Moteurs asynchrones monophasés

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de :** - Décrire l’organisation technologique d’un moteur asynchrone monophasé (enroulements, condensateur, rotor). - Expliquer son principe de fonctionnement, calculer les puissances absorbée et utile, ainsi que le rendement. - Choisir un moteur adapté à une application donnée (puissance, tension, fréquence, couple de démarrage). - Mettre en œuvre les différentes méthodes de démarrage et respecter les règles de sécurité associées. **Prérequis :** - Notions de base en électrotechnique (loi d’Ohm, loi des nœuds, puissance en courant alternatif). - Connaissance des grandeurs électriques (tension, courant, facteur de puissance, fréquence). - Familiarité avec les symboles schématiques des bobinages et des condensateurs. ## Introduction contextualisée Au Cameroun, les moteurs asynchrones monophasés équipent de nombreux appareils domestiques et petits équipements industriels (pompes à eau, ventilateurs, compresseurs de réfrigération, machines à coudre). Leur simplicité d’alimentation sur un réseau monophasé 230 V / 50 Hz les rend particulièrement adaptés aux zones où le triphasé n’est pas disponible. Maîtriser leur fonctionnement permet au technicien de choisir, installer, mettre en service et maintenir ces appareils en toute sécurité, tout en optimisant leur consommation énergétique. ## I. Organisation technologique du moteur asynchrone monophasé ### 1. Constitution mécanique Le moteur se compose d’un **stator** comportant deux enroulements principaux : l’enroulement de travail (ou principal) et l’enroulement auxiliaire (ou de démarrage). Le **rotor** est généralement du type cage d’écureuil, constitué de barres conductrices en aluminium ou cuivre court‑circuitées par deux bagues d’extrémité. Un **condensateur de démarrage** est connecté en série avec l’enroulement auxiliaire pour créer un déphasage de courant nécessaire à la production d’un couple de démarrage. > **>** Les deux enroulements du stator sont décalés de 90° électriquement (physiquement) ; le condensateur en série avec l’enroulement auxiliaire crée un déphasage de courant d’environ 90° entre les deux enroulements, produisant ainsi un champ tournant pulsé. ### 2. Schéma électrique et enroulements Le schéma équivalent montre l’enroulement principal connecté directement au réseau, tandis que l’enroulement auxiliaire est en série avec le condensateur C. Le rotor, vu du stator, se comporte comme une impédance variable fonction du glissement *s*. ### 3. Principe du condensateur de démarrage Le condensateur crée un courant d’auxiliaire qui précède ou suit celui du principal d’environ 90°, produisant ainsi un champ tournant pulsé. Ce champ induit un couple de démarrage suffisant pour faire tourner le rotor jusqu’à environ 70‑80 % de la vitesse synchronique, après quoi l’enroulement auxiliaire peut être coupé (via un relais centrifuge ou un dispositif électronique). > **>** Le condensateur de démarrage doit être choisi de sorte que : > \[ > X_C = \frac{1}{2\pi f C} \approx \frac{V}{I_{aux}} > \] > où *f* = 50 Hz, *V* la tension de réseau et *I_{aux}* le courant souhaité dans l’enroulement auxiliaire (souvent 30 % à 50 % du courant nominal). ## II. Fonctionnement, puissances et rendement ### 1. Régime de fonctionnement En régime permanent, le moteur se comporte comme un moteur asynchrone biphasé fictif : le champ tournant résultant des deux enroulements décalés produit un couple moyen constant. Le glissement *s* varie entre 0,02 et 0,07 selon la charge. ### 2. Puissance absorbée, puissance utile, rendement - Puissance absorbée (apparente) : \[ S = \sqrt{3}\, V\, I \quad\text{(pour un équivalent triphasé)}\quad\text{ou}\quad S = V I \quad\text{(monophasé)} \] - Puissance active absorbée : \[ P_{abs}= V I \cos\phi \] - Puissance utile (sortie mécanique) : \[ P_{ut}= \eta \, P_{abs} \] - Rendement : \[ \eta = \frac{P_{ut}}{P_{abs}} \times 100\% \] > **>** Le facteur de puissance *cos φ* d’un moteur asynchrone monophasé varie généralement entre 0,7 et 0,9 en charge nominale. ### 3. Exemple chiffré Un moteur de 0,75 kW (Puissance absorbée active *Pₙ*) alimenté en 230 V, 50 Hz, avec un facteur de puissance *cos φ* = 0,85 et un rendement *η* = 78 % : 1. Courant nominal : \[ I_n = \frac{P_n}{V \cos\phi}= \frac{750}{230 \times 0,85}= 3,8\ \text{A} \] 2. Puissance apparente : \[ S = V I_n = 230 \times 3,8 = 874\ \text{VA} \] 3. Puissance utile : \[ P_{ut}= \eta P_n = 0,78 \times 750 = 585\ \text{W} \] 4. Pertes : \[ P_{pert}= P_n - P_{ut}= 750-585 = 165\ \text{W} \] > **>** Pour ce moteur, le courant de démarrage peut atteindre 5 à 7 fois le courant nominal (≈ 20‑25 A) durant les premières fractions de seconde. ## III. Choix, domaine d’utilisation et démarrage ### 1. Critères de sélection - **Puissance mécanique requise** (en kW ou ch) selon la charge entraînée. - **Tension et fréquence du réseau** (230 V / 50 Hz au Cameroun). - **Couple de démarrage** nécessaire : les machines à forte inertie (compresseurs, pompes) exigent un condensateur de plus grande valeur ou un dispositif de démarrage progressif. - **Classe de protection** (IP) adaptée à l’environnement (humidité, poussière). - **Norme de référence** : CEI 60034‑1 (machines électriques tournantes). ### 2. Domaines d’utilisation typiques au Cameroun | Application | Puissance typique | Particularité | |-------------|-------------------|---------------| | Pompe à eau domestique | 0,37 – 0,75 kW | Fonctionnement intermittent, besoin d’un bon couple de démarrage | | Ventilateur de plafond | 0,05 – 0,12 kW | Faible couple, fonctionnement continu | | Compresseur de réfrigérateur | 0,20 – 0,40 kW | Démarrage sous charge élevée, souvent avec relais de démarrage | | Machine à coudre industrielle | 0,18 – 0,35 kW | Régime variable, besoin de précision de vitesse | ### 3. Méthodes de démarrage - **Condensateur de démarrage seul** : adapté aux faibles charges (ventilateurs, petites pompes). - **Condensateur de démarrage + relais centrifuge** : le relais coupe l’enroulement auxiliaire dès que la vitesse atteint ~75 % de la vitesse synchronique. - **Démarrage progressif (soft‑starter)** : réduit le courant de pointe en augmentant progressivement la tension appliquée, utilisé pour les compresseurs et les pompes de forte puissance. - **Démarrage par inversion de phase** (rare) : utilise un deuxième condensateur pour inverser le sens de rotation. > **>** Le relais centrifuge doit être réglé pour se déclencher à une vitesse correspondant à un glissement *s* ≈ 0,25 afin d’éviter une surchauffe de l’enroulement auxiliaire. ## Synthèse du chapitre - Le moteur asynchrone monophasé comporte un stator à deux enroulements (principal et auxiliaire) et un rotor cage. - Un condensateur en série avec l’enroulement auxiliaire crée le déphasage nécessaire au champ tournant. - En régime permanent, la puissance absorbée est \(P_{abs}=VI\cos\phi\) ; le rendement \(\eta = P_{ut}/P_{abs}\). - Le courant de démarrage peut atteindre 5‑7 × \(I_n\) ; le choix du condensateur dépend de la tension, de la fréquence et du courant auxiliaire souhaité. - Les critères de sélection incluent la puissance requise, le couple de démarrage, la classe de protection et le respect des normes CEI 60034‑1. - Les applications courantes au Cameroun sont les pompes à eau, les ventilateurs, les compresseurs de réfrigération et les machines à coudre. - Les méthodes de démarrage les plus utilisées sont le condensateur seul, le condensateur + relais centrifuge et le démarrage progressif. ## Glossaire - **Stator** : partie fixe du moteur contenant les enroulements électriques. - **Rotor cage** : rotor constitué de barres conductrices court‑circuitées par des bagues d’extrémité. - **Enroulement principal** : enroulement connecté