Méthodes de démarrage des moteurs asynchrones monophasés

Pour les ateliers, les petites entreprises, les appareils domestiques et les installations agricoles ne disposant pas d'un réseau triphasé, les moteurs asynchrones monophasés sont indispensables. Ces moteurs ont toutefois un problème qui leur est propre : un seul bobinage à courant alternatif ne peut pas produire à lui seul un champ magnétique tournant, et le moteur ne peut donc pas démarrer de lui-même. les méthodes de démarrage entrent en jeu. La façon dont un moteur monophasé se met en mouvement, la méthode par laquelle il démarre, détermine directement son couple de démarrage, sa caractéristique de fonctionnement et l'application à laquelle il convient. Dans cet article, nous examinons en détail pourquoi le bobinage auxiliaire est nécessaire dans les moteurs asynchrones monophasés, les principaux types de démarrage et le domaine d'utilisation de chacun. Pour consolider les bases du sujet, vous pouvez consulter notre article qu'est-ce qu'un moteur électrique .

Le problème fondamental du moteur monophasé

Lorsqu'un courant alternatif est appliqué à un bobinage monophasé, le champ magnétique qui apparaît n'est pas tournant : c'est un champ qui ne fait que croître et décroître sans se déplacer. Ce champ est appelé « champ pulsant ». Comme le champ pulsant produit des effets égaux dans le sens avant et dans le sens arrière du rotor, aucun sens de rotation net ne se forme ; le rotor reste immobile. Ce qui est intéressant, c'est ceci : si le rotor est poussé d'une manière ou d'une autre dans un sens, il continue à tourner dans ce sens. Le problème n'est donc pas que le moteur ne peut pas tourner, mais qu'il ne peut pas choisir un sens de lui-même. L'ensemble des méthodes de démarrage vise à créer ce premier sens et ce couple initial.

Pourquoi un champ tournant est-il nécessaire ?

Dans les moteurs triphasés, ce qui assure la rotation est le champ magnétique tournant créé naturellement par le déphasage entre les trois bobinages. C'est l'une des raisons pour lesquelles les moteurs triphasés sont aussi répandus dans l'industrie ; nous avons détaillé le sujet dans notre article le moteur électrique triphasé dans l'industrie . Dans un moteur monophasé, en revanche, comme il n'y a qu'un seul bobinage, un tel déphasage naturel n'existe pas. La solution consiste à ajouter un deuxième bobinage et à créer un déphasage artificiel entre les deux. C'est exactement là le rôle du bobinage auxiliaire.

Le rôle du bobinage auxiliaire

Le bobinage auxiliaire est placé décalé de 90 degrés dans l'espace par rapport au bobinage principal. Lorsque le courant qui traverse ce bobinage circule avec un certain déphasage par rapport au courant du bobinage principal, le champ magnétique créé conjointement par les deux bobinages n'est plus pulsant mais s'apparente à un champ tournant. Ce champ quasi tournant pousse le rotor dans un sens et le moteur se met en mouvement. Selon la méthode utilisée pour créer le déphasage, les moteurs monophasés portent des noms différents : à bobinage auxiliaire, à condensateur de démarrage, à condensateur de fonctionnement et à condensateur permanent.

Les moyens de créer le déphasage

Il existe deux moyens fondamentaux de créer un déphasage entre les deux bobinages. Le premier consiste à réaliser le bobinage auxiliaire plus fin et plus résistif que le bobinage principal ; cela crée un déphasage naturel entre les bobinages. Le second, bien plus efficace, consiste à raccorder un condensateur en série avec le bobinage auxiliaire. Le condensateur, en déplaçant le courant en avance par rapport à la tension, crée un déphasage bien plus marqué et permet ainsi d'obtenir un couple de démarrage bien plus élevé. Nous avons examiné en détail l'effet du condensateur sur le comportement du moteur dans notre article moteur monophasé et condensateur .

Pourquoi le bobinage auxiliaire est-il plus résistif

C'est la méthode la plus simple. Le bobinage auxiliaire est réalisé plus résistif que le bobinage principal, ce qui crée un petit déphasage entre les courants des deux bobinages. Cet écart produit un couple de démarrage suffisant pour mettre le moteur en mouvement. Lorsque le moteur atteint environ les trois quarts de sa vitesse nominale, l'interrupteur centrifuge met le bobinage auxiliaire hors circuit et le moteur continue à fonctionner uniquement avec le bobinage principal. Cette méthode convient aux applications exigeant un couple de démarrage faible à moyen ; le couple de démarrage est limité.

