31-Circuits-de-puissance-electriques

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I – PRINCIPAUX ACTIONNEURS ELECTRIQUES :
En fonction de la nature de l’énergie issue de la conversion effectuée par l’actionneur, on distingue différents types
d’actionneurs électriques. Ces actionneurs convertissent une énergie électrique en :
 Energie mécanique de rotation : moteurs rotatifs
 Energie mécanique de translation : moteurs linéaires, électro-aimants
 Energie thermique : résistances de chauffage, électrodes
 Energie radiante : lampe à décharge
Dans le domaine des systèmes automatisés de production, les moteurs rotatifs sont le plus fréquemment utilisés. Ces
moteurs sont diversifiés et on peut citer :
 Les moteurs à courant continu
 Les moteurs asynchrones
 Les moteurs synchrones ou auto-synchrones
 Les moteurs à courant impulsionnel ou moteurs pas à pas
Leur vitesse de rotation peut être fixe ou variable selon les besoins. Dans ce dernier cas, le moteur est associé à un
dispositif de modulation d’énergie.
II – PRINCIPES GENERAUX SUR LES MOTEURS ROTATIFS :
21 – Principe de fonctionnement :
Un moteur électrique rotatif fonctionne du fait de l’existence de 2 champs
magnétiques :
 Le champ statorique Bs, lié à la partie tournante du moteur
 Le champ rotorique Br, lié à la partie fixe du moteur
Si les 2 champs sont décalés d’un angle «  », il apparaît alors un couple (ou
un effort) qui tend à les aligner. Le couple est maximum lorsque les 2 champs
sont perpendiculaires ( = /2).
Pour créer un moteur, il suffit, par un procédé technique, de faire tourner (ou
de déplacer) un de ces 2 champs par rapport à l’autre pour que l’autre suive,
entraînant ainsi le mouvement relatif du rotor par rapport au stator.
22 – Caractéristiques principales :

C
Br

Bs
Les caractéristiques importantes d’un moteur sont :
 Le couple disponible en bout d’arbre
 La fréquence de rotation de l’arbre donc du rotor
 L’intensité du courant consommé
Afin de comparer des types de moteurs différents et de déterminer le point de fonctionnement d’un ensemble
mécanique entraîné par un moteur, il est nécessaire de connaître la courbe du couple en fonction de la fréquence de
rotation : c’est la caractéristique du moteur.
Afin de déterminer les conditions électriques de branchement, de commande et de protection d’un moteur, il est
nécessaire de connaître aussi les caractéristiques électriques de ce moteur : ce sont les courbes de courant en fonction
de la vitesse ou du couple.
III – CHOIX D’UN MOTEUR ELECTRIQUE :
Une seule vitesse : les moteurs à courant alternatif sont les plus adaptés. Ils seront asynchrones si la précision de
la vitesse n’est pas critique (3% à 8%), synchrones dans le cas contraire. Les vitesses étant standardisées (3000,
1500, 100, 750 tr/min), un réducteur mécanique peut être nécessaire.
Deux ou trois vitesses fixes : les mêmes moteurs peuvent être utilisés par permutation des enroulements.
Vitesse variable : le moteur à courant continu à excitation séparée est le plus utilisé. Toutefois, les progrès des
commandes électroniques pour les moteurs à courant alternatif rendent leurs utilisations de plus en plus intéressantes
économiquement dans la plupart des cas courants.
Vitesse asservie : le moteur à courant continu à aimant permanent est le plus adapté pour des puissances
inférieures à 10 kW. Les moteurs synchrones sans balais sont aussi utilisables, avec l’avantage d’une absence de
limite de vitesse due à la commutation électronique.
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Position asservie : les moteurs à courant continu ou auto-synchrones pilotés sont utilisables dans tous les cas.
Les moteurs pas à pas peuvent être utilisés lorsque la puissance nécessaire et les inerties entraînées sont faibles
(inertie ramenée à l’arbre moteur de l’ordre de celle du rotor). Il convient toutefois de vérifier que la précision nécessaire
est compatible avec le nombre de pas du moteur.
Vitesse élevée (> 3000 tr/min) : les moteurs à courant continu et pas à pas ne sont pas adaptés : les premiers
en raison de la limitation due à la commutation mécanique par balais. Il existe toutefois des moteurs à courant continu
sans balais moins limités en vitesse.
En règle générale, exception faite pour les vitesses fixes, on ne choisit pas seulement un moteur mais un ensemble
moteur et commande électronique. Les performances de l’installation dépendent autant du moteur que de sa
commande.
IV – MOTORISATION ELECTRIQUE DES SYSTEMES :
L’énergie électrique est disponible soit sous forme de courant alternatif sur des installations fixes alimentées par le
réseau de distribution, soit sous forme de courant continu pour des équipements le plus souvent mobiles ou
autonomes.
L’énergie électrique continue est fournie par des batteries ou des piles, mais la quantité d’énergie stockée est
relativement limitée. Toutefois, pour des consommations importantes, le réseau alternatif alimente des récepteurs
continus en transformant le courant alternatif en courant continu à l’aide de montages redresseurs.
Les systèmes sont équipés de moteurs électriques (continus ou alternatifs) adaptés à la forme de l’énergie utilisée.
Le moteur le plus usité en milieu industriel est le moteur asynchrone triphasé (machines outils, broyeurs, concasseurs,
bandes transporteuses, convoyeurs, ponts roulants, pompes, ventilateurs, compresseurs, etc.)
V – STRUCTURE
ELECTRIQUE :
FONCTIONNELLE
D’UNE
CHAINE
DE
CONVERSION
D’ENERGIE
Les moteurs électriques convertissent l’énergie électrique (essentiellement caractérisée par un
courant et une tension) en une énergie mécanique (caractérisée par un couple et une fréquence de
rotation). De ce fait, les moteurs appartiennent à la famille des actionneurs dont la fonction est
toujours de convertir l’énergie dans le but de l’adapter aux besoins de la PO.
Quel que soit l’actionneur électrique utilisé, il est toujours nécessaire d’avoir :
 Une source d’énergie adaptée dont on peut disposer en toute sécurité
 Un préactionneur permettant de commuter ou de moduler l’énergie à partir d’un ordre issu de la PC
 Un ensemble de dispositifs de protection de l’actionneur
 L’actionneur proprement dit pour exerce l’action souhaitée sur l’effecteur
Energie,
électrique du
réseau
Energie,
électrique
ISOLER DU
RESEAU
Fonction
sectionnement
Sectionneur
Disjoncteur
Energie,
électrique
PROTEGER
CONTRE LES
COURTS
CIRCUITS
Fonction
protection
contre CC
Fusibles
Disjoncteur
magnétique
Energie,
Utilisable
COMMUTER
MODULER
Préactionneur
Contacteur
Variateur
Gradateur
Energie,
Utilisable
PROTEGER
CONTRE LES
SURCHARGES
Fonction
protection
contre
surcharges
Relais thermique
Disjoncteur
magnétothermique
Energie
mécanique de
rotation
CONVERTIR
L'ENERGIE
Actionneur
électrique
Moteurs :
pas à pas
Asynchrones
A courant continu
Autosynchrones
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VI – MOTORISATION DES PARTIES OPERATIVES :
61 – Chaîne :
Limites
Arbre
moteur
Mesures
Consignes
Energie
électrique
MOTEUR
M
DEMARREUR
VARIATEUR
m
Pm
Tm
m
Jm
Pa
Charge
Réducteur
K
Pr
Tr
m
K=r/m
Tr
r
Jr
r
Jc
Souvent, Jm et Jr sont négligeables devant Jc.
62 – Conventions :
Pa : Puissance absorbée par le moteur en watts
Moteur :
Réducteur :
 m : rendement du moteur
 r : rendement du moteur
 Pm : puissance utile sur l’arbre  Pr: puissance absorbée par la
moteur en watts
charge ramenée sur l’arbre moteur
en watts
 Tm : couple moteur en N/m
 m : fréquence de rotation de  Tr : couple résistant ramené sur
l’arbre moteur en N/m
l’arbre moteur en rad/s

r : fréquence de rotation de la
 Jm : moment d’inertie du moteur
charge en rad/s
en kg/m²
 Jr : moment d’inertie du réducteur
en kg/m²
Pa =
Pm
m
Pm = Tm.m
Pr = Tr.m
Charge :
 Jc : moment d’inertie de la charge
ramené sur l’arbre moteur en
kg/m²
r
m
2n
=
60
K=
La machine entraînée (la charge) possède des caractéristiques mécaniques : frottements, déplacements, vitesse,
accélération, travail, etc.
Le choix d’un moteur et de son variateur (démarreur) dépend donc essentiellement du type de
charge : couple, vitesse, accélération, cycle de fonctionnement.
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VII – ETUDE MECANIQUE :
71 – Etude du couple résistant :
La caractéristique du couple résistant en fonction de la vitesse Tr = f() définit les besoins de la machine entraînée.
Lorsque cette caractéristique n’est pas parfaitement connue, elle est assimilée à l’une des 3 courbes suivantes.
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72 – Moment d’inertie :
L’inertie caractérise les masses en mouvement : c’est un paramètre dynamique. C’est par son inertie qu’un système
s’oppose au changement de vitesse que l’on veut lui imposer. La grandeur physique associée à l’inertie est le moment
d’inertie J exprimé en kg/m².
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73 – Dynamique :
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VIII – QUADRANTS DE FONCTIONNEMENT :
Principe :
Certaines charges peuvent fonctionner :
 Dans les 2 sens (avant et arrière)
 En devenant entraînantes : un disque en rotation continue de tourner malgré la coupure de l’alimentation du moteur.
Un véhicule dans une descente peut rouler moteur coupé (en roue libre).
Il existe donc pour un moteur couplé à une charge plusieurs zones de fonctionnement appelées
quadrants de fonctionnement.
Zones de fonctionnement ou 4 quadrants :
Analyse de fonctionnement :
Sens de
rotation
Sens 1
Sens 2
Vitesse
Couple
Puissance
P=T
Quadrant
+
+
-
+
+
+
+
-
1
2
3
4
Travail
électrique
machine
Moteur
Résistante
Génératrice
Entraînante
Moteur
Résistante
Génératrice
Entraînante
Charge
Lorsqu’une machine est utilisée en moteur, les phases de fonctionnement, dans les quadrants 2 et 4 sont souvent très
courtes : il s’agit de périodes de freinage ou d’inversion du sens de marche.
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IX – COMPOSANTS DES CIRCUITS TERMINAUX :
Les installations industrielles et domestiques sont étudiées en tenant compte des impératifs de sécurité et d’exploitation
(décrets de lois). Il est également nécessaire de se prémunir afin d’éviter toute cause de perturbation dans le
fonctionnement général de la distribution publique.
Toutes les précautions doivent donc être prises pour protéger les personnes et le matériel. Dans les systèmes
automatisés, les impératifs de sûreté et de sécurité sont très importants. Il importe de protéger à tous les niveaux le
système (PC, alimentations, câblages, PO) et l’opérateur.
Dans ce qui suit sont expliquées les différentes protections matérielles nécessaires à toute installation électrique de
puissance et leur principe de fonctionnement.
X – FONCTIONS DE L’APPAREILLAGE ELECTRIQUE :
Combinés
Appareils de base
Sectionneur
Interrupteur
Fusible
Contacteur
Télérupteur
Disjoncteur
Relais de protection
(magnétique et/ou
thermique)
Disjoncteur différentiel
Relais baisse de tension
Parafoudre (surtension)
Tension <>
Différentielle
Court circuit
Surcharge
PROTECTION
Coupure
d’entretien
Arrêt
d’urgence
Coupure
urgente
COMMANDE
Fonctionnelle
APPAREILLAGE
SECTIONNEMENT
Le rôle de l’appareillage électrique est d’assurer le sectionnement, la commande, l’arrêt d’urgence et
la protection des circuits électrique.
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
XI – CARACTERISTIQUES GENERALES DE LA PROTECTION :
111 – L’indice de protection (IP) :
L’indice de protection est une codification des enveloppes de protection.
Le tableau des indices de protection est donné page suivante.
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112 – Les classes de protection :
Le matériel électrique est réparti en 4 classes :
Classe
Symbole
Observations
0
Aucun
Isolation principale sans masse accessible à la terre
I
Parties métalliques reliées à la terre
II
Double isolation, pas de masse
III
Matériel alimenté en 12 ou 24 volts
113 – Défauts sur les installations :
La chaîne fonctionnelle de protection comporte 3 parties :
 Le défaut, qui est souvent dû à une cause extérieure (fils mal isolés entraînant un court circuit).
 La détection du défaut est réalisée par des détecteurs à l’aide des lois de l’électricité.
 L’élimination du défaut, qui, dans la plupart des cas, s’effectue en coupant le courant dans le circuit
siège du défaut.
Le tableau suivant indique, pour chaque perturbation, sa cause, ses effets et les moyens de protection à mettre en
œuvre.
Perturbations
Causes
Surcharges
Dès que l’appareil d’utilisation
demande une puissance plus
importante dans un circuit
électrique.
Ex :
plusieurs
radiateurs
électriques sur une même prise
de courant ou moteur bloqué.
Courts
circuits
Effets
Accroissement
anormal
du
courant absorbé par le circuit,
d’où échauffement lent mais
pouvant
entraîner
la
détérioration de l’installation
Elévation brutale du courant  Création d’un arc électrique
absorbé par le circuit due à un  Echauffement très important
contact électrique entre 2
pouvant entraîner la fusion
conducteurs
de
polarités
des conducteurs
différentes.
 Création
d’efforts
Ex : 2 conducteurs dénudés qui
électrodynamiques
se touchent.
Moyens de protection
 Fusibles gl ou gG
 Contacteurs
avec
relais
thermique
 Disjoncteurs
Appareils à caractéristique de
fonctionnement inverse : plus
l’intensité augmente et plus le
temps de coupure diminue
Les appareils de protection
doivent avoir un pouvoir de
coupure supérieur au courant
de court circuit présumé.
 Fusibles gl, gG, aM
 Disjoncteur
avec
relais
magnétique
 Temps de coupure inférieur
au temps d’échauffement des
conducteurs
Surtensions
Une surtension peut être due à :
 Un défaut d’isolement avec
une installation de tension
plus élevée (amorçage dans
un transformateur)
 Des
surtensions
atmosphériques
 Des effets de self-induction
 Des
phénomènes
de
résonance
 Séparation des circuits de
Une surtension peut provoquer
tensions différentes dans les
le
claquage
d’isolants
et
canalisations
entraîner une surcharge ou un
 Limiteur de surtension
court circuit et la détérioration
 Parafoudre
des
appareils
et
des
 Contrôleur d’isolement de
canalisations.
l’installation
Baisses de tension
Lors du déséquilibre d’un
réseau
triphasé
(mauvaise
répartition des charges) ou par
suite à une coupure d’une
phase ou de sa mise à la terre.
 Si la tension est 85% de Un,
fonctionnement
de
la
Mauvais fonctionnement des
protection par relais à minima
récepteurs : lampes, radiateurs,
de tension
risque
d’échauffement
des
 Relais à baisse de tension
moteurs
souvent temporisé pour éviter
les coupures intempestives.
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114 – Détection des défauts :
La détection des défauts est basée sur les effets thermiques et magnétiques du courant électrique.
Effet thermique
Echauffement de fils fusibles : le passage du
courant dans un fil produit de la chaleur qui échauffe le
conducteur selon la relation : W = RI²t
Dilatation de bilame : un élément bimétallique
formé de 2 lames minces de métaux ayant des
coefficients de dilatation différents s’incurve lorsque sa
température augmente. Pour ces bilames, on utilise un
alliage de ferro-nickel et de l’invar. Les 2 lames sont
intimement liées entre elles par soudage.
Effet magnétique
Le passage du courant dans un enroulement produit un
flux magnétique. En cas de surintensité ou de court
circuit, une armature mobile est attirée. Elle commande
alors l’ouverture d’un contact. Le réglage s’effectue en
augmentant ou en diminuant l’entrefer.
115 – Elimination des défauts :
Lorsqu’un défaut est détecté sur un circuit, il doit être immédiatement éliminé par l’ouverture du circuit. Cette ouverture
de circuit s’effectue automatiquement dans les 2 cas suivants :

Fusible : la fusion du fusible entraîne la coupure du circuit en défaut
 Séparation de contacts : dans le cas où le circuit est protégé par un contacteur ou un disjoncteur, la
séparation des contacts doit provoquer la coupure de courant, même si celui-ci est très élevé (cas d’un court
circuit). Il faut alors faire appel à différentes techniques de coupure.
116 – Techniques de coupure :
Arc électrique : à la séparation de 2 pièces sous tension d’un appareil de coupure, il se crée une ionisation de l’air.
Cette ionisation engendre la création d’un arc électrique parcouru par le courant à couper. Il faut alors couper l’arc pour
couper le courant.
Soufflage de l’arc :
 Soufflage par auto-ventilation : lorsque l’arc jaillit, à cause de sa température élevée, l’air chaud s’échappe à la
partie supérieure. Il est remplacé par de l’air frais, non ionisé, qui refroidit l’arc.
 Soufflage par fractionnement de l’arc : l’arc s’allonge et rencontre des pièces métalliques. Il est fractionné en
de nombreux petits arcs et il s’éteint.
 Soufflage magnétique : une bobine placée en série dans le circuit est parcourue par le courant à couper. Elle
crée un champ magnétique qui, selon les règles des 3 doigts, provoque une force de bas en haut sur le courant
d’arc.
 Soufflage magnétique et refroidissement d’arc : c’est la combinaison des 2 dispositifs précédents.
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117 – Grandeurs physiques :

Courant nominal : c’est la valeur de l’intensité que peut supporter l’appareil de protection en service normal.
On l’appelle actuellement courant assigné. Il s’exprime en ampères. Les valeurs sont normalisées : 10, 16, 20,
25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 250, 400, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3200, 4000, 5000,
6300.

