Ministère De L’enseignement Supérieure Et De La Recherche Scientifique
Université Badji Mokhtar – Annaba
Faculté De Technologie
Département D’électromécanique
TP Commande Des Machines Electrique - Licence
TP N°1 : Commande Electromecanique du
moteur à courant continu dans le
système GM (Groupe Ward-Leonard)
Elaboré Par :
M. MEBAREK Abdesslam Ryad
M. RACHEDI Faouzi
Année Universitaire 2022/2023
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I – Présentation de la machine à courant continue :
Une machine à courant continu est un convertisseur électromécanique qui permet la conversion
bidirectionnelle d'énergie entre une installation électrique parcourue par un courant continu et un
dispositif mécanique, selon la source d'énergie. C’est un dispositif réversible qui peut se comporter
soit en « moteur » soit en « générateur » dans les quatre quadrants du plan couple-vitesse, la
distinction entre moteur et générateur étant généralement basée sur l'usage final de la machine.
Lorsqu'elle fonctionne en tant que moteur, l'énergie électrique est convertie en énergie mécanique. En
revanche, lorsqu'elle fonctionne en tant que générateur, l'énergie mécanique est convertie en énergie
électrique. Dans ce dernier cas, elle est également appelée dynamo et peut, dans certains cas, se
comporter comme un frein.
Les machines à courant continu font partie d'un groupe Ward-Leonard qui permettait de faire varier
facilement la vitesse de rotation. De nos jours, on utilise principalement le moteur à courant continu,
qui est associé à un variateur de vitesse statique (variateur électronique) dont la technologie est plus
simple et peu coûteuse tout en demandant peu d'entretien et en offrant des performances élevées dans
une plage de vitesse très large (de 1 à 100 %).
II - Principe de fonctionnement :
Une machine électrique à courant continu est constituée : de l’inducteur (stator) ; de l’induit (rotor) et
du collecteur et des balais.
Le stator : est formé soit d'aimants permanents en ferrite soit de bobines placées autour des noyaux
polaires. Lorsque les bobines (enroulements statoriques) sont parcourues par un courant continu, elles
créent un champ magnétique (flux magnétique longitudinal fixe) 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. Le stator est aussi
appelé « inducteur » en référence au fonctionnement en génératrice de cette machine.
Le rotor : Le noyau du rotor est en fer pour canaliser les lignes de champ. Les conducteurs sont logés
dans des encoches sur le rotor, deux conducteurs formant une spire. Le rotor est relié à un collecteur
rotatif qui inverse la polarité de chaque enroulement du rotor au moins une fois par tour, de sorte qu'un
flux magnétique transversal circule en quadrature avec le flux du stator. Les enroulements du rotor
sont également appelés enroulements d'induit, ou plus communément "induit" en référence au
fonctionnement de la génératrice de cette machine.
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 assurent le passage du courant électrique entre
l’alimentation et les bobinages de l’induit sous forme d’un contact par frottement. Ils sont en graphite
et constituent, en quelques sortes, la pièce d’usure. Le graphite en s’usant libère une poussière qui rend
le moteur à courant continu sensible à un entretien correct et donc coûteux.
Le point de contact entre les balais et le collecteur constitue le point faible du moteur à courant
continu. En effet, c’est à cet endroit, qu’outre le problème d’usure du graphite, la commutation
(inversion du sens du courant dans l’enroulement) s’opère en créant des micros-arcs (étincelles) entre
les lamelles du collecteur; un des grands risques de dégradation des collecteurs étant leur mise en
court-circuit par usure.
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II - Schéma électrique et équation de fonctionnement d’un moteur à excitation
indépendante :
Le moteur à excitation indépendante (séparée) est appelé ainsi parce que l'inducteur et l'induit sont
indépendant et peuvent être alimentés par des sources séparées, généralement une alimentation
variable par dispositif électronique pour l'induit et une alimentation fixe pour l'inducteur (voir
figure.1).
Fig.1 - schéma équivalent moteur courant continu excitation séparée
En supposant que le moteur est parfaitement compensé. Dans le cas du système G-M, les équations de
fonctionnement du moteur, sont les suivantes :
Avec :
: Tension d’alimentation de l’induit du moteur [Volt].
: f.e.m de la génératrice [Volt].
: f.e.m du moteur [Volt].
: Le flux de l’inducteur [weber].
: Le courant dans le circuit d’induit du moteur [Ampère].
: La vitesse angulaire de l’induit [rad/s].
: Constante propre au moteur (dépendant du nombre de conducteurs de l’induit).
et
: Résistances d’induit respectivement du moteur et de la génératrice [Ω].
