Moteur asynchrone triphasé : cours, glissement et exercices corrigés

Pompes, ventilateurs, compresseurs, convoyeurs, machines à bois, centrales de traitement d'air : dès qu'une machine tourne dans un atelier ou un local technique, il y a de fortes chances qu'un moteur asynchrone triphasé l'entraîne. Il est robuste, bon marché, presque sans entretien, et il démarre seul sur le réseau. Pour un électricien, il faut savoir le lire, le raccorder, le protéger et comprendre pourquoi il chauffe ou tourne à l'envers.

Ce cours de bac pro MELEC reprend le moteur asynchrone depuis sa constitution jusqu'au bilan des puissances, avec les formules à connaître, la lecture de la plaque signalétique et des exercices corrigés. Il suppose acquises les tensions simples et composées du cours monophasé et triphasé, auquel il renvoie pour le couplage étoile ou triangle.

Constitution du moteur asynchrone : stator et rotor à cage

Le moteur comporte deux parties séparées par un très mince espace d'air, l'entrefer.

Le stator est la partie fixe. Dans une carcasse en fonte ou en alliage d'aluminium, munie d'ailettes de refroidissement, on trouve un empilage de tôles minces en acier au silicium, isolées entre elles. Ce feuilletage limite les pertes par courants de Foucault. Les tôles portent des encoches dans lesquelles sont logés les trois enroulements, un par phase, répartis à 120° les uns des autres. Leurs six extrémités sortent sur la plaque à bornes : U1, V1, W1 d'un côté, W2, U2, V2 de l'autre, dans cet ordre décalé qui permet de poser les barrettes.

Le rotor est la partie tournante, montée sur l'arbre et portée par deux roulements. Dans la grande majorité des moteurs, c'est un rotor à cage, dit « à cage d'écureuil » : des barres d'aluminium, coulées sous pression dans un empilage de tôles, sont reliées à chaque extrémité par un anneau de court-circuit. Il n'y a ni bobinage, ni balais, ni connexion électrique au rotor : c'est ce qui rend ce moteur si robuste. Les moteurs à rotor bobiné, à bagues et balais, ne se rencontrent plus que sur de gros moteurs anciens.

Le champ tournant et la formule de la vitesse de synchronisme

Alimentés par trois courants décalés de 120°, les trois enroulements du stator produisent chacun un champ magnétique qui varie dans le temps. Leur somme est un champ d'intensité constante qui tourne dans l'entrefer : c'est le champ tournant. On n'a besoin d'aucun condensateur ni d'aucun artifice, contrairement au moteur monophasé ; c'est l'un des grands avantages du triphasé.

La vitesse de ce champ s'appelle la vitesse de synchronisme. Elle ne dépend que de la fréquence du réseau et de la façon dont le stator est bobiné, c'est-à-dire de son nombre de paires de pôles p :

ns = f / p (en tr/s)  soit  Ns = 60 × f / p (en tr/min)

avec f la fréquence en hertz (50 Hz en France) et p le nombre de paires de pôles. Un moteur « 4 pôles » a donc p = 2 et une vitesse de synchronisme de 60 × 50 / 2 = 1 500 tr/min. Sur le 50 Hz, les seules vitesses de synchronisme possibles sont 3 000, 1 500, 1 000 et 750 tr/min pour 2, 4, 6 et 8 pôles. C'est pourquoi, sans variateur, un moteur asynchrone ne peut pas tourner à n'importe quelle vitesse : on choisit le nombre de pôles, puis on adapte avec une poulie ou un réducteur. À l'inverse, une plaque qui indique 1 440 tr/min désigne un 4 pôles : la vitesse réelle est toujours juste sous la vitesse de synchronisme la plus proche.

Le glissement du moteur asynchrone

Le champ tournant balaie les barres du rotor. Chaque barre voit donc un flux variable, et une tension y est induite ; comme les barres sont en court-circuit par les anneaux, un courant y circule. Ce courant, placé dans le champ, subit une force (la force de Laplace) qui entraîne le rotor dans le sens du champ. Le rotor « court » après le champ.