Tension nominale ou tension assignée : c’est la valeur de la tension pour laquelle le matériel
électrique est adapté. Les tensions du réseau sont : 230/400 V, 400/690 V, 590/1000 V.
Tension d’isolement Ui : c’est la tension que peut supporter un appareil sans détérioration de ses isolants.
 Tension assignée de tenue aux chocs électriques Uime : c’est la tension que peut supporter un

appareil dans le cas de décharge atmosphérique (foudre) ou de surtension d’origine interne (manœuvre de
circuit). Les valeurs de Uime sont normalisées : 230/400 V – 6kV, 400/690 V – 8 kV, 590/100 V – 8kV.

Pouvoir de coupure PC : c’est le courant maximal que peut couper un appareil de commande ou de
protection sous sa tension nominale. La coupure est effective lorsque la tension de rétablissement ne provoque
pas de réamorçage de l’arc. On l’exprime en kiloampères (kA). PC est supérieur au courant de court circuit.

Durée de vie : c’est le nombre de cycles que peut réaliser un appareil de commande et de protection. On
distingue la durée de vie mécanique et la durée de vie électrique.
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XII – LES FUSIBLES :
Un fusible est un appareil de connexion dont la fonction est d’ouvrir un circuit par la fusion d’un
élément calibré.
Fusible Fusible à percuteur Sectionneur fusible
121 – Constitution des fusibles :
Coupe circuit :
Un coupe circuit à fusible comporte :
 Un socle qui permet le raccordement à l’installation
 Un porte fusible support de l’élément de remplacement
 Une cartouche fusible cylindrique ou à couteau qui contient l’élément fusible avec ou sans percuteur
Pour éviter le remplacement d’un fusible par un autre de calibre différent, les dimensions sont différentes selon les
calibres.
122 – Règles de protection :

Protection contre les surcharges : elle est assurée en fonction des valeurs caractéristiques de la
canalisation qu’elle doit protéger. La coupure du circuit doit intervenir avant un échauffement anormal pouvant
entraîner des dégâts.

Protection contre les courts-circuits : le pouvoir de coupure doit être au moins égal au courant de court
circuit au point où il est installé.
123 – Caractéristiques physiques :
Classes :


Classe gl ou gG : ce sont les fusibles d’usage général. Ils protègent contre les surcharges et les courts circuits.
Classe aM : ce sont les fusibles d’accompagnement moteur prévus pour la protection contre les courts-circuits. La
protection contre les surcharges est assurée par un relais thermique.
Tension nominale : c’est la tension maxi sous laquelle le fusible peut être utilisé (250, 400, 500 ou 600 V).
Intensité nominale : c’est l’intensité qui peut traverser indéfiniment un fusible sans provoquer ni échauffement
anormal, ni fusion. C’est le calibre du fusible.
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Courant de fusion et de non-fusion : le courant de non-fusion est la valeur de courant qui peut être supportée par
la cartouche pendant un temps spécifié, sans fondre. Le courant de fusion est la valeur du courant qui provoque la
fusion de la cartouche avant la fin du temps spécifié.
Durée de coupure : c’est le temps qui s’écoule entre le moment où commence à circuler un courant suffisant pour
provoquer la fusion et la fin de la fusion.
Pouvoir de coupure : c’est le courant maximal qu’un fusible peut couper sans que la tension de rétablissement ne
provoque un réamorçage de l’arc. Les fusibles possèdent un pouvoir de coupure élevé (80 à 170 kA).
124 – Choix et mise en œuvre des fusibles :
Une protection par fusible peut s’appliquer à un départ de ligne ou à un récepteur. Le choix d’un fusible doit fixer :
 La classe : gl, gG, aM
 Le calibre et la tension d’emploi
 La forme et la taille
 Eventuellement un système déclencheur ou non
 Le pouvoir de coupure
XIII - LE SECTIONNEUR :
131 – Rôle :
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion capable d’ouvrir et fermer un circuit lorsque
le courant est nul ou pratiquement nul afin d’isoler la partie de l’installation en aval du sectionneur.
Sectionneur
unipolaire



Sectionneur bipolaire avec
cartouche fusible
Sectionneur tripolaire porte
fusibles
Le sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure ou de fermeture (c’est un appareil commandé manuellement).
La coupure doit donc être visible directement par observation de la séparation des contacts, soit par un indicateur
de position si les contacts ne sont pas visibles.
Le sectionneur peut être verrouillable par un cadenas en position ouvert. C’est une sécurité lorsque sur un circuit
des personnes travaillent en aval du sectionneur.
132 – Le sectionneur domestique :
La fonction sectionneur est obligatoire au départ de chaque circuit. Elle est réalisée
par des sectionneurs à fusible incorporé, avec coupure de neutre.
133 – Le sectionneur industriel :
Les sectionneurs industriels assurent la fonction sectionnement, au départ des
équipements. Ces appareils sont composés :
 De fusibles de protection
 De contacts principaux qui permettent d’assurer le sectionnement de
l’installation : c’est une fonction de sécurité obligatoire.
 De contacts auxiliaires qui permettent de couper le circuit de commande des
contacteurs avant l’ouverture des pôles du sectionneur, ce qui évite la
coupure en charge. De même, à la mise sous tension, le circuit de commande
n’est fermé qu’après la fermeture des pôles du sectionneur.
 D’une poignée de commande qui peut être verrouillée en position ouverte par
un cadenas.
 De fusibles qui assurent une protection contre les surcharges et courtscircuits dans l’installation ou l’équipement électrique.
En enlevant les cartouches fusibles d’un sectionneur triphasé, on ne peut alimenter que le circuit de commande d’un
équipement ; ce qui est très utile pour la maintenance.
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134 – Sectionneur haute tension HT :
Ce sectionneur est très employé car il permet une coupure visible et il assure l’isolement des lignes.
XIV – LA PROTECTION PAR DISJONCTEUR :
La protection par disjoncteur des installations électriques a tendance à remplacer des plus en plus
les fusibles. En effet, le disjoncteur peut également réaliser les fonctions de sectionnement, de
baisse de tension, de télécommande et de signalisation. On le préfère aussi pour des raisons de
maintenance et d’automatisation des installations.
141 – Règles pour la protection par disjoncteur :
Protection contre les surcharges : elle est assurée en fonction des valeurs caractéristiques de la canalisation
qu’elle doit protéger. La coupure du circuit doit intervenir avant un échauffement anormal pouvant entraîner des dégâts.
Protection contre les courts-circuits : le pouvoir de coupure doit être au moins égal au courant de court
circuit au point où il est installé.
142 – Constitution des disjoncteurs :
Un disjoncteur est un appareil mécanique de connexion capable d’établir, de supporter et
d’interrompre des courants dans les conditions normales du circuit. Il peut aussi établir et supporter
pendant une durée spécifiée et interrompre des courants dans des conditions anormales spécifiées
telles que celles du court-circuit.
I> I> I>
Disjoncteur tripolaire
I> I> I>
Disjoncteur tripolaire magnétique
Disjoncteur tripolaire
magnétothermique
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
Un disjoncteur est l’association d’un ensemble de contacts
avec un grand pouvoir de coupure et d’un système de
protection contre les surcharges et les courts-circuits.
La protection contre les surcharges est assurée par des
déclencheurs thermiques qui peuvent détecter de faibles
surcharges à l’aide d’un élément bimétallique.
La protection contre les courts-circuits est assurée par des
déclencheurs électromagnétiques. Ceux-ci interviennent audelà des courants de surcharge et jusqu'à l’intensité
maximale du courant de court-circuit.
La coupure du circuit doit être exécutée même en cas de
court circuit. Le pouvoir de coupure du disjoncteur doit donc
être supérieur ou égal au courant de court circuit pouvant
prendre naissance dans le circuit à protéger.




