La clé pour comprendre le fonctionnement des moteurs asynchrones réside dans une seule notion : le glissement. Ce phénomène, qui semble être un défaut lorsqu'on en entend parler pour la première fois, est en réalité une nécessité absolue pour que le moteur asynchrone puisse tourner. Dans cet article, nous traitons en détail ce qu'est le glissement, pourquoi il est nécessaire, comment il se calcule et ses effets sur le couple, l'échauffement et le rendement du moteur.

Pour le principe général de fonctionnement du moteur asynchrone, vous pouvez consulter l'article moteur asynchrone, et pour l'ensemble du moteur, l'article comment fonctionne un moteur électrique.

Qu'est-ce que le glissement ?

glissement slip dans les moteurs asynchrones

Le glissement est la différence entre la vitesse du champ magnétique tournant du stator et la vitesse de rotation réelle du rotor dans un moteur asynchrone. Alors que le champ statorique tourne à une vitesse de synchronisme déterminée, le rotor tourne toujours un peu plus lentement. C'est cette différence entre les deux vitesses que l'on appelle glissement, et elle s'exprime généralement en pourcentage.

Autrement dit, le glissement indique à quel point le rotor « suit de loin » le champ tournant. Le rotor glisse davantage à pleine charge et très peu à vide. Cette notion simple est la clé fondamentale qui explique tout le comportement du moteur asynchrone.

Pourquoi le glissement est-il nécessaire ?

Sans glissement, un moteur asynchrone ne peut pas fonctionner. En effet, pour qu'un courant puisse être induit dans les barres du rotor, il faut qu'il existe un mouvement relatif entre le rotor et le champ tournant. Si le rotor tournait exactement à la même vitesse que le champ tournant, aucun champ variable ne couperait ses barres, aucune tension ne serait induite et donc aucun couple ne se formerait.

Le glissement n'est donc pas un défaut, mais la condition indispensable au fonctionnement du moteur. Le rotor cherche à rattraper le champ tournant, mais il ne peut jamais le rattraper complètement car, à l'instant où il y parviendrait, il cesserait de produire du couple. Cet équilibre élégant est au cœur du moteur asynchrone.

Vitesse de synchronisme et vitesse du rotor

La vitesse de synchronisme est la vitesse de rotation du champ magnétique tournant ; elle dépend de la fréquence du réseau et du nombre de pôles. Par exemple, sur un réseau à 50 Hz, la vitesse de synchronisme d'un moteur à 4 pôles est de 1500 tr/min. Or, en pratique, le rotor de ce moteur tourne autour de 1450-1480 tr/min ; la différence est le glissement.

La vitesse du rotor n'est jamais égale à la vitesse de synchronisme ; elle s'en approche beaucoup mais reste toujours en dessous. Pour voir plus en détail de quoi dépend la vitesse de synchronisme, vous pouvez consulter l'article vitesse de rotation du moteur.

Comment calcule-t-on le glissement ?

Le glissement se calcule avec une formule simple : le pourcentage de glissement s'obtient en divisant par la vitesse de synchronisme la différence entre la vitesse de synchronisme et la vitesse du rotor, puis en multipliant par cent. Soit glissement (%) = [(Ns − Nr) / Ns] × 100. Ici, Ns est la vitesse de synchronisme et Nr la vitesse réelle du rotor.

Par exemple, si un moteur dont la vitesse de synchronisme est de 1500 tr/min tourne à 1455 tr/min à pleine charge, le glissement est de (1500−1455)/1500 = 3 %. Ce calcul simple est un moyen pratique de savoir à quel point le moteur est sollicité sous charge.

Valeurs de glissement typiques

Sur un moteur asynchrone à cage d'écureuil standard, le glissement à pleine charge se situe généralement entre 1 % et 5 %. Cette valeur peut être un peu plus élevée sur les petits moteurs et plus faible sur les moteurs de grande puissance à haut rendement. Les moteurs à haut rendement sont conçus pour fonctionner avec un glissement plus faible.

Un faible glissement signifie que le rotor tourne près de la vitesse de synchronisme et que les pertes sont réduites. La valeur du glissement donne donc une indication importante sur le rendement d'un moteur.

Glissement à vide, en charge et au démarrage

Le glissement varie selon l'état de charge du moteur. Lorsque le moteur fonctionne à vide, la charge étant très faible, le glissement est presque nul et le rotor s'approche beaucoup de la vitesse de synchronisme. À mesure que la charge augmente, le rotor ralentit, le glissement croît et le moteur produit davantage de couple.

