Le document traite des machines à courant continu, mettant en avant leur fonctionnement, leur utilisation dans les entraînements à vitesse variable et leur remplacement progressif par des moteurs asynchrones. Il aborde également les aspects techniques tels que les types d'excitation, le couple électromagnétique, les problèmes liés au démarrage et au freinage, ainsi que leurs applications industrielles. En conclusion, il souligne l'importance des convertisseurs électroniques pour le contrôle de ces moteurs dans divers environnements industriels.

1. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 1

2. machine à courant continu
INTRODUCTION
Les machines à courant continu sont des machines
réversibles
la marche en moteur qui est, de loin, la plus importante
on préfère utiliser des redresseurs statiques à diodes ou
p q
à thyristors.
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3. Perspectives
le moteur à courant continu étant le moteur idéal pour les
entrainements à vitesse variable.
Il a connu, dans certaines années un nouvel essor grâce au
développement des commandes électroniques.
A partir des années 2000, ces moteurs à courant continu
sont de plus en plus remplacés par les moteurs asynchrones.
asynchrones
Ces derniers munis de variateurs de vitesse sophistiqués
permettent de retrouver pratiquement les performances des
moteurs à courant continu.
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4. Moteur cc de laminoir fourni en 1915, modernisé
en 1955 et toujours en service.
j
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5. Moteur cc de laminoir couple max : 2500kNm à
50 tr/min, 1950
,
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6. Fém induite dans une spire
ω
B
N θ S
dS
• Φ = B.S.cosθ
• θ = ωt
• e = -dΦ/dt = Em.sinωt !!!!
dΦ/dt
6
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7. Principe de fonctionnement :
Redressement de la fém
Bague Balais
Collecteur
Balais
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8. Organisation Industrielle
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9. permanent-field transmission
gear 1 kW (
1.5 (Bosch)
)
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10. DC disc-type rotor 1 kW (ABB)
yp ( )
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11. universal motor (AC-DC) 300W
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12. DC-Motors : Organisation
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13. Induit
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14. Inducteur: Stator
2010-2011 Mohamed ELLEUCH
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15. Circuit inducteur
Machine
bipolaire: p = 1
Courbe B(θ) réelle
Machine
tétrapolaire:
p=2
Courbe B(θ) idéalisée
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16. Fém induite
Mise en série des sections:
E E
2 voies d’enroulement: 4 voies d’enroulement:
a=1 a=2
Balais décalés de α: α=0
p: paire de pôles
a: paire de voie d’enroulement
n: nombre de conducteurs actifs de l’induit
Φ: flux par pôle
N: vitesse du rotor en tr/s
α: décalage mécanique des balais par rapport à
la ligne neutre
l li t
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17. Bobinage de l’induit
Enroulement imbriqué simple
p = a = 1 (2 balais)
Enroulement imbriqué simple
p = a = 2 (4 balais)
Enroulement ondulé simple :
p = a = 2 (2 balais)
( )
Utilisé pour les moteurs en traction
électrique:
fém élevée (courant réduit)
Nombre de balais i i
N b d b l i minimum
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18. Le Rotor
+
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19. Balais
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20. Machine industrielle
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21. Machine complète
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22. Moteur à 11 MNm
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23. Montage de la Machine à
Courant Continu
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24. Réversibilité
2010-2011 24
Mohamed ELLEUCH