directement au réseau d’alimentation. - **Enroulement auxiliaire** : enroulement utilisé uniquement au démarrage, en série avec un condensateur. - **Condensateur de démarrage** : composant créant un déphasage de courant pour produire un couple de démarrage. - **Relais centrifuge** : dispositif mécanique qui coupe l’enroulement auxiliaire lorsque la vitesse atteint un seuil prédéfini. - **Glissement (s)** : différence relative entre la vitesse synchronique et la vitesse réelle du rotor, exprimée en pourcentage. - **Facteur de puissance (cos φ)** : rapport entre la puissance active et la puissance apparente. - **Rendement (η)** : rapport entre la puissance mécanique utile et la puissance électrique absorbée. - **Courant de démarrage** : courant d’appel lors de la mise sous tension, généralement plusieurs fois le courant nominal. - **Soft‑starter** : dispositif électronique qui limite le courant de démarrage en augmentant progressivement la tension. - **Classe de protection (IP)** : indice définissant le degré de protection contre les corps solides et les liquides. ## Exercices d’applications corrigés ### Exercice 1 – Dimensionnement du condensateur de démarrage Un moteur monophasé de 0,5 kW, 230 V, 50 Hz doit démarrer avec un courant auxiliaire de 1,5 A. Calculer la capacité du condensateur de démarrage nécessaire. **Corrigé** 1. Réactance capacitive souhaitée : \[ X_C = \frac{V}{I_{aux}} = \frac{230}{1,5}=153,3\ \Omega \] 2. Capacité : \[ C = \frac{1}{2\pi f X_C}= \frac{1}{2\pi \times 50 \times 153,3}= 20,8\ \mu\text{F} \] On choisira un condensateur de 22 µF (valeur commerciale la plus proche). ### Exercice 2 – Calcul du rendement et des pertes Un moteur de 1,2 kW fonctionne à 230 V avec un courant mesuré de 6,2 A et un facteur de puissance de 0,80. Sa puissance mécanique utile mesurée au arbre est de 0,85 kW. Déterminer le rendement et les pertes totales. **Corrigé** - Puissance apparente : \(S = V I = 230 \times 6,2 = 1 426\ \text{VA}\) - Puissance active absorbée : \(P_{abs}= S \cos\phi = 1 426 \times 0,80 = 1 141\ \text{W}\) - Rendement : \(\eta = \frac{P_{ut}}{P_{abs}} = \frac{850}{1 141}=0,745\) → **74,5 %** - Pertes : \(P_{pert}= P_{abs} - P_{ut}= 1 141-850 = 291\ \text{W}\) ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier de débrancher l’alimentation avant de toucher aux borniers. | Risque de choc électrique sévère. | Toujours vérifier l’absence de tension avec un voltmètre avant toute intervention. | | 2 | Utiliser un condensateur de valeur trop faible. | Couple de démarrage insuffisant → moteur ne démarre pas ou surchauffe de l’enroulement auxiliaire. | Respecter la formule \(C = 1/(2\pi f X_C)\) et choisir la valeur commerciale supérieure la plus proche. | | 3 | Négliger le réglage du relais centrifuge (vitesse de déclenchement trop élevée). | Surchauffe permanente de l’enroulement auxiliaire → dégradation de l’isolant. | Régler le relais pour qu’il s’ouvre à environ 75 % de la vitesse synchronique (glissement *s* ≈ 0,25). | | 4 | Installer le moteur dans un endroit sans ventilation adéquate. | Augmentation de la température, réduction du rendement et durée de vie réduite. | Respecter les distances de refroidissement préconisées par le fabricant et vérifier l’indice IP adapté à l’environnement. | | 5 | Ne pas mettre à la terre le châssis du moteur lorsqu’il est installé dans un local humide. | Risque de fuite de courant vers la masse → choc ou déclenchement intempestif du disjoncteur. | Connecter le bornier de terre du moteur à la prise de terre du réseau selon la norme NF C 15-100. | | 6 | Utiliser un câble d’alimentation sous‑dimensionné pour le courant de démarrage. | Chute de tension importante, déclenchement intempestif du disjoncteur, surchauffe du câble. | Sélectionner la section du câble en fonction du courant de démarrage (5‑7 × \(I_n\)) avec un facteur de sécurité de 1,25. | --- *Fin du cours.*