Le moteur asynchrone monophasé (et son condensateur)

Machine à laver, pompe de piscine, compresseur de frigo, bétonnière de particulier : tous ces appareils tournent avec un moteur asynchrone monophasé, parce qu’à la maison tu n’as que du 230 V monophasé. Problème : contrairement à son grand frère triphasé, ce moteur-là ne sait pas démarrer tout seul. Voyons pourquoi, et comment un simple condensateur règle l’affaire.

Rappel : ce qu’il faut pour qu’un moteur asynchrone tourne

Un moteur asynchrone a besoin d’un champ magnétique tournant : c’est lui qui induit des courants dans le rotor et crée le couple (relis le moteur asynchrone expliqué simplement si besoin).

En triphasé, ce champ tournant est gratuit : trois courants décalés de 120° dans trois bobines décalées de 120°, et le champ tourne tout seul (voir le moteur asynchrone triphasé).

En monophasé, tu n’as qu’une seule phase, donc un seul courant. Et un seul courant dans une seule bobine, ça ne fait pas un champ tournant.

Le problème : un champ qui pulse, mais ne tourne pas

Alimente une bobine seule en 230 V alternatif : le champ magnétique créé est pulsant. Il grandit, s’annule, s’inverse, 50 fois par seconde, mais toujours sur le même axe. Il ne tourne pas.

On peut montrer qu’un champ pulsant équivaut à deux champs tournants de même amplitude, tournant en sens inverse l’un de l’autre. À l’arrêt, le rotor reçoit donc deux « invitations » parfaitement contradictoires : un couple dans un sens, un couple identique dans l’autre. Bilan : couple de démarrage nul, le rotor vibre et grogne, mais ne bouge pas.

Détail amusant : si tu lances le rotor à la main (à ne pas faire sur un vrai moteur !), il « choisit » le sens dans lequel tu l’as lancé et accélère : une fois en rotation, l’un des deux champs prend l’avantage. Tout le problème du moteur monophasé, c’est donc le démarrage, pas le fonctionnement.

La solution : une deuxième phase artificielle

L’idée : ajouter un deuxième enroulement, décalé de 90° géométriquement dans le stator, et le parcourir par un courant déphasé dans le temps par rapport au premier. Deux bobines à 90°, deux courants déphasés : on recrée un champ tournant, comme un « mini-diphasé ».

Comment déphaser le courant du deuxième enroulement ? Avec un condensateur en série : dans un condensateur, le courant est en avance sur la tension. Le courant de l’enroulement auxiliaire prend donc de l’avance sur celui de l’enroulement principal, idéalement proche de 90°. Le champ tourne, le moteur démarre, et il tourne du côté imposé par l’enroulement auxiliaire.

Pour inverser le sens de rotation d’un moteur monophasé, on inverse d’ailleurs les connexions de l’enroulement auxiliaire (ou du condensateur), pas celles de l’alimentation.

Condensateur permanent ou condensateur de démarrage ?

Il existe deux montages, souvent combinés.

Le condensateur permanent

Il reste branché en permanence en série avec l’enroulement auxiliaire. C’est le montage le plus courant (pompes, ventilateurs, portails…) :

couple de démarrage modeste mais suffisant pour les charges faciles ;
fonctionnement plus régulier et silencieux, car le champ reste à peu près tournant en marche ;
technologie : condensateur à film (polypropylène), prévu pour un service continu.

Ordre de grandeur courant : quelques µF à quelques dizaines de µF ; on cite souvent une valeur de l’ordre de 30 µF par kW en 230 V.

Le condensateur de démarrage

Pour les charges dures à lancer (compresseur, bétonnière chargée…), on ajoute un deuxième condensateur, de forte valeur (souvent plusieurs fois celle du permanent), branché seulement pendant le démarrage :

il dope le couple de départ ;
il est déconnecté une fois le moteur lancé (vers 75-80 % de la vitesse nominale) par un contact centrifuge ou un relais ;
technologie : condensateur électrochimique, qui grillerait s’il restait alimenté en continu — d’où la coupure obligatoire.

Un moteur peut donc avoir : condensateur permanent seul, ou permanent + démarrage. Si un moteur monophasé « grogne sans démarrer » et démarre quand on l’aide, le suspect n° 1 est un condensateur mort : c’est LA panne classique de ces moteurs.

Exemple chiffré : vitesse et glissement, rien ne change

Côté vitesse, le monophasé obéit aux mêmes lois que le triphasé. Prenons un moteur de hotte 4 pôles (donc p = 2 paires de pôles) sur le réseau 50 Hz :

Vitesse de synchronisme : ns = 60 × f / p = 60 × 50 / 2 = 1500 tr/min (voir vitesse de synchronisme).
La plaque indique n = 1425 tr/min.
Glissement : g = (ns − n) / ns = (1500 − 1425) / 1500 = 75 / 1500 = 0,05 soit 5 %.

Un glissement un peu plus élevé qu’en triphasé est normal : le moteur monophasé est moins « efficace » par nature (le champ inverse résiduel le freine légèrement), c’est pourquoi à puissance égale il est plus gros et chauffe davantage que son équivalent triphasé.

Questions fréquentes

Comment savoir si le condensateur est mort ?

Symptômes : le moteur grogne, vibre, ne démarre pas (ou démarre si on le lance), ou manque de couple. Vérification : mesurer la capacité au multimètre (fonction capacimètre), moteur hors tension et condensateur déchargé. Si la valeur mesurée est nettement inférieure à celle marquée (au-delà de la tolérance indiquée, souvent ±5 à ±10 %), on remplace.

Peut-on remplacer un condensateur par n’importe quelle valeur ?

Non. Il faut respecter la capacité d’origine (en µF) et une tension de service au moins égale. Trop petit : couple insuffisant. Trop gros : courant excessif dans l’enroulement auxiliaire, qui chauffe. Un moteur qui chauffe anormalement mérite d’ailleurs un diagnostic complet (voir moteur qui chauffe).

Pourquoi l’industrie préfère-t-elle le triphasé ?

Meilleur rendement, meilleur couple de démarrage sans artifice, pas de condensateur à entretenir, et des puissances bien plus élevées. Le monophasé est un moteur de « petite puissance » : au-delà de quelques kW, on passe en triphasé.

Un moteur triphasé peut-il tourner en monophasé avec un condensateur ?

C’est le montage dit « Steinmetz » : un condensateur entre deux bornes permet de dépanner, mais le moteur perd beaucoup de puissance et de couple. C’est une solution de secours, pas une solution propre — un variateur de fréquence entrée monophasée / sortie triphasée fait bien mieux (voir variateur de vitesse).