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I. Présentation de la machine :
La Machine à Courant Continu (MCC) est un convertisseur électromécanique réversible :
- Génératrice CC (Dynamo) : pratiquement elle n’est plus utilisée pour la production de l’énergie électrique.
Cependant, on l’utilise encore comme excitatrice des alternateurs des centrales, ou pour un freinage par
récupération.
- Moteur CC : utilisé à grande échelle dans l’entraînement à vitesse variable en raison de sa souplesse de
commande. Utilisé également dans la traction électrique.
II. Constitution de la machine :
Une machine à courant continu comporte trois parties principales : l’inducteur, l’induit et le collecteur avec les
balais.
1. L’inducteur (stator) :
C’est la partie fixe de la machine, il est formé d’un aimant permanent ou d’un électro-aimant bobiné et traversé
par le courant d’excitation, il produit un flux magnétique permanent.
Les pertes joules dans les inducteurs à aimants permanents sont supprimées, mais l’excitation magnétique est fixe.
Dans les grosses machines, le coût des aimants pénalise cette solution. L’utilisation des électro-aimants parcourus
par un courant d’excitation I e
, réglable permettent la modification du flux inducteur Φ e
Inducteur hexapolaire
Inducteur bipolaire
Pole d’inducteur
Pole d’inducteur
Inducteur tétrapolaire Inducteur bipolaire à aimant permanent
2. L’induit (rotor) :
C’est la partie tournante de la machine, il constitue l’ensemble des conducteurs qui coupent le flux magnétique.
Ces conducteurs sont logés dans des encoches et reliés entre eux à travers le collecteur.
3. Le collecteur et balais :
Le collecteur est un ensemble cylindrique de lames de cuivre isolées les unes des autres par des feuilles de mica. Le
collecteur est monté sur l’arbre de la machine. Dans une machine bipolaire, deux balais fixes et diamétralement
opposés appuient sur le collecteur et assurent le contact électrique entre l’induit et le circuit extérieur. Les
machines multipolaires ont autant de balais que de pôles. Par exemple, une machine ayant 4 pôles possède 4
balais, dont 2 positifs (+) et 2 négatifs (-). Les balais (+) sont reliés ensemble pour former la borne positive de la
machine. De même, les balais (-) sont reliés ensemble pour en former la borne négative.
Bobinage imbriqué ou paralléle
Bobinage ondulé ou série
5. Génératrice à courant continu :
Dans la réalité, la tension générée par une bobine se déplaçant sur un axe, est alternative sinusoidale :
Cette tension alternative sera redressée par le collecteur, et prélevée aux bornes des balais. Ce collecteur, dans sa
forme la plus simple, est constitué de deux lames isolées l’une par rapport à l’autre. La tension aux bornes des
balais sera de la forme :
Si on rajoute des bobines, avec un collecteur à plusieurs lames, cela a pour effet d’augmenter le niveau moyen de
la tension générée.
IV. Modes d’excitation :
Une machine à courant continu comporte deux circuits électriques : l’enroulement de l’induit et l’enroulement de
l’inducteur. Ces deux circuits peuvent être couplés l’un par rapport à l’autre de différentes manières ce qui définie
les différents modes d’excitation.
- Pour la machine à excitation séparée, l’enroulement inducteur est alimenté par une source externe et
indépendante de l’enroulement de l’induit.
- Pour la machine à excitation shunt (dérivation), les enroulements de l’inducteur et de l’induit, sont montés en
parallèles. L’enroulement inducteur comporte un grand nombre de spires en fil fin pour avoir une résistance
élevée paraport à celle de l’induit, car le courant d’excitation ne devant dériver que de 2% à 5% environ du
courant total. Dans le cas de fonctionnement en génératrice, l’amorcage se fait à vide grace au champ
magnétique rémanent. On peut facilement régler la valeur de la tension induite au moyen d’une résistance
variable intercalée en série avec l’enroulement de l’inducteur, cette résistance variable porte le nom de
rhéostat de champ.
- Pour la machine à excitation série, les enroulements de l’inducteur et de l’induit, sont montés en série.
L’enroulement inducteur ne doit entraîner qu’une chute de tension de 3% environ, il a donc une faible
résistance et comporte peu de spires de gros fil.
- Pour la machine à excitation composée, c’est la combinaison des deux modèles précédents. Les deux
enroulements peuvent être montés en courte dérivation, ou en longue dérivation. Les flux inducteurs peuvent
s’ajouter (flux additifs) ou se retrancher (flux soustractifs).
ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam
➢ Dans tous les cas La puissance électromagnétique : Pem = Tem.Ω = E.I
➢ Les pertes collectifs : Pc = P
fer
+P
mec
= T
P
• P
fer
: Pertes de fer
• P
mec
: Pertes mécaniques
• T
P
: Couple de pertes
➢ La puissance utile :
- En fonctionnement moteur P U
= T
U
.Ω T
U
: Couple utile en N.m
- En fonctionnement génératrice P U
= U.I U : Tension d’induit
I : Courant débité par la machine
➢ Les pertes joules : P
J
= R.I
2
+ r.I
e
2
R.I
2
: Pertes joules d’induit
r.I
e
2
: Pertes joules d’inducteur, elles sont nulles dans le cas d’une machine à aimant permanent
➢ La puissance absorbée :
- En fonctionnement moteur P a
= U.I + U
e
.I
e
- En fonctionnement génératrice P a
= T
M
.Ω + U
e
.I
e
o U.I : Puissance électrique absorbée par l’induit en fonctionnement moteur.
o T
M
.Ω : Puissance mécanique absorbée par la machine en fonctionnement génératrice.
o U
e
.I
e
: Puissance absorbée par l’inducteur (prise en compte seulement pour la machine à excitation
séparée).
Dans tous les cas le rendement s’écrit : η =
Pu
Pa
avec P
a
= P
U
+ P
J
+ P
C
VII. Caractéristiques des moteurs :
1. Etude d’un moteur à excitation séparée :
On a les relations :
E = KΦ.Ω Tem = KΦ.I
E = K’I
e
.Ω Tem = K’I
e
.I
U = E + RI
Donc :
U = KΦ.Ω + RI
Ω =
𝑈−𝑅𝐼
KΦ
Remarquons que si par accident, l’excitation est coupée (Φ=0), la vitesse devient infini (Ω=∞), alors le moteur
s’emballe!!! L’emballement est un accident mortel !!!
Si on néglige les pertes collectives on aura :
𝑇𝑢 = 𝑇𝑒𝑚 − 𝑇𝑝 ≈ 𝑇𝑒𝑚 = KΦ. I
KΦ. I
I =
U − E
R
U − KΦ. Ω
R
𝑇𝑢 = KΦ. I = KΦ (
U − KΦ. Ω
R
KΦ. I
𝑇𝑢 =
KΦU
R
−
(KΦ)
2
R
KΦ. I
KΦ
KΦ
𝑇𝑢 = KΦ. I
KΦ. I
Si la tension d’alimentation et le courant d’excitation sont constantes, alors les caractéristiques Ω(I), Tu(I), et
Tu(Ω) :
Remarques :
- A vide : 𝑇𝑢 = 0 ; 𝐼 ≈ 0 ; Ω = Ωo =
𝑈
KΦ
- La vitesse reste sensiblement constante quelque soit la charge.
- Les caractéristiques d’un moteur à excitation shunt sont identiques à celles du moteur à excitation séparé à
condition que la tension d’alimentation soit constante.
2. Etude d’un moteur à excitation série :
KΦ
KΦ
𝑇𝑢 = KΦ. I
KΦ. I
𝑇𝑢 =
KΦU
R
−
(KΦ)
2
R
KΦ. I
On a les relations :
U = E + (R+r)I
E = KΦ.Ω Tem = KΦ.I
E = K’I
e
.Ω Tem = K’I
e
.I
Puisque I
e
= I alors :
E = K’I.Ω Tem = K’.I
2
Donc : U = K’I.Ω + (R+r)I Ω =
K′I
K′
Si on néglige les pertes collectives on aura :
𝑇𝑢 = 𝑇𝑒𝑚 − 𝑇𝑝 ≈ 𝑇𝑒𝑚 = KΦ. I
KΦ. I
𝑇𝑢 = K′. I
2
KΦ. I
I =
U
K
′
. Ω + R + r
𝑇𝑢 = K′. I
2
K
′
. U
2
K
′
. Ω + R + r)
2
KΦ. I
Au moment de démarrage Ω = 0 , donc E = KΦ.Ω = 0
- Pour le moteur shunt 𝑈 = (𝑅ℎ + 𝑅)𝐼𝑑 donc 𝑅ℎ =
𝑈
𝐼𝑑
- Pour le rhéostat de champ Rh’, on doit le placer au minimum au démarrage, pour assurer un courant
d’excitation suffisant pour vaincre le couple résistant au démarrage.
𝐼𝑑 donc 𝑅ℎ =
𝑈
𝐼𝑑
2. Démarrage semi-automatique à deux sens de rotation :
IX. Freinage des moteurs à courant continu :
1. Freinage rhéostatique :
Dans la phase de freinage, la machine se comporte comme une génératrice qu’on dissipe son énergie cinétique
converti en énergie électrique, dans un rhéostat de freinage.
2. Freinage par récupération d’énergie :
Dans ce cas au lieu de dissiper l’énergie dans une résistance de freinage, on la récupère dans une batterie (voitures
hybrides) ou la réinjecter dans le réseau (traction électrique).
3. Fonctionnement en 4 quadrants :
