Présentation de machines a courant continu.pptx

Module 203 : Installation et dépannage de moteurs et génératrices à courant continu
Formateur : Mr QRARI REDA
Année de formation : 2023/2024 EM-2eme année
ISTA LAAYOUNE

LE PLAN
M203: Installation et dépannage de moteurs et génératrices à c,c
EM-2eme année
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1. Présentation
1.1. Généralités
1.2. Description
1.2.1. Vue d'ensemble
1.2.2. L'inducteur
1.2.3. L'induit
1.2.4. Collecteur et balais
2. Principe de fonctionnement
3. Force électromotrice
4. Couple électromagnétique
5. Fonctionnement en moteur
Les différents types de moteurs à courant continu
5.1. Moteur à excitation indépendante (séparée)
5.2. Moteur à excitation série
6. Fonctionnement e génératrice
6.1. Fonctionnement à vide
6.2. Fonctionnement sur charge résistive
6.3. Bilan des puissances

1.PRESENTATION
1.1. Généralités
La machine à courant continu est un convertisseur électromécanique permettant la conversion bidirectionnelle
d'énergie entre une installation électrique parcourue par un courant continu et un dispositif mécanique ; selon
la source d'énergie:
• En fonctionnement moteur, l'énergie électrique est transformée en énergie mécanique.
• En fonctionnement générateur, l'énergie mécanique est transformée en énergie électrique (elle peut se
comporter comme un frein). Dans ce cas elle est aussi appelée dynamo
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1.PRESENTATION
1.1. Généralités
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1.PRESENTATION
1.2. Description
1.2.1. Vue d'ensemble
La machine à courant continue comporte
les parties principales suivantes :
• Une partie fixe appelée STATOR qui aura
le rôle d'inducteur.
• Une partie mobile appelée ROTOR qui
aura le rôle d'induit.
• Une liaison rotor - éléments extérieurs à
la machine appelée collecteur.
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1.PRESENTATION
1.2. Description
1.2.2. L'inducteur ( ou circuit d’excitation)
Il est formé soit d'aimants permanents en ferrite soit
de bobines placées autour des noyaux polaires.
Lorsque les bobines sont parcourues par un courant
continu, elles créent un champ magnétique dans le
circuit magnétique de la machine notamment dans
l'entrefer, espace séparant la partie fixe et la partie
mobile, où se situent les conducteurs.
Ce flux et ce champ sont orientés du pôle Nord vers
le pôle Sud.
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1.PRESENTATION
1.2. Description
1.2.3. L'induit ( ou circuit de puissance)
Le noyau d'induit est en fer pour canaliser les
lignes de champ, les conducteurs sont logés
dans des encoches sur le rotor, deux
conducteurs forment une spire.
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1.PRESENTATION
1.2. Description
1.2.4. collecteur et balais
Le collecteur est un ensemble de lames
de cuivre isolées, disposées sur
l’extrémité du rotor, les balais portés par
le stator frottent sur le collecteur
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2.PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
Une machine à courant continu possède
un nombre n de conducteurs actifs au niveau de l'induit.
Le flux utile sous un pôle créé par l’inducteur est exprimé en webers,
et N représente la fréquence de rotation de l’arbre du rotor, en tours par seconde.
Deux cas peuvent se présenter :
• Soit un conducteur est à la fois traversé par un courant électrique et plongé à l’intérieur d’un champ
magnétique, il est alors soumis à une force électromagnétique.
• Soit un conducteur est à la fois en mouvement de rotation et plongé à l’intérieur d’un champ magnétique, il
est alors le siège d’une force électromotrice
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2.PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
Ces deux cas peuvent être décrits par le schéma suivant :
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3.FORCE ELECTROMOTRICE
Nous savons qu’une bobine en mouvement dans un champs magnétique voit apparaître à ses bornes une force
électromotrice (f.é.m.) donnée par la loi de Faraday: Sur ce principe, la machine à courant continu est le siège d’une
f.é.m. E :
Avec:
p le nombre de paires de pôles
a le nombre de paires de voies d’enroulement
N le nombre de conducteurs (ou de brins - deux par spires)
Φ flux maximum à travers les spires (en Webers - Wb)
Ω vitesse de rotation (en rad.s-1)
Finalement:
Si de plus la machine fonctionne à flux constants
E =KΦΩ
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4.COUPLE ELECTROMAGNETIQUE
Exemple pour une spire : les deux brins d’une spire placées
dans le champ magnétique B , subissent des forces de Laplace
F1 et F2, formant un couple de force (F1 = −F2)
Couple électromagnétique: en Newtons. Mètres (N.m)
Tem = KΦI
K est la même constante que dans la formule de la f.é.m.: E = KΦΩ
Si de plus la machine fonctionne à flux constant : Tem = K' I avec K' = KΦ
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5.FONCTIONNEMENT EN MOTEUR
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Les différents types de moteurs à courant continu