25. Réaction transversale de l’induit
Créé par Créé par induit
inducteur seul seul
•Conséquences: - Distorsion des lignes d’induction
- Affaiblissement du flux global s’il ya saturation
- Accentue les problèmes de commutation
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26. Remèdes RMI transversale
p
petite puissance
p
•Pour les petites machines, on
fait d f t longitudinales
f it des fentes l it di l
dans l’inducteur
• ces fentes ne nuisent pas au
flux inducteur, tandis qu’elles
créent des chemins de grande
réluctance pour le champ de
l’induit.
l’i d it
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27. Remèdes RMI transversale
grande puissance
•Pour les grosses machines, on
g ,
dispose un enroulement de
compensation.
•cet enroulement est, pour une
machine à deux pôles,
l équivalent d’un
l’équivalent d un solénoïde que
l’on dispose dans les pièces
p
polaires.
•Cet enroulement est branché
en série avec l’induit, le sens de
ce courant étant opposé à ce l ilui Bobines de
des brins actifs qu’il doit compensation
neutraliser.
neutraliser
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28. Commutation : Phénomène
Induit + Collecteur en
mouvement
Section en
commutation
Balais fi
B l i fixes
• le courant dans la section avant la commutation
Commutation
(i=I/2) et après la commutation (i=-I/2). idéale
l’inductance de la section en court-circuit a un
double effet :
• Elle s’oppose à la disparition du courant I/2.
pp p
• Elle s’oppose à l’établissement du courant -I/2.
mmutation
rée sans
étincelle
Remarque: La commutation est inévitable. Elle est
elle
inhérente au fonctionnement de la machine à
Com
é
courant continu
28
2010-2011 Mohamed ELLEUCH

29. Pôles de commutation
• Ces pôles dont les axes sont sur la ligne Ligne neutre
neutre à vide
• sont étroits de même longueur que les
pôles principaux.
• Leurs bobines magnétisantes, qui sont
en série avec l’induit comportent peu de
l induit
spires de forte section.
• pour induire dans la spire en court-
circuit une f é
i it f.é.m. e qui neutralise, à
i t li
chaque instant cette tension de
réactance (qui s’oppose à l’inversion du
courant) Section qui va
• Le pôle de commutation anticipe le pôle commuter: Elle
sous lequel va passer la section en passe du pôle (sud)
au pôle (nord)
commutation
• Pour les petites puissances, les pôles Le pôle de commutation va
devancer le pôle principal pour
de
d commutation sont utilisés aussi pour
t ti t tili é i
commencer l’inversion du
la compensation de la RMI transversale. courant 29
2010-2011
Mohamed ELLEUCH

30. Le STATOR : Machine de grande puissance (1)
Pôle de commutation
Bobines de compensation
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31. Le STATOR : Machine de grande puissance (2)
4 bobines de commutation 4 pôles inducteur
2010-2011
Bobines de compensation Mohamed ELLEUCH 31

32. Equations générales de fonctionnement
• En général, on suppose que la machine est parfaitement compensée:
général
• La f.é.m. à vide entre balais:
±
Φo
En Charge : Moteur:
• On néglige donc:
• La chute eB
• La diminution du flux: (Φch ≈ Φo)
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33. Couple électromagnétique
• force de la place
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34. Expression du couple
I
pjinducteur
PFER
u.Ie
U induit
i d it
Ie
Cu Pem = Ech.I
Ω Pa = Painduit = Pu =
U.I + u.Ie U.I CU.Ω
= Cem.Ω
Pjinduit = R.I2 pméca
34
2010-2011
Mohamed ELLEUCH

35. Couple utile
Le couple moteur et le couple résistant satisfont:
35
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36. Bilan énergétique (Moteur)
2010-2011 Mohamed ELLEUCH
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37. Problèmes posés par les moteurs
Au démarrage: Il faut limiter Id !!!
3) Les deux solutions combinées peuvent être utilisées en même temps :
Diminuer Ud et insérer un rhéostat Rd.
Di i
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38. Problème d’emballement
Tension aux bornes de l’induit:
• Il faut donc protéger les moteurs à CC contre les
sous-excitations (Faible fl !)
it ti (F ibl flux!)
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39. Différents modes d’excitation
Excitation séparée ou
indépendante Excitation shunt Aimant permanent
Excitation composée
Excitation série ou compound
Les moteurs DC qui restent enMohamed ELLEUCH surtout l’excitation
2010-2011 exploitation sont 39
indépendante ou série

