Qu'est-ce que le glissement (slip) dans un moteur asynchrone et comment le calculer ?

Les moteurs asynchrones sont les sources de mouvement les plus utilisées de l'industrie et, au cœur de la logique de fonctionnement de ces moteurs, se trouve la notion de glissement (slip) qui les caractérise. Un moteur asynchrone ne peut produire de couple que si le champ magnétique tournant et le rotor tournent à des vitesses différentes ; cette différence de vitesse est précisément le glissement. Sans glissement, un moteur asynchrone ne peut produire de couple et ne peut donc pas entraîner de charge. Dans cet article, nous examinons pas à pas ce qu'est le glissement, comment il se calcule, quels facteurs le modifient et pourquoi il est si important dans les décisions pratiques d'ingénierie. Pour mieux saisir les bases du sujet, nous vous recommandons également de lire notre article qu'est-ce qu'un moteur électrique consacré aux fondements de la question.

Qu'est-ce que le glissement (slip) ?

Le glissement est le rapport entre, d'une part, l'écart séparant la vitesse du champ magnétique tournant créé dans le stator du moteur asynchrone (vitesse synchrone, Ns) et la vitesse de rotation réelle du rotor (Nr) et, d'autre part, la vitesse synchrone. Dans un moteur asynchrone, le rotor ne rattrape jamais complètement le champ tournant ; en effet, si le rotor tournait à la même vitesse que le champ, la variation du flux magnétique coupant les conducteurs du rotor serait nulle et le courant induit, donc le couple, tomberait à zéro. C'est pourquoi les moteurs asynchrones sont aussi appelés « moteurs à induction » : le courant rotorique est induit en fonction du mouvement relatif, c'est-à-dire du glissement.

Le glissement s'exprime généralement en pourcentage. Alors qu'il est très faible dans un moteur fonctionnant à vide (généralement de l'ordre de 0,1 %–0,5 %), il augmente lorsque le moteur est chargé à pleine charge (typiquement entre 2 % et 6 %). Cette valeur, qui paraît petite, détermine directement le comportement, le rendement et l'échauffement du moteur.

Comment trouver la vitesse synchrone (Ns) ?

Pour comprendre le glissement, il faut d'abord connaître la vitesse synchrone. La vitesse synchrone est la vitesse de rotation du champ magnétique tournant produit par le stator et elle ne dépend que de la fréquence du réseau (f) et du nombre de pôles du moteur (p). La formule est la suivante : Ns = 120 × f / p. Ici, f est la fréquence en hertz et p le nombre total de pôles. La fréquence du réseau étant de 50 Hz en Türkiye, le nombre de pôles devient la seule variable qui détermine la vitesse synchrone. Notre article nombre de pôles et vitesse d'un moteur électrique , dans lequel nous traitons plus en profondeur la relation entre le nombre de pôles et la vitesse, complète ce sujet.

Tableau des vitesses synchrones selon le nombre de pôles (50 Hz)

Le tableau ci-dessous indique les vitesses synchrones pour différents nombres de pôles sur un réseau à 50 Hz. Ces valeurs constituent votre point de référence lorsque vous interprétez l'information de vitesse figurant sur la plaque du moteur ; la vitesse réelle indiquée sur la plaque est toujours un peu inférieure à cette vitesse synchrone et l'écart entre les deux est le glissement.

Formule du glissement : s = (Ns − Nr) / Ns

La formule de base du glissement est assez simple. Le glissement (s) s'obtient en divisant l'écart entre la vitesse synchrone et la vitesse du rotor par la vitesse synchrone : s = (Ns − Nr) / Ns. Pour convertir le résultat en pourcentage, nous le multiplions par 100. Certaines sources expriment le glissement en valeur réduite (per-unit) entre 0 et 1 ; à la vitesse synchrone s = 0 et lorsque le rotor est à l'arrêt (à l'instant du démarrage) s = 1.

Calcul du glissement pas à pas (exemple)

Supposons que la plaque d'un moteur asynchrone à 4 pôles et 50 Hz indique une vitesse à pleine charge de 1450 tr/min. La vitesse synchrone est Ns = 120 × 50 / 4 = 1500 tr/min. Le glissement s = (1500 − 1450) / 1500 = 50 / 1500 = 0,0333, soit 3,33 %. Cela signifie que le moteur tourne à pleine charge environ 3,3 % en dessous de sa vitesse synchrone. Si le même moteur fonctionne à mi-charge, sa vitesse peut monter à 1475 tr/min et le glissement descendre à 1,67 % ; car le glissement est une grandeur dynamique qui varie avec la charge.