Mais il ne peut pas le rattraper. S'il tournait exactement à la vitesse du champ, les barres ne verraient plus de variation de flux, il n'y aurait plus de courant induit, donc plus de couple. Le rotor tourne donc toujours un peu moins vite que le champ : c'est pour cela qu'on dit que le moteur est asynchrone. L'écart, rapporté à la vitesse de synchronisme, s'appelle le glissement :

g = (Ns − N) / Ns

avec N la vitesse réelle du rotor. Le glissement n'a pas d'unité ; on l'exprime souvent en pourcentage. Pour un moteur 4 pôles qui tourne à 1 440 tr/min : g = (1 500 − 1 440) / 1 500 = 0,04, soit 4 %. Dans l'autre sens, on retrouve la vitesse : N = Ns × (1 − g).

Le glissement varie avec la charge. À vide, le rotor n'a presque rien à entraîner et tourne très près de Ns : le glissement est proche de zéro. À la charge nominale, il atteint quelques pour cent, un peu plus sur les petits moteurs que sur les gros. Au démarrage, le rotor est à l'arrêt : N = 0 et g = 1.

Lire la plaque signalétique d'un moteur

La plaque signalétique est la carte d'identité du moteur. Tout ce dont l'électricien a besoin pour le raccorder et le protéger y figure. Prenons un moteur de pompe courant.

La classe de rendement IE (IE1 à IE4) mérite un mot. Le règlement européen d'écoconception (UE) 2019/1781 impose depuis le 1^er juillet 2021 la classe IE3 aux moteurs triphasés courants de 0,75 kW à 1 000 kW (2, 4, 6 et 8 pôles, service continu), et depuis le 1^er juillet 2023 la classe IE4 à ceux de 75 à 200 kW en 2, 4 et 6 pôles.

Coupler le moteur sur le réseau

Le couplage se décide avec la plaque et la tension entre phases du réseau, et seulement avec elles. La règle, détaillée dans le cours sur le monophasé et le triphasé avec la position des barrettes : si le réseau correspond à la petite tension de la plaque, on couple en triangle ; s'il correspond à la grande, on couple en étoile. Sur notre réseau 230/400 V, le moteur 230/400 V de l'exemple se couple en étoile et appelle 8,1 A ; un moteur 400/690 V se couple en triangle.

Avant d'ouvrir la boîte à bornes, le moteur est consigné, comme tout ouvrage : séparation, condamnation, vérification d'absence de tension. Le cours sur l'habilitation électrique reprend ces étapes.

Inverser le sens de rotation

Le rotor tourne dans le sens du champ, et le champ tourne dans le sens de succession des phases. Pour inverser le sens de rotation d'un moteur asynchrone triphasé, il suffit donc de permuter deux phases quelconques de l'alimentation, par exemple L1 et L2. Permuter les trois ne change rien : l'ordre de succession reste le même.

À la mise en service, machine dégagée et protecteurs en place, on contrôle l'ordre des phases au testeur de rotation, ou on donne une impulsion brève, et on regarde le sens avant de laisser tourner (machine désaccouplée si sa notice interdit la marche inverse ou à sec) : une pompe centrifuge qui tourne à l'envers débite mal sans bruit particulier. Si le sens est faux, on consigne et on croise deux phases côté moteur, pour ne pas inverser les autres moteurs du même départ.

Quand la machine doit tourner dans les deux sens (pont roulant, porte, table de machine), on utilise un inverseur : deux contacteurs, l'un câblé « direct », l'autre avec deux phases croisées. Ils doivent être verrouillés entre eux, électriquement et mécaniquement : si les deux se fermaient ensemble, ils mettraient deux phases en court-circuit.

Bilan des puissances et rendement du moteur asynchrone

Le moteur reçoit de l'énergie électrique et fournit de l'énergie mécanique. Entre les deux, une partie se perd en chaleur, à chaque étape. Le bilan des puissances suit ce chemin, du réseau à l'arbre.