Démarrage par condensateur au lieu du bobinage auxiliaire

Dans cette méthode, un condensateur est ajouté en série avec le bobinage auxiliaire. Comme le condensateur augmente nettement le déphasage, le couple de démarrage est bien plus élevé que dans la méthode à bobinage auxiliaire. Lorsque le moteur atteint une certaine vitesse après le démarrage, l'interrupteur centrifuge met hors circuit à la fois le condensateur et le bobinage auxiliaire. Ainsi, seul le bobinage principal reste actif pendant le fonctionnement. C'est la solution idéale pour les applications exigeant un couple de démarrage élevé, comme les compresseurs, les pompes et les convoyeurs chargés.

Si le condensateur reste en circuit pendant tout le fonctionnement

Dans cette conception, le condensateur reste en circuit non seulement au démarrage mais aussi pendant tout le fonctionnement. Comme le bobinage auxiliaire et le condensateur restent actifs en permanence, le moteur fonctionne de manière plus régulière, plus silencieuse et avec un meilleur facteur de puissance. Le couple de démarrage est un peu plus faible que dans la conception à condensateur de démarrage ; en revanche, les performances et le rendement en fonctionnement sont meilleurs. Cette solution est privilégiée dans les applications où un fonctionnement continu et régulier est recherché.

Étoile-triangle ou démarreur progressif : la décision pour un moteur monophasé

Dans les moteurs à condensateur permanent, un seul condensateur reste en circuit aussi bien au démarrage que pendant le fonctionnement, et il n'y a pas d'interrupteur centrifuge. Cela rend le moteur plus simple, plus robuste et plus facile à entretenir, puisqu'il n'y a pas d'interrupteur soumis à l'usure. Comme le couple de démarrage est relativement faible, cette solution convient aux applications démarrant à vide ou avec une charge légère, telles que les ventilateurs et la ventilation. Leur structure simple et leur longue durée de vie rendent ces moteurs très appréciés dans de nombreuses applications quotidiennes.

Les solutions à deux condensateurs

Certaines conceptions utilisent deux condensateurs afin d'offrir à la fois un couple de démarrage élevé et de bonnes performances en fonctionnement. Au démarrage, un condensateur de démarrage de forte valeur entre en circuit et fournit un couple important ; lorsque le moteur accélère, l'interrupteur centrifuge met ce condensateur hors circuit et un condensateur de fonctionnement de plus faible valeur reste en service. On obtient ainsi à la fois un démarrage puissant et un fonctionnement efficace. Cette approche répond à un large éventail d'applications.

Lisez le tableau des méthodes selon le besoin de démarrage de la charge

Le tableau ci-dessous résume les principales méthodes de démarrage du point de vue du couple de démarrage, de la complexité de la structure et de l'utilisation typique. La bonne méthode est toujours choisie en fonction des besoins de charge et de démarrage de l'application.

Le rôle de l'interrupteur centrifuge

De nombreux moteurs monophasés comportent un interrupteur centrifuge qui met hors circuit le bobinage auxiliaire ou le condensateur de démarrage après le démarrage. Cet interrupteur s'ouvre sous l'effet de la force centrifuge lorsque le moteur atteint une certaine vitesse. Le rôle de l'interrupteur est important : le maintien sous tension permanent du bobinage auxiliaire peut entraîner un échauffement inutile ainsi que le grillage du bobinage. Une défaillance de l'interrupteur se manifeste par des symptômes tels que l'impossibilité pour le moteur de démarrer ou le grillage du bobinage auxiliaire.

Pourquoi le couple de démarrage diffère-t-il ?

La différence la plus marquante entre les méthodes est le couple de démarrage. Les conceptions utilisant un condensateur produisent un couple initial plus élevé car elles créent un déphasage plus marqué. Les conceptions reposant uniquement sur un bobinage auxiliaire résistif offrent en revanche un couple plus faible. La charge contre laquelle l'application doit démarrer détermine directement le choix de la méthode. Un compresseur qui démarre en charge exige un couple de démarrage élevé, tandis qu'un ventilateur qui démarre à vide se contente d'un couple faible.

Quelle méthode pour quelle application ?