Vitesse de glissement et fréquence rotorique

Le glissement n'est pas seulement un rapport ; la vitesse de glissement (Ns − Nr) détermine directement la fréquence du courant induit dans le rotor. La fréquence rotorique se calculesous la forme fr = s × f. À l'instant du démarrage, s = 1 et la fréquence rotorique est donc égale à la fréquence du réseau (50 Hz). À mesure que le moteur accélère, le glissement diminue et la fréquence rotorique descend au niveau de quelques hertz. Cela explique pourquoi les pertes rotoriques et l'échauffement sont particulièrement élevés pendant le démarrage.

Relation entre le glissement et le couple

Dans un moteur asynchrone, le couple produit est directement lié au glissement. Dans la zone de faible glissement (plage de fonctionnement normal), le couple augmente de façon approximativement linéaire avec le glissement. Autrement dit, lorsque la charge augmente, le moteur ralentit légèrement, le glissement croît, le courant rotorique induit augmente et le moteur produit davantage de couple. Ce mécanisme auto-équilibrant rend le moteur asynchrone aussi robuste et pratique. Le couple continue d'augmenter jusqu'à une certaine valeur de glissement (glissement de décrochage) ; à ce point, le moteur produit son couple maximal (couple de décrochage).

Couple de décrochage et glissement critique

Lorsque le glissement dépasse une certaine valeur critique (généralement entre 15 % et 20 %), le couple produit par le moteur commence à diminuer. Ce point de couple maximal est appelé couple de décrochage (breakdown torque). Si la charge dépasse ce couple, le moteur s'arrête (il décroche). Sur les moteurs industriels bien conçus, le couple de décrochage représente 2 à 3 fois le couple nominal ; cette marge de sécurité empêche le moteur de s'arrêter lors des augmentations brusques de charge.

Relation entre la charge et le glissement

Le glissement n'est pas une caractéristique fixe du moteur ; il varie avec la charge. Dans un moteur fonctionnant à vide, le glissement est presque nul. Lorsque la charge augmente, le moteur ralentit et le glissement croît. C'est pourquoi la valeur de vitesse figurant sur la plaque d'un moteur est la « vitesse à pleine charge » ; la vitesse réelle oscille, selon la charge instantanée, entre cette valeur et la vitesse synchrone. Dans les applications industrielles exigeant un contrôle précis de la vitesse, cette variation naturelle est maîtrisée grâce à l' économie d'énergie avec un variateur de fréquence ainsi obtenue.

Que signifie le pourcentage de glissement à pleine charge ?

Le « glissement à pleine charge » d'un moteur est la valeur de glissement qu'il présente lorsqu'il fonctionne à sa charge nominale et il se situe généralement entre 1 % et 6 %. Sur les petits moteurs (par exemple 0,75 kW), le glissement est plus élevé (5 %–7 %), tandis que sur les gros moteurs (par exemple 200 kW) il est bien plus faible (il peut descendre sous 1 %). Les moteurs dont le glissement à pleine charge est faible sont généralement plus performants ; car un faible glissement signifie moins de pertes rotoriques. C'est pourquoi la conception des moteurs électriques à haut rendement vise avant tout à maintenir un glissement faible.

Pourquoi le glissement est-il nécessaire ?

On pourrait intuitivement se dire : « le glissement ressemble à une perte, pourquoi ne pas s'en débarrasser ? ». Pourtant, le glissement est indispensable au fonctionnement du moteur asynchrone. Si le rotor tournait parfaitement en synchronisme avec le champ tournant, le flux coupant les conducteurs du rotor ne varierait pas, il n'y aurait pas d'induction, aucun courant ne circulerait et le couple serait nul. Le glissement est donc la condition physique préalable à la production de couple par le moteur asynchrone. C'est précisément là que réside la différence avec les moteurs synchrones : le moteur synchrone tourne à la vitesse synchrone grâce à une excitation externe, tandis que le moteur asynchrone a besoin du glissement.

À quoi conduit un glissement élevé ?

Un glissement excessivement élevé est généralement le signe d'un problème. Lorsque le glissement augmente, les pertes rotoriques (pertes cuivre du rotor) augmentent ; ces pertes sont directement proportionnelles au glissement. Un glissement élevé signifie davantage d'échauffement, un rendement plus faible et une durée de vie du moteur plus courte. Une surcharge, une tension d'alimentation trop basse, un déséquilibre de phases ou des défauts de barres rotoriques peuvent augmenter le glissement. La qualité de la structure du rotor a également une influence directe ; à ce sujet, notre article moteurs électriques à rotor bobiné en cuivre fournit des informations détaillées.

