Les moteurs AC (asynchrone) et EC (à commutation électronique) sont deux types de moteurs électriques largement utilisés dans diverses applications. Ces moteurs jouent un rôle clé dans notre quotidien, alimentant de nombreux appareils et systèmes essentiels. Dans le domaine domestique, on les retrouve dans les réfrigérateurs, les machines à laver, les climatiseurs ou encore les aspirateurs. En CVC, ils permettent d’assurer la circulation de l’air, la régulation de la température et le maintien du confort dans les bâtiments résidentiels et tertiaires. Ils sont également omniprésents dans les secteurs du transport, de l’industrie et de la fabrication. Cet article vise à clarifier les différences entre les moteurs AC et EC, tout en abordant brièvement les méthodes de régulation des moteurs AC ainsi que les avantages et inconvénients des deux technologies.
Principe de fonctionnement des moteurs électriques
Un moteur électrique est un dispositif qui convertit l’énergie électrique en énergie mécanique, généralement sous la forme d’un mouvement rotatif. La puissance électrique est exprimée en kilowatts (kW), tandis que la vitesse de rotation est mesurée en tours par minute (tr/min). Le moteur transforme ainsi une puissance électrique [kW] en un mouvement rotatif [tr/min]. Cependant, l’électricité seule ne suffit pas : le magnétisme joue également un rôle essentiel. Certains moteurs utilisent des aimants permanents, tandis que d’autres génèrent un champ magnétique grâce à des bobines traversées par un courant électrique.
Le fonctionnement d’un moteur électrique repose sur l’interaction entre le champ magnétique et les courants électriques. Lorsqu’un courant est appliqué, il crée un champ électromagnétique qui interagit avec des éléments situés sur une partie mobile du moteur. Cette interaction produit un mouvement de rotation, illustrant ainsi la transformation de l’énergie électrique en mouvement mécanique. Ce principe est fondamental pour une multitude d’applications industrielles, y compris les systèmes CVC.
Structure d’un moteur électrique
Un moteur électrique est composé de deux parties principales :
• Le stator, qui est la partie fixe du moteur et sert de support pour son montage sur une gaine de ventilation ou toute autre installation.
• Le rotor, qui est la partie mobile sur laquelle est fixé l’arbre du moteur.
Dans un ventilateur, ce sont les pales qui sont montées sur cet arbre. Le rotor prend généralement une forme cylindrique.
Le champ magnétique nécessaire à la rotation est généré dans le stator par électromagnétisme. Un courant électrique circule dans les enroulements du stator, produisant un champ magnétique. Comme la tension d’alimentation est alternative et que plusieurs enroulements sont disposés dans le stator, ce champ magnétique tourne autour du rotor, entraînant sa mise en rotation. Le rotor suit ce champ magnétique tournant. On peut le comparer à des aimants qui s'attirent mutuellement.
Lors de la conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique, une partie de l’énergie est inévitablement perdue. Ces pertes résultent principalement de la dissipation thermique, des frottements mécaniques et d’autres pertes électriques internes au moteur. Le rendement d’un moteur électrique indique la proportion d’énergie absorbée qui est effectivement disponible à l’arbre moteur. Il est généralement représenté sur la plaque signalétique par le symbole η et exprimé en pourcentage. Par exemple, un rendement de 85 % signifie que 15 % de l’énergie électrique absorbée est perdue sous forme de chaleur ou d’autres dissipations. Plus le rendement est élevé, plus la conversion d’énergie est efficace et plus la quantité d’énergie transformée en couple moteur est importante. Le couple, qui représente la force de rotation du moteur, s’exprime en Newton-mètre (Nm).
Moteurs AC – Différence entre moteurs synchrones et asynchrones
Les moteurs AC sont largement utilisés dans les applications industrielles et occupent également une place importante dans le secteur CVC, en particulier pour les puissances 
élevées. Leur popularité repose sur leur robustesse, leur fiabilité et leur facilité d’entretien. Il existe deux principaux types de moteurs AC : les moteurs synchrones et les moteurs asynchrones.
élevées. Leur popularité repose sur leur robustesse, leur fiabilité et leur facilité d’entretien. Il existe deux principaux types de moteurs AC : les moteurs synchrones et les moteurs asynchrones. Moteur asynchrone
Le moteur asynchrone est la solution la plus courante en CVC et en automatisation industrielle. Il s’agit d’une technologie éprouvée, économique, robuste et fiable. Ce type de moteur demande peu d’entretien et, dans de nombreux cas, sa vitesse peut être modulée sans difficulté. Bien que des solutions plus économes en énergie aient vu le jour grâce aux progrès technologiques, elles impliquent un investissement plus élevé.