Au moment du démarrage, le rotor est encore à l'arrêt ; dans ce cas, le glissement atteint sa valeur la plus élevée, soit 100 %. C'est justement pourquoi le courant induit, et donc le courant absorbé, est très élevé au démarrage. Nous avons traité les méthodes utilisées pour maîtriser le courant de démarrage dans l'article démarrage étoile-triangle.

Relation entre glissement et couple

Il existe une relation directe entre le glissement et le couple. Jusqu'à un certain point, plus le glissement augmente, plus le couple produit par le moteur augmente. Cela explique comment le moteur s'équilibre lui-même lorsque la charge augmente : plus la charge croît, plus le rotor ralentit, plus le glissement augmente et plus le moteur produit de couple pour faire face à la charge.

Cette augmentation n'est cependant pas illimitée ; au-delà d'une certaine valeur de glissement, le couple atteint un maximum puis commence à diminuer. Ce point maximal est appelé couple de décrochage. Pour voir en détail comment le couple se forme, vous pouvez consulter l'article couple dans les moteurs électriques.

Glissement et fréquence rotorique

La fréquence du courant induit dans le rotor dépend également du glissement. Au moment du démarrage, lorsque le glissement est élevé, la fréquence rotorique est égale à la fréquence du réseau. À mesure que le moteur accélère, le glissement diminue et la fréquence rotorique baisse également. À pleine charge, la fréquence rotorique est généralement de l'ordre de quelques hertz.

La fréquence rotorique est un indicateur direct du glissement et aide à comprendre le comportement du moteur sous charge.

Glissement et échauffement

Plus le glissement augmente, plus la puissance dissipée dans le rotor et donc la chaleur produite augmentent. Le courant qui circule dans les barres du rotor transforme une partie de l'énergie en chaleur ; cette perte est appelée « perte par glissement ». À faible glissement, cette perte est réduite, mais lorsque le moteur est surchargé, le glissement croît et le rotor s'échauffe fortement.

C'est pourquoi faire fonctionner un moteur en surcharge permanente réduit à la fois le rendement et la durée de vie du bobinage et des roulements. Faire travailler le moteur à la charge conforme à sa plaque signalétique est le moyen le plus simple de garder le glissement et l'échauffement sous contrôle.

Glissement et rendement

Le glissement est un indicateur direct du rendement du moteur. La puissance dissipée dans le rotor à cause du glissement est une perte qui ne se transforme pas en travail utile. C'est pourquoi un moteur qui fonctionne avec un faible glissement est plus performant. Les moteurs à haut rendement obtiennent précisément pour cette raison un faible glissement grâce à des matériaux de meilleure qualité et à une conception plus soignée.

Un moteur performant réalise le même travail avec moins de glissement et moins de pertes. Pour les options à haut rendement, vous pouvez consulter la section moteurs à haut rendement.

Effet de la variation de charge sur le glissement

L'une des caractéristiques les plus utiles du moteur asynchrone est qu'il ajuste automatiquement son glissement en fonction de la charge. Lorsque la charge augmente, le glissement croît et le moteur produit plus de couple ; lorsque la charge diminue, le glissement décroît. Ce comportement autorégulé permet au moteur de fonctionner de manière stable dans différentes conditions de charge.

C'est pourquoi le moteur asynchrone fonctionne de façon fiable même dans les applications à charge variable. Cependant, si la charge dépasse la capacité du moteur, le glissement atteint des niveaux dangereux et met le moteur en difficulté.

Les signes d'un glissement excessif

Un glissement excessif est le plus souvent le signe annonciateur d'un problème. Un moteur qui tourne plus lentement que la normale, qui chauffe trop, dont la puissance baisse ou qui absorbe un courant excessif peut présenter les signes d'un glissement excessif. La cause en est généralement une surcharge, une tension trop faible ou un défaut mécanique.

Lorsque ces signes sont constatés, la charge du moteur et la tension d'alimentation sont vérifiées. Fonctionner en permanence avec un glissement élevé raccourcit la durée de vie du moteur et entraîne un gaspillage d'énergie.

Les facteurs qui influencent le glissement

Les principaux facteurs qui influencent le glissement sont le niveau de charge, la tension d'alimentation, la résistance rotorique et la conception du moteur. Plus la charge augmente, plus le glissement augmente. Lorsque la tension d'alimentation baisse, le moteur glisse davantage pour produire le même couple. Le glissement est également plus important sur les moteurs à résistance rotorique élevée.

