Vous êtes-vous déjà demandé comment choisir le moteur idéal pour votre projet ? La clé réside dans la compréhension des types de moteurs - à courant continu, asynchrones et synchrones - et de leurs avantages uniques. Cet article présente les principes de sélection des moteurs, notamment le type de charge, la puissance nominale et l'environnement de fonctionnement. À la fin de l'article, vous aurez acquis les connaissances nécessaires pour choisir le moteur le plus efficace et le plus rentable pour n'importe quelle application, afin de garantir des performances et une longévité optimales. Lisez la suite pour découvrir comment faire le meilleur choix pour vos machines.
Il faut procéder dans l'ordre inverse, en commençant par les types de moteurs.
Le moteur peut être classé en deux catégories principales : Moteur à courant continu et moteur à courant alternatif. Le moteur à courant alternatif peut être divisé en deux types : le moteur synchrone et le moteur asynchrone.
L'avantage d'un moteur à courant continu est sa capacité à ajuster facilement la vitesse en modifiant la tension, ce qui permet d'obtenir un couple plus important et le rend adapté aux charges qui nécessitent des ajustements fréquents de la vitesse, comme les broyeurs dans les aciéries et les treuils dans les mines.
Toutefois, avec le développement de la technologie de conversion de fréquence, les moteurs à courant alternatif peuvent désormais ajuster leur vitesse en modifiant la fréquence. Bien que le coût d'un moteur à fréquence variable ne soit pas beaucoup plus élevé que celui d'un moteur traditionnel, il représente toujours une part importante du coût global de l'équipement, ce qui confère aux moteurs à courant continu un avantage en termes de rentabilité.
Le principal inconvénient d'un moteur à courant continu réside dans sa structure complexe, qui augmente la probabilité de défaillance. Les moteurs à courant continu ont des enroulements complexes, tels que l'enroulement d'excitation, l'enroulement du pôle de commutation, l'enroulement de compensation et l'enroulement de l'induit, ainsi que des composants supplémentaires tels que les bagues collectrices, les balais et les collecteurs. Il en résulte des exigences de fabrication élevées et des coûts de maintenance relativement importants.
Par conséquent, les moteurs à courant continu sont en déclin dans les applications industrielles, mais ont encore leur place dans la phase de transition. Si l'utilisateur dispose de fonds suffisants, il est recommandé de choisir le schéma d'un moteur à courant alternatif avec un moteur à courant continu. convertisseur de fréquencecar elle apporte de nombreux avantages.
Les avantages des moteurs asynchrones sont leur structure simple, leurs performances stables, leur facilité d'entretien et leur faible coût.
En outre, le processus de fabrication est simple. Selon un vieux technicien dans un atelier, les heures de travail nécessaires à l'assemblage d'un moteur à courant continu permettent d'assembler deux moteurs synchrones ou quatre moteurs asynchrones d'une puissance similaire. C'est pourquoi les moteurs asynchrones sont largement utilisés dans l'industrie.
Les moteurs asynchrones sont divisés en moteurs à cage d'écureuil et moteurs enroulés, la principale différence se situant au niveau du rotor. Le rotor d'un moteur à cage d'écureuil est constitué de bandes de métal, comme le cuivre ou l'aluminium.
L'aluminium est relativement bon marché et largement utilisé dans des applications à faible demande, car la Chine est un grand pays minier.
Le cuivre, quant à lui, possède de meilleures propriétés mécaniques et électriques et est plus couramment utilisé dans les rotors. Après avoir résolu le problème de la rupture des rangées dans la technologie, la fiabilité des moteurs à cage d'écureuil s'est considérablement améliorée et est maintenant meilleure que celle des moteurs à rotor bobiné.
Cependant, les moteurs à cage d'écureuil ont un faible couple de sortie et un courant de démarrage important, ce qui les rend inadaptés aux charges nécessitant un couple de démarrage élevé. L'augmentation de la longueur du noyau du moteur peut accroître le couple, mais cette augmentation est limitée.
