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8 MCC LOTFI .pdf



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ELECTROTECHNIQUE

Leçon : B1

Objectifs : - Identifier un moteur à courant continu.
- Mettre en œuvre un moteur à courant continu.
- Déterminer les grandeurs électriques et mécaniques d’un moteur à courant continu pour
une charge donnée.
- Commander un moteur à courant continu par un hacheur série.

A- Présentations du moteur à courant continu :
I- Mise en situation :
Les moteurs à courant continu sont des convertisseurs d’énergie électrique en énergie mécanique.
Les moteurs à courant continu sont utilisés dans 3 domaines principaux :
 Faible puissance : de l'ordre de 10 W : Lève-vitre, essuie-glace, …
 Moyenne puissance: de l'ordre de 100 kW : Engins de levage: treuils, grues,
 Forte puissance : de l'ordre de 100 MW: Traction électrique : T.G.V, …

II- Constitution :
1- L’inducteur (ou circuit d'excitation) :
C’est un aimant ou un électroaimant (bobinage parcouru par un courant continu i: courant d’excitation).
Il est situé sur la partie fixe de la machine (le stator) :
Il sert à créer un champ magnétique (champ "inducteur") dans le rotor.

2- L’induit (circuit de puissance) :
L'induit est situé au rotor (partie tournante de la machine) il est constitué d’un cylindre d’acier doux, à
sa périphérie sont placés des conducteurs logés dans des encoches et reliés aux lames du collecteur
sur lequel viennent frotter deux balais :
C'est un bobinage parcouru par un courant continu I (courant d'induit).

N.L

Moteur à courant continu à excitation indépendante

Page :

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3- Collecteur et balais :
Le collecteur est un ensemble de lames de cuivre isolées latéralement les unes des autres et disposées
suivant un cylindre en bout de rotor. Ces lames sont réunies aux conducteurs de l’induit.
Les balais (ou charbons), portés par le stator, frottent sur les lames du collecteur. Ces contacts glissants
entre lames et balais permettent d’établir une liaison électrique entre l’induit, qui tourne et l’extérieur de la
machine.

III- Symbole :
Moteur à électroaimants

Moteur à aimant permanent

I

uex

M

U

I

iex

Induit

M

U

Induit

Inducteur

Inducteur

IV- Principe de fonctionnement :
Un moteur à courant continu est mis en rotation grâce à une force électromagnétique : appelée la force de
Laplace.

 Loi de LAPLACE :
Un conducteur traversé par …………………………….. et placé dans ……..…………………………….. est
soumis à ………………………….. dont le sens est déterminé par la règle des trois doigts de la main droite.

B
+
-

F

I

Cette expérience montre comment un conducteur peut
être animé d'un mouvement de translation.
Dans un moteur à courant continu, les conducteurs sont

N

x

S

solidaires d'un rotor mobile autour d'un axe fixe.
Ils sont donc animés d'un mouvement de rotation.

N.L

Moteur à courant continu à excitation indépendante

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V- Réversibilité :
La machine à courant continu fonctionne en …………….ou en …………………………………………….... :
On dit qu’elle est …………….…………
 Elle fonctionne en génératrice
si on fait ………….……….... l’induit
par un procédé d’entraînement.
 Elle fonctionne en moteur
si on ……….………………. l’induit
par une source de courant continu.

VI- Modélisation :
Cas d’une génératrice

Cas d’un moteur

Génératrice

Moteur

VII- Plaque signalétique :
La plaque signalétique spécifie les caractéristiques de fonctionnement nominal (Régime de fct normal du
moteur).

VIII- Inversion du sens de rotation :
Deux possibilités existent pour inverser le sens de rotation de moteur à courant continu :
- Soit changer le sens du courant iex dans l’inducteur, (impossible pour les moteurs à aimant permanent),
- Soit changer le sens du courant « I » dans l’induit.

N.L

Moteur à courant continu à excitation indépendante

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B- Etude d’un moteur à courant continu :
I- Force contre électromotrice (f.c.é.m) :
Lorsque le rotor est en rotation, les conducteurs qu’il porte se trouvent dans un champs magnétique, il en
résulte une variation du flux du champ magnétique à travers chaque spire, elle engendre une force contre
électromotrice f.c.é.m induite notée E’, sa valeur est donnée par la relation:
E’ : f.c.é.m en Volt (V)
Φ: flux inducteur sous un pole s’exprime en webers (Wb)
n : fréquence de rotation s’exprime en tr/s.
N : nombre des conducteurs dans l’induit.

