Fonctionnant grâce au champ magnétique tournant créé par le courant alternatif issu de trois phases distinctes, le moteur électrique triphasé est l'organe d'entraînement le plus répandu de l'industrie. Sa différence avec les moteurs monophasés est qu'il n'a besoin ni d'un bobinage auxiliaire ni d'un condensateur pour se mettre en mouvement : le champ tournant se forme de lui-même. Cette propriété rend le moteur à la fois plus simple et plus fiable. À puissance égale, les moteurs triphasés sont plus compacts, plus performants et moins vibrants que leurs équivalents monophasés. Dans cette page, nous traitons en détail du principe de fonctionnement, de la structure et des critères de choix du moteur triphasé.

Principe de fonctionnement : le champ magnétique tournant

Sur un réseau triphasé, chaque phase porte des ondes sinusoïdales décalées de 120 degrés les unes par rapport aux autres. Lorsque ces courants sont appliqués aux trois groupes de bobinages du stator, le champ magnétique devient un vecteur qui tourne en permanence dans l'espace. Le rotor se met en mouvement en produisant du couple tandis qu'il tente de rattraper ce champ tournant. La vitesse de synchronisme est la vitesse de rotation de ce champ ; elle dépend de la fréquence du réseau et du nombre de pôles. La formation spontanée du champ tournant est le plus grand avantage du moteur triphasé, car le sens de rotation peut être inversé facilement en permutant deux des phases.

Structure du moteur asynchrone

Le moteur triphasé le plus répandu est le moteur asynchrone à cage d'écureuil. Le stator porte les bobinages fixes ; le rotor, lui, présente une structure de « cage d'écureuil » où des barres en aluminium ou en cuivre sont court-circuitées aux deux extrémités par des anneaux. Comme cette structure ne comporte ni balai, ni collecteur, ni bague, le besoin d'entretien est faible et il n'existe aucune surface de contact susceptible de s'user. La robustesse des moteurs asynchrones AC provient en grande partie de cette conception de rotor épurée. Le carter porte les bobinages et les paliers ; le ventilateur de refroidissement, qui tourne à l'arrière du moteur, évacue la chaleur vers l'extérieur.

  • Stator : paquet de tôles au silicium et bobinages triphasés
  • Rotor : barres court-circuitées en cage d'écureuil
  • Carter : aluminium ou fonte
  • Palier à roulements et ventilateur de refroidissement

Glissement (slip) et vitesse réelle

Dans un moteur asynchrone, le rotor tourne un peu plus lentement que la vitesse de synchronisme ; cette différence est le glissement. Sans glissement, aucun courant ne serait induit dans les barres du rotor et aucun couple ne pourrait être produit : le glissement est donc indispensable au fonctionnement du moteur. Le glissement typique est de l'ordre de 2 à 5 pour cent en charge. Ainsi, alors que la vitesse de synchronisme d'un moteur à 4 pôles est de 1500 tr/min, sa vitesse réelle à la charge nominale se situe autour de 1440-1470 tr/min. Quand la charge augmente, le glissement augmente aussi et le moteur produit davantage de couple ; mais dans ce cas le rendement baisse un peu et la température du bobinage s'élève.

Tableau des vitesses de synchronisme en 2, 4 et 6 pôles

Sur un réseau à 50 Hz, la vitesse de synchronisme est déterminée par le nombre de pôles : 2 pôles 3000 tr/min, 4 pôles 1500 tr/min, 6 pôles 1000 tr/min. On retient 2 pôles sur les pompes et les ventilateurs demandant une vitesse élevée, 4 pôles sur les entraînements à usage général et des moteurs à 6 pôles sur les convoyeurs, concasseurs et broyeurs lents et à couple élevé. Il est également possible d'ajuster le besoin de vitesse avec un variateur de fréquence ; en modifiant la fréquence, le variateur fait tourner le même moteur à des vitesses différentes et procure une importante économie d'énergie, en particulier dans les applications de pompe et de ventilateur.