En revanche, les moteurs bobinés alimentent l'enroulement du rotor par l'intermédiaire de bagues collectrices pour former un champ magnétique de rotor qui se déplace par rapport au champ magnétique rotatif du stator, ce qui permet d'obtenir un couple plus important.
La résistance de l'eau est connectée en série pour réduire le courant de démarrage pendant le processus de démarrage, et la valeur de la résistance est contrôlée par un dispositif de commande électrique. Les moteurs bobinés conviennent à des applications telles que les laminoirs et les palans.
Par rapport aux moteurs à cage d'écureuil, les moteurs asynchrones bobinés ont des composants supplémentaires tels que les bagues collectrices, la résistance à l'eau et la résistance électrique, ce qui entraîne un coût global plus élevé pour l'équipement. Les moteurs asynchrones ont également une plage de régulation de vitesse relativement étroite et un faible couple par rapport aux moteurs à courant continu.
Cependant, ils ont un impact significatif sur le réseau électrique car ils nécessitent une puissance réactive du réseau pour alimenter l'enroulement du stator, qui est un élément inductif. Cela se traduit par une baisse de la tension du réseau et une diminution de la luminosité lorsque des appareils inductifs de grande puissance sont connectés au réseau.
Pour atténuer cet impact, les bureaux d'approvisionnement en électricité peuvent restreindre l'utilisation des moteurs asynchrones. Certains grands consommateurs d'énergie, tels que les aciéries et les alumineries, possèdent leurs propres centrales électriques afin de former leurs propres réseaux électriques indépendants et de réduire les restrictions sur l'utilisation des moteurs asynchrones.
Les moteurs asynchrones ont besoin de dispositifs de compensation de la puissance réactive pour répondre aux exigences des charges de forte puissance, tandis que les moteurs synchrones peuvent fournir de la puissance réactive au réseau par l'intermédiaire de dispositifs d'excitation. Plus la puissance est élevée, plus les avantages des moteurs synchrones sont prononcés, ce qui conduit à une évolution vers l'utilisation de moteurs synchrones.
Les avantages des moteurs synchrones comprennent leur capacité à compenser la puissance réactive dans les états de surexcitation, ainsi que les éléments suivants :
Cependant, les moteurs synchrones ne peuvent pas être démarrés directement et nécessitent des méthodes de démarrage asynchrone ou à fréquence variable. Le démarrage asynchrone consiste à installer un enroulement de démarrage similaire à un enroulement à cage d'un moteur asynchrone sur le rotor d'un moteur synchrone, et à connecter une résistance supplémentaire (environ 10 fois la valeur de la résistance de l'enroulement d'excitation) dans le circuit d'excitation pour former un circuit fermé. Lorsque la vitesse atteint la vitesse subsynchrone (95%), la résistance supplémentaire est coupée. Le démarrage à fréquence variable n'est pas détaillé.
Les moteurs synchrones ont besoin d'un courant d'excitation pour fonctionner et, sans ce courant, le moteur devient asynchrone. L'excitation est un système de courant continu ajouté au rotor et dont la vitesse de rotation et la polarité sont synchronisées avec le stator. En cas de problème avec l'excitation, le moteur est décalé et ne peut pas être réglé, ce qui entraîne un déclenchement de la protection "défaut d'excitation".
L'ajout de dispositifs d'excitation est le deuxième inconvénient des moteurs synchrones. Dans le passé, l'excitation était directement fournie par des machines à courant continu, mais aujourd'hui, elle est principalement fournie par des redresseurs contrôlés au silicium. Plus la structure et l'équipement sont complexes, plus les points de défaillance sont nombreux et plus le taux de défaillance est élevé.
Les moteurs synchrones sont principalement utilisés dans des applications telles que les palans, les moulins, les ventilateurs, les compresseurs, les laminoirs et les pompes à eau. Le principe de sélection des moteurs consiste à privilégier les moteurs à structure simple, à bas prix, au fonctionnement fiable et à la maintenance aisée, pour autant que les performances du moteur répondent aux exigences des machines de production.
