Le moteur électrique monophasé est le type de moteur alimenté par un réseau monophasé 230 V et qui assure l'entraînement de faible puissance dans les environnements où l'accès au triphasé n'existe pas. On le rencontre fréquemment dans les ateliers, l'irrigation agricole, les pompes de jardin, les compresseurs d'air et les machines de type domestique. Sa différence la plus importante avec le moteur triphasé est qu'il ne peut pas se mettre à tourner de lui-même ; c'est pourquoi il a besoin d'un dispositif de démarrage auxiliaire pour pouvoir fonctionner. Dans cet article, nous abordons en détail la logique de fonctionnement des moteurs monophasés, les types de condensateurs, les limites de puissance et les critères d'un choix correct.

Le problème du démarrage en monophasé

Une seule phase de courant alternatif ne peut pas créer à elle seule un champ magnétique tournant dans le stator ; elle ne produit qu'un champ pulsant dont le sens change en permanence. Comme ce champ pulsant « ne sait pas » dans quel sens faire tourner le rotor, le moteur reste à l'arrêt. C'est précisément ce problème de physique fondamentale qui distingue les moteurs monophasés de leurs équivalents triphasés. Pour résoudre ce problème, on utilise, en plus de l'enroulement principal, un enroulement auxiliaire et un condensateur de démarrage branché en série avec celui-ci. Le condensateur décale en phase le courant de l'enroulement auxiliaire par rapport à l'enroulement principal ; sous l'effet conjugué des deux enroulements, il se forme quelque chose qui ressemble à un champ tournant et le rotor se met en mouvement dans le sens souhaité.

Types de condensateurs et différences de fonctionnement

Les moteurs monophasés se répartissent en plusieurs groupes selon le dispositif de condensateur qu'ils utilisent, et chaque groupe s'adapte à un caractère de charge différent :

  • À condensateur de démarrage (CSIR) : un condensateur de grande valeur, en service uniquement au démarrage, fournit un couple initial élevé. Lorsque le moteur approche de sa vitesse nominale, un interrupteur centrifuge coupe le circuit auxiliaire. Convient aux compresseurs et aux machines démarrant en pleine charge.
  • À condensateur permanent (PSC) : le condensateur reste en service en permanence ; le couple initial est faible mais le fonctionnement est silencieux et régulier. Il est retenu sur les charges à démarrage doux telles que les ventilateurs, les petites pompes et la ventilation.
  • À deux condensateurs (CSCR) : il comporte à la fois un condensateur de démarrage et un condensateur permanent ; il associe un couple de démarrage élevé à un fonctionnement silencieux, mais son coût est plus élevé.

La valeur correcte du condensateur (en microfarads) est déterminée en fonction de la puissance et de la vitesse du moteur ; une valeur erronée abaisse le rendement et provoque en outre le grillage prématuré du bobinage.

Détermination de la valeur du condensateur

Le condensateur de démarrage est typiquement choisi plusieurs fois plus grand que le condensateur de service ; par exemple, sur un petit moteur de 0,75 kW, alors que le condensateur de service est d'environ 16–25 µF, le condensateur de démarrage peut monter dans la plage de 60–100 µF. Comme les condensateurs de service restent en permanence sous tension, ils sont choisis en construction polypropylène métallisé et au-dessus de la tension nominale du moteur (généralement 400–450 V AC). Les condensateurs de démarrage sont quant à eux de type électrolytique, car ils ne restent en service que quelques secondes, et ils sont conçus pour une tenue de plus courte durée. Lors du choix de la valeur, on prend en compte non seulement la puissance, mais aussi l'état de charge de la machine au moment du démarrage : un compresseur démarrant plein exige un couple initial nettement plus élevé qu'un ventilateur démarrant à vide, et donc un condensateur de démarrage plus grand. Un condensateur mal choisi fait que le moteur soit ne démarre pas du tout, soit absorbe un courant excessif et s'échauffe.

Limites de puissance et de vitesse

Les moteurs monophasés sont généralement fabriqués dans la plage des faibles puissances, typiquement dans la bande 0,18–3 kW. En dessous de cette limite, la structure monophasée est économique et pratique ; au-dessus de ces puissances, les moteurs triphasés prennent clairement l'avantage tant sur le plan du rendement que sur celui du coût. En effet, sur les moteurs monophasés, les pertes du circuit auxiliaire et du condensateur augmentent de manière disproportionnée à mesure que la puissance croît. Sur un réseau à 50 Hz, les vitesses les plus courantes sont d'environ 3000 tr/min en structure à 2 pôles et d'environ 1500 tr/min en structure à 4 pôles. En raison du glissement (slip), le rotor tourne un peu en dessous de ces vitesses synchrones ; à pleine charge, le glissement se situe généralement dans la bande de 4–6 %.