Le système G-M est généralement utiliser lorsqu’on désire régler avec une très grande précision la
vitesse du moteur a courant continue. Cette dernière est déterminer par l’expression analytique
suivante :
L'équation (2) définit les caractéristiques électromécaniques du moteur, elle représente la relation
entre la vitesse de rotation du moteur et le courant induit
.
Afin d’obtenir l’équation de la caractéristique mécanique du moteur a courant continue dans le
système G-M, il faut substituer dans l’équation (2) le couple électromagnétique développe par le
moteur et qui est déterminer par la relation suivante :
A partir de l’équation (3) on peut déduire que :
3
En remplaçant l’équation du courant (équation (4)) dans l’équation de la caractéristiques
électromécaniques (équation (2)), on obtient l’expression suivante :
Il est à noter que la vitesse à vide du générateur correspond à une valeur de la vitesse à vide idéale,
pour cette raison, lors de la variation de la f.é.m. du générateur, les caractéristiques mécaniques sont
des droites parallèles car l’écart de vitesse déterminée par l'expression (5) reste la même pour toutes
les caractéristiques.
Enfin, En régime permanent établi :
Avec :
: couple résistant de la charge mécanique,
: couple de pertes du moteur
Les équations (1) et (2) montrent qu'il existe deux méthodes de réglage de la vitesse du moteur :


Réglage par variation de la f.e.m. du générateur.
Réglage par variation du courant d'excitation du moteur
L'utilisation de la première approche limite la vitesse du moteur à des valeurs inférieures à la valeur
nominale. En effet, la variation de la f.e.m. du générateur permet d'obtenir des vitesses de rotation
inférieures à la vitesse nominale, car il n'est pas possible d'augmenter la f.e.m. du générateur jusqu'à la
valeur nominale en raison des paramètres nominaux du moteur.
D'autre part, en faisant varier le courant d'excitation du moteur, c'est-à-dire en utilisant la deuxième
méthode, il est possible d'obtenir des valeurs de vitesse supérieures à la vitesse nominale, en
particulier lorsque l'excitation est élevée, mais certaines limites ne doivent pas être dépassées.
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III - But du travail :
Recherche des caractéristiques à vide
, électromécaniques
et mécaniques
, du moteur à courant continu dans le système G-M où la vitesse est régulée par la variation
de la f.e.m. de la génératrice et du flux d'excitation du moteur.
IV - Programme de travail :
1) Relever et construire la caractéristique à vide
du moteur avec
2) Relever et construire la caractéristique à vide
du moteur avec
3) Relever et construire les caractéristiques électromécaniques et mécaniques du moteur, pour
différentes valeurs de la f.é.m. de la génératrice
, avec
;
;
4) Relever et construire les caractéristiques électromécaniques et mécaniques du moteur, lors de
l’affaiblissement du flux magnétique du moteur
, avec
;
et
5) Donner les observations après chaque travail exécuté.
6) Donner une conclusion générale du travail effectuer.
V - Description de l’installation :
Fig.2 - Banc d'essai du système G-M.
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Le banc d'essai se compose de :







Un moteur asynchrone triphasé à rotor bobiné (avec anneaux) alimenté par une source CA
triphasée pour l'entraînement du générateur CC.
Un générateur de courant continu à entraînement indépendant.
Un moteur à courant continu à excitation indépendante.
Deux sources de courant continu variables pour alimenter respectivement l'inducteur du
moteur et l'inducteur du générateur.
Un frein à poudre.
Une unité de commande pour varier le couple
Des appareils de mesure (voltmètre et ampèremètre).
Dans ce travail, le moteur asynchrone triphasé est utilisé comme moteur d'entrée, qui transforme
l'énergie électrique fournie par le réseau en énergie mécanique (couple et vitesse) afin de faire tourner
le générateur à courant continu. Ce dernier convertira à son tour l'énergie mécanique obtenue en
énergie électrique pour alimenter l'induit du moteur à courant continu qui entraine un frein à poudre
dans le couple peut être varier grâce à une unité de commande. Les enroulements d'excitation des deux
machines, à savoir le générateur et le moteur, sont alimentés par des sources de courant variables.
Pour réguler et inverser le courant d'excitation du générateur, un autotransformateur avec redresseur
est utilisé. Il est conçu pour ajuster la tension d'excitation du générateur et pour inverser sa polarité.
Cependant, même si la machine à courant continu est réversible et peut fonctionner dans les quatre
quadrants, dans ce TP, nous testerons le fonctionnement du moteur dans un seul quadrant, à savoir en
régime moteur marche avant
ou marche arrière
par inversion de la
polarité.
a) Paramètres de la génératrice :
Fig.3 - à gauche : le générateur CC et à droite : la plaque a borne du générateur.
A l’inverse de ce qui est affiche sur la plaque a borne, le générateur est à excitation séparé avec une
résistance d’induit de
et celle de l’inducteur est de
. La vitesse de rotation de la
génératrice est de 1500 tr/m.
