Moteur Ă©lectrique asynchrone

Le prix d’un moteur Ă©lectrique peut varier de 300 € Ă  plus de 15 000 €, selon sa puissance, sa conception et ses Ă©quipements. Les moteurs monophasĂ©s de petite puissance dĂ©marrent autour de 300 €. Les moteurs triphasĂ©s d'usage industriel courant se situent entre 300 et 3 000 € pour des puissances de 0,75 Ă  45 kW. Au-delĂ , les machines de forte puissance (75 kW et plus) atteignent des tarifs de 5 000 Ă  20 000 € ou davantage, selon la tension nominale, le type de rotor et les Ă©quipements additionnels.

Le moteur asynchrone triphasé est le standard industriel au-delà de quelques kilowatts. Il s'alimente sur un réseau 400 V (ou 400/690 V) et génère un champ magnétique naturellement tournant. L'inversion du sens de rotation s'obtient par simple permutation de deux phases d'alimentation. C'est la configuration retenue pour les pompes, ventilateurs, compresseurs, convoyeurs et machines-outils.Le moteur asynchrone monophasé fonctionne sur une alimentation 220-230 V à une seule phase. Un champ monophasé est pulsant et ne produit pas spontanément de couple de démarrage : un dispositif auxiliaire est indispensable. Les solutions courantes sont l'enroulement auxiliaire associé à un condensateur (permanent ou de démarrage avec interrupteur centrifuge) ou les spires de Frager pour les très petits couples. L'usage reste limité à quelques kilowatts, avec des performances (rendement, cos φ) inférieures au triphasé.

Le rotor à cage d'écureuil est la version la plus répandue. Le rotor est constitué de barres conductrices (aluminium ou cuivre) court-circuitées par des anneaux d'extrémité. Cette architecture ne comporte ni bagues ni balais : la maintenance se limite aux roulements et à l'état du bobinage statorique. C'est la solution pour les applications en régime continu à vitesse quasi constante (pompes, ventilateurs, HVAC), ainsi que pour toute application avec variateur de fréquence.Deux variantes de cage améliorent les performances au démarrage sans changer l'architecture fondamentale :

• La double cage combine une cage externe (rĂ©sistance Ă©levĂ©e, couple de dĂ©marrage fort) et une cage interne (faible rĂ©sistance, bon rendement en rĂ©gime).
• Les encoches profondes exploitent l'effet de peau pour concentrer le courant en surface au dĂ©marrage, augmentant ainsi la rĂ©sistance rotorique apparente et le couple.

Le rotor bobiné à bagues dispose d'enroulements rotoriques raccordés à des bagues collectrices, permettant d'insérer des résistances externes en série. Cette solution autorise un fort couple de démarrage avec un courant d'appel limité, et une régulation de vitesse par rhéostat. Elle est adaptée aux démarrages sous charge lourde : grues, treuils, moulins, grandes machines de manutention. En contrepartie, les bagues et balais nécessitent une surveillance et une maintenance régulières, et le coût d'acquisition est supérieur.

La vitesse de synchronisme ns dépend de la fréquence réseau et du nombre de paires de pôles p : ns (tr/min) = 60 × f / p. Les vitesses théoriques courantes sont les suivantes :

Le glissement g = (ns � n) / ns exprime l'écart relatif entre vitesse synchrone et vitesse réelle du rotor. En régime, il représente environ 2 % sur les grosses machines triphasées, 6 à 7 % sur les petites machines triphasées, et jusqu'à 10 % sur les petites machines monophasées. La vitesse nominale indiquée sur la plaque (par exemple 1 450 tr/min pour un moteur 4 pôles 50 Hz) reflète ce glissement sous charge.

La plaque concentre toutes les données de sélection et de raccordement :

• Puissance nominale en kW.
• Vitesse nominale en tr/min (diffĂ©rente de la vitesse de synchronisme).
• Tension et couplage : ex. 230/400 V Δ/Y ou 400/690 V Δ/Y.
• FrĂ©quence : 50 Hz, 60 Hz ou 50/60 Hz.
• Courant nominal en A (pour chaque couplage).
• Facteur de puissance cos φ.
• Indice de protection IP (ex. IP54, IP55).
• Classe d'isolation (F, H…) et classe d'efficacitĂ© (IE2, IE3).
• Forme de montage (B3, B5, B35…).

Le choix du couplage résulte directement de la confrontation entre la plaque signalétique et la tension du réseau :

• Plaque 230/400 V sur rĂ©seau 400 V → couplage Ă©toile (Y) : chaque enroulement reçoit 400/â�š3 â‰� 230 V.
• Plaque 400/690 V sur rĂ©seau 400 V → couplage triangle (Δ) : chaque enroulement reçoit directement 400 V.
• Plaque 400/690 V sur rĂ©seau 690 V → couplage Ă©toile (Y) : chaque enroulement reçoit 690/â�š3 â‰� 400 V.

Un couplage incorrect expose les enroulements à une surtension ou à une sous-tension, dégradant performances et durée de vie.

En démarrage direct (DOL), le courant d'enclenchement atteint 5 à 8 fois le courant nominal. Cet appel perturbe le réseau et sollicite mécaniquement l'entraîné. Plusieurs méthodes permettent de le réduire :

• Étoile-triangle : dĂ©marrage en Ă©toile puis basculement en triangle. Le courant et le couple de dĂ©marrage sont rĂ©duits d'environ un tiers par rapport au dĂ©marrage direct en triangle. La mĂ©thode est simple (3 contacteurs + temporisation) mais inadaptĂ©e aux dĂ©marrages sous forte charge.
• Autotransformateur : tension rĂ©duite au dĂ©marrage puis remontĂ©e au nominal par Ă©tapes. Couple disponible supĂ©rieur Ă  l'Ă©toile-triangle pour un courant rĂ©seau comparable.
• RĂ©sistances statoriques : insertion de rĂ©sistances en sĂ©rie au stator, court-circuitĂ©es après dĂ©marrage. Solution peu utilisĂ©e aujourd'hui.
• Rotor bobinĂ© + rĂ©sistances rotoriques : fort couple de dĂ©marrage avec courant limitĂ©, au prix d'une conception plus complexe.

Un variateur de fréquence comprend un redresseur qui convertit la tension alternative en tension continue (bus DC), puis un onduleur MLI (PWM) qui reconstruit un triphasé à fréquence et tension variables. La loi de commande standard U/f constant maintient le flux dans le moteur approximativement constant sur toute la plage de vitesse, garantissant un couple disponible cohérent. Au-delà de la fréquence nominale, le variateur ne peut plus augmenter la tension (limitée par le réseau) : le moteur entre en défluxage, le couple maximal disponible diminue.Le variateur supprime le pic de courant au démarrage et permet une régulation continue de vitesse. Il est adapté à :

• Les pompes et ventilateurs : Ă©conomies d'Ă©nergie significatives par adaptation du dĂ©bit (loi quadratique du couple).
• Les convoyeurs : dĂ©marrage progressif sans Ă -coups sur la charge transportĂ©e.
• Le levage : contrĂ´le prĂ©cis de la vitesse et du couple, souvent combinĂ© Ă  un frein mĂ©canique.

Le moteur asynchrone peut également fonctionner en génératrice lorsque la charge entraîne le rotor au-delà de la vitesse de synchronisme (hypersynchronisme). Ce mode est exploité en éolien (avec électronique de puissance) et lors du freinage par injection de courant continu, par contre-courant ou par le variateur lui-même en mode freinage régénératif.