Le fonctionnement d’un moteur asynchrone repose sur un principe légèrement plus complexe que celui d’un moteur synchrone. Contrairement aux moteurs équipés d’aimants permanents, son champ magnétique est généré par induction. Pour y parvenir, le rotor est constitué de conducteurs électriques en aluminium ou en cuivre. Ces conducteurs sont insérés dans un rotor cylindrique et reliés à leurs extrémités par des anneaux de court-circuit, formant une structure en cage, d’où le nom de rotor en cage d’écureuil. Grâce au phénomène d’induction électromagnétique (loi de Faraday), un courant est induit dans ces conducteurs, générant ainsi le champ magnétique nécessaire à la rotation du moteur. C’est cette caractéristique qui vaut au moteur asynchrone son autre appellation de moteur à induction.
Contrairement à un moteur synchrone, un moteur asynchrone tourne toujours à une vitesse légèrement inférieure à celle du champ magnétique du stator. Cette différence est appelée le glissement. C'est précisément ce glissement qui génère un courant induit dans le rotor du moteur asynchrone. Plus la charge appliquée est élevée, plus le glissement est important. Le rotor accélère jusqu'à atteindre un équilibre entre le courant induit dans le rotor, le couple moteur et la charge appliquée à l'arbre du moteur. Étant donné qu'à la vitesse synchrone, aucun courant n'est induit dans le rotor (et donc aucun couple n'est généré), un moteur asynchrone tourne toujours légèrement plus lentement que la vitesse synchrone.
Moteurs synchrones
Les moteurs synchrones fonctionnant en courant alternatif sont technologiquement plus complexes que les moteurs asynchrones. Ils utilisent des aimants permanents, ce qui les rend plus coûteux. Leur principal avantage réside dans leur consommation d'énergie réduite. Cependant, ils sont moins faciles à piloter qu’un moteur asynchrone. En général, un variateur de fréquence spécifique est nécessaire pour leur contrôle. Les moteurs synchrones ne peuvent pas être régulés par un régulateur de vitesse à transformateur ni par un variateur électronique de vitesse.
Comme mentionné précédemment, un champ magnétique tournant est généré dans le stator. Un moteur synchrone possède un rotor constitué d'aimants permanents. Puisque les pôles opposés s'attirent, les aimants du rotor suivent exactement le champ tournant du stator de manière synchrone, quel que soit le couple de charge appliqué.
Régulation de vitesse des moteurs AC
Les moteurs synchrones consomment généralement moins d'énergie que les moteurs asynchrones, mais leur commande impose l'utilisation d’un variateur de fréquence. Les moteurs asynchrones, quant à eux, laissent le choix d’être pilotés ou non par un régulateur de vitesse. L'utilisation de régulateurs de vitesse présente plusieurs avantages, notamment la réduction des chocs mécaniques lors du démarrage. Grâce à ces dispositifs, de nombreuses applications peuvent être pilotées avec plus de précision et de confort. Par exemple, dans un système de ventilation à la demande, un régulateur de vitesse optimise le débit d’air, garantissant ainsi une bonne qualité de l’air intérieur tout en réduisant la consommation énergétique.
Dans les applications CVC, les ventilateurs équipés de moteurs asynchrones peuvent être commandés soit par un variateur de fréquence, soit par un régulateur de vitesse de ventilateur.
Chacune de ces solutions présente des avantages et des inconvénients :
• Un variateur de fréquence permet un contrôle précis de la vitesse et offre un meilleur rendement énergétique.
• Un régulateur de vitesse de ventilateur est plus économique et bien plus simple à installer et à utiliser.
Un variateur de fréquence optimise à la fois la tension et la fréquence du courant moteur via la modulation de largeur d’impulsion (PWM). Cela nécessite des IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors), des composants électroniques haute performance capables de commuter des courants électriques de forte puissance à des fréquences très élevées. Cette technologie permet un contrôle optimal du moteur, mais son coût est relativement élevé. Pour le contrôle des ventilateurs, on opte généralement pour un variateur de fréquence V/f, également appelé variateur scalaire. Ce type de variateur maintient un rapport V/f constant (couple constant) sur toute la plage de vitesse. Il s’agit des variateurs de fréquence les plus simples, car ils nécessitent peu de paramètres moteurs pour fonctionner. Leur configuration est limitée et facile à mettre en œuvre. Le mode V/f est également la seule méthode de contrôle permettant de piloter plusieurs moteurs avec un seul variateur de fréquence. Dans ce type d’application, tous les moteurs démarrent et s’arrêtent simultanément et suivent la même consigne de vitesse.
Contrairement à un variateur de fréquence, un variateur électronique de vitesse de ventilateur ne fait que faire varier la tension moteur. Ce type de régulateur est uniquement adapté aux moteurs contrôlables en tension et peut donc être utilisé dans des applications où le couple diminue avec la vitesse, comme le contrôle des ventilateurs. Le principal avantage de ce type de régulateur réside dans sa simplicité d’utilisation et son coût réduit. Aucune configuration n’est nécessaire : une fois le dispositif raccordé, le ventilateur peut être immédiatement piloté. La conception d’un variateur électronique de vitesse de ventilateur est beaucoup plus simple que celle d’un variateur de fréquence, ce qui se reflète également dans son coût.