IP55 et classe F : leur signification sur un moteur monophasé

Le fait qu'ils soient de faible puissance ne signifie pas que la robustesse est sans importance sur les moteurs monophasés. L'isolation classe F permet au bobinage d'offrir une tenue thermique jusqu'à 155 °C et laisse une marge pour une longue durée de vie. Dans les ateliers poussiéreux ou humides, l'indice de protection IP55 empêche la pénétration de poussière et de projections d'eau dans le carter. Pour les applications de pompes et de ventilateurs fonctionnant en continu, on choisit un moteur conforme au régime de service continu S1 ; sur les machines à fonctionnement intermittent, des classes de régime plus faibles peuvent en revanche suffire. Un relais thermique ou un protecteur thermique intégré au bobinage arrête le moteur en cas de surcharge et protège ainsi le bobinage.

Si une ligne d'irrigation doit fonctionner, c'est le caractère de la charge qui détermine le choix

La plage d'utilisation des moteurs monophasés s'étend à tous les endroits où le réseau triphasé n'existe pas. Dans l'irrigation agricole, les pompes de surface et immergées, ainsi que les petites pompes de transfert dans les jardins et les serres, sont le plus souvent entraînées en monophasé. Dans les ateliers de menuiserie et de métallerie, les scies à ruban, les touret à meuler et les petits compresseurs tirent leur puissance de ces moteurs. Dans les cuisines domestiques et commerciales, les pétrins, les hachoirs à viande et les ventilateurs d'extraction fonctionnent avec des moteurs monophasés. Comme chaque application exige un caractère de démarrage différent, le fait de savoir si la charge démarre à vide ou en charge devient déterminant lors du choix du type de moteur ; sinon, même un moteur choisi à la bonne puissance ne peut pas répondre aux attentes avec un mauvais groupe de condensateurs.

Avantages et limites par rapport au moteur triphasé

Le plus grand avantage du moteur monophasé est de pouvoir fonctionner directement sur une prise dans les maisons, les petits ateliers et les zones agricoles où il n'est pas possible d'amener du triphasé. En contrepartie, les moteurs triphasés offrent une densité de puissance plus élevée, un couple plus régulier et une durée de vie plus longue ; ils n'ont pas besoin de composants sujets aux pannes comme l'enroulement auxiliaire et le condensateur. C'est pourquoi, dans une installation disposant d'un accès au triphasé, la solution triphasée est le plus souvent plus rationnelle, même pour une application située à la puissance limite. Vous pouvez consulter la famille plus large des moteurs asynchrones et les options sur la page moteurs AC asynchrones.

Rendement énergétique et coût d'exploitation

Le rendement des moteurs monophasés reste un peu en dessous de celui des moteurs triphasés de puissance équivalente, en raison des pertes de l'enroulement auxiliaire et du condensateur. Même si cet écart paraît négligeable aux faibles puissances, il se transforme en fin d'année en une dépense énergétique perceptible sur une pompe d'irrigation fonctionnant de longues heures par jour. Pour préserver le rendement, le moteur doit être apparié à la bonne puissance avec la machine qu'il entraîne ; un moteur choisi plus grand que nécessaire travaille à faible charge, abaisse le facteur de puissance et produit une charge réactive inutile. Les constructions à condensateur permanent donnent un résultat plus efficace sur les charges douces fonctionnant en continu, grâce à l'effet correcteur du condensateur sur le facteur de puissance. Un appariement correct de la puissance et un condensateur en bon état maintiennent basses la facture d'électricité comme la température du bobinage, et allongent ainsi la durée de vie du moteur.

Entretien et pannes fréquemment rencontrées

La panne la plus fréquente sur les moteurs monophasés est un condensateur asséché ou dont la valeur a chuté ; le symptôme d'un moteur qui « ronfle mais ne tourne pas » provient le plus souvent du condensateur ou de l'interrupteur centrifuge. Lors de l'entretien régulier, la valeur du condensateur est mesurée, les contacts de l'interrupteur centrifuge sont nettoyés et les roulements sont contrôlés selon l'état de la graisse. L'accumulation de poussière sur la surface du bobinage perturbe le refroidissement et accroît l'échauffement ; un nettoyage périodique allonge nettement la durée de vie du moteur.

Déterminer le moteur monophasé adapté à votre besoin

DRG Motor, basé à İzmir, fournit des options de moteurs monophasés et triphasés pour les applications domestiques et de petite échelle. Lorsque vous nous communiquez le besoin en puissance, vitesse, type de fixation (B3 à pattes / B14 à face) et couple de démarrage de la machine que vous allez entraîner, nous déterminons ensemble le moteur et la configuration de condensateur les plus adaptés à votre application. Un moteur monophasé bien choisi fonctionne des années sans problème ; une mauvaise configuration signifie en revanche une panne précoce et une consommation d'énergie inutile. Vous pouvez accéder à toute la famille de moteurs et aux recommandations d'application depuis la page d'accueil.