À cet égard, les moteurs à courant alternatif sont meilleurs que les moteurs à courant continu, les moteurs asynchrones à courant alternatif sont meilleurs que les moteurs synchrones à courant alternatif, et les moteurs asynchrones à cage d'écureuil sont meilleurs que les moteurs asynchrones à enroulement. Les moteurs asynchrones à cage d'écureuil sont préférés pour les machines de production à fonctionnement continu avec des charges stables et sans exigences particulières en matière de démarrage et de freinage, et sont largement utilisés dans les machines, les pompes à eau et les ventilateurs. Les moteurs asynchrones à enroulement sont recommandés pour les machines de production avec des démarrages et des freinages fréquents et nécessitant des couples de démarrage et de freinage importants, tels que les ponts roulants, les treuils de mine, les compresseurs d'air et les laminoirs irréversibles.
Les moteurs synchrones sont idéaux pour les applications ne nécessitant pas de régulation de vitesse, de vitesse constante ou d'amélioration du facteur de puissance, telles que les pompes à eau de moyenne à grande capacité, les compresseurs d'air, les palans et les moulins.
Pour les machines de production dont la plage de régulation de vitesse est supérieure à 1:3 et qui nécessitent une régulation de vitesse continue, stable et régulière, il est recommandé d'utiliser des moteurs à courant continu à excitation séparée, des moteurs asynchrones à cage d'écureuil ou des moteurs synchrones à régulation de vitesse à fréquence variable, tels que les grandes machines-outils de précision, les raboteuses à portique, les laminoirs d'acier et les palans.
Les machines de production nécessitant un couple de démarrage important et des caractéristiques mécaniques souples doivent utiliser des moteurs à courant continu à excitation série ou compound, tels que les tramways, les locomotives électriques et les grues lourdes.
La puissance nominale d'un moteur correspond à sa puissance de sortie, également appelée puissance de l'arbre ou capacité. Il s'agit du paramètre clé qui quantifie la capacité de charge d'entraînement du moteur et qui doit être indiqué lors de la sélection d'un moteur. D'autres facteurs importants dans la sélection d'un moteur sont la tension nominale, le courant nominal, le facteur de puissance (cos θ) et le rendement (η).
L'objectif d'une sélection correcte de la capacité du moteur est de déterminer la puissance du moteur d'une manière économique et raisonnable, en veillant à ce qu'il puisse répondre aux exigences de charge des machines de production. Si la puissance est trop élevée, l'investissement dans l'équipement augmente, ce qui entraîne des pertes et un rendement et un facteur de puissance faibles pour le moteur à courant alternatif. En revanche, si la puissance est trop faible, le moteur surchauffera et subira des dommages prématurés.
Les principaux facteurs qui déterminent la puissance du moteur sont les suivants :
Pour sélectionner la puissance nominale, la puissance de charge est d'abord calculée en fonction du chauffage de la machine, de l'augmentation de la température et des exigences de charge. Ensuite, la puissance nominale est présélectionnée en fonction de la puissance de charge, du système de travail et des exigences de surcharge. Le chauffage, la capacité de surcharge et la capacité de démarrage doivent être vérifiés pour s'assurer qu'ils sont qualifiés.
Si ce n'est pas le cas, le moteur doit être sélectionné à nouveau jusqu'à ce que tous les critères soient remplis. Le système de fonctionnement est également un facteur obligatoire, le système de fonctionnement conventionnel S1 étant adopté par défaut s'il n'est pas spécifié. Les moteurs ayant des exigences de surcharge doivent également fournir un multiple de surcharge et le temps de fonctionnement correspondant.
Lorsqu'un moteur asynchrone à cage entraîne un ventilateur ou une autre charge à moment d'inertie élevé, le moment d'inertie de la charge et la courbe du moment de résistance au démarrage doivent être fournis pour vérifier la capacité de démarrage.
La sélection de la puissance nominale suppose une température ambiante standard de 40 ℃. Si la température ambiante change, la puissance nominale doit être corrigée. La température ambiante doit être vérifiée dans les régions où les conditions météorologiques sont extrêmes, comme en Inde où la température ambiante peut atteindre 50 ℃.
L'altitude peut également avoir un impact sur la puissance du moteur. augmentation de la température du moteur et une puissance de sortie plus faible. Le phénomène de couronne doit également être pris en compte pour les moteurs utilisés à haute altitude.