Les disjoncteurs peuvent aussi effectuer toutes les manœuvres de commande d’ouverture et de fermeture des
circuits.
Le disjoncteur peut être muni de déclencheurs à courant résiduel de défaut ou de baisse de tension. Ces systèmes
peuvent être ou non temporisés.
143 – Caractéristiques d’un disjoncteur :
Courant assigné ou nominal In : c’est la valeur du courant que peut supporter indéfiniment un disjoncteur sans
échauffement anormal. On l’appelle calibre du disjoncteur.
Courant de réglage Ir : c’est le courant maxi que peut supporter le disjoncteur sans déclenchement. Ce courant
est lié au réglage du déclencheur thermique : en général de 0,7 In à 1In.
Courant de fonctionnement Im : c’est le courant de
fonctionnement des déclencheurs magnétiques en cas de
court circuit. Les déclencheurs magnétiques ont pour rôle de
provoquer l’ouverture du disjoncteur en cas de surintensité
brutale ou de court circuit. La valeur de Im peut varier de
2,8In à 15In.
Tension assignée ou d’emploi Ue : c’est la tension
pour laquelle l’appareil peut être utilisé : 230 V à 660 V ou
1000 V pour la basse tension.
Pouvoir de coupure : c’est la plus grande intensité de
courant de court circuit qu’un disjoncteur peut interrompre
sous une tension donnée. Il s’exprime en kA (ex : 50 kA sous
400 V).
Courbe de déclenchement : c’est l’association de la
courbe de déclenchement du relais thermique et de la courbe
de déclenchement du relais magnétique.
144 – Classification des disjoncteurs :
Disjoncteurs divisionnaires : ils sont situés sur les
tableaux de distribution terminale et remplacent de plus en
plus les fusibles. Ces disjoncteurs sont de forme modulaire
et peuvent être à 1, 2, 3 ou 4 pôles. Ils acceptent des
tensions de 230/400 V avec des calibres allant de 1 à 63 A.
Disjoncteur sur châssis métallique : ils sont destinés à
de très grosses intensités (800 à 6300 A). Ils sont le plus
souvent à commande motorisée et munis de relais de
protection électroniques.
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Disjoncteurs moyenne et haute tension : destinés à la protection des réseaux de distribution et des postes de
transformation, ces disjoncteurs utilisent la coupure dans l’hexafluorure (SF6). La coupure s’effectue dans une chambre
remplie de SF6. Les déplacements des contacts sont linéaires. Pour les disjoncteurs HT et THT (400 kV), un pôle de
disjoncteurs est constitué d’une ou plusieurs chambres de coupure.
Disjoncteurs de distribution BT : ces disjoncteurs sont utilisés pour la distribution d’énergie en BT et pour la
protection des moteurs. Ils sont réalisés en boîtier moulé et équipés d’un relais thermique.
115 – Choix d’un disjoncteur :
Le choix du disjoncteur en basse tension s’effectue en fonction du circuit à protéger et principalement selon :
 Le courant assigné ou calibre, en relation avec l’intensité admissible dans la canalisation
 Le pouvoir de coupure qui dépend de l’intensité de court circuit au point considéré
 Le nombre de pôles
 La courbe de protection ou les réglages possibles
Pour chaque circuit, on détermine les fonctions nécessaires à la protection et à l’utilisation de l’installation. On tient
compte aussi des fonctions déjà réalisées en amont et de toutes les prescriptions de sécurité.
XV – L’APPREILLAGE DE COMMANDE :
La fonction commande permet à l’utilisateur d’intervenir de façon manuelle ou automatique pour la mise en ou hors
tension d’un circuit ou d’un appareil. L’interrupteur et le contacteur sont les appareils de base qui réalisent cette
fonction.
151 – Caractérisation de la commande :
Un appareil de commande est un appareil mécanique de connexion, capable d’établir, de supporter
et d’interrompre des courants dans les conditions normales du circuit, y compris les conditions de
surcharges en service.
Il existe 2 types de commande :
 La commande manuelle réalisée par l’interrupteur
 La commande automatique réalisée par le contacteur
Interrupteur unipolaire
Interrupteur bipolaire
Interrupteur sectionneur
Contacteur tripolaire
bipolaire
La commande d’un circuit peut se faire en TOR, c’est le cas des interrupteurs ou des contacteurs.
Elle peut se faire aussi de façon progressive en utilisant des variateurs qui agissent en modulant
l’énergie.
L’appareil de commande est relié en amont au réseau et contrôle en aval un récepteur. Il doit donc tenir compte de ces
paramètres.
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Type de réseau : on distingue les réseaux à courant continu et les réseaux à courant alternatif. Le nombre de
conducteurs actifs, 2 en monophasé et 3 ou 4 en triphasé, détermine le nombre de pôle de l’appareil.
Type de récepteurs : selon que le récepteur est une inductance, une résistance ou un moteur, une codification des
catégories d’emploi permet de choisir l’appareil de commande.
152 – Grandeurs physiques :
Tension et courant d’emploi assignés : la valeur de la tension combinée avec le courant d’emploi détermine
l’emploi de l’appareil de commande. Ex : 230, 400, 500, 600, 1000 V pour les tensions (en triphasé, il s’agit de tensions
entre phases) ; 10, 16, 25, 32, 40, 50, 63, 80, etc. pour les courants.
Pouvoir de coupure et de fermeture : le pouvoir de coupure est la valeur du courant efficace que peut couper
ou établir un appareil de commande sans subir de détérioration. Le pouvoir de coupure des interrupteurs et des
contacteurs est de 7 à 10 fois l’intensité d’emploi assignée ; ce qui est beaucoup plus faible que pour les fusibles ou les
disjoncteurs (ex : le pouvoir de coupure d’un contacteur de 32A est de 300A). Le pouvoir de fermeture est
généralement égal au pouvoir de coupure.
Durée de vie électrique : c’est le nombre de cycles d’ouverture/fermeture que l’appareil peut effectuer sans
remplacement de ses contacts. Elle s’exprime en millions de manœuvres.
Courant nominal thermique Ith : c’est le courant que peut supporter l’appareil en position fermée pendant un
temps infini.
Température : lorsque la température est différente de la température normale, on procède à des déclassements. Il
en est de même pour l’altitude.
Le facteur de marche : c’est le rapport entre la durée de passage du courant « t » et la durée du cycle « T » : m =
t/T avec T = somme de la durée de passage du courant et période de repos.
153 – Interrupteurs :
Les interrupteurs permettent d’établir, de supporter et d’interrompre des courants par une action
manuelle volontaire. Ils possèdent 2 positions de repos : ouvert et fermé.
Ils peuvent réaliser d’autres fonctions :
 Interrupteur sectionneur avec coupure visible et verrouillage
 Interrupteur / fusibles avec porte fusibles
 Interrupteur télécommandé avec commande électrique
 Interrupteur différentiel avec relais de type DDR.
Les commutateurs font partie des interrupteurs. Ils permettent de sélectionner
un circuit. L’inverseur est le cas le plus courant.
On distingue les interrupteurs domestiques (surtout utilisés pour l’éclairage)
des interrupteurs industriels. Ces derniers sont souvent employés pour la
commande de circuits de chauffage ou de force motrice.
Courant assigné : il est fixé par le circuit ou l’appareil à commander.
Tension assignée : elle dépend du réseau d’alimentation.
Pouvoir de coupure : il peut varier de 5 à 10 fois l’intensité d’emploi selon les constructeurs.
Nombre de pôles : 2 en monophasé, 3 en triphasé, 4 en triphasé avec neutre.
Présentation : selon les emplois, les interrupteurs sont classés en interrupteurs domestiques (calibre 10A),
interrupteurs divisionnaires (calibre 16, 32, 63, 100A) et interrupteurs de puissance (63 à 2500A).
Mode de commande : les interrupteurs peuvent être à commande latérale par levier ou à commande frontale par
poignée tournante.
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154 – Contacteurs :
Le contacteur est un appareil mécanique de commande ayant une seule position de repos,
commandé autrement qu’à la main, capable d’établir, de supporter et d’interrompre des courants
dans les conditions normales du circuit, y compris les conditions de surcharge en service.
Le contacteur est donc un appareil de connexion à commande électrique, actionné à
distance et automatiquement.
Le contacteur permet l’alimentation en énergie d’un actionneur à partir d’une information
électrique de commande déportée (commande à distance).
La commande peut être électrique (le plus souvent), pneumatique ou hydraulique.
Il assure la protection contre les baisses de tension et les coupures de courant.
Un contacteur dont les contacts principaux sont fermés en position repos est appelé
rupteur.
Le contacteur associé à d’autres appareils peut réaliser diverses fonctions :
 Protéger un récepteur contre les surcharges avec un relais thermique : c’est un discontacteur.
 Protéger un récepteur contre les surcharges et les courts circuits avec un relais magnétothermique et des pôles
avec un fort pouvoir de coupure : c’est un contacteur disjoncteur.
 Provoquer un arrêt d’urgence lorsqu’il est commandé par un bouton poussoir d’arrêt d’urgence.
Le fonctionnement d’un contacteur est identique à celui d’un relais électromagnétique. Le contacteur est piloté à partir
de sa bobine de commande ; son alimentation correcte entraîne l’excitation de la bobine et la fermeture par
déplacement simultané des contacts associés (contacts de puissance et auxiliaires). La non-excitation (nonalimentation de la bobine) provoque l’ouverture de tous les contacts.
Dans certains cas (inversion du sens de rotation d’un moteur asynchrone), il est nécessaire de prévoir une
condamnation mécanique et électrique (utilisation de contacts auxiliaires sur le circuit de commande) entre 2
contacteurs afin d’éviter un court-circuit sur la ligne de distribution lors du passage d’un fonctionnement à l’autre
(passage du sens normal au sens inverse).
Pôles ou contacts principaux : ce sont les éléments qui
assurent l’établissement et la coupure du circuit.
Electro-aimant : c’est l’organe de manœuvre du contacteur. Il peut
être alimenté en courant alternatif ou continu. L’intensité à circuit
magnétique ouvert (réluctance du circuit magnétique élevée) peut
atteindre 6 à 10 fois celle du circuit fermé. En courant alternatif, une
bague de déphasage empêche la vibration du circuit magnétique (spire
de Frager). En courant continu, le circuit magnétique est massif et en fer
doux pour éviter le magnétisme rémanent.
Contacts auxiliaires : ils sont destinés à assurer l’autoalimentation, les asservissements, les verrouillages, la signalisation des
contacteurs dans les équipements. Les contacts auxiliaires sont à
ouverture ou fermeture.
Contacts temporisés : ils permettent d’établir ou de couper un
circuit un certain temps après la fermeture (au travail) ou l’ouverture (au
repos) du contacteur qui les actionne. La temporisation est crée par un
dispositif retardateur pneumatique.
Valeurs assignées :
La tension d’emploi assignée Ue, combinée avec le courant d’emploi assigné détermine l’emploi du contacteur. Ex : en
alternatif, la tension d’emploi assignée peut être de 230, 400, 500, 660, 100 V (en triphasé, il s’agit de valeurs entre
phases).
Le courant d’emploi assigné Ie est le courant d’emploi défini par le constructeur et qui tient compte des facteurs
suivants : tension d’emploi assignée, fréquence assignée, service assigné.
Dans les valeurs assignées rentre aussi le type d’enveloppe de protection.
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Catégories d’emploi :
Les catégories d’emploi normalisées fixent les valeurs de courant que le contacteur doit établir ou couper. Elles
dépendent :
 De la nature du récepteur contrôlé : moteur à cage ou à bagues, résistances.
 Des conditions dans lesquelles s’effectuent les fermetures et les ouvertures : moteur lancé, calé ou en cours de
démarrage, inversion du sens de marche, freinage à contre courant.
Catégorie
Continu
Alternatif
AC1
Récepteur
Fonctionnement
Four à résistances Charges non inductives ou faiblement inductives
AC2
Moteur à bagues
Démarrage, inversion de marche
AC3
Moteur à cage
Démarrage, coupure moteur lancé
AC4
Moteur à cage
Démarrage, inversion, marche par à-coups
DC1
Résistance
DC2
Moteur shunt
Démarrage, coupure
DC3
Moteur shunt
Démarrage, inversion, marche par à-coups
DC4
Moteur série
Démarrage, coupure
DC5
Moteur série
Démarrage, inversion, marche par à-coups
Charges non inductives
Autres caractéristiques :
 Facteur de marche
 Fréquence de manœuvre : nombre de cycles complets (ouverture / fermeture) effectués par un contacteur en 1
heure
 Durée de vie ou endurance électrique
Remarque : le discontacteur est l’association d’un contacteur et d’un relais thermique. Le contacteur assure la
commande automatique des circuits. Le relais thermique permet de détecter les surcharges et de couper le circuit de
commande du contacteur. La protection contre les courts circuits n’est pas assurée à cause du faible pouvoir de
coupure du contacteur.
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155 – Relais thermiques :
Le relais thermique est basé sur l’emploi de
détecteurs à bilame qui assurent le déclenchement
par surcharge triphasée ou en cas de coupure d’une
phase.
La courbe de déclenchement représente le temps de
déclenchement moyen en fonction des multiples
intensités de réglage. L’intensité minimale de
déclenchement est égale à 1,15 fois l’intensité de
réglage I. Autrement dit, le relais thermique ne
déclenche pas sous l’intensité de réglage mais à 1,15
fois I réglage.
Notions de classes :
Selon les durées de démarrage des moteurs, on
associe 3 classes de relais thermique :
 Classe 10 : déclenchement normal : démarrage
de 2 à 20 secondes.
 Classe 20 : déclenchement faiblement temporisé :
de 6 à 20 secondes.
 Classe 30 : déclenchement fortement temporisé :
jusqu’à 30 secondes.
Le relais thermique donne l’image thermique du
moteur, mais il ne relève pas la température interne
du moteur.
156 – Contacteurs disjoncteurs :
Ces appareils assurent les fonctions d’un contacteur plus les fonctions d’un
disjoncteur :
 Commande à distance automatique
 Protection contre les surcharges et les courts circuits avec pouvoir de
coupure
 Commande par arrêt d’urgence et sectionnement
Le contacteur disjoncteur est un appareil de commande avec un dispositif
d’accrochage mécanique et 2 bobines, l’une d’enclenchement, l’autre de
déclenchement.
Ex : intégral 18A, 32A et 63A : c’est un appareil de conception modulaire avec des
modules de commande automatique, de protection, de sectionnement, de
signalisation, de dialogue avec API, etc.
Ce type d’appareil se distingue par des grandeurs particulières qui sont :
 Le pouvoir de coupure assigné : 50 kA
 La durée de vie électrique : 1,5 millions de manœuvres
 La cadence de fonctionnement : 3600 cycles à l’heure
Le contacteur disjoncteur est surtout employé pour la commande et la protection des moteurs des systèmes
automatisés.
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157 – Choix d’un contacteur :
Le choix d’un contacteur s’effectue en fonction des paramètres suivants :
 Courant d’emploi et courant absorbé par le récepteur. Le calibre doit être supérieur à ce dernier.
 Catégorie d’emploi : on tient compte de la nature et du type de fonctionnement du récepteur (AAC1, AC2, etc.).
 Nombre de manœuvres : il détermine la durée de vie du contacteur.
Compte tenu de ces facteurs, on recherche dans la documentation les caractéristiques du contacteur à utiliser et sa
référence. Les constructeurs, à la suite d’essais normalisés, ont établi des tableaux qui donnent directement les
résultats.
Le choix d’un contacteur montre, dès que le nombre de cycle augmente, on est conduit à utiliser un calibre d’intensité
plus important que pour un régime de fonctionnement continu. Cela revient à opérer un dimensionnement plus
important du contacteur.
 La désignation complète du contacteur doit comprendre :
 Le type du contacteur : nombre de pôles, nature du courant, milieu de coupure
 Les caractéristiques assignées : calibre et tension
 Le type de circuit de commande et les dispositifs d’alimentation : tension et nature du courant d’alimentation de la
bobine
 Les circuits auxiliaires : contacts instantanés ou temporisés, degré de protection des enveloppes IPxxx
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XVI – LE TRANSFORMATEUR :
Les parties commande des systèmes automatisés nécessite une
alimentation en très basse tension de sécurité (TBTS < 50V), en
général égale à 24V.
On est donc obligé d’abaisser la tension du réseau (380V ou 240V) en
une tension plus faible.
L’appareil permettant de réaliser cette fonction est un transformateur.
Un transformateur est un appareil statique permettant la
modification de certaines grandeurs sinusoïdales (tension,
courant) sans en changer leur fréquence.
Les transformateurs d’alimentation des circuits de commande sont à
enroulement séparés.
 La partie alimentée dans la plus grande tension est appelée
primaire du transformateur.
 La partie alimentée dans la plus faible tension est appelée
secondaire du transformateur.
Dans le cas des TBTS, le contact sur les 2 phases du secondaire est
sans danger, même en milieu conducteur.
La mise à la terre d’un enroulement d’un transformateur (commun des
bobines) est obligatoire.
Ligne d’alimentation du primaire :
Le transformateur ne peut à lui seul générer des surcharges. Sa ligne d’alimentation ne nécessite donc qu’une
protection contre les courts circuits. Par ailleurs, à la mise sous tension du transformateur, il se produit un appel de
courant très important (de l’ordre de 25 In) pendant environ 10 ms.
La protection de la ligne doit donc tenir compte de ces 2 facteurs. LEGRAND propose les 3 possibilités suivantes :
 Cartouches fusibles de type aM
 Disjoncteur type D (magnétique réglé à 15In environ)
 Disjoncteur type C (magnétique réglé à 6In environ)
Ligne d’utilisation du secondaire :
 Cette ligne doit être protégée contre les surcharges et les courts circuits
 Pour les surcharges, vérifier que le calibre de la protection est inférieur ou égal au courant secondaire du
transformateur
 Pour les courts circuits, vérifier qu’au point le plus éloigné de la ligne, il assurera le déclenchement de la
protection en moins de 5 secondes
LEGRAND propose :
 Cartouches fusibles type gG
 Disjoncteurs type C (réglés à 6In)
400V
24V
230V
aM
gG
aM
Barette de
neutre
Alimentation entre phases
aM
24V
gG
Barette de
neutre
Alimentation entre phase et neutre
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Symboles :
400V
24V
Transformateur 400V / 24V
230V
24V
Transformateur 230V / 24V
XVII – LE RELAIS ELECTROMAGNETIQUE :
Un relais électromagnétique, dans son principe de commutation,
s’apparente à un interrupteur mécanique dont la manœuvre serait non pas
effectuée manuellement mais à partir de la mise en alimentation d’une
bobine appelée bobine d’excitation ou bobine de commande.
La mise en action du relais par sa bobine de commande demande une puissance
électrique faible. Elle provoque la fermeture ou l’ouverture d’un circuit principal
transportant un courant élevé. Et par là même, elle peut commander une puissance
beaucoup plus, importante que celle d’excitation.
Le relais magnétique est constitué d’un circuit magnétique en fer doux, muni d’une ou
plusieurs bobines qui reçoivent la puissance d’excitation et comportant une partie mobile
reliée mécaniquement au dispositif interrupteur du circuit principal.
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Les caractéristiques d’un relais électromagnétique sont :
 La consommation du circuit de commande : la consommation du circuit d’excitation représente la puissance
absorbée par la bobine de commande pour la valeur nominale du courant ou de la tension (données
constructeurs).
 Le nombre de pôles (ou de contacts) du circuit d’utilisation : il s’agit de contacts secs ou mouillés (contacts par
mercure) qui peuvent être à ouverture, fermeture, inverseurs ou temporisés.
 Le pouvoir de coupure : il représente la puissance maximale qui peut être fournie à un circuit commandé à
l’ouverture par le contact du relais.
 Valeur ohmique de la bobine de commande : ce paramètre caractérise la résistance électrique de l’enroulement
de commande du relais.
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XVIII – LA MACHINE ASYNCHRONE :
181 – Phénomènes physiques :
L’expérience de la figure ci-contre montre que si l’on entraîne en rotation
autour d’un axe (xy) un aimant permanent, un disque de cuivre libre en
rotation sur cet axe est lui aussi entraîné en rotation. Mais ce disque tourne
moins vite que l’aimant. C’est la raison pour laquelle un moteur fonctionnant
selon ce principe est appelé moteur asynchrone car la vitesse du disque
(rotor) est inférieure à celle du champ magnétique tournant créé par l’aimant.
Dans la réalité, l’aimant permanent tournant est remplacé par 3 bobines décalées à 120° et alimentées par un système
équilibré de 3 tensions triphasées constituant le stator du moteur. La figure ci-contre montre le stator et le rotor d’un
moteur très simplifié : d’une part, les 3 bobines n’occupent pas exactement cette position (qui empêche de monter l’axe
au centre du rotor) et d’autre part, la répartition du bobinage se fait sur toute la périphérie du stator.
Le rotor qui remplace le disque est constitué de barres
d’aluminium (ou de cuivre) dont les extrémités sont reliées
entre elles en formant une cage. Ce type de moteur porte le
nom de moteur à cage d’écureuil ou de moteur à rotor en
court circuit.
Si au niveau du rotor, les barres sont remplacées par un
bobinage, le moteur porte le nom de moteur à rotor bobiné.
Une bobine, composée de spires parallèles parcourues
par un courant, produit un champ magnétique orienté
selon la normale à la section des spires. Ce champ est
proportionnel à l’intensité du courant et au nombre de
spires. Si le courant est sinusoïdal, ce champ l’est aussi.