E’ =

II- Schéma équivalent de l’inducteur (moteur à électroaimants) :

III- Schéma équivalent de l’induit :

IV- Problème de démarrage :
Au moment de démarrage la vitesse de rotation n et la f.c.é.m E’ sont ……….……., le courant de
démarrage n’est limité que par la ………………………………. Idd =…………………………………….
Exemple :
La plaque signalétique d’un moteur à courant continu porte les indications suivantes
Un =240 V la tension d’alimentation nominale de l’induit ;
In = 20 A le courant nominal dans l’induit ;
Ra =1 Ω la résistance de l’induit.
Le courant de démarrage directe est Idd =
La pointe de courant de 240 A va provoquer la détérioration de l’induit par échauffement excessif.
Il faut limiter le courant de démarrage, en générale on accepte : Id = 1,5 In
Plusieurs procédés de démarrage peuvent être utilisés :

N.L

Moteur à courant continu à excitation indépendante

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1- Rhéostat de démarrage :
Pour limiter le courant de démarrage, il faut insérer
un rhéostat de démarrage en série avec l’induit.
Au fur et à mesure que la vitesse du moteur augmente
sa f.c.é.m augmente, on diminue la résistance Rhd
du rhéostat de démarrage.
Dans notre exemple :

2- Alimentation sous tension réduite :
Démarrer le moteur progressivement sous une tension réglable jusqu’à atteindre le régime de
fonctionnement nominal. Ceci peut être obtenu à l’aide d’un redresseur commandé à thyristor ou d’un
hacheur délivrant une tension continue variable.
Dans notre exemple : ………………………………………………..

V- Vitesse de rotation :
…………………………………………………………………………………………………………………..…..
…………………………………………………………………………………………………………………..…..

D’après cette expression, on remarque que si le flux décroit alors la vitesse…………………………………..
Si le flux devient très faible, la vitesse prend une valeur trop excessive, ce qui risque de détériorer la
machine. Ce phénomène est connu sous le nom ……………………………….
NB : Ne jamais couper l’alimentation de l’inducteur lorsque l’induit est alimenté

VI- Bilan des puissances :

Pa induit
Pat

Pa ex

Pa induit = U.I

Pj ex

Pém = Péu = E’.I

Pj induit = Ra.I2

Soient :
Pat : la puissance absorbée par le moteur (……..)
Pém : la puissance électromagnétique ou électrique utile (……..)
Pu : la puissance utile (……..)
Pjex : les pertes joules à l’inducteur (…….)
Pj induit : les pertes joules à l’induit (…….)
Pfer : les pertes ferromagnétiques (…….)
Pméc : les pertes mécaniques (…….)
Pc : les pertes constantes ou collectives (…..)
u : la tension de l’inducteur (…….)
U : la tension de l’induit (…….)
E’: la f.c.é.m. (…….)

N.L

Moteur à courant continu à excitation indépendante

Pu

Pc = Pméc + Pfer

i : le courant d’inducteur (…….)
I : le courant d’induit (…….)
Tem : le couple électromagnétique
(…….)
Tu : le couple utile (…….)
Tp: le couple des pertes (…….)
Ω : la vitesse de rotation (…..….)
Ra : la résistance d’induit (…….)
r : la résistance d’inducteur (…….)

Page :

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Exploitation de bilan :

Remarque :
• Toute l’énergie absorbée à l’inducteur est dissipée par effet joule. On peut omettre l’inducteur dans le
bilan des puissances et alors Pjex n’apparaît pas et Pat = U.I.
• Si le moteur est à aimant permanent, u, i et Pjs n’existent pas.
• Les pertes fer et les pertes mécaniques sont rarement dissociées, la somme étant les pertes constantes
ou collectives Pc.
Pc : pertes constantes ou collectives : Pfer + Pméc (sont déterminées lors d'un essai à vide)
Si le moteur fonctionne à vide Pu = 0 W
…………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………

VII- Les couples :
1- Couples électromagnétique : Tem =…………………….
2- couple utile :

Tu =……………………..