À titre de référence, voici quelques exemples de gammes de puissance de moteurs sur le marché actuel :
La tension nominale d'un moteur correspond à la tension du réseau dans ses conditions de fonctionnement nominales.
Le choix de la tension nominale du moteur dépend de la tension d'alimentation du système électrique et de la capacité du moteur.
Le choix du niveau de tension pour un moteur à courant alternatif dépend principalement du niveau de tension de l'alimentation électrique sur le lieu d'utilisation.
Généralement, le réseau basse tension fonctionne à 380 V, de sorte que la tension nominale peut être de 380 V (connexion Y ou Δ), 220/380 V (connexion Δ/Y) ou 380/660 V (connexion Δ/Y).
Lorsque la puissance d'un moteur basse tension atteint un certain niveau (par exemple 300KW/380V), il devient difficile d'augmenter le courant en raison des limitations de la capacité de charge du conducteur, ou cela devient trop coûteux.
L'augmentation de la tension permet d'obtenir une puissance de sortie plus élevée.
La tension d'alimentation des réseaux électriques à haute tension est généralement de 6000V ou 10000V, bien que des niveaux de tension de 3300V, 6600V et 11000V soient également utilisés dans d'autres pays.
Les moteurs à haute tension présentent l'avantage d'une puissance élevée et d'une forte résistance aux chocs, mais leur inconvénient est qu'ils ont une grande inertie et sont difficiles à démarrer et à arrêter.
La tension nominale d'un moteur à courant continu doit également correspondre à la tension d'alimentation.
Les niveaux de tension courants pour les moteurs à courant continu sont 110V, 220V et 440V.
220V est le niveau de tension le plus couramment utilisé, et les moteurs de grande puissance peuvent être augmentés jusqu'à 600 à 1000V.
Lorsque la tension d'alimentation en courant alternatif est de 380 V et qu'un circuit redresseur triphasé contrôlé au silicium est utilisé pour l'alimentation, la tension nominale du moteur à courant continu doit être de 440 V.
Lorsqu'un redresseur triphasé demi-onde au silicium est utilisé pour l'alimentation électrique, la tension nominale du moteur à courant continu doit être de 220V.
La vitesse nominale du moteur correspond à la vitesse à laquelle il fonctionne dans des conditions normales. Le moteur et la machine qu'il entraîne ont tous deux une vitesse nominale.
Lors du choix de la vitesse du moteur, il est important de garder à l'esprit qu'elle ne doit pas être trop basse, car cela se traduira par un moteur plus grand avec plus d'étages et un prix plus élevé. D'autre part, la vitesse ne doit pas être trop élevée, car elle peut rendre le mécanisme de transmission compliqué et difficile à entretenir.
Il est également important de noter que lorsque la puissance est constante, le couple du moteur est inversement proportionnel à la vitesse. Par conséquent, ceux qui ont de faibles exigences en matière de démarrage et de freinage peuvent comparer différentes vitesses nominales en termes d'investissement initial, d'encombrement de l'équipement et de coût de maintenance avant de déterminer la vitesse nominale idéale.
Pour les applications qui nécessitent des démarrages, des freinages et des inversions de marche fréquents, le rapport de vitesse et la vitesse nominale du moteur doivent être choisis en fonction de la minimisation des pertes au cours du processus de transition, plutôt qu'en fonction de l'investissement initial. Par exemple, les moteurs d'ascenseurs nécessitent de fréquentes rotations avant et arrière avec un couple élevé ; ils ont donc une faible vitesse et sont encombrants et coûteux.
Lorsque la vitesse du moteur est élevée, il est essentiel de tenir compte de la vitesse critique du moteur. Pendant le fonctionnement, le rotor peut vibrer et son amplitude augmente avec la vitesse. À une certaine vitesse, l'amplitude atteint une valeur maximale (appelée résonance), et l'amplitude diminue et se stabilise dans une certaine plage lorsque la vitesse augmente encore.