40. Moteurs série
• induit et inducteur sont parcourus par le même
courant I
• Caractéristique de vitesse
Pour une tension donnée U, on obtient :
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41. Caractéristique mécanique
Φ
I
AV. AP.
Sat Sat
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42. Couple Cem(N)
• Par élimination du
P éli i ti d courant d é
t des équations suivantes:
ti i t
En plus de l’équation Φ(I) : (Φ = k.I Av-Sat;
ou Φ = cte Ap. Sat )
Allure « hyperbolique » de la caractéristique mécanique, appelée aussi
« caractéristique série » : (vitesse varie beaucoup avec la charge)
charge).
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43. Etude du démarrage
g
• Ce couple fort de démarrage justifie l’utilisation du moteur série dans la traction
électrique où l’on a besoin d’un démarrage (le plus rapide possible) après chaque
arrêt dans une station donnée (vu le nombre d’arrêts sur une ligne!)
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44. Freinage par récupération
• Le plus souvent, quand la source de la tension le permet, on
freine en récupération après avoir transformé la machine en
p p
génératrice à excitation indépendante :
• U>E: Fonctionnement moteur
• U<E: Freinage (Fonctionnement Générateur)
L’énergie cinétique du moteur est restituée sous forme
g q
électrique à la source U.
Condition: IG
IM
• Il faut que la source de tension soit réversible!
E
• Sinon l’énergie cinétique du
l énergie U
moteur sera dissipée pendant le R
freinage dans un rhéostat
g
Ie
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45. Freinage Rhéostatique
• Le freinage rhéostatique est possible mais il faut inverser
les connexions entre induit et inducteur en même temps
qu on
qu’on sépare la machine de la source pour la brancher
sur la résistance de débit.
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46. Universal machine
(
(Moteur Universel)
)
Approach for flux determination:
A phase shift applies for the armature current
Approach:
highest possible direct component
Assumes: cosρ ----> 1
and ρ ----> 0
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47. Voltage equation
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48. universal machine,
speed characteristic
p
2010-2011 universal machine, speed characteristic (AC, DC)
Mohamed ELLEUCH 48

49. moteur à excitation indépendante
N excitation séparée
N0
0
I
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50. Couple
p
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51. Caractéristique mécanique
C
excitation séparée
N
Nvide
Remarques :
La caractéristique mécanique du moteur est appelée caractéristique shunt
puisque la vitesse varie peu avec la charge.
Par la variation de la tension U, la caractéristique mécanique se translate
parallèlement à elle-même permettant de développer un couple donné à
différentes vitesses.
Les différentes caractéristiques du moteur sont pratiquement linéaires. Ceci
facilite la commande de ce moteur
moteur.
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52. Caractéristiques du moteur à excitation
indépendante
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53. Freinage
• si U devient inférieure à E, le courant s’inverse dans l’induit et
par suite le couple.
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54. Applications industrielles
• Le moteur série est essentiellement celui de la
traction électrique C’est lui qui équipe actuellement des
électrique. C est
locomotives, ainsi que des rames automotrices (métro,
T.G.V, etc …) et cela pour les raisons suivantes :
) p
Il présente un couple de démarrage élevé
p p g
Il supporte bien les surcharges
Il est autorégulateur de puissance (il ralentit automatiquement dans
les montées mais l’augmentation du courant est limitée)
montées, l augmentation limitée).
Il est robuste.
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55. Applications Industrielles
Le moteur à excitation indépendante se rencontre principalement
avec son variateur de vitesse dans des équipements industriels (machines
outils, l i i pompes …), où l’ dé i :
til laminoirs, ) ù l’on désire
Donner à la machine entrainée la vitesse optimale correspondant à
chacun de ses régimes de fonctionnement
Asservir la vitesse ou d’autres grandeurs moteurs
g
Pour fournir à ces moteurs la tension continue variable, on les équipe
pratiquement toujours de convertisseurs électroniques (redresseurs ou
hacheurs).
Seuls les convertisseurs réversibles permettent un fonctionnement dans les
quatre quadrants.
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56. Fonctionnement 4 Quadrants
N
2 1
vitesse
couple vitesse
couple
freinage marche AV moteur AV
moteur AR freinage marche AR C
3 4
vitesse vitesse
couple couple
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57. Exemple : monte-charge
p g
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58. Montée = marche AV
Quadrant 1
Marche
Moteur
vitesse
pendant la couple
montée
Quadrant 1
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59. Descente = marche AR
Quadrant 4
Freinage couple
pendant la
descente vitesse
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60. •FIN
FIN
Machine à Courant
Continu
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