Ces facteurs déterminent le point de fonctionnement du moteur. Un moteur correctement conçu est fabriqué pour fonctionner à la valeur de glissement la plus adaptée dans la plage de charge visée.

Maîtriser le glissement

Dans certaines applications, la maîtrise du glissement sert à régler la vitesse du moteur. Sur les moteurs à rotor bobiné, l'ajout d'une résistance dans le circuit rotorique permet de modifier le glissement et donc la vitesse. Dans les applications modernes, c'est le variateur de fréquence qui remplit cette fonction de manière bien plus efficace.

Le variateur de fréquence règle la vitesse du moteur en continu en modifiant la vitesse du champ tournant ; cela est bien plus efficace que le réglage de vitesse par le glissement. C'est pourquoi le réglage de vitesse est aujourd'hui généralement assuré par un variateur.

Glissement et choix du bon moteur

La valeur du glissement est également prise en compte lors du choix du bon moteur. Un moteur à faible glissement et à haut rendement consomme moins d'énergie à long terme. Dans les applications qui doivent démarrer sous forte charge, on recherche en revanche un couple de démarrage élevé et un comportement de glissement adapté.

Pour déterminer le moteur adapté à votre application, vous pouvez consulter les options de moteur asynchrone triphasé et, pour faire le bon choix, demander l'accompagnement de l'équipe DRG Motor.

Les idées fausses au sujet du glissement

Croire que le glissement est un défaut est l'une des idées fausses les plus répandues. Or le glissement est un phénomène nécessaire et normal au fonctionnement du moteur asynchrone. Une autre croyance erronée est que le glissement devrait toujours être faible ; or un certain glissement est indispensable pour que le moteur puisse produire du couple sous charge.

L'essentiel est que le glissement reste dans les valeurs de conception du moteur. Un glissement trop faible peut indiquer que le moteur n'est pas suffisamment chargé, et un glissement trop élevé une surcharge ou un défaut.

Classification des moteurs selon le glissement

Les moteurs sont répartis en différentes classes de conception selon leur comportement en glissement et en couple de démarrage. Les moteurs standard à usage général fonctionnent avec un faible glissement et conviennent à la plupart des applications. Certaines applications exigent toutefois un couple très élevé au démarrage ou une résistance aux charges pulsatoires ; dans ces cas, on utilise des moteurs de conception spéciale fonctionnant avec un glissement plus élevé. Les moteurs à glissement élevé protègent le système en permettant au rotor de ralentir légèrement lors des variations brusques de charge et amortissent ainsi l'énergie des chocs.

Par exemple, sur les machines à charge pulsatoire telles que les presses, les concasseurs et les ponts roulants, les moteurs à glissement élevé présentent un avantage. En revanche, dans les applications à charge régulière comme les pompes et les ventilateurs, on préfère des moteurs à faible glissement et à haut rendement. Choisir la bonne classe de conception influence directement la durée de vie du moteur ainsi que le rendement du système ; il faut donc regarder non seulement la puissance, mais aussi le comportement en glissement.

La mesure du glissement

Pour déterminer le glissement, il faut d'abord mesurer la vitesse réelle du rotor. Cela peut se faire en lisant directement la vitesse de l'arbre à l'aide d'un tachymètre. Comme la vitesse de synchronisme est déjà connue à partir de la fréquence et du nombre de pôles, le glissement se calcule facilement en reportant dans la formule la vitesse mesurée du rotor. Pour des mesures plus précises, on utilise également des appareils tels que le stroboscope ou le codeur.

En pratique, suivre le glissement d'un moteur fournit des informations précieuses sur son état de santé. Un glissement plus élevé que la normale peut indiquer que le moteur est surchargé ou qu'un défaut se développe. C'est pourquoi, dans les applications critiques, le glissement est surveillé dans le cadre de la maintenance périodique et les variations inattendues sont détectées tôt.

Rotor à double cage et glissement

Certains moteurs asynchrones utilisent un rotor à double cage pour améliorer le comportement au démarrage. Ces rotors comportent deux jeux de barres, l'un extérieur et l'autre intérieur. Au moment du démarrage, en raison de la fréquence rotorique élevée, le courant passe majoritairement par la cage extérieure à forte résistance ; cela procure un couple de démarrage élevé. À mesure que le moteur accélère, le courant se déplace vers la cage intérieure à faible résistance et le rendement augmente.

Cette conception ingénieuse permet d'obtenir à la fois un couple de démarrage élevé et un faible glissement en fonctionnement. Les rotors à double cage sont préférés dans les applications qui doivent démarrer sous forte charge tout en devant fonctionner avec un bon rendement. Un seul moteur peut ainsi répondre simultanément à deux besoins différents.