Cette vitesse avec l'amplitude maximale est appelée vitesse critique du rotor et est égale à son fréquence naturelle. Si le rotor fonctionne à sa vitesse critique, il peut en résulter de violentes vibrations et une flexion importante de l'arbre, entraînant une déformation à long terme, voire une rupture.
En général, la vitesse critique de premier ordre du moteur est supérieure à 1500 tr/min, ce qui n'est donc pas un problème pour les moteurs conventionnels à faible vitesse. Cependant, pour les moteurs bipolaires à grande vitesse, si la vitesse nominale est proche de 3 000 tr/min, l'impact de la vitesse critique doit être pris en compte et le moteur ne doit pas fonctionner à sa vitesse critique pendant des périodes prolongées.
Enveloppez le tout
En général, les spécifications d'un moteur peuvent être estimées en fournissant des informations sur le type de charge qu'il entraînera, sa puissance nominale, sa tension et sa vitesse. Toutefois, ces paramètres de base ne suffisent pas à satisfaire pleinement les exigences de la charge.
D'autres paramètres doivent être pris en compte, notamment la fréquence, le système d'exploitation, les exigences de surcharge, les degrés d'isolation et de protection, le moment d'inertie, la courbe du moment de résistance à la charge, la méthode d'installation, la température ambiante, l'altitude et les exigences d'utilisation à l'extérieur. Ces paramètres doivent être spécifiés en fonction de l'application spécifique.
Les principaux critères de sélection des moteurs sont les suivants
Le choix du moteur doit être basé sur les conditions suivantes :
Lors de la sélection du type de moteur, de la tension et de la vitesse, il convient de tenir compte des exigences de l'installation. transmission de puissance de la machine de production, comme la fréquence de démarrage et d'arrêt, la nécessité ou non d'une régulation de la vitesse, etc. Cela déterminera le type de courant pour le moteur, c'est-à-dire le choix d'un moteur à courant alternatif ou d'un moteur à courant continu.
Ensuite, la taille de la tension nominale du moteur doit être sélectionnée en fonction de l'environnement de l'alimentation électrique. Enfin, la vitesse nominale doit être choisie en fonction de la vitesse requise par la machine de production et des exigences de l'équipement de transmission.
Ensuite, la structure et le type de protection du moteur doivent être déterminés en fonction de l'emplacement de montage du moteur et de l'environnement.
Enfin, la puissance nominale (capacité) du moteur doit être déterminée par la puissance requise par la machine de production.
Après avoir pris en compte tous ces facteurs, sélectionnez dans le catalogue de produits un moteur qui répond à ces exigences. Si les moteurs figurant dans le catalogue ne répondent pas aux exigences particulières de la machine de production, vous pouvez passer une commande personnalisée auprès du fabricant de moteurs.
Le choix d'un moteur se fait en fonction des aspects CA et CC, des caractéristiques de la machine, de la régulation de la vitesse et des capacités de démarrage, de la protection et du prix. Il convient donc d'observer les lignes directrices suivantes lors du choix :
(1) En premier lieu, il faut envisager de choisir un moteur à induction triphasé à cage d'écureuil.
Cela est dû à sa simplicité, sa durabilité, sa fiabilité, son faible coût et sa facilité d'entretien. Cependant, ses inconvénients sont la difficulté de régulation de la vitesse, le faible facteur de puissance, le courant de démarrage élevé et le faible couple de démarrage. Par conséquent, il convient principalement aux machines de production générales et aux entraînements dont les caractéristiques de la machine sont relativement rigides et qui n'ont pas d'exigences particulières en matière de régulation de la vitesse, comme les machines-outils générales et les machines de production telles que les pompes à eau ou les ventilateurs d'une puissance inférieure à 100KW.
(2) Le prix des moteurs à rotor bobiné est plus élevé que celui des moteurs à cage.
Cependant, les caractéristiques de la machine peuvent être ajustées en ajoutant une résistance au rotor, ce qui permet de limiter le courant de démarrage et d'augmenter le couple de démarrage. Il convient donc aux situations où la capacité d'alimentation est faible, où la puissance du moteur est importante ou où une régulation de la vitesse est nécessaire, comme dans certains équipements de levage, les ascenseurs de levage, presses à forgeret le déplacement de la traverse de machines-outils lourdes.