La tension et le courant nominaux de l'inducteur sont respectivement :
Quant à la tension et au courant nominaux de l'induit, ils sont respectivement :
.
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b) Paramètres du moteur :
Fig.4 - à gauche : le moteur CC et à droite : la plaque a borne du moteur
Comme pour le générateur, le moteur est aussi à excitation séparé avec une résistance d’induit de
et celle de l’inducteur est de
. La vitesse de rotation de la génératrice est de
2000 tr/min.
La tension et le courant nominaux de l'inducteur sont respectivement :
Quant à la tension et au courant nominaux de l'induit, ils sont respectivement :
.
Attention : le moteur étant alimenté par une tension réglable. Le démarrage doit être effectué à
tension réduite APRES MISE SOUS TENSION de l'inducteur afin que le flux sous un pôle soit
maximum.
IL NE FAUT JAMAIS DEBRANCHER L’ALIMENTATION DE L’INDUCTEUR LORSQUE
L’INDUIT EST SOUS TENSION.
c) Les sources de courant continu variables :
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Fig.5 - à gauche : la source CC du moteur et à droite : la source CC de la génératrice.
d) Le frein à poudre et l’unité de commande :
Fig.6 - à gauche : le frein à poudre et à droite : l’unité de commande.
VI - Exécution du travail pratique :
Test.1 -
Relever et construire la caractéristique à vide
:
du moteur avec
La vitesse du moteur à courant continu dépend du courant d’excitation du générateur.
Comme le courant d’excitation du moteur est nominal, la tension d'induit du générateur/moteur peut
être modifiée sans gradation par le courant d'entraînement du générateur et, par conséquent, la vitesse
du moteur à courant continu.
La réalisation de cette partie du TP se fait en procédant selon les instructions ci-dessous :
 Mettre le groupe machines en service.
 Varier la source de courant continue du moteur jusqu’à avoir un courant d’excitation
.
 Régler l’unité de commande sur les gammes suivantes :
 Configurée l’unité de commande en boucle ouverte, fonctionnement à vide.
 Sachant que la gamme de vitesse maximum de l’ l’unité de commande est de
, augmenter la vitesse à vide du moteur jusqu’à atteindre
grâce à la variation du courant d'excitation du générateur à travers la
source continue.
 Placer le calibre du couple a : x10. La gamme de couple est donc :
,
assurez-vous que le couple de démarrage est à 0 N.m et que le frein à poudre est libre.
 Gamme de fonctionnement :
.
 Démarrer les machines.
 Tout d'abord, pour mesurer la vitesse à différents niveaux de courant d'excitation, il est
conseillé de réduire progressivement le courant de la génératrice en dessous de la valeur
nominale et de relever les résultats de la vitesse à chaque instant. Ensuite, il est possible de
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refaire la même expérience en augmentant progressivement le courant d'excitation à des
valeurs supérieures au courant inducteur nominal de la génératrice, tout en mesurant la vitesse
à intervalles réguliers.
 Enregistrer les résultats de mesure dans le tableau 1, tracer la caractéristique et donner les
observations correspondantes.
Tab.1 - caractéristique à vide
Test.2 -
.
Relever et construire la caractéristique à vide
:
du moteur avec
La vitesse du moteur à courant continu dépend aussi du courant d’excitation du moteur.
Comme le courant d'excitation du générateur est à sa valeur nominal, en réduisant le courant inducteur
du moteur, l'intensité du champ magnétique du moteur est réduite, ce qui augmente la vitesse du
moteur.
 La réalisation de cette partie de l'essai se fait en procédant selon les mêmes instructions que
celle de l'essai.1 à la différence que cette foi, c'est le courant d'excitation du moteur
qui
varie tandis que le courant d'excitation du générateur
est maintenu à sa valeur nominale.
 Enregistrer les résultats de mesure dans le tableau 2, tracer la caractéristique et donner les
observations correspondantes.
Tab.2 - caractéristique à vide
.
Test.3 Relever et construire les caractéristiques électromécaniques et mécaniques du
moteur, pour différentes valeurs de la f.é.m. de la génératrice
:
Pour charger le moteur, nous utilisons un frein à poudre magnétique, dans lequel nous pouvons varier
le couple grâce à l'unité de contrôle.
Le courant du moteur est maintenu à sa valeur nominale, tandis que le courant du générateur est
variable grâce à la source de courant continu variable présentée précédemment (voir Fig.5).
La tension du générateur peut être ajustée pour une machine à droite ou à gauche au moyen de la
source de courant continu réglable ou en changeant la polarité. Cependant, dans ce TP, le travail est
effectué dans une seule direction de marche.