La bobine 1 est traversée par un courant I1=Im.cost et crée un champ h1=hm.cost. Ce champ est parallèle à la
normale n1 de la bobine 1.
 La bobine 2 est traversée par un courant I2=Im.cos(t-2/3) et crée un champ h2=hm. (t-2/3). Ce champ est
parallèle à la normale n2 de la bobine 2.
 La bobine 3 est traversée par un courant I3=Im.cos(t-4/3) et crée un champ h1=hm.cos(t-4/3). Ce champ est
parallèle à la normale n3 de la bobine 3.
 =2f : pulsation en rad/s et f fréquence du réseau en Hz.
Le champ résultant Hr est la somme vectorielle : h1 + h2 + h3. La figure ci-dessous représente la position et le module
des champs h1, h2, h3 et Hr pour 3 valeurs de temps.
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Pour t=0 :




Le courant I1 vaut +Im, alors le champ h1 vaut Hm et est orienté comme la normale n1
Le courant I2 vaut –Im/2, alors le champ h2 vaut Hm/2 et est orienté à l’opposé de la normale n2
Le courant I3 vaut –Im/2, alors le champ h3 vaut Hm/2 et est orienté à l’opposé de la normale n3
Hr est la somme vectorielle (h1+h2+h3) : son module vaut 3Hm/2 et est orienté comme n1
Pour t=T/6 :




Le courant I1 vaut +Im/2, alors le champ h1 vaut Hm/2 et est orienté comme la normale n1
Le courant I2 vaut +Im/2, alors le champ h2 vaut Hm/2 et est orienté comme la normale n2
Le courant I3 vaut –Im, alors le champ h3 vaut Hm et est orienté à l’opposé de la normale n3
Hr est la somme vectorielle (h1+h2+h3) : son module vaut 3Hm/2 et est orienté à l’opposé de la normale n3. Le
vecteur champ résultant a subit une rotation de 60 degrés.
Pour t=T/3 :

Le principe est identique pour construire Hr, qui subit une nouvelle rotation de 60 degrés.
Un tel bobinage triphasé et fixe produit un champ tournant remplaçant ainsi l’aimant permanent tournant.
Dans notre exemple, où par phase la bobine crée une paire de pôles (un pôle nord et un pôle sud), le champ Hr fait un
tour par période ; c’est à dire que pour un courant de fréquence 50 Hz, Hr fait 50 tours par seconde ou 300 tr/min. C’est
la vitesse du champ statorique appelée aussi vitesse de synchronisme. Pour un moteur asynchrone, la vitesse de
synchronisme ne sera jamais supérieure à 3000 tr/min.
La figure de la page suivante montre l’inversion du sens de rotation du champ. La bobine 2 est alimentée par le courant
I3 et la bobine 3 par le courant I2
La construction est identique au cas précédent en prenant garde de placer le champ h’2 (créé par I2) sur la normale de
la bobine 3 et le champ h’3 (créé par I3) sur la normale de la bobine2. Le champ résultant tourne dans le sens opposé à
celui mis en évidence précédemment. Le procédé d’inversion du sens de rotation d’un moteur asynchrone est fort
simple : il suffit de croiser 2 des 3 fils d’alimentation.
Les circuits de puissance électriques - 28
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Le champ statorique est produit par 3 bobines d’induction. Chacune est alimentée par une phase du réseau triphasé et
chaque phase est décalée de 120°. Ce champ statorique étant variable (en raison de la nature périodique du courant), il
induit des courants de Foucault dans le rotor. Ces courants induits créent alors à leur tour un champ magnétique
rotorique. Il y a donc création d’un couple venant du déphasage entre le champ rotorique et le champ statorique.
Le courant alternatif triphasé qui traverse les 3 bobines du stator crée un champ tournant à fréquence fixe. Le champ
induit (champ rotorique) va donc s’opposer à la cause qui le produit (loi de Lenz). Dans un moteur asynchrone triphasé,
le moteur ne peut tourner en synchronisme avec le champ statorique. Il apparaît un glissement de fréquence de rotation
qui est sensiblement proportionnel au couple résistant en régime permanent. Ce glissement en fréquence de rotation
est de l’ordre de 3% en fonctionnement normal.
182 – Propriétés d’un moteur asynchrone :
Pour inverser le sens de rotation du champ tournant, donc de l’arbre du moteur, il suffit d’inverser 2
des 3 phases d’alimentation.
f
s==2ns=2
p




f
ns=
p
s =  : vitesse de synchronisme en rad/s
ns : vitesse de synchronisme en tr/s
f : fréquence en Hz
p : nombre de paires de pôle
Pour une fréquence donnée, la vitesse ne dépend que du facteur technologique de construction : le nombre de paires
de pôles.
La limite haute de vitesse est définie par le nombre de paires de pôles minimal : soit 1.
A la fréquence industrielle de 50 Hz, la vitesse de synchronisme maximale est : ns = f/p = 50 tr/s = 3000 tr/min.
La limite inférieure est fonction des contraintes technologiques liées aux problèmes de réalisation et de positionnement
des paires de pôles dans la machine. On ne descend généralement pas en dessous de 500 tr/min, ce qui correspond à
6 paires de pôles.
Nombre de paires de pôles p
1
2
3
4
5
6
ns (tr/s) à f=50 Hz
50
25
16,66
12,5
10
8,33
ns (tr/min) à f=50 Hz
3000
1500
1000
750
600
500
Le glissement exprime en valeur relative la « perte de vitesse » (en pourcentage de la fréquence de rotation statorique)
entre le stator et le rotor. La vitesse du rotor est toujours inférieure à la vitesse de synchronisme.
g = ns-
nr
nr s - r
r
=1– =
=1ns
ns
s
s




« g » s’appelle le glissement et la différence s - r définit la vitesse de glissement.
s : vitesse de synchronisme en rad/s
r : vitesse rotorique en rad/s
ns : vitesse de synchronisme en tr/s
 nr : vitesse rotorique en tr/s
Nombre de paires de pôles p
1
2
3
4
ns (tr/min) à f=50 Hz
3000
1500
1000
750
Vitesse du rotor (tr/min)
2910
1460
965
715
Glissement en %
3
2,7
3,5
4,7
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183 – Etude énergétique :
La puissance électrique absorbée Pa est la somme
des 3 puissances absorbées par les 3
enroulements du moteur.
Pa = U.I. 3. cos
Puissance utile Pu disponible sur l’arbre moteur.
Pu = Tu.r
Pa : puissance électrique
absorbée en W
U : tension entre phases
du réseau en V
I : courant en ligne en A
: déphasage entre U et I
en rad
cos : facteur de
puissance
Pu : puissance disponible
en W
Tu : couple utile en Nm
r : vitesse rotorique
(donc de l’arbre) en rad/s
Bilan des puissances :
 Pertes au stator : le stator est le siège de 2 types de pertes : les pertes dans le fer Pfs et les pertes par effet Joule
Pjs. Les pertes dans le fer dépendent notamment de la valeur efficace de la tension aux bornes des enroulements
et de la fréquence du réseau. Ces pertes sont en général constantes. Les pertes par effet Joule dépendent de
l’intensité efficace des courants traversant les enroulements et de la résistance r de chaque enroulement. Pjs =
3/2RI². R est la résistance entre 2 bornes du stator couplé.
 Puissance transmise au rotor : la puissance (Pa) reçue par le stator, diminuée de la puissance dissipée par Pfs et
Pjs représente une puissance Ptr transmise au rotor. Ptr = Pa – Pfs – Pjs. Cette puissance est transmise du stator
au rotor magnétiquement, sous la forme d’un couple électromagnétique de moment Ttr qui tourne à la vitesse du
champ tournant s.
Ptr = Ttr.s

Puissance transmise à l’arbre et pertes au rotor : le rotor tourne à la vitesse r et développe un couple
électromagnétique de moment Ttr. Il cède donc à l’arbre une puissance Pr = Ttr.r. La différence Ptr – Pr = Ttr.s –
Ttr.r = Ttr(s – r) = Ttr.g.s = g.Ptr représente la puissance perdue (pour l’utilisateur) par effet Joule dans le rotor.
Ce sont des pertes inhérentes au principe du moteur asynchrone.
Pjr = g.Ptr

Puissance utile et pertes mécaniques : le moteur développe un couple utile de moment Tu en tournant à une vitesse
r. Il fournit donc à sa charge mécanique une puissance utile Pu.
Pu = Tu.r

La différence (Pr – Pu) représente les pertes mécaniques Pmec du moteur. Elles sont dues aux différents frottements
et sont fonction de la vitesse de rotation r. Celle-ci variant peu, les pertes mécaniques peuvent être considérées
comme constantes.
On aboutit au bilan des puissances suivant :
Puissance
électrique
absorbée Pa
Puissance
transmise au
rotor
Pertes au rotor
Fer
Joule
Mécaniques
Pertes au stator
Fer
Joule
Puissance utile
sur l'arbre
Les circuits de puissance électriques - 30
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LES CIRCUITS DE PUISSANCE ELECTRIQUES
Le rendement d’un moteur n’est pas constant. Il est maximum pour un fonctionnement proche du point nominal.
Toutes les pertes décrites précédemment dégradent les performances du moteur et en affectent d’autant le rendement.
max =
Pu
Tu.r
=
=1-g
pa U.I. 3.cos
184 – Courbes caractéristiques :
L’ensemble des caractéristiques d’un moteur asynchrone sont obtenues sous tension et fréquence constante. Les axes
des grandeurs T, Tu, n, Pu et I sont gradués en valeur relative par rapport à leur valeur nominale.
Ces courbes permettent de dégager les remarques suivantes :
o g = f(Pu) : le glissement augmente avec la charge tout en restant de faible valeur
o cos = f(Pu) : le facteur de puissance s’améliore lorsque la charge augmente
o T = f(Pu) : le couple utile est proportionnel à la charge, la vitesse est pratiquement constante
o I = f(Pu) : le courant absorbé croit avec la charge
Les circuits de puissance électriques - 31
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Pour déterminer le point de fonctionnement d’un ensemble
composé d’un moteur asynchrone et d’une charge
entraînée, il faut connaître :
o La courbe du couple utile du moteur en
fonction de sa vitesse.
o La courbe du couple résistant de la machine
entraînée en fonction de la vitesse
Le point de fonctionnement du moteur en charge est
défini par l’intersection de la caractéristique
mécanique du moteur et de celle de sa charge.
Au moment du démarrage, le couple moteur doit être
notablement supérieur au couple résistant (Tdm > Tr0).
Lorsque le couple moteur est supérieur au couple
résistant, le couple accélérateur (Ta = Tm – Tr) est positif.
La vitesse de l’ensemble moteur + charge augmente
jusqu’au point d’équilibre N où le couple accélérateur est
nul.
Pour un rendement optimum, le moteur doit être choisi tel que son point de fonctionnement N s’approche au
plus près des valeurs nominales de ce moteur.
185 – Couplages :
Grâce à la manière de coupler les enroulements, tous les moteurs triphasés sont bitension. Cependant, il convient de
ne jamais appliquer sur ces enroulements une tension supérieure à leur valeur nominale.
Sur la plaque signalétique du moteur, la plus petite des 2 tensions inscrites est la tension nominale d’un enroulement.
Elle est égale à la tension entre 2 phases du réseau lorsque le couplage est triangle (D ou ).
De ce fait, pour adapter le moteur au réseau, 2 couplages sont possibles :
o Le couplage en étoile ()
o Le couplage en triangle (D ou )
Les circuits de puissance électriques - 32
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Exemple :
La plaque signalétique d’un moteur indique 220V / 380 V. La plus petite de ces 2 tensions est celle qui doit alimenter
les bobinages, donc 220 V. Cette tension de 220V correspond :
o A la tension entre phase et neutre (tension simple) d’un réseau 220/380. Dans ce cas, le moteur devra être
couplé en étoile.
o A la tension entre phases (tension composée) d’un réseau 127/220. Dans ce cas, le moteur devra être
couplé en triangle.
186 – Plaque signalétique :
La plaque signalétique du moteur décrit le point de fonctionnement nominal du moteur. Les valeurs fournies permettent
notamment le calcul du couple, de la puissance absorbée et du rendement.
MOT 3  : moteur triphasé
LS : série
80 : hauteur d’axe
L : symbole de carter
T : indice d’imprégnation
N° moteur
N° : numéro de série du moteur
B : année de production
J : mois de production
002 : numéro d’ordre dans la série
Code : réservé
kg : masse
IP55 : indice de protection
I cl. F : classe d’isolation F
40°C : température d’ambiance maxi de fonctionnement
S…% : service – facteur de fonctionnement
….c/h : nombre de cycles par heures
V : tension d’alimentation
Hz : fréquence d’alimentation
Min-1 : nombre de tours par minute
kW : puissance nominale
cos : facteur de puissance
A : intensité nominale
 : branchement en triangle
 : branchement en étoile
Roulements
DE : Drive End : roulement coté entraînement
NDE : Non Drive End : roulement coté opposé à
entraînement
50 g : quantité de graisse à chaque nouvelle lubrification
3900 h : périodicité de lubrification
UNIREX N3 : type de graisse
La puissance inscrite sur la plaque signalétique est la puissance nominale utile sur l’arbre.
C’est la puissance mécanique Pu.
Les circuits de puissance électriques - 33
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Interprétation :
Sur la ligne correspondant à « D220 - 400 », on lit :
o La puissance mécanique utile sur l’arbre : 750 W
o La possibilité de brancher ce moteur sur un réseau triphasé 400V (entre phase) s’il est couplé en étoile
o La possibilité de brancher ce moteur sur un réseau triphasé 230V s’il est couplé en triangle
o La vitesse de rotation du rotor : 2800 tr/min sous une fréquence de 50 Hz
o L’intensité absorbée en étoile (sur un réseau triphasé 400V) de 1,9A
o L’intensité absorbée en triangle (sur un réseau triphasé 230V) de 3,3A
o Le facteur de puissance : cos = 0,83
Une vitesse de rotation de l’arbre de 2800 tr/min correspond à une vitesse statorique de 3000 tr/min. On en déduit que
le moteur a une paire de pôles.
o Calcul du glissement : g = (3000-2800)/3000 = 6,7%
o Couple utile sur l’arbre : Tu = 750/(2800 x 2/60) = 2,6 Nm
o Puissance électrique absorbée au stator :
o
En triangle : Pa = 230 x 3,3 x
3 x 0,83 = 1091 W
o En étoile : Pa = 400 x 1,9 x 3 x 0,83 = 1093 W
o Rendement :  = 750 / 1092 = 69%
Remarque : les moteurs de petite puissance ont souvent un rendement relativement faible.
187 – Construction d’un moteur asynchrone à cage :
Les circuits de puissance électriques - 34
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Les circuits de puissance électriques - 35
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188 – Construction d’un moteur asynchrone à rotor bobiné à bagues :
Les circuits de puissance électriques - 36
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189 – Variation de vitesse des machines asynchrones :
La variation de vitesse consiste à étudier les conséquences d’une variation de tension ou de
fréquence sur un moteur asynchrone.
AUGMENTATION OU DIMINUTION DE LA TENSION DU
VITESSE
AUGMENTATION OU DIMINUTION DE LA FREQUENCE DU
RESEAU
RESEAU
La vitesse de synchronisme n’est pas modifiée.
Sur un moteur en charge, une augmentation de la
tension entraîne une diminution du glissement et
par là même l’accélération du moteur. Ce
phénomène est limité par la saturation du moteur.
Par contre, si la tension diminue, le moteur tourne
plus lentement
La vitesse de synchronisme est proportionnelle à la
fréquence.
Cette propriété est souvent utilisée pour faire
fonctionner à très grande vitesse des moteurs
spécialement conçus pour une alimentation par ex en
400Hz (rectifieuses, appareils de laboratoire ou
chirurgicaux, etc.).
Il est possible également d’obtenir une vitesse
variable par réglage de la fréquence, par ex 6 à 50Hz
(rouleaux transporteurs, appareils de levage, etc.)
Le couple est proportionnel au carré de la tension.
Il augmente lorsque la tension croit. Inversement, il
décroît considérablement quand la tension faiblit.
COUPLE
Si le moteur a été calculé trop juste, il peut ne pas
démarrer ou même caler et il risque d’être détérioré
en cas de chute de tension persistante.
Il varie proportionnellement à la tension.
Si celle-ci est plus élevée, le courant absorbé au
COURANT moment du démarrage augmente. Par contre, si la
DE
tension baisse, le courant de démarrage diminue
DEMARRAGE également.
Le courant en régime établi varie de façon
analogique.
A tension constante, le couple maxi est inversement
proportionnel au carré de la fréquence.
Si celle-ci augmente, le couple développé par le
moteur diminue considérablement. Inversement, si la
fréquence décroît, le couple croit.
A tension constante, le courant de démarrage varie en
sens inverse de la fréquence.
De ce fait, il augmente si la fréquence diminue e
inversement.
Le courant en régime établi varie de façon analogique.