Un faible glissement est-il toujours une bonne chose ?

Un faible glissement signifie généralement un rendement élevé, mais dans certaines applications un glissement élevé est volontairement recherché. Par exemple dans les moteurs de grue et de levage, une caractéristique de glissement élevé adoucit les charges de choc et assure un démarrage progressif. Les moteurs à glissement élevé sont également préférés dans les applications à charge pulsée telles que les presses, les concasseurs et les broyeurs ; car lors des augmentations brusques de charge, le moteur ralentit légèrement et équilibre l'énergie par effet de volant.

Glissement et rendement du moteur

Il existe une relation étroite entre le rendement du moteur et le glissement. Les pertes cuivre du rotor correspondent approximativement à la puissance de l'entrefer multipliée par le glissement. Autrement dit, dans un moteur présentant 3 % de glissement, les pertes rotoriques représentent environ 3 % de la puissance transmise. À mesure que l'on monte vers les classes de rendement élevées telles que IE3 et IE4, les fabricants réduisent le glissement à pleine charge grâce à un matériau de rotor de meilleure qualité et à une conception optimisée. Pour lire la classe de rendement du moteur sur la plaque, notre article informations de la plaque signalétique d'un moteur électrique vous servira de guide.

Comment mesure-t-on le glissement en pratique ?

Sur le terrain, le glissement se détermine simplement en mesurant la vitesse du rotor avec un tachymètre ou un stroboscope et en la comparant à la vitesse synchrone. Pour une mesure plus précise, la fréquence rotorique peut être mesurée. Un glissement plus élevé que prévu peut indiquer que le moteur est en surcharge, qu'il existe un problème d'alimentation ou qu'un défaut mécanique ou électrique s'est développé dans le rotor. La mesure régulière du glissement est un élément précieux de la maintenance prévisionnelle.

Glissement, facteur de puissance et courant absorbé

Le glissement n'influe pas seulement sur la vitesse et le couple, mais aussi sur le courant que le moteur absorbe sur le réseau et sur son facteur de puissance (cosφ). À vide, c'est-à-dire à très faible glissement, le moteur absorbe majoritairement un courant de magnétisation ; c'est pourquoi le facteur de puissance à vide est assez bas. Lorsque la charge augmente et donc que le glissement croît, la composante active du courant augmente et le facteur de puissance s'améliore. Aux alentours de la pleine charge, un moteur asynchrone bien conçu atteint un facteur de puissance situé dans la plage 0,80-0,88. Cette relation explique pourquoi le fait de choisir un moteur plus grand que nécessaire réduit le rendement énergétique : un gros moteur fonctionne à faible charge avec un faible glissement, et le facteur de puissance comme le rendement baissent tous les deux. Un dimensionnement correct, c'est-à-dire le choix d'un moteur adapté à sa charge, maintient à la fois le glissement dans une plage appropriée et limite la consommation de puissance réactive.

Glissement et démarrage progressif

À l'instant du démarrage, le glissement est s = 1 et le courant initial est donc très élevé (5 à 7 fois le courant nominal). Pour réduire ce courant de démarrage élevé et le choc mécanique, on utilise un démarreur progressif (soft starter) ou un couplage étoile-triangle. Les avantages de ces méthodes sont détaillés dans notre article avantages du démarrage progressif d'un moteur électrique correspondant. Le variateur de fréquence, quant à lui, maintient le glissement sous contrôle au démarrage en augmentant progressivement à la fois la fréquence et la tension.

L'importance de la fréquence de glissement

La fréquence du courant induit dans le rotor, c'est-à-dire la fréquence de glissement (fr = s × f), détermine directement le comportement magnétique du moteur. À faible fréquence de glissement, la réactance rotorique étant petite, le courant rotorique est constitué en grande partie de la composante active (celle qui produit le couple) et le moteur fonctionne avec un rendement élevé. Au démarrage en revanche, la fréquence de glissement étant élevée, la réactance rotorique est dominante, la plus grande partie du courant devient réactive et le couple produit par unité de courant diminue. Cette réalité physique explique pourquoi, en démarrage direct, le couple de démarrage reste limité malgré un courant élevé. C'est précisément là que le variateur de fréquence intervient : en démarrant à une fréquence d'alimentation basse, il maintient la fréquence de glissement sous contrôle et permet d'obtenir un couple de démarrage élevé avec un courant faible.