Glissement et flux de puissance

Dans un moteur asynchrone, l'énergie est transmise du stator au rotor à travers l'entrefer, puis de là jusqu'à l'arbre. Une partie de la puissance transmise au rotor se transforme en chaleur à cause du glissement ; le reste est transmis à l'arbre sous forme de puissance mécanique utile. Ce qui est intéressant, c'est que la proportion de puissance transformée en chaleur dans le rotor est directement égale à la valeur du glissement.

Autrement dit, si le glissement est de 3 %, environ 3 % de la puissance entrant dans le rotor est perdue sous forme de chaleur. Cette relation simple montre clairement pourquoi un faible glissement signifie un meilleur rendement. Comprendre le flux de puissance permet de voir où le moteur subit des pertes et comment il peut être rendu plus performant.

Glissement et variateur de fréquence

Lorsqu'un variateur de fréquence est utilisé, le comportement en glissement prend une nouvelle dimension. Le variateur règle la vitesse du moteur en modifiant la fréquence du champ tournant ; le moteur fonctionne toutefois toujours avec un certain glissement. Les variateurs modernes à commande vectorielle calculent en permanence le glissement afin que le moteur produise exactement le couple demandé.

Le moteur asynchrone peut ainsi être commandé avec précision sur une large plage de vitesse. Vous trouverez en détail comment la vitesse de rotation varie avec la fréquence dans l'article vitesse de rotation du moteur. Le variateur de fréquence fait du glissement non plus un inconvénient, mais un paramètre maîtrisable.

Un exemple pratique

Prenons un exemple pour fixer les idées : la vitesse de synchronisme d'un moteur à 4 pôles raccordé à un réseau à 50 Hz est de 1500 tr/min. À vide, ce moteur tourne à presque 1498 tr/min, c'est-à-dire que le glissement est très faible. À pleine charge, le rotor ralentit à 1455 tr/min ; le glissement est alors de 3 %. Si la charge augmente encore, le rotor ralentit un peu plus et le glissement croît.

Cet exemple montre concrètement comment le glissement varie avec la charge. La vitesse nominale inscrite sur la plaque du moteur (par exemple 1455 tr/min) est en réalité la vitesse de fonctionnement réelle, qui inclut déjà le glissement à pleine charge. Connaître la vitesse de la plaque renseigne donc directement sur le comportement en glissement du moteur.

Questions fréquentes

Comment le rotor à double cage influence-t-il le glissement ? Au démarrage, la cage extérieure à forte résistance procure un couple élevé ; lorsque le moteur accélère, le courant passe dans la cage intérieure et l'on obtient un faible glissement en fonctionnement avec un rendement élevé.

La vitesse nominale de la plaque inclut-elle le glissement ? Oui. La vitesse indiquée sur la plaque est la vitesse réelle du rotor à pleine charge, et elle inclut donc déjà le glissement.

Pourquoi le glissement est-il nécessaire ? Pour qu'un courant soit induit dans les barres du rotor, il faut un mouvement relatif entre le rotor et le champ tournant ; le glissement assure ce mouvement. Sans glissement, il n'y a pas de couple non plus.

Quelle est la valeur de glissement typique ? Sur un moteur asynchrone standard, le glissement à pleine charge se situe généralement entre 1 % et 5 %.

Comment calcule-t-on le glissement ? La différence entre la vitesse de synchronisme et la vitesse du rotor est divisée par la vitesse de synchronisme, puis multipliée par cent : glissement (%) = [(Ns − Nr) / Ns] × 100.

Que se passe-t-il si le glissement augmente ? Jusqu'à un certain point, le couple augmente ; mais un glissement excessif entraîne un échauffement, une perte de rendement et un courant excessif.

Y a-t-il un glissement dans un moteur synchrone ? Non. Dans un moteur synchrone, le rotor tourne exactement à la même vitesse que le champ tournant, il n'y a donc pas de glissement.

Bien comprendre le glissement

Le glissement est la notion la plus mal comprise mais la plus fondamentale du moteur asynchrone. Ce n'est pas un défaut, mais une condition indispensable pour que le moteur puisse tourner. Ce faible écart de vitesse entre le champ statorique et le rotor induit le courant dans le rotor, crée le couple et permet au moteur de s'équilibrer en fonction de la charge. Comprendre le glissement, c'est comprendre le comportement, le rendement et le bon usage du moteur asynchrone ; cela apporte à la fois une économie d'énergie et une longue durée de vie.