5.1. Moteur à excitation indépendante (séparée)
5.1.1. Modèle équivalent
Caracteristiques:
Il faut deux alimentations : une pour l’inducteur et l’autre pour l’induit
5.1.2. Vitesse de rotation
Le sens de rotation dépend :
- du sens du flux, donc du sens du courant
d’excitation Ie ;
- du sens du courant d’induit I.
Expression de la vitesse : E = KΦΩ = U − RI
⇒
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E =KΦΩ
Tem = KΦI
U= E+RI

5.1. Moteur à excitation indépendante
5.1.3. Démarrage du moteur
Soient :
Tdc le couple de démarrage imposé par la charge (N.m);
Td le couple de démarrage du moteur (N.m);
Id le courant de démarrage (A);
Un =240 V la tension d’alimentation nominale de l’induit;
In = 20 A le courant nominal dans l’induit;
R=1 Ω la résistance de l’induit;
Au démarrage : Ω = 0 E = 0 et donc Id = = = 240A >> In
⇒
Au démarrage en charge : il faut que Td > Tdc il faut donc un courant de décollage Id ≈ >
On constate qu’étant donné la pointe de courant de démarrage, le moteur à excitation indépendante peut
démarrer en charge.
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Td
KΦ
Tdc
KΦ
Un −E
R
Un
R

5.1.3. Démarrage du moteur
Conséquences: La pointe de courant de 240 A va provoquer la détérioration de l’induit par échauffement excessif par
effet joule. Il faut limiter le courant de démarrage, en générale on accepte Id = 1, 5 In
Solutions pour limiter le courant
on utilise des rhéostats de démarrage. Cette solution
est peu économique.
Dans notre exemple Un = (R + Rh )Id = (R + Rh )1,5In
Soit : Rh = (Un /1,5In) − R = 7 Ω
Solution 1
on démarre sous une tension d’alimentation réduite.
Dans notre exemple Ud = RId = R.1,5.In = 30 V
Solution 2
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5.1.4. Fonctionnement à vide
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A vide la seule puissance absorbée sert à compenser les pertes. La puissance utile est nulle
Iₒ << In RIₒ << U et finalement Ωₒ = ≈
⇒
La vitesse à vide se règle en fonction de la tension d’alimentation ou du flux inducteur Φ
Attention :
à vide, il ne faut jamais supprimer le courant d’excitation Ie lorsque l’induit est sous tension, car le moteur peut s’emballer
En effet si Ie → 0 alors Φ → 0 et Ωₒ→ ∞
Fonctionnement à flux constant
Ω =(U−RIₒ)/KΦ ≈ U/KΦ = K₂U
avec K₂ = 1/KΦ
La caractéristique passe approximativement par zéro.
U − RI ₒ
KΦ
U
KΦ

5.1.5. Fonctionnement en charge
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Exprimons la vitesse de rotation en fonction de la tension d’alimentation :
𝛺=
𝐸
𝑘𝜙
⇒
(U-RI) avec K₂
1
𝑘𝜙
La vitesse dépend de :
- la tension d’alimentation U ;
- l’intensité du courant I imposée par le moment du couple
résistant.
U reste tout de même grand devant R.I. En conséquence la
vitesse de rotation est essentiellement fixée par la tension
d’alimentation U et varie très peut en fonction du courant, c’est-
à-dire de la charge

5.1.5. Fonctionnement en charge
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Mode de fonctionnement usuel
L’alimentation de l’induit sous tension réglable présente deux avantages :
- mise en vitesse progressive avec suppression de la surintensité ;
- vitesse largement variable.
C’est le mode de fonctionnement utilisé lorsque la vitesse doit varier.
Conclusion :
• La tension d’alimentation impose la vitesse de rotation
• La charge impose la valeur du courant
𝛺=
U
𝑘𝜙
I

5.1.6. Point de fonctionnement
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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 :
Cette équation détermine le point de fonctionnement du
moteur.
Tu = Tr

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5.1.7. Bilan énergétique
Soient :
Pa: la puissance absorbée (W) ;
Pem: la puissance électromagnétique (W) ;
Pu: la puissance utile (W);
Pje: les pertes joules à l’inducteur (W);
Pj: les pertes joules à l’induit (W) ;
Pfer: les pertes ferromagnétiques (W) ;
Pméca: les pertes mécaniques (W) ;
Ue: la tension de l’inducteur (V) ;
Ie: le courant d’inducteur (A) ;
E: la f.é.m. (V) ;
I: le courant d’induit (A) ;
Tem: le couple électromagnétique (N.m) ;
Tu: le couple utile (N.m) ;
Ω: la vitesse de rotation (rad.s-1) ;
R: la résistance d’induit (Ω) ;
r: la résistance d’inducteur (Ω).

