varie entre 2 % et 5 %. Un glissement nul est impossible pour un moteur à induction — c'est le principe même de son fonctionnement. Le couple est produit par la différence de vitesse entre le champ tournant et le rotor.

Couple et puissance

Le couple (T) et la puissance (P) sont liés par la relation :

P (W) = T (N·m) × ω (rad/s)

Où ω = 2π × Nr / 60

Pour un moteur triphasé, la puissance électrique absorbée est :

P = √3 × V × I × cos φ

Où :

V = tension de ligne (V)

I = courant de ligne (A)

cos φ = facteur de puissance

Le rendement (η) est le rapport entre la puissance mécanique de sortie et la puissance électrique d'entrée :

η = P_sortie / P_entrée × 100 %

Types de moteurs

Moteurs à courant continu (CC)

Les moteurs à courant continu sont classés selon la connexion de l'inducteur (enroulement de champ) par rapport à l'induit :

Type	Connexion	Caractéristique principale
Série	Champ en série avec l'induit	Couple de démarrage très élevé, vitesse variable avec la charge
Shunt (parallèle)	Champ en parallèle avec l'induit	Vitesse relativement constante
Compound	Combinaison série et shunt	Compromis entre couple et régulation de vitesse

Le moteur série est utilisé pour les applications de traction (ponts roulants, locomotives) en raison de son couple de démarrage élevé. Attention : un moteur série ne doit jamais fonctionner à vide — la vitesse peut devenir dangereusement élevée (emballement).

Moteurs à induction triphasés

C'est le type de moteur le plus répandu dans l'industrie. Le rotor peut être :

À cage d'écureuil : robuste, simple, économique

À bagues (rotor bobiné) : permet d'insérer des résistances dans le circuit rotorique pour limiter le courant de démarrage et augmenter le couple

Le moteur à cage d'écureuil est le plus courant. Ses caractéristiques principales sont :

Courant de démarrage : 5 à 8 fois le courant nominal

Couple de démarrage : 1,5 à 2 fois le couple nominal

Facteur de puissance : faible à vide (0,1 à 0,2), amélioré en charge (0,7 à 0,9)

Moteurs synchrones

Le moteur synchrone tourne exactement à la vitesse synchrone (glissement nul). Le rotor est alimenté en courant continu par l'intermédiaire de bagues et de balais. Applications typiques :

Entraînements à vitesse constante

Correction du facteur de puissance (le moteur synchrone peut être surexcité pour fournir de la puissance réactive)

Moteurs monophasés

Les moteurs monophasés ne produisent pas de champ tournant par eux-mêmes — ils nécessitent un moyen de démarrage :

Type	Méthode de démarrage	Application typique
À phase auxiliaire (split-phase)	Bobine auxiliaire avec interrupteur centrifuge	Ventilateurs, petites pompes
À condensateur permanent	Condensateur en série avec la bobine auxiliaire	Compresseurs, climatiseurs
À condensateur de démarrage	Condensateur électrolytique avec interrupteur centrifuge	Compresseurs, équipements à fort couple
À pôle ombragé (shaded pole)	Anneau de cuivre sur le pôle	Petits ventilateurs, minuteries
Universel	Balais, fonctionne en CA et CC	Outils électriques portatifs

Plaques signalétiques et données nominales

Lecture de la plaque signalétique

La plaque signalétique d'un moteur fournit des informations essentielles pour l'installation et le dépannage. Vous devez savoir interpréter chaque donnée :

Donnée	Signification	Exemple typique
Tension (V)	Tension nominale d'alimentation	575 V
Courant (A)	Courant à pleine charge	12,5 A
Puissance (HP ou kW)	Puissance mécanique de sortie	10 HP (7,5 kW)
Vitesse (tr/min)	Vitesse à pleine charge	1750 tr/min
Facteur de service (FS)	Facteur de surcharge admissible	1,15
Classe d'isolation	Température maximale admissible	Classe F (155 °C)
Facteur de puissance (cos φ)	À pleine charge	0,85
Rendement (η)	Efficacité énergétique	92 %

Facteur de service

Le facteur de service (FS) indique la surcharge continue admissible au-delà de la puissance nominale. Un moteur avec FS = 1,15 peut fonctionner en continu à 115 % de sa puissance nominale sans dépasser la température maximale de sa classe d'isolation.

Classes d'isolation

Classe	Température maximale (°C)	Température ambiante + élévation (°C)
A	105	40 + 65
B	130	40 + 90
F	155	40 + 115
H	180	40 + 140

Protection des moteurs

Protection contre les surcharges

La protection contre les surcharges protège le moteur contre les courants excessifs prolongés qui provoquent un échauffement. Elle n'agit pas sur les courts-circuits — c'est le rôle des dispositifs de protection contre les surintensités (fusibles ou disjoncteurs).