La puissance absorbée se calcule avec la tension entre phases U et le courant en ligne I : Pa = √3 × U × I × cos φ. Pour notre moteur en étoile sous 400 V, avec un courant mesuré de 8,15 A (arrondi à 8,1 A sur la plaque) : Pa = 1,732 × 400 × 8,15 × 0,80 ≈ 4 517 W. Le cours sur la puissance en triphasé explique d'où vient cette formule et le rôle du cos φ.

Au stator, on perd d'abord les pertes Joule dans le cuivre des enroulements (Pjs) et les pertes fer dans les tôles (Pfs). Ce qui reste traverse l'entrefer : c'est la puissance transmise au rotor, Ptr = Pa − Pjs − Pfs. Au rotor, les courants induits dans la cage produisent à leur tour des pertes Joule (Pjr), puis restent les pertes mécaniques (frottements des roulements, ventilateur). Ce qui sort sur l'arbre est la puissance utile Pu, celle de la plaque.

Le rendement compare ce qui sort à ce qui entre :

η = Pu / Pa

Pour notre moteur : η = 4 000 / 4 517 ≈ 0,886, soit 88,6 %. La somme des pertes vaut Pa − Pu = 517 W : c'est la chaleur que le ventilateur doit évacuer.

Au niveau bac pro, retenez surtout le réflexe à l'envers : la plaque donne Pu, le réseau fournit Pa. Pour trouver le courant d'un moteur dont on ne connaît que la plaque, on écrit Pa = Pu / η, puis I = Pa / (√3 × U × cos φ).

Le couple du moteur

Un moteur ne fournit pas seulement une puissance, il fournit un couple, c'est-à-dire un effort de rotation, exprimé en newtons-mètres (N·m). Puissance et couple sont liés par la vitesse angulaire Ω, en radians par seconde :

P = C × Ω  avec  Ω = 2π × N / 60 (N en tr/min)

Pour notre moteur : Ω = 2π × 1 440 / 60 ≈ 150,8 rad/s, et le couple utile nominal vaut Cu = Pu / Ω = 4 000 / 150,8 ≈ 26,5 N·m. À puissance égale, un moteur lent fournit plus de couple : un 4 kW à 960 tr/min donne environ 40 N·m.

Le couple varie avec la vitesse selon une courbe caractéristique. À l'arrêt, le moteur fournit un couple de démarrage qui lui permet de décoller sa charge. En accélérant, le couple passe par un maximum, puis chute rapidement vers zéro à l'approche de la vitesse de synchronisme. Le point de fonctionnement s'établit là où le couple moteur égale le couple résistant de la machine entraînée. Si la charge demande plus que le couple maximal, le moteur « décroche », ralentit brutalement et absorbe un courant très élevé : sans protection, il grille.

Le courant de démarrage

À la mise sous tension, le rotor est immobile, le glissement vaut 1 et les courants induits sont maximaux. Le stator appelle alors un courant bien supérieur au courant nominal : en démarrage direct, il est couramment de l'ordre de 5 à 8 fois In, la valeur exacte figurant sur la plaque ou dans le catalogue sous la forme Id/In. Pour notre moteur : Id = 7 × 8,1 ≈ 57 A, pendant une ou quelques secondes. Le glossaire détaille les effets de ce courant de démarrage sur l'installation.

Ce courant a trois conséquences pour l'électricien. La protection doit le laisser passer sans déclencher : on utilise un disjoncteur moteur ou l'association d'un disjoncteur magnétique, d'un contacteur et d'un relais thermique. Le relais thermique, réglé sur le courant nominal de plaque au couplage utilisé, tolère la pointe de démarrage parce qu'elle est brève, mais déclenche si elle dure (rotor bloqué) ou si le moteur est surchargé ; son choix et son réglage font l'objet du cours contacteur et relais thermique. La chute de tension au démarrage doit rester acceptable pour les autres récepteurs. Enfin, le couple de démarrage brutal secoue la mécanique : courroies, accouplements, coups de bélier des pompes.