La gestion du glissement dans l'industrie

Dans les installations industrielles, le besoin de glissement de l'application est pris en compte lors du choix du moteur. Si une vitesse constante et un rendement élevé sont recherchés, on choisit un moteur standard à faible glissement ; si une charge pulsée et un démarrage progressif sont recherchés, on choisit un moteur à glissement élevé. Les applications de moteur électrique triphasé dans l'industrie exigent de choisir la bonne caractéristique de glissement, ce qui influe directement à la fois sur le coût énergétique et sur la durée de vie des équipements. Pour une solution sur une large plage de kW et de tr/min, notre article moteurs à kW élevé et faible est à votre disposition.

Glissement et équilibre du transfert de puissance

Dans un moteur asynchrone, la puissance transmise du stator au rotor à travers l'entrefer se divise en trois parties : la puissance mécanique de sortie, les pertes cuivre du rotor et les pertes par frottement et ventilation. Le produit de la puissance de l'entrefer par le glissement donne directement les pertes rotoriques ; le reste se transforme en puissance mécanique. Cette relation simple montre clairement pourquoi le glissement est inversement proportionnel au rendement. Par exemple, dans un moteur auquel 10 kW de puissance sont transmis à l'entrefer et qui fonctionne avec 4 % de glissement, environ 0,4 kW se transforme en chaleur dans le rotor et les 9,6 kW restants sont transmis à l'arbre. Réduire le glissement diminue cette perte, ce qui élève le rendement et permet au moteur de fonctionner plus au frais.

La rétroaction entre la température et le glissement

Il existe une interaction bidirectionnelle entre le glissement et la température. Lorsque le moteur s'échauffe, la résistance des barres rotoriques et du bobinage augmente ; cette résistance accrue élève à son tour le glissement pour une charge donnée. C'est pourquoi le glissement à chaud d'un moteur fonctionnant longtemps à pleine charge peut être légèrement plus élevé que son glissement à froid. Cet effet est pris en compte au stade de la conception et le moteur est dimensionné de manière à fournir les valeurs de vitesse et de rendement souhaitées à la température de fonctionnement attendue. La classe d'isolation et le mode de refroidissement sont les éléments critiques qui préservent cet équilibre thermique.

Classes de conception NEMA et glissement

Dans les normes internationales, les moteurs asynchrones sont répartis en classes de conception selon leur couple de démarrage et leurs caractéristiques de glissement. Alors que les conceptions à faible glissement offrent une vitesse constante et un rendement élevé, les conceptions à glissement élevé assurent un couple de démarrage élevé et une résistance aux charges pulsées. Lors du choix d'un moteur pour une application, on prend en considération non seulement la puissance (kW) et la vitesse, mais aussi cette caractéristique de conception. Pour des charges continues comme les pompes et les ventilateurs, des moteurs performants à faible glissement ; pour des charges variables et pulsées comme les convoyeurs, les concasseurs et les grues, des moteurs à glissement élevé constituent le choix logique.

Erreurs fréquentes

L'erreur la plus fréquente au sujet du glissement consiste à prendre la valeur de vitesse figurant sur la plaque pour la vitesse synchrone. Les 1450 tr/min de la plaque correspondent à la vitesse à pleine charge d'un moteur à 4 pôles ; la vitesse synchrone est de 1500 tr/min. La deuxième erreur répandue consiste à considérer le glissement comme un nombre fixe ; or le glissement varie continuellement avec la charge. La troisième consiste à tenir un glissement élevé pour toujours mauvais ; dans certaines applications, un glissement élevé est une propriété recherchée.

Choisir la bonne caractéristique de glissement avec DRG Motor

Dans un moteur asynchrone, le glissement n'est pas seulement une notion théorique : c'est un paramètre de conception pratique qui détermine le rendement, l'échauffement, le comportement en couple et la durée de vie du moteur. Choisir un moteur dont la caractéristique de glissement convient à votre application réduit à la fois votre facture d'énergie et vos coûts de maintenance. Des applications à haut rendement exigeant une vitesse constante jusqu'aux systèmes de grue et de concasseur soumis à des charges pulsées, nous proposons des solutions de moteur asynchrone adaptées à chaque besoin. Pour le bon kW, le bon nombre de pôles et la bonne caractéristique de glissement, les produits DRG Motor sont à votre disposition et notre équipe d'experts peut vous apporter un support technique. Pour davantage de contenu technique, notre guide moteurs électriques industriels est à visiter.