En pratique, le choix de la méthode peut se résumer ainsi : pour les machines simples démarrant avec une charge légère, la méthode à bobinage auxiliaire ; pour les compresseurs et les pompes exigeant un couple de démarrage élevé, la méthode à condensateur de démarrage ; là où un fonctionnement silencieux et continu est recherché, la méthode à condensateur de fonctionnement ; pour les ventilateurs où l'on souhaite une structure simple et peu d'entretien, la méthode à condensateur permanent. Les solutions à deux condensateurs sont quant à elles destinées aux cas où les performances de démarrage et de fonctionnement importent toutes deux.

Comparaison entre moteur monophasé et moteur triphasé

Même si les moteurs monophasés sont pratiques, le champ tournant naturel des moteurs triphasés assure un meilleur rendement et un couple plus régulier. C'est pourquoi, à mesure que la puissance augmente et lorsqu'il s'agit d'un usage industriel continu, les moteurs triphasés sont privilégiés. Nous avons examiné le glissement, phénomène de base du fonctionnement des moteurs asynchrones, dans notre article le glissement dans un moteur asynchrone , et les types de rotor dans notre article moteur asynchrone à cage d'écureuil et à bagues .

Plus de pôles, moins de tours

Dans les moteurs monophasés aussi, la vitesse est déterminée par le nombre de pôles et par la fréquence du réseau. À fréquence égale, un moteur ayant davantage de pôles tourne à une vitesse plus faible. La vitesse dont l'application a besoin se choisit avec le bon nombre de pôles ; nous avons traité cette relation dans notre article nombre de pôles et vitesse de rotation .

L'importance du choix du condensateur

Dans les conceptions à condensateur, le choix correct de la valeur du condensateur est déterminant. Une valeur de condensateur trop faible conduit à un couple de démarrage insuffisant, une valeur trop élevée à un courant excessif et à une sollicitation du bobinage. Par ailleurs, la structure des condensateurs de démarrage et celle des condensateurs de fonctionnement sont différentes ; les condensateurs de démarrage sont fabriqués pour un courant élevé de courte durée, les condensateurs de fonctionnement pour un service continu. Utiliser un condensateur du mauvais type entraîne à la fois une perte de performance et une défaillance prématurée.

Les pannes les plus fréquentes

Les problèmes les plus courants sur les moteurs monophasés sont la défaillance du condensateur, le problème d'interrupteur centrifuge et le grillage du bobinage auxiliaire. Un moteur qui ne démarre pas et se contente de ronronner signale généralement un problème lié au condensateur ou au bobinage auxiliaire. En cas de surcharge, un plan de protection adapté est indispensable pour protéger le moteur ; sur ce point, notre article protection contre les surcharges vous servira de guide.

Protection et sécurité

Sur les moteurs monophasés également, la protection contre la surchauffe, la surcharge et les défaillances mécaniques est déterminante. Un entretien régulier, le contrôle du condensateur et de l'interrupteur, la mesure de l'isolement du bobinage sont autant d'étapes qui prolongent la durée de vie du moteur. Vous trouverez l'approche générale de l'entretien dans notre article étapes d'entretien d'un moteur électrique et les moyens de prolonger la durée de vie des roulements dans notre article prolonger la durée de vie des roulements .

Vibrations et bruit

Comme, par nature, le couple des moteurs monophasés est moins régulier que celui des moteurs triphasés, ils peuvent présenter une légère tendance aux vibrations. Un montage correct, un rotor équilibré et un choix de condensateur adapté réduisent cette tendance. Nous avons traité les moyens pratiques de maîtriser les vibrations et le bruit dans notre article réduction du bruit et des vibrations . Par ailleurs, un alignement correct de la liaison entre le moteur et la charge réduit également les vibrations ; nous l'avons examiné dans notre article alignement arbre-accouplement .

Structure du bobinage et connexions internes

Lorsque l'on regarde à l'intérieur d'un moteur asynchrone monophasé, on voit deux groupes de bobinages distincts dans le stator : le bobinage principal et le bobinage auxiliaire. Le bobinage principal, qui produit le champ magnétique principal pendant le fonctionnement du moteur, est réalisé avec un fil plus gros et présente une faible résistance. Le bobinage auxiliaire, lui, est réalisé avec un fil plus fin, présente une résistance plus élevée et est placé décalé de 90 degrés dans l'espace par rapport au bobinage principal. Le raccordement correct de ces deux bobinages détermine aussi le sens de rotation du moteur. Lorsque les extrémités du bobinage auxiliaire sont inversées, le moteur tourne en sens inverse ; cette caractéristique offre un avantage pratique dans les applications où le sens de rotation doit être changé. La solidité de l'isolement entre les bobinages est d'une importance critique pour le fonctionnement sûr du moteur ; lorsque l'isolement s'affaiblit, le court-circuit entre bobinages puis le grillage deviennent inévitables.