Un moteur surdimensionné fonctionne de façon inefficace à faible charge

La norme IEC 60034-30-1 répartit les moteurs en classes de rendement, de IE1 à IE5. Sur les moteurs triphasés en service continu, une classe de rendement élevée signifie directement une économie d'énergie. Sur un moteur de 15 kW fonctionnant 12 heures par jour, par exemple, le passage à la classe de rendement IE3 procure une économie annuelle de kWh appréciable. Même si l'écart de rendement paraît faible, il produit un effet net sur la facture totale lorsque les heures de fonctionnement sont longues. Le dimensionnement correct du moteur influe aussi sur le rendement : un moteur surdimensionné fonctionne de façon inefficace à faible charge, tandis qu'un moteur sous-dimensionné surchauffe.

Face à la poussière, à l'humidité et à la température

En milieu industriel, l'indice de protection IP55 est un standard répandu contre la poussière et les projections d'eau. Pour l'isolation, la classe F (155 °C) laisse une large marge de sécurité sur la température du bobinage et allonge la durée de vie du moteur. Les moteurs travaillant en charge continue sont définis en régime S1 ; pour les charges intermittentes ou répétées, on utilise d'autres régimes comme S2 à S8. Ces valeurs sont indiquées sur la plaque du moteur et constituent la base d'un choix juste. La puissance, le courant, le cosφ et la vitesse figurant sur la plaque sont les premières données à consulter pour savoir si un moteur convient à une application.

Les deux conséquences d'un courant de démarrage de 6 à 8 fois

Lorsque des moteurs triphasés de forte puissance sont démarrés en direct, ils prélèvent un courant de démarrage de 6 à 8 fois le courant nominal. Ce courant élevé provoque à la fois une chute de tension sur le réseau et une contrainte mécanique. Pour le limiter, on utilise le démarrage étoile-triangle, un démarreur progressif (soft starter) ou un variateur de fréquence. En étoile-triangle, le moteur est d'abord couplé en étoile pour démarrer sous tension réduite, puis passe en triangle lorsque la vitesse monte. Les options de fixation à pattes B3, à bride B5 et B14 assurent pour leur part la souplesse de montage et permettent de raccorder le moteur à la machine de manière appropriée.

Différences entre le triphasé et le monophasé

Comme les moteurs monophasés ne peuvent pas créer d'eux-mêmes le champ tournant, ils ont besoin d'un bobinage auxiliaire, d'un condensateur ou d'un mécanisme similaire pour se mettre en mouvement. Ces composants supplémentaires augmentent le risque de panne et limitent le rendement du moteur. Les moteurs triphasés, qui produisent naturellement le champ tournant, fonctionnent avec un couple plus élevé, moins de vibrations et un meilleur rendement. Pour produire la même puissance, un moteur triphasé est généralement plus petit et plus léger. C'est la raison fondamentale pour laquelle le moteur triphasé est retenu dans toutes les applications industrielles sérieuses exigeant un fonctionnement sans interruption. Le monophasé n'a de sens que dans les faibles puissances et là où le réseau est contraint.

Puissance, courant et facteur de puissance

Le courant absorbé par un moteur triphasé dépend de sa puissance, de sa tension, de son rendement et de son facteur de puissance (cosφ). Le courant nominal indiqué sur la plaque correspond au courant absorbé à pleine charge ; la protection thermique et la section de câble sont choisies d'après cette valeur. Un facteur de puissance faible conduit à prélever inutilement de la puissance réactive sur le réseau et à augmenter le coût de l'énergie. C'est pourquoi, dans les grandes installations, le facteur de puissance est corrigé par des armoires de compensation. Un chargement correct du moteur maintient au meilleur niveau son rendement réel comme son facteur de puissance ; sur les moteurs travaillant à faible charge, le cosφ baisse nettement.

Où l'utilise-t-on et comment le choisir

Les moteurs triphasés se rencontrent sur les pompes, les ventilateurs, les compresseurs, les convoyeurs, les concasseurs, les grues et les machines-outils. Pour un choix juste, la puissance de la charge (dans la plage 0,55-355 kW), la vitesse souhaitée, les conditions d'environnement et la durée de fonctionnement sont évaluées ensemble. Basés à İzmir, nous fournissons des moteurs asynchrones triphasés 400V/50Hz dans une large plage de puissances et de pôles, et nous déterminons ensemble la configuration la plus adaptée à votre application. Le choix d'un moteur ne se limite pas à la valeur de puissance : la classe de rendement, l'indice de protection et le type de fixation déterminent aussi l'efficacité à long terme. Pour des contenus techniques complémentaires, vous pouvez visiter notre page d'accueil.