W
V
U
W
V
U
W






700 V
400 V
400 V
Z
Y
Moteur asynchrone
triphasé à 2 vitesses
X
Z
Y
Moteur asynchrone
triphasé 400V/700V
X
Z
Y
X
Moteur asynchrone
triphasé à cage
(symbole général)
V
U
W
V
U
Symbolisation des machines asynchrones :
Moteur asynchrone
triphasé à rotor bobiné à
bagues
Les circuits de puissance électriques - 37
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XIX – LA MACHINE A COURANT CONTINU :
FORCE
LA REGLE DES
TROIS DOIGTS
UR
AN
T
DE LA M AIN
DROITE
CO
L’application par excellence de la loi de Laplace est le moteur à
courant continu. Cette loi affirme que l’action d’un champ magnétique
sur un courant produit une force. Cette force engendre un couple pour
réaliser un moteur.
Le champ statorique fixe est créé par un élément appelé inducteur qui
est soit un aimant, soit un électroaimant alimenté par un courant
continu.
Le champ rotorique est créé par une armature mobile constituée de
conducteurs bobinés axialement et alimentés en courant continu.
Quand les inducteurs sont alimentés, ils créent un champ magnétique
dans l’entrefer.
Quand l’induit (rotor) est alimenté, ses conducteurs situés sous un
même pôle sont parcourus par des courants de même sens et sont
soumis à une force de Laplace. Les conducteurs situés sous le pôle
opposé sont soumis à une force de même intensité et de sens opposé.
Les 2 forces créent un couple qui fait tourner le moteur.
Pour inverser le sens de rotation du moteur, il suffit d’inverser les
polarités de la tension d’alimentation de l’induit ou des inducteurs.
CHAMP
191 – Principe :
Angowski D.
N
Balais
Balais
Collecteur
Zone neutre
S
Tension aux bornes
de l'induit (rotor)
Champ magnétique
produit par
l'inducteur (stator)
A ngows k i D.
192 – Constitution :
Le stator, appelé aussi inducteur, produit le champ magnétique (ou flux d’excitation). Ce champ est créé soit à partir
d’un bobinage, soit à l’aide d’aimants permanents collés à l’intérieur de du stator.
Le rotor ou induit, solidaire de l’arbre, reçoit le courant de puissance par l’intermédiaire du collecteur assurant avec les
balais un contact glissant.
D’une manière concise, on classe les constituants d’un moteur à courant continu en 3 groupes :
 Les organes mécaniques : 2 flasques d’extrémités supportant l’arbre moteur sur des roulements, 1 turbine de
ventilation, 1 carter enveloppe du stator.
 Les organes électriques : le bobinage d’induit constitué de conducteurs logés dans des encoches, le collecteur
à lames et les balais alimentant ce bobinage, un bobinage inducteur pour créer le flux parfois remplacé par des
aimants permanents
 Les organes magnétiques pour canaliser le flux magnétique : le stator avec ses pôles inducteurs, l’induit
constitué de tôles empilées.
Les circuits de puissance électriques - 38
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193 – Types de moteurs :
Moteurs à excitation en dérivation ou moteur « SHUNT » : ils sont conçus pour que leur inducteur et leur
induit soient reliés en parallèle. Une seule tension est donc utilisée, le flux y est constant. Alimentés à tension
constante, ils ont les mêmes caractéristiques que les moteurs à excitation indépendante. Leur caractéristique principale
est de disposer d’une vitesse peu sensible à la charge.
Induit
C
M
=
Cn
Vitess
e
Cn
n
Inducteur
U
C, 
Co

le
up
In
I
Caractéristiques mécaniques Caractéristiques électromécaniques
Moteurs à excitation indépendante : ce sont les moteurs à courant continu standards. Ces moteurs ont leurs
alimentations d’inducteur et d’induit totalement séparées. Pour faire varier leur vitesse, ils peuvent ainsi être
commandés par l’induit (à flux constant) ou par l’inducteur (à puissance constante) :
 Commandés par l’induit, leur vitesse est pratiquement insensible aux variations de charge, mais ils nécessitent
de contrôler de fortes puissances électriques.
 Commandés par l’inducteur, ils nécessitent de faibles puissances, mais leur couple est alors variable.
U
Commande par
l'induit
Induit
C
M
=
Cn
Inducteur
u
Commande par
l'inducteur
(survitesse)
n

Caractéristiques mécaniques
Les circuits de puissance électriques - 39
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Moteurs à aimants permanents : ces moteurs sont très utilisés pour des puissances allant jusqu’à quelques kW.
Ils disposent d’un flux d’induction constant obtenu sans branchement électrique, donc un couple (C=Kt.I) pouvant être
élevé au démarrage. La variation de vitesse est très facile à réaliser : N  U/k.  .U.
Ils sont très utilisés en robotique.
U
C
Cn
Induit
Commande par
l'induit exclusivement
M
=
n

Caractéristiques mécaniques
Remarque : il existe aussi des moteurs à excitation série. L’induit et l’inducteur sont montés en série. Ces moteurs ont
un très fort couple de démarrage et sont utilisés principalement en traction électrique (domaine ferroviaire).
194 – Equations et caractéristiques :
La modélisation se fera pour un moteur à
excitation séparée dont la commande est
réalisée par l’induit (flux constant).
 Ie : courant d’excitation en ampères
 Ue : tension d’alimentation des inducteurs
i
R
Ie
Ue
e
Stator
(inducteur)
Variables :
 Flux utile : u(t) en Wb
 Courant dans l’induit : i(t) en A
 Force contre électromotrice : e(t) en V
 Tension d’alimentation de l’induit : u(t) en V
 Fréquence de rotation : (t) en rad/s
 Couple moteur : c(t)En Nm
L
U
Rotor (induit)
Constantes :
 Résistance de l’induit : R en ohms
 Inductance de l’induit : L en H
La force contre électromotrice est proportionnelle au flux utile et à la vitesse de rotation : e(t)
= k’.u(t).(t)
Comme le flux est constant, k’.u(t)
= constante = K.
K est une constante de couple : K = c(t)/ i(t) en nm/A
K est une constante de vitesse : K = e(t)/ (t) en V/rad/s
Puissance électromagnétique : e(t).i(t) = c(t).(t)
Equation de la maille électrique de l’induit :
U(t) = R.i(t) + L
di
+ e(t)
dt
Equation d’équilibre dynamique :
c(t) – f.(t) – cr(t) = J
d
dt
Avec f le coefficient de frottement fluide et cr(t) le couple résistant de la charge à entraîner.
J est l’inertie totale du mécanisme ramenée sur l’arbre moteur.
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En travaillant sur des grandeurs constantes et non plus variables, on obtient :
Force contre électromotrice et vitesse :
K=
C E
(U-RI)
=  E = K.   =
I 
K
Puissance électromécanique : c’est la puissance électrique réellement transformée en puissance
mécanique :
Pem = C. = E.I = UI. RI²
Couple électromécanique : issu de la puissance électromécanique, ce couple est légèrement
supérieur au couple utile.
C=
E.I
= K.I

Intensité et couple électromécanique au démarrage : à la mise sous tension le moteur à une
vitesse nulle. La force contre électromotrice est donc elle aussi nulle :
Id =
U
K.U
et Cd =
R
R
Puissances absorbées :
Par l’induit : Pa = U.I
Par l’inducteur : Pi = Ue.Ie
Puissance mécanique utile et rendement :
Pu = Cu.
Pu
C.
=
=
(Pa + Pi) (U.I + Ue.Ie)
195 – Bilan énergétique :
Puissance
absorbée =
U.I + Ue.Ie
Puissance
électromécanique :
EI = C
Puissance
transmise au
rotor : UI
Pertes
inducteur :
r.Ie²
Pertes
induit :
RI²
Puissance
utile :
Pu = Cu.
Pertes
mécaniques +
magnétiques
Les circuits de puissance électriques - 41
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196 – Utilisation du moteur à courant continu :
Le point de fonctionnement en charge, comme pour tous les moteurs, est défini par l’intersection entre la caractéristique
mécanique du moteur et celle de la charge entraînée.
Mode de fonctionnement en régulation de vitesse :
Les 2 modes de fonctionnement possibles pour un moteur à courant continu sont :
 Le fonctionnement à couple constant (c’est à dire à courant constant et à flux constant) avec réglage de la vitesse
par la tension d’induit.
 Le fonctionnement à puissance constante avec diminution du flux pour augmenter la vitesse au-delà de sa valeur
nominale. On parle aussi de désexcitation par réduction du courant inducteur. Ce mode est impossible avec les
moteurs à aimants permanents.
La plupart des applications fonctionnent à couple constant car le moteur peut y fournir un couple constant quelle que
soit la vitesse demandée. Il est même capable d’y fournir son couple nominal sans s’échauffer normalement.
Identification de la plaque signalétique :
La plaque signalétique spécifie les valeurs du point
de fonctionnement nominal. Cette plaque donne 2
autres points de fonctionnement : un à flux nominal
et tension d’induit réduite, l’autre en survitesse par
désexcitation (inducteur sous alimenté).
En régime nominal :
 Puissance utile = 36,3 kW
 Vitesse de rotation = 1150 tr/min
 Tension d’induit : 440V
 Courant d’induit : 95,5A
 Tension d’inducteur : 360V
 Courant d’inducteur : 3A
 Couple utile = 36,3 x 1000 /(2 x 1150 / 60) = 302 Nm
 Puissance absorbée = 440 x 95,5 + 360 x 3 = 43,1 kW
 Rendement nominal = 36,3 / 43,1 = 84%
Inversion du sens de rotation :
Deux possibilités existent pour inverser le sens de rotation d’un moteur à courant continu :
 Soit changer le sens de l’induction (impossible pour les moteurs à aimant permanent) en inversant le sens du
courant (les polarités) dans l’inducteur
 Soit changer le sens du courant (les polarités) dans l’induit
La gamme de puissance, de quelques watts jusqu’au mégawatt, est très large et ouvre un champ d’application et des
volumes de production très variés, depuis le moteur de jouet jusqu’au moteur des TGV sud-est, en passant par la
motorisation des téléphériques ou des véhicules électriques.
Application :
Les marchés de l’électroménager et des équipements automobiles offrent au moteur à courant continu les avantages
de la fabrication en grande série.
Par le biais du moteur universel, l’outillage et l’électroménager portatif exploitent une adaptation particulière du moteur
à courant continu : il s’agit d’un moteur continu sur réseau alternatif.
Un autre domaine d’emploi est celui des machines spéciales nécessitant de grandes vitesses de rotation (10000 tr/min
et plus).
Les circuits de puissance électriques - 42
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197 – Réversibilité des machines à courant continu :
Le moteur à courant continu est réversible : de moteur, il peut devenir générateur. Dans ce cas, la chaîne de
conversion s’inverse. Le moteur reçoit de l’énergie mécanique (énergie cinétique) et la transforme en énergie
électrique. Cette possibilité de fonctionner en génératrice offre au moteur un avantageux moyen de freinage.
Si on se place dans les 4 quadrants de fonctionnement d’un moteur :
 Dans le 1er et le 3ème quadrant, la machine fonctionne en moteur
 Dans le 2ème et 4ème quadrant, la machine tournante fonctionne en générateur. Ces 2 cas peuvent être des modes
de marche en freinage car la machine absorbe de l’énergie mécanique et fournit de l’énergie électrique.
Dans l’exemple du déplacement horizontal ci-dessous :
 Aller dans le quadrant 1
 Retour en fonctionnement moteur dans le quadrant 3
 Entre les 2 cas, le ralentissement forcé s’effectue dans le 2ème quadrant par conversion d’énergie cinétique
(emmagasinée lors du mouvement aller) en énergie électrique
De même, pour l’application de levage, la montée s’effectue dans le 1 er quadrant (fonctionnement moteur) et la
descente avec freinage (ralentissement) dans le 4ème quadrant. Entre ces 2 mouvements, un frein mécanique à manque
de courant assure l’immobilisation de la charge. Lors de la descente, la charge est entraînante : la machine fonctionne
en génératrice.
Les circuits de puissance électriques - 43
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LES CIRCUITS DE PUISSANCE ELECTRIQUES
La machine à courant continu est réversible. Elle fonctionne aussi bien en moteur qu’en générateur.
Cette conversion de l’énergie n’est possible que si les éléments de la chaîne cinématique sont
réversibles.
De plus, si la récupération de l’énergie de freinage est souhaitable, le préactionneur et la source
doivent aussi être réversibles.
Pour le choix d’un variateur de vitesse pour moteur à courant continu, les 4 quadrants constituent un critère essentiel :
 Nécessité ou non d’un ralentissement énergique
 Nécessité ou non de 2 sens de marche
CHAINE DIRECTE
Source
Energie
Electrique
Préactionneur
Moteur
Energie
Electrique
Modulée
Réducteur
Energie
Mécanique
Energie
Mécanique
Machine
entrainée
CHAINE INVERSE
Source en
récepteur
Energie
Electrique
Préactionneur
Energie
Electrique
Moteur en
générateur
Réducteur
Energie
Mécanique
Energie
Mécanique
Machine
entrainante
Energie
Cinétique
XX – LE MOTEUR A AIMANTS PERMANENTS :
Ces moteurs sont encore appelés brushless ou auto-synchrones. Ils
sont de plus en plus utilisés sur les machines outils et les machines de
production. Ils fournissent les performances les plus élevées et peuvent
fonctionner dans des conditions d’environnement industriel difficile.
Ces moteurs synchrones sont dotés d’inducteurs identiques aux
moteurs asynchrones. En revanche, le rotor constitue un ou
plusieurs aimants permanents. Un moteur auto-synchrone piloté est
doté d’un capteur qui permet de connaître la position relative des
champs magnétiques et, grâce à un circuit électronique, de
commander la commutation de l’alimentation des bobines de manière
optimale.
Un entraînement avec moteur sans balais comprend :
Un moteur brushless : ou à aimants permanents (en terre rare
SmCO5)
Un capteur de commande d’axe : il peut être du type capteur de
position de rotor et mesure de vitesse par alternateur tachymétrique
pour une commande en onde trapèze (
). Il peut être encore de
type résolver pour une commande en onde sinus. C’est ce dernier type
qui est le plus utilisé.
Un servo-amplificateur (variateur) comprenant : une alimentation en
redressement triphasé, un module de freinage avec récupération de
l’énergie sur résistances, une commande de moteur en onde trapèze
ou sinus.
N
CAPTEUR
S
Les circuits de puissance électriques - 44
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LES CIRCUITS DE PUISSANCE ELECTRIQUES
Réseau
Triphasé
Synoptique d’un servo-entraînement de type SINUS :
Convertisseur
alternatif / continu
(Module
d'alimentation)
Module
de
freinage
Convertisseur
continu / alternatif
(Servoamplificateur)
Stator du
moteur
brushless
Rotor à aimants
permanents
Alimentation du
convertisseur
continu / alternatif
(redresseur)
Alimentation du
convertisseur
alternatif / continu
(onduleur)
G
3~
Avantages d’un entraînement avec moteur sans balais :