Les trois machines (génératrice, moteur et frein) doivent être montées en série et reliées au
thermorupteur de l’unité de commande (Thermostat), afin d'assurer le contrôle thermique de
l'ensemble
La réalisation de cette partie du TP se fait en procédant selon les instructions ci-dessous :
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 Mettre le groupe machines en service.
 Varier la source de courant continue du moteur jusqu’à avoir un courant d’excitation
.
 Régler l’unité de commande sur les gammes suivantes :
 Configurée l’unité de commande en boucle ouverte, fonctionnement à vide.
 Sachant que la gamme de vitesse maximum de l’ l’unité de commande est de
, augmenter la vitesse à vide du moteur jusqu’à atteindre
grâce à la variation du courant d'excitation du générateur à travers la
source continue réglable.
 Placer le calibre du couple a : x10. La gamme de couple est donc :
,
assurez-vous que le couple de démarrage est à 0 N.m et que le frein à poudre est libre.
 Gamme de fonctionnement :
.
 Démarrer les machines à vide.
 Augmentez progressivement le couple C, en veillant à ce que la tension aux bornes du moteur
soit fixée à la valeur indiquée selon le cas; réglez-la en faisant varier le courant d'excitation du
générateur par l'intermédiaire de la source de courant continu réglable. Relever au fur et à
mesure les caractéristiques électromécaniques
et mécaniques
du moteur.
ATTENTION : IL EST PREFERABLE DE COMMENCER PAR UNE VALEUR ELEVEE DU
COUPLE PUIS DE LE REDUIRE PROGRESSIVEMENT, AFIN D'EVITER LA
SURCHAUFFE DES MACHINES.
 Enregistrer les résultats de mesure dans leur tableau respectif suivant le cas, tracer la
caractéristique et donner les observations correspondantes.
Cas.1
-
Relever
les
caractéristiques
:
pour
 Enregistrer les résultats de mesure dans le tableau 3, tracer la caractéristique et donner les
observations correspondantes.
Tab.3 - caractéristiques électromécaniques et mécaniques du moteur pour différentes valeurs de la
f.é.m. de la génératrice
Cas.1.
Cas.2
-
Relever
les
caractéristiques
:
pour
 Enregistrer les résultats de mesure dans le tableau 4, tracer la caractéristique et donner les
observations correspondantes.
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Tab.4 - caractéristiques électromécaniques et mécaniques du moteur pour différentes valeurs de la
f.é.m. de la génératrice
Cas.2.
Cas.3
-
Relever
les
caractéristiques
:
pour
 Enregistrer les résultats de mesure dans le tableau 5, tracer la caractéristique et donner les
observations correspondantes.
Tab.5 - caractéristiques électromécaniques et mécaniques du moteur pour différentes valeurs de la
f.é.m. de la génératrice
Cas.3.
Test.4 Relever et construire les caractéristiques électromécaniques et mécaniques du
moteur, lors de l’affaiblissement du flux magnétique du moteur
:
Pour commencer, le courant d'excitation de la génératrice doit être réglé à sa valeur nominale (
, de même que la tension du moteur (
). Ensuite, fixer le courant d'excitation du moteur
à 0,17 A, il convient d'utiliser la source CC réglable correspondante.
Pour procéder au test, il est recommandé de varier le couple progressivement à l'aide de l'unité de
commande, tout en veillant à ce que la tension aux bornes du moteur reste fixée à la valeur de 220 V.
Il est important de relever au fur et à mesure les caractéristiques électromécaniques
, à
savoir la relation entre la vitesse de rotation (n) du moteur et le courant absorbé ( ), ainsi que les
caractéristiques mécaniques
, à savoir la relation entre la vitesse de rotation et le couple (C)
appliqué au moteur.
Une fois les mesures effectuées, les résultats doivent être enregistrés dans le tableau 6 et une
caractéristique doit être tracée en utilisant les données recueillies. Donner les observations
correspondantes.
Tab.6 - caractéristiques électromécaniques et mécaniques du moteur lors de l’affaiblissement du flux
magnétique du moteur
.
VII - Conclusion :
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Pour terminer ce travail pratique (TP), la dernière étape consiste à interpréter les résultats obtenus et à
en tirer des conclusions afin de déterminer si le moteur est capable de fonctionner de manière efficace
et optimale pour répondre aux besoins de l'application envisagée.
Cette analyse permettra d'évaluer les performances du moteur en termes de caractéristiques
électromécaniques et mécaniques, telles que la relation entre la vitesse de rotation, le courant absorbé
et le couple appliqué. En utilisant les données recueillies et en les comparant avec les spécifications
techniques, il sera possible de déterminer si le moteur est adapté pour l'application envisagée ou s'il
nécessite des ajustements pour améliorer son fonctionnement.
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