Qu’est-ce qu’un moteur asynchrone ?
Les moteurs électriques se divisent en deux grandes catégories : les moteurs à courant continu et les moteurs à courant alternatif. Ces derniers représentent aujourd’hui 96 % du parc mondial de moteurs électriques. Parmi eux, on distingue deux types de technologies : les moteurs synchrones et les moteurs asynchrones.
Le moteur asynchrone est le moteur électrique à courant alternatif le plus utilisé de nos jours, représentant environ 90 % des moteurs utilisés dans l’industrie.
Comment fonctionne un moteur asynchrone ?
Le fonctionnement d’un moteur asynchrone repose sur deux principes physiques fondamentaux :
- Un fil électrique parcouru par un courant génère un champ magnétique.
- Un champ magnétique variable induit un courant électrique dans un conducteur.
Les principaux composants du moteur asynchrone sont le rotor et le stator.
Le stator est la partie fixe du moteur. Il est constitué d’enroulements de fils conducteurs appelés bobines. Dans un moteur asynchrone triphasé, il y a au minimum trois enroulements, décalés de 120° (chacun générant deux pôles magnétiques, formant ainsi une paire de pôles). Grâce à l’alternance du courant et au déphasage régulier des trois phases, un champ magnétique tournant apparaît au sein du stator.
Figure 1 : stator d'un moteur asynchrone triphasé.
Source : moteur asynchrone
Le rotor est la partie en rotation du moteur. Il entraîne l’arbre et transmet la puissance mécanique à la charge à déplacer. Il est généralement composé d’une cage d’écureuil, dont les barreaux sont court-circuités de chaque côté par des plaques conductrices. Les espaces entre chaque barre sont remplies par un empilement de disques minces qui permettent de canaliser le flux magnétique.
Figure 2 : Rotor en cage d'écureuil
Source : Demotor
Une fois le rotor plongé dans le champ magnétique du stator, un courant est induit dans les barres du rotor. Ce courant génère un nouveau champ magnétique, provoquant l’apparition de forces de Laplace qui mettent le rotor en mouvement.
Le rotor tourne alors pour tenter de rattraper le champ magnétique du stator, il n’arrivera cependant jamais à atteindre la vitesse de synchronisme. Cette différence de vitesse est appelée glissement, généralement exprimé comme un pourcentage de la vitesse de synchronisme.
La vitesse de synchronisme dépend de la fréquence du réseau (50 Hz en Europe) et du nombre de pair de pôle au stator.
Quelles sont les différences entre moteurs asynchrones et moteurs synchrones ?
La principale différence entre les moteurs synchrones et asynchrones réside dans la conception du rotor. Celui d’un moteur synchrone peut être constitué d’aimants permanents ou de bobinages alimentés en courant continu, jouant alors le rôle d’aimants permanents. Dans ce cas, le rotor doit être alimenté en courant continu, et son excitation est assurée par des balais frottant contre des bagues situées en bout d’arbre. Cela permet de générer un champ magnétique stable.
Cependant, le rotor ne peut pas suivre directement le champ magnétique tournant du stator, car ce dernier tourne trop rapidement. Il est donc nécessaire de démarrer la machine synchrone à l’aide d’un dispositif auxiliaire pour amener le rotor à la vitesse de synchronisme (ou d’équiper la machine d’un variateur de fréquence qui abaissera la vitesse de rotation du champ magnétique statorique). Ce n’est qu’à cette vitesse que le champ magnétique du rotor peut s’accrocher à celui du stator et être entraîné sans décalage.
De ce fait, le moteur synchrone ne présente aucun glissement, son rendement est donc bien souvent supérieur à celui de la machine asynchrone.
Quelles sont les applications et utilisations courantes des moteurs asynchrones ?
Les moteurs asynchrones se retrouvent dans de nombreuses applications dans le monde industriel. Ce sont souvent eux qui entraînent les machines-outils, les pompes, les ventilateurs ou encore les compresseurs présents dans les machines thermodynamiques entre autres.
Il est réversible et peut donc être également utilisé comme génératrice afin de produire de l’électricité, il se retrouve notamment dans les éoliennes.
Démarrage des moteurs asynchrones
Comme évoqué précédemment, ce moteur est particulièrement sensible aux variations de tension. Toutefois, lors du démarrage, le couple est très important (de l’ordre de 2,5 fois le couple nominale), ceci a pour conséquence un pic de courant lors du démarrage (entre 6 à 8 fois la valeur nominale de courant selon les sources), le moteur est donc ainsi exposé à de fortes chutes de tension ce qui peut provoquer des dysfonctionnements et un échauffement du moteur.
Figure 3 : Couple d’un moteur asynchrone en fonction de la vitesse de rotation en tr/min
Source : livre blanc Rockwell Automation
Pour éviter cela, il y a plusieurs alternatives :
- Démarrage étoile-triangle : au démarrage, le moteur sera alimenté en étoile. Dans cette configuration, la tension dans les bobines sera donc divisée par un facteur . Le couple au démarrage, ainsi que le courant appelé seront divisés par un facteur 3. Une fois la vitesse de rotation atteinte, les bobines pourront à nouveau être couplées en triangle.
- Démarrage avec variateur de fréquence : comme son nom l’indique, le variateur de fréquence joue sur la fréquence du signal électrique afin d’abaisser la vitesse de rotation du moteur. En contrôlant la fréquence, il amènera petit à petit le rotor à la vitesse de rotation souhaitée, sans générer de surintensité.
- Démarrage à l’aide d’un démarreur progressif : il s’agit d’un dispositif agissant sur la tension afin de réguler le courant et le couple du moteur. Il contrôle de manière précise le temps de démarrage et la valeur de courant à ne pas dépasser.
Comment financer la mise en place d'un moteur asynchrone ?
Grâce à son impact favorable sur la performance énergétique des installations industrielles, le moteur asynchrone à haut rendement de classe IE4 est éligible au dispositif des Certificats d’Économies d’Énergie (CEE).
Les conditions d’éligibilité sont définies dans la fiche d’opération standardisée IND-UT-132
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