Lorsque le démarrage direct n'est pas acceptable, on le limite. Le démarrage étoile-triangle divise le courant et le couple de démarrage par 3, à condition que le moteur fonctionne en triangle sur le réseau (moteur 400/690 V sur du 400 V) ; son schéma est détaillé dans le cours sur le démarrage direct, l'inversion de sens et l'étoile-triangle. Le démarreur progressif fait monter la tension progressivement. Le variateur de vitesse, enfin, alimente le moteur à fréquence variable : il démarre en douceur avec un courant proche du nominal et permet en plus de régler la vitesse, puisque Ns dépend de f.

Le moteur Dahlander : deux vitesses sur un seul bobinage

Avant la généralisation des variateurs, on obtenait deux vitesses avec un moteur Dahlander. Son stator porte un seul bobinage par phase, avec une prise au milieu, et la boîte à bornes présente six bornes : 1U, 1V, 1W et 2U, 2V, 2W. Selon le raccordement, le nombre de pôles est divisé par deux : les deux vitesses sont toujours dans un rapport de 1 à 2, par exemple 1 500 et 3 000 tr/min (4 et 2 pôles) ou 750 et 1 500 tr/min.

En petite vitesse, le réseau est raccordé sur 1U, 1V, 1W et les bornes 2U, 2V, 2W restent libres. En grande vitesse, le réseau arrive sur 2U, 2V, 2W et les bornes 1U, 1V, 1W sont reliées entre elles : c'est le couplage double étoile (YY). Le passage d'une vitesse à l'autre se fait par contacteurs verrouillés, avec en général un relais thermique par vitesse puisque les courants diffèrent. On en trouve encore sur des extracteurs et des machines-outils anciennes ; on suit toujours le schéma du constructeur.

Pour aller plus loin (BTS)

Le bilan détaillé. En BTS, on quantifie chaque perte. Les pertes Joule au stator se calculent à partir de la résistance R mesurée entre deux bornes de phase du moteur couplé, barrettes en place : quel que soit le couplage, Pjs = 3/2 × R × I², avec I le courant en ligne. Les pertes fer et les pertes mécaniques se déterminent par un essai à vide ; on les considère souvent constantes quand la tension et la vitesse varient peu. Les pertes Joule au rotor ne se mesurent pas directement, mais elles valent Pjr = g × Ptr, relation essentielle qui montre qu'un moteur qui glisse beaucoup perd beaucoup dans sa cage. On en tire Pm = (1 − g) × Ptr.

Le couple électromagnétique. Le champ tourne à Ωs et transmet la puissance Ptr au rotor : le couple électromagnétique vaut Cem = Ptr / Ωs, avec Ωs = 2π × ns. Dans la zone de fonctionnement normale, entre le vide et un peu au-delà de la charge nominale, la courbe couple-vitesse est quasiment une droite : le couple est à peu près proportionnel au glissement. On peut alors prévoir la vitesse sous une autre charge par simple proportion.

La fréquence rotorique. Les courants induits dans le rotor ont une fréquence fr = g × f : 50 Hz au démarrage, 2 Hz environ en fonctionnement nominal, d'où des pertes fer rotoriques négligeables en régime établi.

Variation de vitesse. Le variateur fait varier f pour déplacer Ns, en gardant le rapport U/f à peu près constant pour conserver le flux, donc le couple disponible. Au-delà de 50 Hz, la tension ne peut plus augmenter : le moteur travaille à puissance à peu près constante et son couple diminue. À basse vitesse et fort couple, le ventilateur calé sur l'arbre refroidit mal : une ventilation forcée peut être nécessaire.

Les erreurs qui reviennent

La plus classique est de calculer le courant avec la puissance de plaque. Les 4 kW sont la puissance utile, sur l'arbre. Le courant se calcule avec la puissance absorbée, donc en divisant d'abord par le rendement. Oublier le rendement sous-estime le courant de plus de 10 % sur un petit moteur.