Possibilité d’accélération élevée sans limitation due à la commutation
Temps de démarrage court : vitesse maxi atteinte en moins de 1s
Rendement élevé sur toute la gamme de vitesse (0,94)
Gamme de vitesse importante : 1750 à 7500 tr/min
Puissance constante dans un rapport de vitesse de 1 à 4
Facilité accrue au niveau de la protection et de la maintenance des moteurs
Encombrement réduit
Le résolver (capteur analogique) permet :
o La génération de la position angulaire du rotor par rapport au stator du moteur, permettant le contrôle de
courant dans les phases
o La génération de l’information vitesse de rotation du moteur
o D’effectuer, en relation avec une commande numérique, le contrôle en position d’un axe
XXI – LE MOTEUR PAS A PAS :
211 – Introduction :
Un moteur pas à pas est un actionneur électrique où sont contrôlés :
 La vitesse par la fréquence des impulsions de commande
 Le sens de rotation par l’ordre de ces impulsions
 L’angle de rotation par le nombre d’impulsions
Un moteur pas à pas est moteur incrémental dont la partie mobile se déplace d’une portion de tour appelée
« pas » quand on fait évoluer la commande.
Les moteurs pas à pas sont utilisés dans les dispositifs de positionnement pour les appareils nécessitant de faibles
puissances, car ils fonctionnent sans boucle d’asservissement et sont ainsi insensibles aux phénomènes d’instabilité.
En contrepartie, ils doivent être utilisés en dessous de leurs limites de couple et de fréquence afin d’éviter les pertes de
pas et de décrochage.
On rencontre aussi les moteurs pas à pas dans des entraînements à vitesse variable en faible puissance nécessitant
un contrôle précis de la position (tête d’imprimante).
La résolution (ou nombre de pas par tour) peut varier de 4 à 400 pas par tour.
Il existe principalement 3 types de moteurs pas à pas :
 Les moteurs à aimants permanents
 Les moteurs à réluctance variable
 Les moteurs hybrides, combinaison des 2 précédents
Les circuits de puissance électriques - 45
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LES CIRCUITS DE PUISSANCE ELECTRIQUES
212 – Moteur à aimants permanents :
Le principe exploite les phénomènes suivants :
 Attraction de 2 pôles magnétiques opposés
 Répulsion de 2 pôles identiques
L’alimentation d’une bobine par un courant continu crée à une
extrémité un pôle nord et à l’autre extrémité un pôle sud.
L’inversion du sens du courant permute ces pôles.
L’aimant se place dans l’axe du champ magnétique créé par la
bobine d’excitation qui est alimentée. Il est possible d’obtenir des
positions intermédiaires, ou demi-pas, en alimentant 2 bobines
simultanément. Le nombre de pas par tour obtenu sur de tels
moteurs est réduit mais leur couple est important.
213 – Moteur à réluctance variable :
Principe de la réluctance variable : dans un circuit
magnétique, le flux cherche à être maximal en empruntant le
circuit de moindre réluctance, comme le courant dans un
circuit électrique privilégie le circuit le moins résistant.
Ces moteurs ne nécessitent pas d’aimants permanents. Ils sont
dotés d’un stator et d’un rotor munis d’un nombre différent de
pôles. Le stator, qui comporte un nombre pair de pôles, est doté
de bobines d’induction placées sur chacun d’eux. Ces bobines
sont alimentées par paires opposées de sorte que le rotor se
place dans la position offrant la surface métallique maximale en
regard des 2 pôles fixes du champ magnétique. De cette
manière, le flux est maximal.
La rotation est obtenue en alimentant successivement les paires
de bobines suivantes correspondant au sens souhaité.
Ces moteurs permettent d’obtenir un grand nombre de pas, mais
ne fournissent que de faibles couples.
214 – Moteurs hybrides :
Ils allient les avantages des moteurs à aimants permanents (couple plus élevé) et des moteurs à réluctance variable
(nombre de pas).
Leur principe est identique à celui des moteurs à réluctance variable mais leur rotor comporte des pôles d’aimants
permanents répartis sur les plots de sa périphérie.
215 – Moteurs unipolaires :
Un moteur est dit unipolaire lorsqu’un enroulement crée toujours un pôle de même nom. La polarisation de
l’enroulement est unique.
Ex : moteur 4 phases unipolaire.
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216 – Moteur bipolaire :
Un moteur est dit bipolaire lorsqu’un enroulement crée soit un pôle nord, soit un pôle sud selon le sens du courant.
Ex : moteur 2 phases bipolaire (page suivante).
217 – Caractéristiques des moteurs pas à pas :



Nombre de pas : de 24 à 400 pas par tour, soit une résolution de 15° à 0,9° par pas entier
Nombre de phases : en général 4, mais certains en ont 2, 3, 5.
Taille : c’est le diamètre extérieur du moteur, exprimé en 1/10ème de pouce. Cette caractéristique donne une
indication approximative de la puissance du moteur, mais qui est suffisant en 1ère approche
Couple/vitesse : les courbes ci-dessous donnent une indication pour une association commande/moteur donnée





Couple dynamique : c’est celui que peut développer le moteur en rotation
Puissance : on ne peut qu’indiquer une puissance apparente qui est le produit de la vitesse par le couple moyen
Courant nominal : courant maxi absorbé en régime permanent par chaque bobine
Fréquence maxi réversible : c’est la fréquence limite en deçà de laquelle un changement de sens de rotation
est possible sans perte de pas
 Fréquence maxi unidirectionnelle : c’est la fréquence limite pour un fonctionnement permanent à vide, sans
perte de pas
 Couple statique ou de maintien : il est obtenu avec un courant constant à l’arrêt
 Couple de détente ou résiduel : il est obtenu en absence d’alimentation
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218 – Raccordement d’un moteur pas à pas :
La commande d’un moteur pas à pas nécessite 3 éléments :
 Un circuit de commande qui génère une consigne de sens de rotation et une consigne de vitesse
 Un translateur qui traduit ces consignes en séquences d’alimentation des bobines du moteur pas à pas
 Des amplificateurs de puissance qui délivrent l’énergie utile à chaque bobine et contrôlent le courant
Le schéma ci-après est un exemple de réalisation électronique de pilotage de moteur pas à pas.
 L’horloge commande la fréquence de rotation du moteur (une impulsion basse commande la rotation d’un pas).
 L’entrée 17 à l’état haut commande la rotation dans le sens 1 (dans le sens 2 à l’état bas).
 L’entrée 19 à l’état haut commande la rotation en pas entiers.
Le circuit intégré L297 permet la commande des moteurs bipolaires biphasés ou unipolaires monophasés, en pas
entiers ou demi-pas. Utilisé seul, il peut fournir un courant de 20 mA.
Pour de plus fortes puissances, il est associé au circuit intégré L298 capable de fournir des courants de 4A pour des
tensions allant jusqu’à 46V.
219 – Alimentation d’un moteur pas à pas :
A la base, les circuits de commande des moteurs pas à pas intègrent des transistors
fonctionnant en commutation : c’est à dire qu’ils se comportent comme des
interrupteurs ouverts ou fermés.
Le bobinage d’un moteur pas à pas est équivalent à une inductance en série avec une
résistance : circuit RL.
Dans un tel circuit, le courant s’établit avec un retard caractérisé par une constante de
temps R/L. Une bobine a tendance à retarder le passage du courant.
Pour obtenir une bonne performance du moteur (couple et vitesse), le circuit de
commande doit permettre un établissement rapide du courant dans chaque phase et à
chaque impulsion.
Les solutions sont nombreuses :
a)
Adjonction d’une résistance en série
b)
Utilisation d’une capacité
c)
Commande à 2 niveaux de tension
d)
Commande à courant constant
e)
Commande par pont en H
R,L
D
+Vcc1
T
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Solutions (a), (b), (c) :
Adjonction d’une résistance
Utilisation d’une capacité
Commande à 2 niveaux de
tension
+Vcc2
T1
Commande
R
Rd
Rs
Controle
du courant
R,L
D
D
R,L
+Vcc2
+Vcc2
R
+Vcc1
D2
T
T
R,L
D1
C
T2
La capacité se
L’adjonction d’une résistance permet
bloqué.
Elle
d’utiliser une tension d’alimentation
l’enroulement à
supérieure sans dépasser le courant
provoque ainsi
nominal de l’enroulement.
courant
charge lorsque T est
se
décharge
dans
la fermeture de T et
une augmentation de
Cette
commande
permet
un
établissement rapide du courant
sous la tension Vcc2. T1 et T2
conduisent.
Quand le courant atteint sa valeur
nominale, le module de contrôle
commande le blocage de T1.
T2 reste saturé et la tension Vcc1
alimente l’enroulement.
Solutions (d) et (e) (cf. page suivante) :
L’alimentation des enroulements des moteurs pas à pas par contrôle de courant repose sur le principe des hacheurs
(cf. figure de gauche). Le fonctionnement consiste à :
 Moduler la commande du transistor T2 pour qu’il conduise lorsque l’intensité est inférieure à sa valeur nominale
 Moduler la commande du transistor T2 pour qu’il se bloque lorsque l’intensité est supérieure à sa valeur nominale
 La mesure de l’intensité est effectuée sur la résistance R’, le module M assurant la commande modulée de T2.
T1, quant à lui, est maintenu saturé.
La figure de droite (montage en H) décrit un principe identique pour l’alimentation bipolaire d’une des phases. Pour une
polarisation directe, les transistors T1 et T4 conduisent. Pour une polarisation inverse, les transistors T2 et T3
conduisent. Les diodes assurent les phases de récupération.
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XXII – MODULATION DE L’ENERGIE ELECTRIQUE :
Selon la nature du courant alternatif ou continu, à l’entrée ou à la sortie des modulateurs d’énergie, on distingue 4 types
de dispositifs : les redresseurs, les gradateurs, les hacheurs et les onduleurs.
Alternatif
ONDULEUR
HACHEURS
Continu
Entrée du modulateur
Sortie du modulateur
Alternatif
Continu
GRADATEUR
REDRESSEUR
221 – Gradateurs :
Un gradateur est un appareil qui permet, à partir d’une source d’alimentation alternative, de convertir
une tension sinusoïdale de valeur efficace constante en une tension alternative de même fréquence,
mais de valeur efficace variable.
Les gradateurs permettent les réglages de l’éclairage, du chauffage et le démarrage des moteurs à courant alternatif.
Gradateur à angle de phase :
Une charge est placée en série avec 2 thyristors
montés tête bêche. La charge est supposée
résistante. Le fonctionnement est le suivant :
l’alternance positive passe le 1er thyristor Th1
dès qu’il est débloqué. L’alternance négative
passe par le 2ème thyristor Th2 dès qu’il est
débloqué alors que Th1 est bloqué.
Ce montage nécessite d’avoir 2 commandes de
gâchettes séparées.
La tension efficace aux bornes de la charge, par rapport à la tension du réseau, est fonction de l’angle d’amorçage 
comprise entre 0 et . Quand  est compris entre  et 2, le courant dans le circuit est nul.
Ueff = Veff.
1-
 sin2
+

2
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Charge inductive :
On suppose une charge très inductive avec un déphasage arrière de /2 de l’intensité I sur la tension V.
CAS OU  > 
 est l’angle d’amorçage des thyristors.  est l’angle de
déphasage dû à l’inductance du circuit.
Dans ce cas, la valeur du courant peut varier de 0 à sa
valeur nominale.
I = Ieff pour  =  et I = 0 pour  =  + /2
CAS OU  < 
Dans un montage tête bêche à 2 thyristors, un thyristor
ne peut être amorcé tant que l’autre conduit.
Si  < , lorsque l’impulsion de gâchette Ig2 apparaît, le
thyristor Th1 continue à conduire alors que Th2 ne peut
s’amorcer. Au moment où Th2 pourrait conduire, il n’y a
plus d’impulsion de gâchette et il reste bloqué.
Dans ce cas, le courant obtenu n’est plus alternatif mais
mono-alternance.
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Gradateurs triphasés :
Un gradateur triphasé peut être considéré comme l’équivalent de 3 gradateurs monophasés montés en étoile ou en
triangle. Le gradateur est entre la source et le récepteur. Celui-ci peut être monté en étoile ou en triangle
Le gradateur est après le récepteur.
Le montage en étoile du gradateur aval facilite la commande de gâchette de thyristors, surtout si on utilise 3 triacs.
222 – Gradateurs à trains d’ondes :
Les gradateurs à angle de phase peuvent provoquer des perturbations sur le réseau en générant des harmoniques.
Aussi, quand cela est possible, on réfère employé des gradateurs à trains d’ondes, notamment pour toutes les
applications d’énergie thermique.
On laisse passer une série d’alternances dans la charge
et on coupe le courant lorsque la tension passe à 0 ; puis
on rétablit le circuit à la fin de la période fixée.
Le circuit de puissance du gradateur à trains d’ondes est
identique à celui du gradateur à angle de phase ; seul son
circuit de commande est différent. La période utilisée est
comprise entre 5 et 10 secondes.
Tc est la période de commande en secondes et tc
représente la période de conduction.
La tension aux bornes de la charge reste alternative. Si la
charge est résistive, aucune énergie réactive n’est
consommée.
La puissance moyenne dépend du rapport cyclique  tel que : 
=
tc
Tc
La puissance moyenne est donnée en fonction du rapport cyclique par la relation : Pmoy =  x Pnom
Le rapport cyclique est relevé à partir de la courbe U=f(t).
La mesure de l’énergie active pendant une durée donnée à l’aide d’un compteur permet aussi de déterminer la
puissance moyenne : Pmoy
=
W
t
Quel que soit le gradateur, la commande des thyristors s’effectue toujours à partir du passage à 0 de la tension simple.
L’emploi de transformateurs d’isolement permet d’obtenir l’image de la tension alternative tout en étant isolé du réseau
230V/400V.
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223 – Mise en œuvre des gradateurs :
On rencontre de plus en plus de gradateurs dans les applications domestiques et industrielles, notamment pour
l’éclairage, le chauffage, la force motrice, etc.
Principe du démarrage progressif des moteurs :
Ce principe s’applique directement aux moteurs asynchrones triphasés. On remplace les démarrages directs, en
étoile/triangle, à résistances statoriques ou rotoriques, par une variation de la tension alternative créée au moyen d’un
gradateur.
 Le moteur asynchrone triphasé est alimenté par l’intermédiaire d’un gradateur, qui provoque une montée
progressive de la tension.
 On peut supprimer le point d’intensité et limiter l’intensité au démarrage à une valeur prédéterminée en faisant
varier l’angle d’amorçage des thyristors.
 Le couple varie comme le carré de la tension, à fréquence fixe. La montée progressive de la tension limite
l’intensité absorbée par le moteur, mais elle diminue le couple de démarrage.
Principales fonctions :





Rampe d’accélération réglable (de 1s à 30s)
Limitation de courant réglable (de 2In à 5In)
Combinaison entre la rampe d’accélération et la limitation de courant pour maîtriser le couple au démarrage
Impulsion de décollage (booster). Elle permet d’obtenir un couple maxi de décollage (pendant 5 à 10 périodes)
Rampe de décélération. Ce dispositif définit le temps pendant lequel la tension aux bornes du moteur va diminuer
de sa valeur nominale à 0.
 Freinage par injection de courant continu : à la coupure de l’alimentation du stator du moteur asynchrone, on
injecte du courant continu. Ce courant crée un couple qui s’oppose à la rotation et provoque un freinage
important (tension continue de 20V à 24V avec un courant de 1,2In à 2In).
224 – Choix d’un gradateur :
Le choix d’un gradateur s’effectue en fonction de la puissance du récepteur et du type d’application.

Eclairage : les gradateurs utilisés sont de petite puissance et construits par les fabricants d’appareillages de
lumières pour les lampes à incandescence. Pour les tubes incandescents, seuls les appareillages électroniques
supportent une alimentation par gradateurs.

Chauffage : compte tenu de la nature des récepteurs, qui sont uniquement résistants et présentent une forte
inertie thermique, on emploie des gradateurs à trains d’ondes.