Selon le Code canadien de l'électricité, Chapitre V, règle 28-306, le dispositif de protection contre les surcharges doit être réglé à :

Pas plus de 125 % du courant nominal pour les moteurs avec facteur de service ≥ 1,15

Pas plus de 115 % du courant nominal pour les autres moteurs

Exemple : Moteur 10 HP, 575 V, courant nominal 12,5 A, FS = 1,15.

Réglage maximal = 12,5 A × 1,25 = 15,6 A → choisir un relais réglé à 15 A.

Protection contre les courts-circuits

La protection contre les courts-circuits (fusibles ou disjoncteurs) protège les conducteurs et le moteur contre les courants de défaut. La règle 28-200 du CCE précise les valeurs maximales :

Type de protection	Pourcentage du courant nominal
Fusibles à temps inverse	300 % (max)
Fusibles à action rapide	300 % (max)
Disjoncteur à déclencheur à temps inverse	250 % (max)
Disjoncteur à déclencheur instantané	800 % (max)

Si ces valeurs ne permettent pas le démarrage du moteur, le CCE permet des valeurs plus élevées dans certaines conditions (règle 28-204).

Relais de surcharge — classes de déclenchement

Les relais de surcharge thermiques sont classés selon leur temps de déclenchement :

Classe	Temps de déclenchement à 600 % du courant	Application
10	10 secondes	Moteurs à démarrage fréquent
20	20 secondes	Usage général
30	30 secondes	Démarrages lourds (ventilateurs, broyeurs)

Protection contre les défauts à la terre

La règle 28-600 du CCE exige une protection contre les défauts à la terre pour les moteurs de plus de 750 V. Pour les moteurs à basse tension, cette protection est généralement intégrée au disjoncteur ou assurée par un relais à courant résiduel.

Méthodes de démarrage des moteurs triphasés

Démarrage direct (pleine tension)

Le moteur est connecté directement à la source. Le courant de démarrage est de 5 à 8 fois le courant nominal. Cette méthode est acceptable pour les petits moteurs ou lorsque la puissance du réseau est suffisante.

Démarrage étoile-triangle (Y-Δ)

Le moteur démarre en étoile (Y), ce qui réduit la tension aux bornes de chaque enroulement à 58 % de la tension de ligne (1/√3). Après une temporisation, la connexion passe en triangle (Δ).

Courant de démarrage : réduit à 1/3 du courant de démarrage direct

Couple de démarrage : réduit à 1/3 du couple de démarrage direct

Important : Cette méthode ne s'applique qu'aux moteurs dont les six bornes d'enroulement sont accessibles et conçus pour fonctionner en Δ à la tension du réseau.

Démarrage par autotransformateur

Un autotransformateur fournit une tension réduite au moteur pendant le démarrage. Les prises typiques sont à 50 %, 65 % et 80 % de la tension nominale.

Courant de démarrage : réduit proportionnellement au carré du rapport de tension

Couple de démarrage : réduit proportionnellement au carré du rapport de tension

Exemple : Avec une prise à 65 %, le couple de démarrage est de 0,65² = 0,42 (42 %) du couple de démarrage direct.

Démarrage par résistances statoriques

Des résistances sont insérées en série avec les enroulements statoriques pendant le démarrage, puis court-circuitées progressivement. Cette méthode est simple mais entraîne des pertes d'énergie importantes.

Démarrage par variateur de fréquence (VFD)

Le variateur de fréquence (VFD) ajuste à la fois la tension et la fréquence pour contrôler la vitesse et le couple. Avantages :

Courant de démarrage limité à environ 150 % du courant nominal

Contrôle précis de la vitesse et de l'accélération

Économies d'énergie pour les applications à charge variable

Le VFD modifie la relation V/f pour maintenir un flux constant dans le moteur. La commande V/f constant est la plus courante : la tension et la fréquence varient ensemble pour maintenir le rapport nominal.