Deuxième erreur : confondre pôles et paires de pôles. Un moteur « 4 pôles » a p = 2. Écrire Ns = 60 × 50 / 4 donne 750 tr/min, alors que la plaque indique 1 440 tr/min. Même piège d'unité pour le couple : C = P / Ω avec Ω en rad/s, jamais avec N en tr/min.

Troisième erreur, en maintenance : régler le relais thermique sur le mauvais courant. Sur un moteur 230/400 V couplé en étoile, on règle sur 8,1 A, pas sur 14,1 A. Un thermique réglé trop haut ne protège plus le moteur contre les surcharges ni contre la marche en monophasé après la perte d'une phase.

Dernière erreur : croire que le glissement est un défaut. Un moteur qui tourne à 1 440 tr/min au lieu de 1 500 n'est pas « fatigué » : c'est son fonctionnement normal. En revanche, un glissement nettement supérieur à celui de la plaque signale une surcharge, une tension trop basse ou une phase manquante.

Exercices corrigés sur le moteur asynchrone triphasé

Les cinq premiers exercices correspondent au niveau bac pro, les trois suivants au BTS. Le réseau est en 230/400 V, 50 Hz. Cherchez avant d'ouvrir le corrigé.

Exercice 1. Un moteur 6 pôles tourne à 960 tr/min en charge. Calculez sa vitesse de synchronisme et son glissement.

Exercice 2. La plaque d'un moteur indique : 7,5 kW, 400/690 V, 14,3/8,3 A, 1 455 tr/min, cos φ 0,84. Quel couplage sur le réseau de l'atelier, quel courant en ligne, et sur quelle valeur régler le relais thermique ? Combien de pôles a ce moteur ?

Exercice 3. Un moteur de 2,2 kW (puissance utile) absorbe 4,7 A sous 400 V avec un cos φ de 0,81. Calculez la puissance absorbée, le rendement et les pertes.

Exercice 4. Le moteur de l'exercice 3 tourne à 1 435 tr/min. Calculez son couple utile.

Exercice 5. À la mise en service d'une pompe entraînée par le moteur de la plaque du cours (8,1 A en étoile, Id/In = 7), on constate que la pompe débite très peu. Quelle est la cause probable, comment y remédier, et quel courant le moteur appelle-t-il au démarrage ?

Exercice 6 (BTS). On reprend le moteur de la plaque : 400 V, 8,15 A, cos φ 0,80, 1 440 tr/min. La résistance mesurée entre deux bornes du moteur couplé vaut 2,0 Ω. Les pertes fer valent 120 W et les pertes mécaniques 30 W. Établissez le bilan des puissances et calculez le rendement et le couple électromagnétique.

Exercice 7 (BTS). Dans la zone de fonctionnement normale, on admet que le couple est proportionnel au glissement. Le moteur précédent fournit son couple nominal à 1 440 tr/min. La charge diminue et ne demande plus que la moitié du couple nominal. Quelle est la nouvelle vitesse ? Quelle est la fréquence des courants rotoriques dans chacun des deux cas ?

Exercice 8 (BTS). Un extracteur est entraîné par un moteur Dahlander 1 500/3 000 tr/min. Combien de pôles en petite et en grande vitesse ? Comment raccorder la grande vitesse ? En grande vitesse, le moteur tourne à 2 880 tr/min : quel est son glissement ?

Sources

• Schneider Electric, Cahier technique n° 207, Les moteurs électriques pour mieux les piloter et les protéger (diffusé par Éduscol STI) : constitution, champ tournant, vitesse de synchronisme, glissement, rotor à cage, moteur Dahlander.
• Schneider Electric, Quel couplage adopter pour un moteur asynchrone triphasé ?, lecture des tensions de plaque.
• ABB, Exigences de rendement des moteurs basse tension, règlement (UE) 2019/1781, classes IE3 et IE4 et leurs dates d'application.

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