Choisir un moteur électrique : puissance, vitesse, démarrage et protection
Dimensionner un moteur asynchrone triphasé pour une pompe, un ventilateur, un convoyeur ou une machine – dans l'ordre où les décisions se prennent vraiment : ce que demande la charge, à quelle vitesse elle tourne, quel réseau est disponible, comment le moteur démarre et où il est installé. Chaque étape renvoie au tableau qui y répond.
1. Savoir quel type de charge c'est
Avant tout calcul, voir comment le couple de la charge varie avec la vitesse. La taille du moteur, le mode de démarrage et l'intérêt d'un variateur de fréquence en dépendent.
| Type de charge | Exemples | Ce que cela implique |
|---|---|---|
| Couple quadratique | Pompes centrifuges, ventilateurs, soufflantes | Le couple croît avec le carré de la vitesse, la puissance avec le cube. Démarrage facile ; ralentir avec un variateur économise beaucoup d'énergie. |
| Couple constant | Convoyeurs, pompes volumétriques, compresseurs, agitateurs, levage | Demande tout le couple dès l'arrêt. Démarrage difficile ; vérifier le couple de démarrage et le mode de démarrage. |
| Puissance constante | Enrouleurs, broches de tour et de fraiseuse | Couple élevé à basse vitesse, moindre à haute vitesse. En général sur variateur, dimensionné à la plus basse vitesse de travail. |
2. Déterminer la puissance absorbée par la charge
La puissance assignée d'un moteur est celle de l'arbre. Partir donc de la puissance absorbée par la machine entraînée, pas d'une estimation. Selon ce qu'on connaît :
- Couple et vitesse : P (kW) = C (N·m) × n (tr/min) ÷ 9550. Le calculateur de couple (en anglais) convertit les unités.
- Pompe : P = débit × hauteur × masse volumique × g ÷ rendement de la pompe. Le calculateur de puissance de pompe (en anglais) accepte m³/h et mètres.
- Ventilateur : P = débit (m³/s) × pression (Pa) ÷ rendement du ventilateur, en watts.
- Convoyeur ou levage : P = force (N) × vitesse (m/s), en watts, divisée par le rendement du réducteur et de la chaîne.
Ajouter 10 à 15 % de marge pour l'usure, un filtre encrassé ou un produit plus lourd, puis prendre la puissance normalisée au-dessus. Pas de marge sur la marge : la valeur du fabricant de pompe en contient souvent déjà une. Un moteur surdimensionné tourne avec un mauvais cos φ, un rendement plus faible, et coûte plus cher au démarrage.
| Puissance normalisée kW | ≈ ch | Intensité typique en 400 V (A) |
|---|---|---|
| 0,75 | 1,0 | 1,7 |
| 1,1 | 1,5 | 2,4 |
| 1,5 | 2,0 | 3,3 |
| 2,2 | 3,0 | 4,6 |
| 3 | 4,1 | 6,2 |
| 4 | 5,4 | 8,1 |
| 5,5 | 7,5 | 11 |
| 7,5 | 10 | 14,8 |
| 11 | 15 | 21 |
| 15 | 20 | 28,5 |
| 18,5 | 25 | 35 |
| 22 | 30 | 41 |
Intensités pour un moteur 4 pôles IE3. Toute la gamme de 0,37 à 315 kW, en 230, 400 et 690 V, est dans le tableau d'intensité nominale.
3. Choisir la vitesse
La vitesse d'un moteur asynchrone découle du nombre de pôles et de la fréquence du réseau : à 50 Hz environ 2900, 1450, 960 ou 720 tr/min pour 2, 4, 6 et 8 pôles. Le 4 pôles est le plus courant, le moins cher et, au kW, le plus silencieux. Si la machine demande une vitesse intermédiaire :
- transmission par courroie – le calculateur de poulies (en anglais) donne le rapport ;
- réducteur ou motoréducteur pour les grandes réductions – voir le calculateur de rapport de réduction (en anglais) ; le couple de sortie est multiplié par le rapport ;
- variateur de fréquence, quand la vitesse doit changer en marche.