Circuits de commande

Composants de base

Un circuit de commande comprend typiquement :

Composant	Symbole	Fonction
Contacteur (contactor)	KM	Établit ou interrompt le circuit de puissance
Relais de commande	CR	Commutation logique dans le circuit de commande
Bouton-poussoir	S1, S2	Commande manuelle (NO ou NF)
Contact auxiliaire	13-14, 21-22	Retour d'état du contacteur
Relais de surcharge	OL	Protection thermique du moteur
Temporisateur	KT	Retard à l'enclenchement ou au déclenchement
Sectionneur	Q	Isolation de sécurité

Circuit de démarrage-arrêt (start-stop)

Le circuit classique de démarrage-arrêt comprend :

111.Un bouton-poussoir démarrage (NO) en série avec le circuit

112.Un bouton-poussoir arrêt (NF) en série

113.Un contact auxiliaire du contacteur en parallèle avec le bouton démarrage (contact de maintien ou "scellement")

Séquence de fonctionnement :

115.Appui sur le bouton démarrage → la bobine du contacteur est alimentée

116.Le contact principal se ferme → le moteur démarre

117.Le contact auxiliaire se ferme → maintient la bobine alimentée après relâchement du bouton

118.Appui sur le bouton arrêt → la bobine est désexcitée → le moteur s'arrête

Circuit avec deux boutons de démarrage (commande à deux endroits)

Pour commander un moteur depuis deux endroits, les boutons démarrage sont connectés en parallèle et les boutons arrêt en série.

Circuit avec temporisation

Les temporisateurs peuvent être :

À retard à l'enclenchement (ON-delay) : la temporisation commence à l'activation de la bobine

À retard au déclenchement (OFF-delay) : la temporisation commence à la désexcitation de la bobine

Application typique : démarrage étoile-triangle — le temporisateur commande la transition de Y vers Δ après un délai prédéterminé (généralement 3 à 10 secondes).

Circuit d'inversion de sens de rotation

Pour inverser le sens de rotation d'un moteur triphasé, on intervertit deux phases. Le circuit comprend deux contacteurs :

Contacteur KM1 : phases L1-L2-L3 dans l'ordre normal

Contacteur KM2 : phases L1-L3-L2 (deux phases interverties)

Verrouillage électrique obligatoire : Les deux contacteurs ne doivent jamais être fermés simultanément — cela créerait un court-circuit entre phases. Le verrouillage est réalisé par :

Contacts auxiliaires NF de chaque contacteur dans le circuit de l'autre (verrouillage électrique)

Verrouillage mécanique sur les contacteurs (optionnel mais recommandé)

Règles du Code canadien de l'électricité (CCE) — Chapitre V

Règle 28-106 — Conducteurs d'alimentation

Les conducteurs d'alimentation d'un moteur doivent avoir une capacité au moins égale à 125 % du courant nominal du moteur.

Exemple : Moteur 12,5 A → conducteurs dimensionnés pour 12,5 × 1,25 = 15,6 A → choisir des conducteurs #14 AWG (20 A à 75 °C) ou #12 AWG selon la longueur et la chute de tension.

Règle 28-110 — Protection contre les surintensités

Chaque moteur doit être protégé par un dispositif de protection contre les surintensités conforme aux règles 28-200 à 28-210.

Règle 28-500 — Sectionneurs

Un sectionneur doit être installé à la vue du moteur ou être verrouillable dans la position ouverte. Il doit pouvoir être verrouillé dans la position ouverte pour permettre un entretien sécuritaire.

Règle 28-600 — Protection contre les défauts à la terre

Obligatoire pour les moteurs de plus de 750 V. Pour les moteurs à basse tension, la protection est généralement intégrée au disjoncteur ou assurée par un relais à courant résiduel.

Règle 28-602 — Mise à la terre

Le châssis du moteur doit être mis à la terre conformément à la section 10 du CCE. Le conducteur de mise à la terre doit être dimensionné selon le tableau 16 du CCE.

Règle 26-256 — Protection des circuits de commande

Les circuits de commande doivent être protégés contre les surintensités. La protection doit être installée à l'origine du circuit de commande.

Dépannage et vérifications

Vérifications préalables à la mise en service

151.Résistance d'isolement : mesurer avec un mégohmmètre entre chaque phase et la terre, et entre phases. La valeur minimale acceptable est généralement de 1 MΩ par kilovolt de tension nominale (règle générale).

152.Continuité des enroulements : vérifier avec un ohmmètre

153.Connexions : vérifier le serrage des bornes et la conformité du câblage

154.Sens de rotation : vérifier avant le couplage mécanique

Mesures de courant

Le courant de chaque phase doit être mesuré en fonctionnement. Un déséquilibre de courant entre phases supérieur à 10 % indique un problème :

Déséquilibre de tension à la source

Enroulement défectueux

Connexion desserrée

Problèmes courants et causes

Symptôme	Cause possible
Le moteur ne démarre pas	Alimentation absente, fusible fondu, relais de surcharge déclenché, contacteur défectueux
Le moteur démarre lentement	Tension basse, couplage incorrect (Y au lieu de Δ), surcharge mécanique
Le moteur surchauffe	Surcharge, ventilation obstruée, tension déséquilibrée, démarrages trop fréquents
Bruit anormal	Roulements usés, désalignement, déséquilibre du rotor
Le moteur vibre	Désalignement, base non rigide, rotor déséquilibré

Pièges à éviter

164.Confondre courant nominal et courant de démarrage : le courant de démarrage est 5 à 8 fois le courant nominal — ne jamais dimensionner les conducteurs ou la protection sur le courant de démarrage.