Démarrage des moteurs asynchrones : pour ce type d’utilisation, le choix du gradateur s’effectue en
fonction de la puissance nominale du moteur ou de la puissance en servie S1. Pour les machines dont le couple
est très variable après le démarrage, il est conseillé de court-circuiter le gradateur en fin de démarrage. En
général, le démarrage sur rampe est utilisé pour les moteurs de faible puissance, tandis que le démarrage en
limitation de courant est mis en œuvre pour les machines à forte inertie.
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225 – Les redresseurs :
Les redresseurs effectuent la conversion du courant alternatif en courant continu.
L’emploi de redresseurs contrôlés permet de moduler l’énergie, et ainsi d’alimenter des moteurs à courant continu à
vitesse variable.
Le redresseur permet d’alimenter un récepteur en courant redressé à tension fixe. Pour un redresseur contrôlé, s’il
alimente un moteur à courant continu, on est en présence d’un sous-système à vitesse variable.
Enfin, lorsque le redresseur est contrôlé et réversible, il permet le transfert d’énergie en inverse. En effet, lorsqu’un
moteur est entraîné par la charge, il se comporte comme un générateur et il y a transfert d’énergie en inverse.
Grandeurs caractéristiques du redressement :










Courant alternatif sinusoïdal : i = Imax.sinωt
I : valeur instantanée en A
Imax : valeur maxi du courant en A
ωt : angle en radians formé de ω la pulsation et de t le temps exprimé en secondes
ω = 2πf et f = 1/T
ω : pulsation en rad/s
f : fréquence en Hz
T : période en seconde
Imax = Ieff.2 avec Ieff l’intensité efficace en A.
En courant alternatif sinusoïdal, la valeur moyenne I du courant par rapport à la valeur maxi Imax pour les 2
alternances est donnée par la relation : I/Imax = 2/π
Remarque : les valeurs des tensions moyennes, efficaces et instantanées sont régies par les mêmes relations que les
intensités. Pour les calculer, il suffit de remplacer I par U.
Une tension ou un courant redressé et filtré est la somme de 2 composantes : l’une continue (valeur moyenne) et l’autre
variable.
1
.
f(t).dt
T (T)
Valeur moyenne : Vmoy =
Valeur efficace : Veff =
1
.
f²(t).dt
T (T)
Redressement monophasé :
On désigne par V la tension efficace fournie par le réseau, par U la tension redressée aux bornes de la charge et par
Vd la tension aux bornes de la diode au moment où elle n’est pas conductrice.
Charge résistante
La diode D conduit lorsque la tension V est positive. Lorsque la
tension s'inverse, la diode ne conduit plus.
U = Umax/ au lieu de U = 2Umax/ (double alternance)
La tension efficace V au secondaire du transformateur est
.U
alors : V =
2
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Charge inductive
La présence d’une inductance dans le circuit de charge
provoque une retenue et une restitution d’énergie. La
conduction de la diode est prolongée.

De 0 à t1 : l’effet de self L
di
emmagasine de l’énergie
dt
di
 A t1, v = Ri et L =0
dt
di
 De t1 à t2 : la self restitue l’énergie L . Le courant
dt
s’annule et la diode se bloque. La tension instantanée
est :
di
 u = Ri + u = Ri + L
dt
Diode de roue libre
Lorsque la charge comporte une résistance et une
inductance, le montage d’une diode en inverse permet,
lorsque la diode D ne conduit pas, à l’énergie
emmagasinée par cette diode de circuler dans le circuit
L, DL, R et d’y provoquer un lissage du courant.
La tension U ne peut plus devenir négative car la diode
de roue libre DL assure la continuité du courant.
Charge avec force électromotrice (fém)
La présence d’une force électromotrice dans le circuit
augmente la tension moyenne, mais diminue l’intensité
du courant. La tension aux bornes de la diode en inverse
est augmentée.
Charge avec inductance et force électromotrice
Ce cas se présente chaque fois qu’un système
redresseur alimente un enroulement de machine
tournante.
L’intensité I du courant est surtout fonction de la
force électromotrice et de l’inductance du circuit. La
tension inverse maximale aux bornes de la diode
est :
Vd = V 2 + E
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Montages redresseurs :
Redressement double alternance : ce redressement peut être réalisé avec un transformateur à point milieu ou avec
un montage en pont appelé aussi pont de Graëtz.
Redressement en triphasé : en triphasé, on distingue les redressements simple alternance et les redressements
double alternance. Ce dernier présente un très bon cos et un taux d’ondulation très faible.
Redressement contrôlé :
Les montages à redresseurs à thyristors utilisent les mêmes schémas que les montages à diodes. En remplaçant les
diodes par des thyristors, on peut retarder la conduction. Le montage est alors appelé redresseur contrôlé, alors
qu’avec les diodes, on parle de redresseur à commutation naturelle. L’angle de retard à l’amorçage sera défini par la
lettre .
Montage en pont de Graëtz : le montage est
symétrique. Deux thyristors conduisent en même
temps. Chaque thyristor ne supporte que la
tension inverse V 2. Ce montage possède un
bon cos.
La tension résultante sur un circuit RLE est
observée sur la figure ci-contre.
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On
suppose
l’existence
d’une
charge
comprenant une inductance, une fém et une
résistance. Le circuit s’établit par Th1, L, E, R et
Th3. La conduction commence à l’amorçage  et
jusqu’à T/2. Mais, du fait de l’inductance, elle se
poursuit tant que Th1 et Th3 sont sous tension.
A l’amorçage des thyristors Th2 et Th4 (angle
T/2 + ), le circuit s’établit par Th2, L, E, R et
Th4. Les thyristors sont passants et ils
conduisent jusqu’à ce que Th1 et Th3 soient à
nouveau amorcés.
La tension moyenne peut être calculée à partir
de la relation :
Umoy =
2V 2
cos avec 0  

La courbe ci-contre représentative de la tension
moyenne en fonction de l’angle d’amorçage
montre que si l’on augmente  au delà de 90°, le
signe de la tension moyenne redressée s’inverse
et on passe d’un montage redresseur à un
montage de type onduleur assisté.
Le pont de Graëtz mixte est un montage en pont
dans lequel on a disposé 2 thyristors et 2 diodes.
Ce montage est semi-commandé ou mixte. La
branche qui comporte les diodes D1 et D2 laisse
passer le courant moteur (diodes de roue libre)
dans les intervalles de temps durant lesquels la
tension de sortie serait négative.
Sens de parcours : la figure ci-contre indique le
sens de parcours des courants selon les
alternances.
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Ce montage ne permet pas le transfert d’énergie
en inverse. La valeur de la tension moyenne ne
peut se régler avec un angle d’amorçage  allant
de 0 à .
Avec ce montage, il n’y a pas de possibilité de
fonctionnement en onduleur autonome, du fait
de la présence de 2 diodes.
Tension moyenne :
Le calcul de la valeur de la tension moyenne
s’effectue à partir de la relation :
Umoy =
V 2 
V 2
sin.d=
[-cos]

 