4. Adapté au réseau
Au-delà de 2 kW environ, le triphasé est la règle. Relever la tension du réseau et commander un moteur au bobinage adapté : un moteur 230/400 V Δ/Y se couple en étoile sur le 400 V, un 400/690 V Δ/Y en triangle. Avec seulement du monophasé, reste un moteur monophasé (petit, en général jusqu'à 2,2 kW environ) ou un moteur triphasé sur un variateur à entrée monophasée – souvent la meilleure machine, avec le démarrage progressif en prime.
5. Fixer le mode de démarrage
| Mode | Courant de démarrage | Convient pour |
|---|---|---|
| Direct | 6–8 × intensité nominale | Petits moteurs et réseaux puissants. Le moins cher, couple de démarrage complet. |
| Étoile-triangle | Environ ⅓ du direct | Démarrage facile (ventilateurs, pompes à vide). Le couple de démarrage tombe aussi à ⅓. Demande un moteur dont la tension triangle est celle du réseau, donc 400/690 V sur le 400 V. |
| Démarreur progressif | 2–4 × intensité nominale, réglable | Pompes (pas de coups de bélier) et convoyeurs qui doivent démarrer en douceur. |
| Variateur de fréquence | Environ 1–1,5 × intensité nominale | Tout ce qui demande une variation de vitesse, les démarrages lourds sur réseau faible, et les ventilateurs et pompes qui peuvent tourner moins vite pour économiser l'énergie. |
Un moteur sur variateur qui entraîne lentement une charge à couple constant se refroidit mal, car son ventilateur ralentit avec lui : sous la moitié de la vitesse environ, prendre la taille au-dessus ou ajouter une ventilation forcée. Les grandes longueurs de câble depuis le variateur demandent un moteur adapté aux variateurs.
6. Adapté au lieu d'installation
- Indice de protection : IP55 est le standard industriel ; IP56 ou IP66 pour le lavage à grande eau et l'extérieur. Les zones explosives exigent un moteur certifié ATEX ou IECEx – jamais un moteur standard.
- Ambiance et altitude : la puissance assignée vaut jusqu'à 40 °C et 1000 m. Plus chaud ou plus haut, il faut déclasser le moteur ou prendre la taille au-dessus.
- Service : S1 est le service continu. Des marches et arrêts ou des inversions fréquents demandent un moteur prévu pour ce service – donner le nombre de démarrages par heure à la commande.
- Forme de construction : pattes (B3), bride (B5, B14) ou les deux (B35). C'est en général l'accouplement à la pompe ou au réducteur qui décide. Toutes les tailles sont dans le tableau des hauteurs d'axe IEC.
7. La classe de rendement
Dans l'UE, un moteur neuf de 0,75 à 1000 kW doit être au moins IE3, et IE4 de 75 à 200 kW. C'est aussi le bon calcul : un moteur qui tourne la plus grande partie de la journée coûte sur sa durée de vie plusieurs fois son prix en électricité. Les minimums par classe sont dans le tableau des classes de rendement.
La commande en une ligne
Dans l'ordre où le fournisseur la lit : puissance, nombre de pôles, tension et fréquence, hauteur d'axe et forme, indice IP, classe de rendement, service. Par exemple : 5,5 kW, 2 pôles, 400 V Y 50 Hz, 132S B35, IP55, IE3, S1.
Exemple chiffré : une pompe centrifuge
Une pompe doit refouler 30 m³/h d'eau à 40 m de hauteur ; sa courbe donne 65 % de rendement en ce point à 2900 tr/min. La puissance absorbée est 30 ÷ 3600 × 40 × 1000 × 9,81 ÷ 0,65 = 5,0 kW. La puissance normalisée au-dessus, avec la marge, est 5,5 kW, en 2 pôles pour la vitesse de la pompe. Sur le 400 V, il absorbe environ 10–11 A ; un démarreur progressif évite les coups de bélier. La taille est 132S, et la lanterne de la pompe impose la forme B35, pattes et bride. La commande est la ligne ci-dessus.
Remplacer un moteur existant plutôt qu'en choisir un neuf ? On part alors de la plaque : lire la plaque signalétique.
Une fois le moteur monté, il a sa place dans le registre des moteurs : une ligne par moteur, avec la plaque, les roulements et la prochaine date d'entretien.