Que se passe-t-il pendant le fonctionnement ?

Lorsque le moteur a terminé son démarrage et approche de sa vitesse nominale, une situation intéressante apparaît : le rotor désormais en rotation contribue lui-même à rapprocher le champ pulsant monophasé d'un champ tournant efficace. C'est pourquoi, dans les conceptions à bobinage auxiliaire et à condensateur de démarrage, le moteur peut continuer à tourner même après la mise hors circuit du bobinage auxiliaire à l'issue du démarrage. Pendant le fonctionnement, le comportement du moteur dépend en grande partie de l'interaction entre le bobinage principal et le rotor. Dans les conceptions à condensateur permanent et à condensateur de fonctionnement, en revanche, comme le bobinage auxiliaire reste en circuit en permanence, le couple est plus régulier et les vibrations plus faibles pendant tout le fonctionnement. Cela explique pourquoi certaines applications privilégient les conceptions qui maintiennent le condensateur en circuit en permanence.

Rendement et facteur de puissance

Sur les moteurs monophasés, le rendement et le facteur de puissance varient selon la méthode de démarrage choisie. Les conceptions à condensateur de fonctionnement et à condensateur permanent offrent généralement un meilleur facteur de puissance, puisque le condensateur reste en circuit pendant le fonctionnement. Les conceptions reposant uniquement sur un bobinage auxiliaire résistif, qui tournent pendant le fonctionnement avec le seul bobinage principal, peuvent en revanche rester un peu en retrait sur le plan du rendement. Dans les applications fonctionnant en continu où le coût de l'énergie est important, les conceptions qui maintiennent le condensateur en circuit peuvent se révéler plus économiques à long terme. En matière de rendement, il ne faut pas non plus négliger l'avantage des moteurs triphasés ; dans les systèmes de forte puissance et à fonctionnement continu, le triphasé est presque toujours plus performant.

Résumé pratique pour choisir la bonne méthode

Lorsqu'on choisit un moteur monophasé, la question à laquelle il faut répondre est simple : le moteur va-t-il démarrer en charge ou à vide ? Un démarrage en charge exige un couple initial élevé et met en avant les solutions à condensateur de démarrage ou à deux condensateurs. Un démarrage à vide ou avec une charge légère est en revanche aisément assuré par les conceptions à condensateur permanent ou à condensateur de fonctionnement. La bonne méthode permet au moteur de fonctionner à la fois longtemps et efficacement.

Mise en service et premier démarrage

Lors de la première mise en service d'un moteur monophasé, faire attention à quelques points permet d'éviter les problèmes ultérieurs. On s'assure d'abord que la tension d'alimentation correspond à la valeur inscrite sur la plaque signalétique du moteur ; une tension incorrecte entraîne aussi bien un démarrage insuffisant qu'une sollicitation du bobinage. Dans les conceptions à condensateur, on contrôle que le condensateur est de la bonne valeur et en bon état. Le sens de rotation du moteur est déterminé lors du raccordement par le branchement correct des extrémités du bobinage auxiliaire. Au premier démarrage, on observe que le moteur démarre sans forcer, sans ronronnement inutile et sans échauffement excessif. En cas d'hésitation au démarrage, de bruit ou d'échauffement, le problème vient très probablement du condensateur, du bobinage auxiliaire ou de l'interrupteur centrifuge. Ces contrôles assurent un bon départ pour un fonctionnement durable du moteur.

Les solutions monophasées avec DRG Motor

Même si, chez DRG Motor, notre expertise porte principalement sur les moteurs asynchrones AC triphasés des classes de rendement IE3, IE4 et IE5, nous vous aidons également, pour les applications monophasées, à planifier ensemble la bonne méthode de démarrage et le bon choix puissance-vitesse. En évaluant ensemble le besoin en couple de démarrage de votre application, sa durée de fonctionnement et les conditions ambiantes, nous vous recommandons le moteur le mieux adapté. Monophasé ou triphasé, pour choisir le bon moteur dès la première fois, vous pouvez contacter l'équipe DRG Motor.