Plusieurs technologies peuvent être utilisées pour les variateurs électroniques de vitesse de ventilateur, chacune ayant ses propres avantages et inconvénients. Les technologies les plus couramment utilisées sont : les régulateurs de vitesse par autotransformateur (régulation en 5 paliers) et les variateurs électroniques de vitesse (commande par angle de phase via TRIAC).
Comment régler la vitesse d’un ventilateur AC ?
Quel que soit le type de variateur électronique de vitesse ou de variateur de fréquence utilisé, l’utilisateur doit pouvoir définir la vitesse souhaitée. Plusieurs méthodes sont possibles. Certains régulateurs intègrent leurs propres commandes de réglage, tandis que d’autres nécessitent un signal électrique externe pour définir la vitesse. Ce signal externe peut être analogique (par exemple, 0-10 V) ou numérique (par exemple, communication Modbus RTU). Les différentes options permettant de régler la vitesse via un signal électrique externe sont abordées en détail dans l’article consacré aux potentiomètres de réglage de vitesse.
Moteurs EC – moteurs avec régulateur de vitesse intégré
Les moteurs électriques à courant continu sans balais sont également appelés moteurs à commutation électronique (moteurs EC). Ce sont des moteurs synchrones alimentés en courant continu par un régulateur de vitesse intégré. Toutefois, les moteurs EC sont raccordés à une alimentation en courant alternatif (tension secteur). Cette tension alternative est convertie en interne en courant continu, permettant au régulateur intégré de piloter le moteur.
alimentés en courant continu par un régulateur de vitesse intégré. Toutefois, les moteurs EC sont raccordés à une alimentation en courant alternatif (tension secteur). Cette tension alternative est convertie en interne en courant continu, permettant au régulateur intégré de piloter le moteur. Les moteurs EC disposent généralement d’un rotor équipé d’aimants permanents tournant autour d’un stator. Le régulateur intégré contient un redresseur qui convertit la tension d’alimentation AC en courant continu (DC). Ce régulateur envoie ensuite la quantité de courant appropriée, dans la bonne direction et au bon moment, aux enroulements du stator. Cela génère un champ magnétique tournant dans le stator, entraînant ainsi le rotor équipé d’aimants permanents. La position de chaque aimant du rotor est déterminée grâce à des capteurs à effet Hall. Les aimants sont alors successivement attirés par les pôles magnétiques du stator, tandis que le reste des enroulements du stator est alimenté avec une polarité inversée. Ces forces d’attraction et de répulsion combinées assurent une rotation fluide et un couple optimal. Grâce à cette régulation électronique, un suivi précis des paramètres du moteur et un contrôle optimisé sont possibles.
Un moteur EC peut ainsi être considéré comme une combinaison d’un moteur et d’un régulateur de vitesse réunis dans un même boîtier. Les moteurs EC sont généralement plus coûteux que les moteurs AC, mais ils présentent plusieurs avantages.
Les principaux atouts sont :
• un rapport couple/poids élevé grâce à une construction plus compacte et
• une consommation énergétique plus faible par rapport aux moteurs AC.
Les aimants permanents et l’électronique intégrée expliquent leur coût plus élevé. Le moteur et le variateur de vitesse de ventilateur sont combinés dans un seul boîtier. Si le moteur EC peut être directement contrôlé via Modbus, il est alors possible de lire à distance tous ses paramètres, tels que la température des enroulements, la consommation électrique, la vitesse de rotation, le compteur horaire, etc. La mise en service peut être plus complexe, mais une fois installé, ce type de moteur offre plus d’options, notamment en matière d’intégration dans des systèmes de gestion technique du bâtiment (BMS) ou des systèmes de ventilation intelligents.
Comment régler la vitesse d’un ventilateur EC ?
Tout comme les variateurs électroniques de vitesse de ventilateur pour moteurs AC, les moteurs EC peuvent être contrôlés via un signal électrique externe (également appelé signal analogique) ou via une communication Modbus RTU. Un signal analogique peut être généré manuellement à l’aide d’un potentiomètre de réglage de vitesse ou automatiquement via un capteur CVC. De cette manière, les ventilateurs équipés d’un moteur EC peuvent être contrôlés soit par un potentiomètre de réglage de vitesse, soit par un capteur CVC.
L’illustration suivante donne un aperçu des différentes possibilités de contrôle d’un moteur AC ou EC :
Plus de détails sont disponibles sur notre site web - Solutions - Comment contrôler un ventilateur ?