(3) Lorsque la plage de régulation de la vitesse est inférieure à 1:10 et qu'une régulation régulière de la vitesse est nécessaire, un moteur à glissement peut être sélectionné en premier.
Ce moteur peut être divisé en deux types, horizontal et vertical, en fonction de sa position d'assemblage. L'arbre d'un moteur horizontal est assemblé horizontalement, tandis que l'arbre d'un moteur vertical est assemblé verticalement en haute altitude, de sorte que les deux types de moteurs ne peuvent pas être utilisés de manière interchangeable. Dans des circonstances normales, un moteur horizontal doit être choisi dans la mesure du possible, et un moteur vertical ne doit être envisagé que lorsqu'un fonctionnement vertical est nécessaire (comme les pompes verticales pour puits profonds et les pompes à eau). forage ) pour simplifier l'assemblage de la transmission (parce qu'elle est plus chère).
Il existe plusieurs types de protection pour les moteurs, et le type approprié doit être sélectionné en fonction des différents environnements de fonctionnement. Les types de protection des moteurs sont les suivants : ouvert, protecteur, fermé, antidéflagrant, submersible, et bien d'autres encore. Le type ouvert est généralement choisi pour les environnements quotidiens en raison de son prix abordable, mais il ne convient que pour des conditions sèches et propres.
Pour les environnements humides, sujets à la corrosion, poussiéreux, inflammables ou corrosifs, il convient de choisir un modèle fermé. Si l'environnement est poussiéreux et nocif pour l'isolation du moteur, mais qu'il peut être nettoyé à l'air comprimé, un type de protection peut être choisi. Pour les moteurs de pompes submersibles, il convient de choisir un type entièrement étanche afin de garantir que l'humidité ne s'infiltre pas pendant le fonctionnement sous l'eau. Dans les environnements présentant des risques d'incendie ou d'explosion, un type antidéflagrant doit être choisi.
Lors du choix d'un moteur pour des machines de production existantes dans un environnement industriel, la tension nominale du moteur doit être équivalente à la tension de distribution de l'usine. Pour les nouvelles usines, la tension du moteur doit être choisie en fonction de la tension de distribution choisie.
La décision doit être prise en fonction de l'option la plus économiquement viable après comparaison des différents niveaux de tension. La norme basse tension dans notre pays est de 220/380V, tandis que la haute tension est généralement de 10KV. La plupart des moteurs de petite capacité sont à haute tension, avec des tensions nominales de 220/380V (méthode de connexion D/Y) et 380/660V (méthode de connexion D/Y). Lorsque la capacité du moteur dépasse environ 200KW, il est recommandé de choisir des moteurs à haute tension de 3KV, 6KV ou 10KV.
Le choix de la vitesse (nominale) du moteur doit être envisagé en fonction des exigences de la machine de production entraînée et des conditions de l'ensemble de transmission. Le nombre de tours par minute du moteur comprend généralement 3000, 1500, 1000, 750 et 600.
La vitesse nominale d'un moteur asynchrone est généralement inférieure de 2% à 5% à ces vitesses en raison du taux de glissement. Du point de vue de la fabrication, si un moteur de même puissance a une vitesse nominale plus élevée, sa forme de couple électromagnétique sera plus petite, ce qui réduira son coût et son poids.
En outre, les moteurs à grande vitesse ont des facteurs de puissance et des rendements plus élevés que les moteurs à faible vitesse.
Le choix d'un moteur à vitesse plus élevée est plus économique. Toutefois, si cela entraîne une différence de vitesse importante entre le moteur et la machine entraînée, il faudra prévoir davantage d'étages de transmission pour augmenter la vitesse, ce qui augmentera les coûts de l'équipement et la consommation d'énergie. Le choix optimal doit être fait après une comparaison minutieuse.
La plupart des moteurs que nous utilisons généralement sont des moteurs 4 pôles à 1 500 tr/min, car ces moteurs ont une large gamme d'applications et présentent des facteurs de puissance et une efficacité opérationnelle supérieurs.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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