3- couple de pertes :

Tp =………………………

4- Relation entre les couples :
…………………………………………………………………………………………………………………………………………

Remarque :
…………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………

VIII- Rendement :
- Méthode directe :

η

= ………………………

- Méthode des pertes séparées :

N.L

η

= ………………………

Moteur à courant continu à excitation indépendante

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C- caractéristiques d’un moteur à courant continu :
Pour prévoir le fonctionnement en charge d’un moteur à courant continu, il faut nécessairement connaitre
son comportement pour des charges différentes. Il est donc nécessaire de tracer une description
comportementale de la machine appelée couramment caractéristique.

I- Caractéristique de couple:
C’est la courbe représentative du couple en fonction du courant absorbé par le moteur pour des charges
progressives.

II- Caractéristique de vitesse:
C’est la courbe qui représente la vitesse en fonction du courant absorbé par le moteur pour des charges
progressives.

N.L

Moteur à courant continu à excitation indépendante

Page :

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III- Caractéristique mécanique:
Le couple et la vitesse dépendent tous les deux du courant absorbé par l’induit, si l’excitation et la tension
U sont maintenues constantes:

IV- Point de fonctionnement :
Une charge oppose au moteur un couple résistant
« Tr ».
Pour que le moteur puisse entraîner cette charge,
le moteur doit fournir un couple utile « Tu »
de telle sorte que :

…………………………………..

D- Variation de vitesse d’un moteur à courant continu :
………….………………………………………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………………………………………………
La variation de vitesse d’un moteur à courant continu peut être obtenue par action sur la tension de l’induit
(U) ou sur le flux inducteur (Φ).
La variation de vitesse par action sur la tension de l’induit « U » permet de garder un couple maximal
important en tout point de fonctionnement.

N.L

Moteur à courant continu à excitation indépendante

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I- Principe de fonctionnement d’un hacheur série :
1- Définition :
Un hacheur est un convertisseur continu/continu, il permet d'obtenir à partir d'une tension continue fixe
(Pile, alimentation stabilisée, redresseur) une tension continue réglable.
Il est composé d'un interrupteur électronique unidirectionnel H (transistor ou thyristor) fermé pendant
un intervalle de temps Ton = αT, et ouvert pendant le reste de la période T.

2- Symbole :

3- Etude d’un hacheur série alimentant un moteur à courant continu :
a- Montage :

L’interrupteur qui est en réalité un transistor ou d’un thyristor subit alors à chaque blocage une
surtension qui peut être destructrice.
Il faut prévoir un système qui permette le blocage normal du transistor.
 Rôle de la diode D et de l’inductance L :
 La diode D (diode de roue libre) : Lors de l’ouverture de l’interrupteur H, cette diode protège ce
dernier contre les surtensions et assure la continuité de courant dans l’induit.
 L’inductance L permet le lissage de courant permettant ainsi la réduction de ses variations.
 Rapport cyclique α :
C’est le rapport du temps de fermeture de l'interrupteur H sur la période T du hacheur :  

Ton
T

C’est un nombre sans unité, α compris entre 0 et 1.

N.L

Moteur à courant continu à excitation indépendante

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b- analyse du fonctionnement :
L’interrupteur H est fermé entre 0 et αT

L’interrupteur H est ouvert entre αT et T

uH (t)

uH (t)
i(t)

iH (t)

H

i(t)
iH (t)

iD (t)
L

V

uD (t)

V

u(t)

D

H

iD (t)
uD (t)

L

u(t)

D

M

M

c- Courbes :
u(t)
V

t

0

uH (t)
V

uD (t)

t

0

t

0
-V

i(t)
Imax
Imin

t

0

iH (t)
Imax
Imin

t

0
Imax
Imin

0

N.L

T

T

Moteur à courant continu à excitation indépendante

t

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d- Commentaires :
La tension de sortie du hacheur (tension u(t)) n’est pas continue mais toujours positive.
Lorsque la période est assez faible (fréquence de 100 à 1000 Hz) la charge ne « voit » pas les créneaux
mais la valeur moyenne de la tension.
 Valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge :

…………………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………………..
 Ondulation du courant dans la charge :
Elle est donnée par la relation : ……………………………………………………………………………….
Pour diminuer l’ondulation du courant, il faut augmenter ……………………… ou/et …………………………
 Valeur moyenne de courant dans la charge :

…………………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………………..

II- Application au moteur :
iH (t)

i(t)

u (t)

V

…………………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………………..
D’où l’intérêt du hacheur :
On peut faire varier la vitesse de rotation du moteur en réglant le rapport cyclique α

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