165.Oublier le facteur 125 % pour le dimensionnement des conducteurs d'alimentation (règle 28-106).

166.Confondre les pourcentages de protection : 300 % pour les fusibles, 250 % pour les disjoncteurs à temps inverse, 800 % pour les disjoncteurs instantanés.

167.Négliger le verrouillage dans les circuits d'inversion de sens — c'est une question d'examen fréquente et une exigence de sécurité absolue.

168.Utiliser la formule de vitesse synchrone avec le nombre de paires de pôles au lieu du nombre de pôles : Ns = 120 × f / P, où P est le nombre total de pôles (pas le nombre de paires).

169.Oublier que le glissement est nul pour un moteur synchrone et non nul pour un moteur à induction.

170.Ne pas tenir compte du facteur de service dans le calcul de la protection contre les surcharges.

171.Confondre les classes de déclenchement des relais de surcharge : classe 10, 20, 30 — le chiffre indique le temps de déclenchement à 600 % du courant nominal.

172.Oublier que le démarrage étoile-triangle réduit le couple à 1/3 — cette méthode ne convient pas aux charges à fort couple de démarrage.

173.Ne pas vérifier la résistance d'isolement avant la mise en service — c'est une étape obligatoire pour la sécurité et la fiabilité.

Résumé

La vitesse synchrone se calcule par Ns = 120 × f / P et dépend de la fréquence et du nombre de pôles.

Le glissement est la différence entre la vitesse synchrone et la vitesse réelle — il est essentiel au fonctionnement des moteurs à induction.

Les moteurs à induction triphasés sont les plus courants ; leur courant de démarrage est de 5 à 8 fois le courant nominal.

La plaque signalétique fournit toutes les données nécessaires : tension, courant, puissance, facteur de service, classe d'isolation.

La protection contre les surcharges (relais thermique) protège contre l'échauffement ; la protection contre les courts-circuits (fusibles, disjoncteurs) protège contre les défauts.

Les méthodes de démarrage à tension réduite (Y-Δ, autotransformateur, résistances, VFD) réduisent le courant de démarrage au prix d'une réduction du couple.

Le VFD offre le contrôle le plus complet : courant de démarrage limité, contrôle de vitesse et économies d'énergie.

Les circuits de commande comprennent contacteurs, relais, boutons-poussoirs, temporisateurs et verrouillages.

Le CCE, Chapitre V impose des règles précises : conducteurs à 125 % du courant nominal, protection contre les surintensités selon des pourcentages définis, sectionneur obligatoire.

Le dépannage systématique commence par la vérification de l'alimentation, puis de la protection, puis du moteur lui-même.

Questions de révision

188.Calculez la vitesse synchrone d'un moteur 6 pôles alimenté à 60 Hz.

189.Un moteur 575 V, 20 HP, courant nominal 24 A, FS = 1,15. Quel est le réglage maximal du relais de surcharge ?

190.Quelles sont les valeurs maximales de protection contre les courts-circuits pour un moteur protégé par des fusibles à temps inverse ?

191.Pourquoi le verrouillage est-il obligatoire dans un circuit d'inversion de sens de rotation ?

192.Quel est l'effet du démarrage étoile-triangle sur le courant et le couple de démarrage ?

193.Un moteur à induction 4 pôles tourne à 1740 tr/min. Quel est son glissement en pourcentage ?

194.Quelles sont les quatre classes d'isolation et leurs températures maximales ?

195.Quelle est la différence entre un relais de surcharge classe 10 et classe 30 ?

196.Quels sont les avantages d'un variateur de fréquence par rapport à un démarrage direct ?

197.Quelle règle du CCE spécifie le dimensionnement des conducteurs d'alimentation d'un moteur ?

Références normatives

Code canadien de l'électricité, Chapitre V — Sections 26 (installation), 28 (moteurs)

CSA C22.1 — Code canadien de l'électricité (norme de référence)

CSA C22.2 No. 14 — Contacteurs industriels

CSA C22.2 No. 100 — Moteurs électriques

CSA B149.1 — Code canadien du gaz naturel et du propane (pour les applications avec moteurs en zones classées)

Ce chapitre couvre les connaissances essentielles pour l'examen Sceau rouge en électricité industrielle. La maîtrise des formules, des règles du CCE et des principes de fonctionnement est indispensable. Entraînez-vous avec des calculs variés et des schémas de circuits de commande pour consolider votre compréhension.

Moteurs et systèmes de commande de moteurs