Moteurs à induction à rotor bobiné : conception, avantages et applications à vitesse variable

Un moteur à induction à rotor bobiné présente un stator identique à un moteur à cage d'écureuil, mais son rotor contient des enroulements isolés qui sortent par des bagues collectrices et des balais. Bien qu'aucune puissance ne soit jamais fournie aux bagues collectrices, elles jouent un rôle crucial au démarrage : elles permettent l'insertion d'une résistance en série aux enroulements du rotor. Une fois que le moteur atteint la vitesse de fonctionnement, cette résistance est court-circuitée, faisant que le rotor se comporte électriquement comme un rotor à cage d'écureuil.

Moteur à induction à rotor bobiné

Pourquoi une résistance est-elle insérée en série avec le rotor ?

Les grands moteurs à cage d'écureuil peuvent tirer 500 à 1000 % du courant à pleine charge pendant le démarrage. La résistance ajoutée réduit considérablement le courant de rotor bloqué et, plus important encore, augmente le couple de démarrage. À mesure que la résistance du rotor est augmentée de R₀ à R₁ à R₂, le pic de couple de rupture se déplace vers la gauche, atteignant son maximum à vitesse nulle. Ce couple élevé à l'arrêt est essentiel pour démarrer des charges à forte inertie.

Pic de couple de rupture déplacé à vitesse nulle par l'augmentation de la résistance du rotor

Bien que la résistance en série réduise le couple disponible à pleine vitesse, la résistance est retirée une fois que le rotor a accéléré. La chaleur générée pendant le démarrage est alors dissipée externement dans la résistance de démarrage, gardant le corps du moteur plus frais.

Un inconvénient des moteurs à rotor bobiné est la complexité ajoutée et la maintenance requise pour les balais et les bagues collectrices.

Cette configuration de moteur est idéale pour démarrer des charges lourdes à forte inertie. Avec une résistance de démarrage élevée, le couple de décrochage maximal est disponible immédiatement à vitesse nulle — contrairement à un moteur à cage d'écureuil, dont le couple de crête n'apparaît qu'à près de 80 % de la vitesse synchrone.

Contrôle de vitesse

En réintroduisant une résistance variable dans le circuit du rotor après le démarrage, la vitesse du moteur peut être contrôlée. L'augmentation de la résistance diminue le courant du rotor, réduisant la vitesse. Cependant, le couple de démarrage élevé et le couple de rupture décalé ne sont présents qu'à basse vitesse. À des vitesses plus élevées, le moteur se comporte de manière similaire à un moteur à cage d'écureuil.

Les valeurs de résistance typiques sont notées R₀, R₁, R₂ et R₃, avec une valeur croissante de zéro au maximum. Une résistance plus élevée à R₃ peut réduire davantage la vitesse. La régulation de vitesse est optimale dans la plage 50–100 % de la vitesse maximale, et elle fonctionne bien avec des charges à vitesse variable telles que les ascenseurs et les presses d'impression.

La résistance du rotor contrôle la vitesse d'un moteur à induction à rotor bobiné

Générateur à induction à double alimentation (DFIG)

Lorsqu'un moteur à rotor bobiné est entraîné au-dessus de la vitesse synchrone, il peut agir comme générateur. Comme le stator et le rotor sont tous deux électriquement accessibles, cette machine est connue sous le nom de générateur à induction à double alimentation, contrairement à la version à simple alimentation qui ne se connecte qu'au stator.

La résistance du rotor permet le fonctionnement en surrégime d'un générateur à induction à double alimentation

Le DFIG peut varier sa vitesse sur une plage de ±30–50 % par rapport à la vitesse synchrone. En insérant une résistance dans le circuit du rotor, l'énergie excédentaire est absorbée lorsque la machine survitesse, tandis qu'une résistance négative peut fournir de l'énergie supplémentaire lors de sous-vitesse. En pratique, la résistance est remplacée par un convertisseur de puissance qui alimente ou extrait l'énergie du rotor, améliorant le rendement global.

Le convertisseur récupère l'énergie du rotor du générateur à induction à double alimentation

Le convertisseur emprunte l'énergie du réseau pour le rotor du générateur à induction à double alimentation, lui permettant de fonctionner efficacement en sous et sur vitesse synchrone

Dans cette configuration, le rotor peut effectivement « emprunter » ou fournir de la puissance au stator, permettant au générateur de maintenir une sortie de 60 Hz même lorsque sa vitesse s'écarte de la vitesse synchrone. Théoriquement, un DFIG sans pertes délivrerait exactement 100 % de la puissance mécanique au réseau ; en pratique, la contribution du rotor peut booster la sortie apparente à environ 130 % de l'entrée mécanique, l'énergie supplémentaire étant absorbée ou fournie par le convertisseur.

Qualités Clés des Moteurs à Induction à Rotor Bobiné

• Couple de démarrage élevé pour charges lourdes et inertielles.
• Courant de démarrage inférieur aux moteurs à cage d'écureuil.
• La vitesse peut être régulée entre 50 % et 100 % de la vitesse maximale via la résistance du rotor.
• Nécessite balais et bagues collectrices, augmentant la maintenance par rapport aux conceptions à cage d'écureuil.
• Lorsqu'utilisé comme générateur, la machine devient un générateur à induction à double alimentation (DFIG) à vitesse variable.

Fiche Connexe : Fiche de théorie des moteurs à courant alternatif