Chapitre 10 · Sujet 1 sur 5
Le moteur asynchrone triphasé
Fonctionnement, plaque signalétique, couplage selon le réseau belge et calculs de courant, de vitesse, de glissement et de couple.
Niveau 1
L'essentiel
- Le moteur asynchrone à cage est le moteur le plus répandu : robuste, simple, presque sans entretien.
- Les trois enroulements du stator créent un champ tournant qui entraîne le rotor ; le rotor tourne un peu moins vite que ce champ.
- La plaque signalétique donne la puissance mécanique utile, les tensions et couplages, le courant, la vitesse, le cos φ et souvent le rendement.
- Le couplage (étoile ou triangle) se choisit pour que chaque enroulement reçoive sa tension prévue : c'est essentiel en Belgique, où coexistent les réseaux 3 × 230 V et 3N 400 V.
- Pour inverser le sens de rotation, on permute deux phases, toujours hors tension.
Comprendre
Le principe
Les trois enroulements du stator, alimentés par les trois phases décalées dans le temps, produisent un champ magnétique qui tourne. Ce champ induit des courants dans les barres du rotor (la « cage »), et ces courants créent une force qui fait tourner le rotor. Le rotor ne peut pas rattraper le champ : s'il tournait exactement à la même vitesse, plus rien ne serait induit. Il tourne donc un peu moins vite : c'est pour cela qu'on l'appelle asynchrone. L'écart s'appelle le glissement.
Lire la plaque
Sur une plaque, on lit par exemple : 11 kW, 230/400 V Δ/Y, 36/20,8 A, cos φ 0,85, 1460 tr/min, 50 Hz.
- 11 kW : puissance mécanique disponible sur l'arbre, pas la puissance absorbée au réseau.
- 230/400 V Δ/Y : en triangle (Δ), chaque enroulement supporte la tension entre phases de 230 V ; en étoile (Y), le moteur se raccorde sur 400 V entre phases.
- 36/20,8 A : courants de ligne correspondants.
- 1460 tr/min : vitesse à pleine charge.
Choisir le couplage selon le réseau
Chaque enroulement est prévu pour la plus petite tension de la plaque.
| Plaque | Réseau 3 × 230 V | Réseau 3N 400 V |
|---|---|---|
| 230/400 V | triangle | étoile |
| 400/690 V | ne convient pas | triangle |
Un moteur 400/690 V raccordé en triangle sur un réseau 3 × 230 V ne reçoit que 230 V par enroulement au lieu de 400 V : il manque de couple et chauffe. Avant tout raccordement, vérifiez le réseau du bâtiment (voir Les réseaux belges).
Sur le terrain
Un groupe de ventilation est déplacé d'un bâtiment de Schaerbeek alimenté en 3 × 230 V vers un bâtiment neuf en 3N 400 V. Le moteur, plaque 230/400 V, était couplé en triangle. L'électricien qui le raccorde au nouveau tableau lit la plaque, passe les barrettes en étoile, puis vérifie le sens de rotation par une brève impulsion avant de remonter la courroie. S'il avait laissé le triangle, chaque enroulement aurait reçu 400 V au lieu de 230 V : le circuit magnétique sature, le courant absorbé devient très élevé et le moteur surchauffe ; sans déclenchement rapide de la protection, les enroulements sont détruits.
Erreurs fréquentes
- Ne pas vérifier le couplage lors d'un changement de réseau ou du remplacement d'un moteur.
- Prendre la puissance de la plaque pour la puissance électrique absorbée.
- Oublier de vérifier le sens de rotation avant de remettre en service une pompe ou un ventilateur.
- Serrer les barrettes sans rondelles adaptées ou sans couple de serrage correct.
Niveau supérieur
L'essentiel
- Vitesse de synchronisme : ns = 60 × f / p (p : nombre de paires de pôles).
- Glissement : g = (ns − n) / ns, de l'ordre de quelques pour cent à pleine charge.
- Courant nominal : In = Pu / (√3 × U × η × cos φ), Pu étant la puissance utile.
- Couple utile : C = Pu / Ω, avec Ω = 2π × n / 60.
- Le cos φ et le rendement se dégradent fortement à faible charge : un moteur surdimensionné fonctionne mal.
Approfondir
Vitesse et pôles
À 50 Hz :
| Paires de pôles p | Pôles | ns (tr/min) | n typique à pleine charge |
|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3000 | ≈ 2850 à 2950 |
| 2 | 4 | 1500 | ≈ 1420 à 1480 |
| 3 | 6 | 1000 | ≈ 940 à 980 |
On reconnaît donc le nombre de pôles à la vitesse de plaque : 1460 tr/min indique un moteur 4 pôles. La vitesse ne peut varier sensiblement qu'en changeant la fréquence (voir Les variateurs de fréquence).
Puissances et rendement
- Puissance absorbée : Pa = √3 × U × I × cos φ.
- Puissance utile : Pu = η × Pa.
- Pertes : Pa − Pu (pertes Joule stator et rotor, fer, mécaniques).
La puissance réactive absorbée Q = √3 × U × I × sin φ est souvent compensée globalement (voir Énergie réactive et compensation du cos φ).
Couple
La caractéristique couple–vitesse présente un couple de démarrage Cd (souvent indiqué sur la fiche en multiple de Cn), un couple maximal (décrochage) puis une zone quasi linéaire près de ns, où le moteur fonctionne. Dans cette zone, le couple est à peu près proportionnel au glissement. Le couple est aussi proportionnel au carré de la tension : une baisse de 10 % de tension réduit le couple d'environ 19 % (0,9² = 0,81).
Charge partielle
Un moteur chargé à 30 % de sa puissance a un cos φ et un rendement nettement plus faibles qu'à pleine charge. Pour une pompe ou un ventilateur, mieux vaut un moteur bien dimensionné, éventuellement associé à un variateur, qu'un moteur largement surdimensionné.
Exemple chiffré
Moteur 4 pôles, 11 kW, 400 V (couplage étoile sur réseau 3N 400 V), η = 0,90, cos φ = 0,85, n = 1460 tr/min, 50 Hz.
- Vitesse de synchronisme : ns = 60 × 50 / 2 = 1500 tr/min.
- Glissement : g = (1500 − 1460) / 1500 = 40 / 1500 ≈ 0,0267, soit 2,67 %.
- Courant nominal : In = 11 000 / (√3 × 400 × 0,90 × 0,85) = 11 000 / 530,0 ≈ 20,8 A.
- Puissance absorbée : Pa = 11 000 / 0,90 ≈ 12 222 W ; pertes ≈ 1222 W.
- Couple utile : Ω = 2π × 1460 / 60 ≈ 152,9 rad/s ; C = 11 000 / 152,9 ≈ 71,9 N·m.
Le même moteur (plaque 230/400 V) raccordé en triangle sur un réseau 3 × 230 V absorberait In = 11 000 / (√3 × 230 × 0,90 × 0,85) ≈ 36,1 A, ce qui correspond bien au courant de plaque en triangle.
Erreurs fréquentes
- Utiliser la puissance utile dans Pa = √3 × U × I × cos φ sans diviser par le rendement.
- Prendre p pour le nombre de pôles au lieu du nombre de paires de pôles (on trouve 750 au lieu de 1500 tr/min).
- Calculer le couple avec n en tr/min sans convertir en rad/s.
- Surdimensionner le moteur « par sécurité », ce qui dégrade cos φ et rendement.
- Oublier qu'une chute de tension au démarrage réduit le couple avec le carré de la tension.