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5.1.8. Rendement
Mesure directe:
Cette méthode consiste à mesurer Pa et Pu:
Méthode des pertes séparées:
Cette méthode consiste à évaluer les différentes pertes:

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5.2. Moteur à excitation Série
5.2.1. Principe
L’inducteur et l’induit sont reliés en série.
Conséquence : I = Ie
et comme Φ = Cste.Ie (hors saturation)
E =KΦΩ= kΩI et Tem = KΦI = kI²
5.2.2. Modèle équivalent et caractéristiques
Caractéristiques :
U= E+Rt I
E = KΦΩ = kΩI
Tem = KΦI = kI²
𝛺=
U −Rt I
k I
Schéma équivalent : Rt = r + R

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5.2.3. Démarrage
Tension de démarrage :
Comme pour le moteur à excitation indépendante, il est préférable de démarrer sous tension d’induit réduite
En effet au démarrage : Ω = 0 E = 0
⇒ ⇒
Couple de démarrage :
Le moteur série peut démarrer en charge.
Supposons que l’on limite le courant de démarrage Id à 1,5 fois le courant nominal In:
Excitation indépendante : Td = KΦId = 1,5KΦIn = 1,5Tn
Excitation série : Td = kId² = k(1,5In )² = 2,25kIn² = 2,25Tn
Pour les mêmes conditions, le moteur série possède un meilleur couple de démarrage que le moteur à excitation
indépendante.

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5.2.4. Fonctionnement à vide
La charge impose le courant :
Si Tem tend vers 0, I tend aussi vers 0 et Ω tend vers l’infini (si
l’on ne tient pas compte des frottements)
Alimenté sous tension nominale, le moteur série ne doit jamais
fonctionner à vide au risque de s’emballer

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5.2.4. Caractéristique T=f(I)
Tem = kI²
Tu = Tem −Tp

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5.2.4. Caractéristique T=f(I)
Fonctionnement sous tension nominale
Si nous négligeons les différentes pertes :
E =U ; I = et Tu =kI² =
Finalement :
Sous tension nominale, le moteur à excitation en série ne peut pas fonctionner à
faible charge car la vitesse dépasserait largement la limite admise
U
kΩ
U ²
kΩ ²
Tu Ω² = Cste
Sens de rotation
Rappel : pour changer le sens de rotation d’un moteur à
courant continu, il faut inverser soit I, soit Ie .
Comme pour le moteur à excitation série I=Ie , pour
changer son sens de rotation il faut inverser la connexion
entre l’inducteur et l’induit.

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Soient :
Pa: la puissance absorbée (W) ;
Pem: la puissance électromagnétique (W) ;
Pu: la puissance utile (W);
Pje: les pertes joules à l’inducteur (W);
Pj: les pertes joules à l’induit (W) ;
Pfer: les pertes ferromagnétiques (W) ;
Pméca: les pertes mécaniques (W) ;
5.1.7. Bilan énergétique Ue: la tension de l’inducteur (V) ;
Ie: le courant d’inducteur (A) ;
E: la f.é.m. (V) ;
I: le courant d’induit (A) ;
Tem: le couple électromagnétique (N.m) ;
Tu: le couple utile (N.m) ;
Ω: la vitesse de rotation (rad.s-1) ;
R: la résistance d’induit (Ω) ;
r: la résistance d’inducteur (Ω).

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5.3. Moteur à excitation shunt
Les caractéristiques de ce moteur sont les mêmes que celle d’un moteur à excitation séparée
5.4. Emploi et identification
Moteur à excitation indépendante:
Ce moteur est caractérisé par une vitesse réglable par tension et indépendante de la charge. En association avec un
convertisseur statique (hacheur) fournissant une tension réglable, la vitesse peut varier sur un large domaine. Il fournit un
couple important à faible vitesse (machines-outils, levage). En petite puissance, il est souvent utilisé en asservissement avec
une régulation de vitesse.
Moteur à excitation en série:
Ce moteur possède un fort couple de démarrage. Il convient très bien dans le domaine des fortes puissances (1 à 10 MW)
pour obtenir un fonctionnement satisfaisant en faible vitesse (traction, laminoirs). En petite puissance il est employé comme
démarreur des moteurs à explosion

6.FONCTIONNEMENT EN GENERATRICE
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6.1. Fonctionnement à vide
R La résistance totale de l'induit
Uₒ La tension aux bornes de l’induit
Eₒ La f.é.m. de la génératrice
Iₒ L’intensité du courant dans l’induit
Nₒ La fréquence de rotation du rotor
La tension Uₒ mesurée directement sur l’induit de la génératrice est exactement égale à la f.e.m Eₒ de la
machine car l’intensité du courant est nulle, il n’y a donc pas de chute de tension due à la résistance de
l’induit

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6.2. Fonctionnement sur charge résistive
E = KΦΩ
Tem = KΦI
U= E−RI
Caractéristiques :
R La résistance totale de l'induit
U La tension aux bornes de l’induit
E La f.e.m de la génératrice
I L’intensité du courant dans l’induit
N La fréquence de rotation du rotor

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6.3. Bilan énergétique
Puissance
absorbée
Pₐ= C.Ω + Uₑ.Iₑ
Pertes collectives
Pc = Cp.Ω
Pertes joules inducteur
Pj = Uₑ.Iₑ = r. Iₑ²
Puissance électromagnétique
Tem .Ω = E.I
Pertes joules induit
Pj = R.I²
Puissance Utile
Pu = UI

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