 V 2
 =  1+ cos avec 0  
La courbe ci-contre donne l’évolution de la
valeur de cette tension moyenne.
Onduleur assisté monophasé :
Principe : c’est un montage en pont de Graëtz complet à 4 thyristors dans lequel on fait varier l’angle d’amorçage entre
/2 et . Un onduleur assisté envoie de la puissance active sur le réseau alternatif, mais il absorbe une partie de la
puissance réactive de ce même réseau.
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En modifiant l’angle d’amorçage  des thyristors, on obtient les
courbes C1, C2 et C3 ci-contre.
 C1 :  < /2 : la tension aux bornes de la machine à courant
continu est positive. Il s’agit d’un moteur ou d’un récepteur.
 C :  = /2 : la tension Um=0 aux bornes du récepteur est
nulle. Il n’y a aucun courant dans le circuit.
 C3 : /2 <  <  : marche en onduleur. La tension Um
s’inverse. A passe de positif à négatif et B de négatif à positif.
Dans ce montage, c’est le réseau qui assure l’extinction du thyristor
passant au moment de l’amorçage du thyristor suivant.
La fréquence et les formes d’ondes sont directement liées au
réseau alternatif.
En raison de la nature des thyristors, le courant circule toujours
dans le même sens.
Le pont complet présente un facteur de puissance inférieur à celui
du pont mixte.
L’emploi d’un pont complet se justifie uniquement lorsqu’il peut y
avoir récupération d’énergie, ce qui est le cas pour les moteurs de
traction du métro et des trains de banlieue qui s’arrêtent et
redémarrent très souvent.
Cas des machines à courant continu :
Quand le récepteur est une machine à courant continu, celle-ci peut
tourner en moteur, alimenté par le montage redresseur ou en
génératrice alimentée par le montage onduleur (ce qui peut se
produire dans l’hypothèse d’un freinage par récupération). Si la
machine en courant continu fonctionne en moteur, la force
électromotrice ne peut s’inverser, pour un même sens de rotation,
que si l’on inverse le courant d’excitation.
Les circuits de puissance électriques - 60
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226 – Convertisseurs pour moteurs à courant continu :
Il existe 2 possibilités pour faire varier la vitesse de ce type de moteur :
 Action sur la tension d’induit : la vitesse est directement
proportionnelle à la tension aux bornes de l’induit.
 Action sur le flux : lorsque le flux diminue, le moteur accélère
mais le couple diminue.
Les courbes ci-contre montrent l’évolution du couple et de la puissance
d’un moteur en fonction des variations de la vitesse, lorsqu’on agit sur
la tension d’induit et sur le flux. En général, ces moteurs sont le plus
souvent employés à flux constant.
Convertisseurs unidirectionnels :
L’énergie ne peut se transférer que dans le sens direct. L’inversion du
sens de rotation s’effectue par contacteur sur l’alimentation de l’induit.
Le freinage peut être obtenu en coupant le circuit de l’induit et en
faisant débiter le moteur sur une résistance, tout en conservant le flux
inducteur.
On utilise des ponts mixtes unidirectionnels dans les cas les plus
courants, sans récupération d’énergie.
Convertisseurs réversibles :
Dans certains cas, par exemple pour le levage, le moteur est appelé à
fonctionner dans les 4 quadrants de fonctionnement du plan
couple/vitesse.
Le pont complet permet le fonctionnement du convertisseur en onduleur
assisté et la récupération d’énergie pendant les périodes de freinage.
L’inversion du sens de marche peut s’effectuer par contacteur ou à
l’aide d’un pont double présentant une logique de réversibilité qui
interdit le fonctionnement simultané des 2 ponts. Dans ce cas, le
fonctionnement s’effectue en 4 quadrants.
Choix d’un variateur de vitesse :
Le choix d’un variateur de vitesse est lié :
 Au réseau d’alimentation triphasé ou monophasé
 A la puissance du moteur et à sa tension
 A la charge à entraîner et aux quadrants dans lesquels il doit
fonctionner
 Aux modalités de changement de marche ou de freinage
 A la gamme de vitesse et au contrôle de la vitesse
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227 – Les hacheurs :
Les convertisseurs continu/continu sont réalisés à partir d’un hacheur. Le hacheur fonctionne en
courant continu de la même façon que le transformateur en courant alternatif, c’est à dire qu’il
produit un changement de tension avec un rendement voisin de 1, ce qui n’est pas le cas d’un
montage en rhéostat ou en potentiomètre.
Charge résistive :
Soit une source à tension continue constante
(batterie d’accumulateurs), de tension V, alimentant
une résistance R par l’intermédiaire d’un interrupteur
qui s’ouvre et qui se ferme très rapidement. On est
en présence d’un hacheur de courant.
L’interrupteur est remplacé par un thyristor ou un
transistor.
La courbe ci-contre montre le principe du hacheur
avec T la période, T1 le temps de fermeture et T2 le
temps d’ouverture.
La tension Uc aux bornes de la résistance peut prendre 2 valeurs :
 Lorsque H est ouvert, à l’état 0, Uc = 0, aucun courant Ic ne circule
 Lorsque H est fermé, à l’état 1, Uc = V, un courant Ic = V/R circule
Selon la durée de fermeture par rapport à la durée totale de la période, la tension moyenne Ucmoy pourra varier de 0 à
V.
On note T la période, T1 la durée de fermeture, T2 la durée d’ouverture.
On pose T1 = T ;  représentant la durée de fermeture par rapport à la durée de la période.
On a :
=
durée de fermeture T1
=
Tension moyenne : Uc = V
durée de la période T
Charge sur un moteur (R, L, E) :
Il est nécessaire d’ajouter une diode de roue libre au
montage précédent. En son absence, on observerait
des surtensions importantes à l’ouverture et à la
fermeture de H.
Le moteur possède toujours une fém E’, une résistance
d’induit R et une inductance interne L.
L’intensité dans le circuit est périodique et varie entre 2
valeurs, plus ou moins éloignées selon la valeur du
rapport de conduction.
En régime de fonctionnement continu, on a T > L/R.
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La tension moyenne est : Umoy =
L’intensité moyenne est : Imoy =
T1
V = V = E’ + RImoy
T
V – E’
R
Montage des hacheurs :
Hacheurs série ou dévolteur : Il s’agit du type étudié précédemment. Ce type de hacheur permet de faire varier
la tension entre 0 et une valeur V donnée, selon la largeur  d’impulsion. On appelle aussi les hacheurs série des
dévolteurs.
Hacheur parallèle ou survolteur : Ce type de montage permet notamment d’effectuer un freinage par
récupération avec un moteur à courant continu. Dans ce cas, le hacheur est monté en parallèle avec le moteur (d’où
son nom).
Fonctionnement : lorsque l’interrupteur H est fermé, le
courant Im augmente, et une certaine quantité d’énergie
est emmagasinée dans l’inductance L. Lorsque
l’interrupteur H s’ouvre, l’énergie de l’inductance se dirige
vers la source à travers la diode D.
Conséquences d’un montage parallèle :
Pour que le moteur fournisse de l’énergie à la source, il
faut qu’il se transforme en génératrice et que la tension
Um soit supérieure à la tension V de la source.
En cas de moteur série, il faut inverser le sens du courant
dans l’enroulement d’excitation afin de créer un flux de
même sens.
Enfin, il faut que la source accepte le courant en retour ;
ce qui n’est pas le cas avec un redresseur par exemple.
Hacheur réversible : En associant un hacheur série comportant H1 et D1 et un hacheur parallèle formé de H2 et
D2, on obtient un montage survolteur/dévolteur.
Hacheurs à thyristors :
Les hacheurs à thyristors sont les hacheurs les plus couramment
utilisés car ils peuvent contrôler des courants intenses et des
tensions élevées.
Toutefois, ils sont difficiles d’emploi car, si l’amorçage par la
gâchette est facile, la coupure du courant nécessite un passage à
zéro de la tension aux bornes du thyristor ou la création d’une
tension inverse sur la cathode.
Les circuits de puissance électriques - 63
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LES CIRCUITS DE PUISSANCE ELECTRIQUES
Schéma d’un circuit de blocage :
Fonctionnement : au départ, à l’instant 0, Th1 est bloqué. C est chargé à +E, DL conduit, le moteur débite sur la
diode, u = 0V.
Amorçage de Th1 : on passe de 0 à T1. Th1 est conducteur, le courant I passe par Th1. De plus, il y a établissement
du circuit D, L, C, Th1, ce qui provoque la décharge de C et le charge en sens inverse (circuit LC). En fin de charge de
C, la diode D interrompt le circuit. C est chargé en sens inverse (-E).
Extinction de Th1 et charge de C : l’amorçage de The (thyristor d’extinction) à l’instant t provoque au point A une
tension +2E. Th1 se trouve à une tension inverse entre anode et cathode et se désamorce. Le courant I passe par C,
The et le circuit moteur. Le courant I charge de façon linéaire le condensateur. La tension aux bornes du condensateur
atteint la valeur Uc = +E.
Conduction de DL : à l’instant t2, la tension u s’annule et tend à devenir négative. La diode DL devient conductrice,
elle bloque The et assure le passage du courant i. A l’instant T, un nouveau cycle peut recommencer.
En résumé : pour bloquer le thyristor principal, on utilise la décharge d’un condensateur dans un circuit oscillant
comportant une inductance et une diode. Il faut charger ce condensateur, inverser sa tension et l’appliquer à la cathode
du thyristor dont on veut provoquer l’extinction.
Hacheurs à transistors :
L’apparition de transistors de puissance sur le marché a ouvert de nouvelles voies pour la modulation de l’énergie. On
peut réaliser des transistors de puissance ayant un courant de collecteur de 200A et supportant une tension inverse
pouvant atteindre 1000V.
Les circuits de puissance électriques - 64
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LES CIRCUITS DE PUISSANCE ELECTRIQUES
Montage hacheur à transistors série : ce montage permet d’obtenir des
fréquences de hachage beaucoup plus importantes qu’avec des thyristors et ne
nécessite pas de circuit d’extinction. En revanche, un circuit d’aide à la
commutation (CALC) est nécessaire pour permettre une commutation plus rapide,
donc un meilleur rendement.
Le transistor n’a pas de pouvoir de blocage en sens inverse. Le passage du
courant en inverse sous l’effet d’une tension Vce négative provoque sa destruction.
Circuit d’aide à la commutation (CALC) : le CALC permet, par sa mise en conduction, de ralentir la
croissance de la tension Vce et, par son blocage, de ralentir la montée du courant Ic. L’inductance L ralenti la
croissance de Ic, le circuit R2-D2 permet d’éviter les surtensions à la coupure de courant.
Le condensateur C se charge à l’ouverture du transistor par le circuit D1-C ; le condensateur C se décharge par R1
lorsque le transistor est saturé.
Le circuit de commande de base (CCB) : le CCB assure l’isolement du circuit de puissance et un courant de
base suffisant. Il est réalisé à l’aide d’un générateur d’impulsions auquel on ajoute un système amplificateur, car les
transistors de puissance en commutation ont un gain d’amplification relativement faible (5 à 10 maxi).
Commande d’un moteur à courant continu par hacheur :
Moteur avec un sens de rotation :
 Sans freinage : le moteur est monté en série avec le hacheur. Il
possède une diode de roue libre à ses bornes pour éviter les
surtensions à l’ouverture du thyristor. Cf. figure ci-contre.
 Fonctionnement en moteur : le moteur est alimenté par Th1 et la
diode D2 assure la fonction roue libre. Th1 est le hacheur
dévolteur, D2 la roue libre, Th2 le hacheur survolteur et D1 la
diode de récupération.
 Fonctionnement en freinage avec récupération : il y a
conduction de Th2 et D1. Lorsque Th2 est fermé, le courant
augmente. Lorsque Th2 est ouvert, le courant circule de D1 vers
la source.
Pour les 2 derniers cas, cf. figures ci-dessous :
Les circuits de puissance électriques - 65
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Moteur avec 2 sens de rotation et freinage à récupération :
 Fonctionnement en moteur : lorsque T1 et T4 sont fermés, le moteur est alimenté dans un sens. Si on ouvre T4,
la diode de roue libre D3 et le circuit se referment par T1.
 Fonctionnement en freinage : lorsque T2 est fermé, le courant augmente en passant par T2 et D4 (circuit fléché
en trait continu). Lorsque T2 s’ouvre, le courant se referme par D1, E, D4.
Remarque : la source ne doit pas présenter de diode en sens inverse. Le fonctionnement dans l’autre sens de rotation
est parfaitement symétrique.
Choix d’un hacheur pour moteur à courant continu :
Le choix d’un hacheur est fonction de la nature de la source, en général une batterie d’accumulateurs, et de l’utilisation
que l’on veut faire de ce hacheur. Le plus souvent, on l’utilise en traction électrique (chariot de manutention, voiture
électrique, locomotives). En tenant compte de ces 2 paramètres, on réalise des hacheurs adaptés aux tensions et aux
puissances employées.
Les hacheurs à transistors sont utilisés pour des puissances allant jusqu’à 10kW. Pour les fortes puissances, on a
recours aux thyristors, en particulier pour les locomotives électriques.
228 – Les onduleurs :
Un onduleur est un convertisseur statique qui transforme un courant continu en courant alternatif.
L’onduleur peut être :
 A fréquence fixe : on l’utilise alors comme source de secours, ou lorsque l’on veut obtenir une alimentation sans
coupure à partir d’une batterie d’accumulateurs.
 A fréquence variable : on l’utilise pour faire varier la vitesse de moteurs asynchrones triphasés. Dans ce cas, les
onduleurs sont alimentés en énergie par le réseau à 50Hz mais sont précédés d’un redresseur et souvent d’un
hacheur.
Montage avec point milieu : à la fermeture de l’interrupteur H1, le récepteur est
alimenté dans un sens. Puis H1 est ouvert et l’interrupteur H2 se ferme. Le
récepteur est alimenté dans l’autre sens. Ce montage nécessite une source
continue à point milieu.
Montage en pont : à la fermeture des interrupteurs H1 et H4, le courant s’établit
dans le sens indiqué par les flèches en clair sur le schéma. Le récepteur est
traversé dans un sens. Puis H1 et h4 s’ouvrent, et à la fermeture de H2 et H3, le
courant s’établit en sens inverse dans le récepteur.
Un tel onduleur serait très dangereux d’utilisation, car dans le cas où 2
interrupteurs seraient fermés sur des polarités inverses, il y aurait court circuit de
la source.
Dans la réalité, les interrupteurs sont remplacés par des transistors en
commutation ou des thyristors.
Les circuits de puissance électriques - 66
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Onduleur monophasé à transistors :
Montage à point milieu :
Schéma de principe : les transistors T1 et T2 jouent le rôle
d’interrupteurs. Ils fonctionnent de façon complémentaire.
Ce montage n’est utilisé que pour des petites puissances (<
1kW).
On considère que la charge est constituée par une
inductance placée en série avec une résistance, ce qui a
pour effet de décaler la valeur I du courant par rapport à la
tension U aux bornes de la charge.
La tension U aux bornes de la charge est de forme
rectangulaire ; le courant I est formé par des portions
d’exponentielles (constante de temps L/R).
La commande des transistors T1 et T2 est différente lorsque
les temps de conduction sont prolongés par l’intervention
des diodes D1 et D2.
La tension obtenue n’est pas sinusoïdale mais le courant se
rapproche d’une sinusoïde. On peut le rendre plus
sinusoïdal encore en plaçant un condensateur en série dans
le circuit de charge.
Montage en pont :
Schéma de principe : les transistors T1 et T4 se comportent
comme des interrupteurs unidirectionnels. Les diodes sont
montées tête bêche. Une seule source est nécessaire.
Commande adjacente :
 T1 et T4 sont fermés pendant la 1ère demi période
alors que T3 et T2 sont ouverts.
 T2 et T3 sont fermés pendant la 2ème demi période
alors que T1 et T4 sont ouverts.
 A l’instant T/2, T1 et T4 sont ouverts, mais du fait de
l’inductance dans le circuit, le courant I retourne à la
source en passant par D2 et D3 qui restent
passantes tant que i est positif.
 A l’instant T, on a le même fonctionnement en
symétrique avec T2 et T3.
Les circuits de puissance électriques - 67
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Montage en pont :
Commande disjointe :
On retarde le moment de conduction des transistors afin :
 D’éviter un court circuit s’il arrivait que 2 transistors
d’une
même
branche
soient
conducteurs
simultanément.
 De pouvoir faire varier la tension obtenue en sortie
de l’onduleur.
La valeur de la tension ondulée dépend essentiellement de
la nature de la charge. Le taux d’harmoniques est un peu
moins important qu’en commande adjacente.
Montage en pont :
Commande adjacente décalée :
La commande adjacente décalée est un compromis entre
les 2 montages précédents. On commande les transistors
T1 et T2 en complémentaire, mais on décale T3 et T4, eux
aussi commandés en complémentaire. Dans tous les cas,
seuls 2 éléments semi-conducteurs conduisent en même
temps.
Ce type de commande est assez utilisé en monophasé. Il
permet de diminuer le taux d’harmoniques. On peut faire
varier la tension dans ce montage en modifiant l’angle de
décalage. Les meilleurs résultats sont obtenus pour un
décalage de T/6.
Onduleur triphasé :
On considère qu’un onduleur triphasé correspond à
3 onduleurs à demi-pont. La source à point milieu
est fictive. Ce point n’existe pas. Il est introduit pour
faciliter l’explication.
 Chaque demi-pont est à commande adjacente
et décalée de 120° soit T/3.
 La charge est équilibrée (RL) entre chaque
phase.
Les circuits de puissance électriques - 68
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Tension entre les phases R, S, T et le point milieu 0,
fictif :
La tension Vr0 est positive quand Th1 est passant,
elle est négative quand Th4 est passant. Elle passe
de la valeur +E/2 à –E/2. Après un décalage de 120°,
on obtient la même révolution des tensions pour Vs0,
puis pour Vt0 après un nouveau décalage de 120°.
Tension entre phases :
La tension entre la phase R et la phase S est Vrs telle
que Vrs = Vr0 – Vs0. En représentant graphiquement
ces tensions, on observe la forme de la ternissons
entre phases Vrs = f(t).
La valeur efficace de la tension entre phases de
2
l’onduleur triphasé est : Vrseff = E
3
Le raisonnement est identique pour les autres phases.
Tension entre phase et neutre :
La tension entre le neutre et le point milieu s’obtient
en faisant la somme : Vr0 + Vs0 + Vt0 = 3Vn0. La
représentation graphique de la somme de ces 3
tensions permet de définir une tension de forme
rectangulaire, d’amplitude +E/6 à –E/6 et de période
T/3.
La tension Vrn est égale à Vr0 – Vn0. La tension Vrn,
obtenue par construction sur le graphique, est égale à
la tension délivrée par un onduleur monophasé à
commande décalée.
3
Cette tension a pour valeur : Vrneff = E .
2
XXIII – ONDULEUR A MODULATION DE LARGEUR D’IMPULSION (MLI) :
Dans les onduleurs à commande adjacente, la forme de la tension introduit des harmoniques importants qui perturbent
le fonctionnement du récepteur, surtout dans le cas des moteurs asynchrones. C’est la raison pour laquelle on a
introduit la commande par MLI.
Le schéma de l’onduleur à MLI est identique à celui cicontre. Seule la commande des 4 transistors est différente.
Principe de la modulation de largeur d’impulsion :
La tension continue à l’entrée est hachée de façon à créer
une succession de créneaux d’amplitude égale à la tension
continue et de largeur variable, suivant l’amplitude de la
sinusoïde que l’on souhaite obtenir.
La commande d’un hacheur MLI peut s’effectuer en :
 Analogique : par comparaison d’une tension
triangulaire avec la sinusoïde
 Numérique : un microprocesseur calcule la largeur
des impulsions
Les circuits de puissance électriques - 69
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XXIV – LA VARIATION DE VITESSE :
Dans l’univers industriel, la variation de vitesse peut être réalisée de nombreuses manières, avec des technologies
hydrauliques, mécaniques, électromécaniques ou électroniques.
La distinction essentielle entre les variateurs mécaniques et les variateurs électroniques est la position de celui-ci.
Moto-variateur mécanique ou hydraulique :
 Variateur hydraulique : il se compose dans le même bâti d’une pompe et d’un moteur hydraulique. La variation
de vitesse est obtenue par variation du débit de la pompe, ce qui offre une variation de 1 à 10 environ. La reprise
est mauvaise et le rendement médiocre.
 Variateur mécanique : boite de vitesse ou transmission par poulies et courroies. Le rendement est médiocre
MOTEUR
VARIATEUR
REDUCTEUR
MACHINE
REDUCTEUR
MACHINE
Moto variateur électronique ou électromécanique :
VARIATEUR
MOTEUR
Coupleur à courant de Foucault : dans ce coupleur il se produit un glissement entre l’arbre moteur et l’arbre
d’utilisation. La commande du courant d’excitation modifie le glissement et provoque la variation de vitesse par freinage
(gamme de vitesse de 1 à 10).
Coupleur à poudre : dans le coupleur, le glissement dépend de l’homogénéisation de la poudre magnétique située
entre les 2 rotors. Gamme de vitesse de 1 à 5.
Groupe Ward-Leonard : ce groupe est composé :
 D’un moteur asynchrone d’entraînement ME à vitesse fixe.
 D’une génératrice à courant continu G liée mécaniquement au moteur d’entraînement et délivrant une tension
variable.
 D’un ou plusieurs moteurs MC à courant continu alimentés par la génératrice.
La vitesse de MC est liée à la tension délivrée par la génératrice, qui elle-même est liée à son excitation (gamme de
vitesse de 1 à 100). Parfois l’excitation de MC est elle-même variable, ce qui augmente l’étendue du réglage.
ME
G
MC
Machine
Groupe moteur alternateur : ce groupe se compose :
 D’un moteur d’entraînement ME à vitesse variable par variation mécanique ou électronique.
 Dun alternateur A lié mécaniquement au moteur d’entraînement.
 D’un ou plusieurs moteurs à courant alternatif MA raccordé à l’alternateur.
La vitesse du ou des moteurs MA est liée à la tension et à la fréquence délivrée par l’alternateur (A) qui sont elles
mêmes liées à la vitesse de celui-ci, donc du moteur d’entraînement (ME). La gamme de vitesse va de 1 à 10.
ME
A
A
Machine
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241 – Rappels de mécanique :




Longueur l = mètre m
Masse m = kilogramme Kg
Temps t = seconde s
Intensité I = Ampère A
 Vitesse angulaire : =
d 
= en rad/s
dt t
 =2n/60 avec n en tr/min
 Vitesse linéaire : V=
dl L
= en m/s
dt t
 Vitesse linéaire d’un point sur un cercle : V=r avec r rayon du cercle
dv
en m/s²
dt
d² d
 Accélération angulaire : =
=
en rad/s²
dt² dt
 Accélération tangentielle : =r
 Mouvement rectiligne : F=m en Newton
P=Fv en Watts
 Accélération linéaire : =
 Mouvement circulaire : T=F.r couple T en Nm

j=mr² j moment d'inertie en kg m²
P=T en Watts
m masse en kg
T=J
d
dt
r rayon de giration en m
La machine accouplée au moteur présente essentiellement un moment d’inertie J en Kgm², auquel il faut ajouter celui
du moteur, parfois plus important. La connaissance de cette inertie totale permet l’étude des régimes transitoires,
démarrage et arrêt, mais elle n’intervient pas en régime établi.
Exemples :
 Cas d'un cylindre plein en rotation : le rayon de giration est égal à
J=m
R/ 2 où R est le rayon du cylindre, d'où :
R²
2
 Cas d'un cylindre creux en rotation : le rayon de giration est égal à
cylindre, d’où : J=m
R²+r²
où r est le rayon intérieur du
2
R²+r²
2
Si la machine est entraînée par l’intermédiaire d’un réducteur à la vitesse N1, il faut alors calculer son moment d’inertie
ramené au moteur tournant à la vitesse N2.
Mouvement de rotation :
 Energie cinétique de la machine : W1=
1
J11²
2
1
J22²
2
 Energie cinétique équivalente coté moteur : W2=
Ces deux énergies doivent être égales, d’où :
22

1
J1 = J2
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Mouvement de translation :
 Energie cinétique produite par un mouvement en translation : W1=
 Energie cinétique produite par un mouvement en rotation : W2=
1
mV²
2
1
J²
2
Ces deux énergies doivent être égales, d’où :
V2
J = m 
 
242 – Démarrage :
Pour pouvoir démarrer il faut fournir un couple au démarrage plus important que le couple en régime établi.
Equation fondamentale :
J
d
= Tm – Tr
dt
 Tm : Couple moteur en Nm
 Tr : Couple résistant en Nm
 J moment d'inertie de l'ensemble de la machine ramené au rotor en Kgm²

d
: accélération angulaire
dt
Pour démarrer dans un temps imposé t (passage de
l’arrêt à la vitesse angulaire w), la connaissance du
moment d’inertie J permet de déterminer le couple
moteur moyen nécessaire pour le démarrage, c’est à dire
le couple de démarrage Td (noté également Cd).
Inversement, si le couple de démarrage moteur moyen
est fixé, le temps de démarrage, dépend du couple
résistant moyen :
t=
J
Td-Tr
Exemple :
Un moteur à courant continu de 10 kW tourne à 1500 tr/mn, l'inertie sur l'arbre est de 2 Kgm². Le couple de démarrage
moyen (supposé constant durant tout le démarrage) est de 2 Tn. Le couple résistant moyen (supposé constant durant
tout le démarrage) et de 0,5 Tn.
Calculer le temps de démarrage du moteur.
n 3,14 x 1500
=
= 157 rad/s
30
30
P 10000
Tn = =
= 63,7 Nm
157

J
J
2 x 157
t=
=
=
= 3,3s
Td – Tr 2Tn – 0,5Tn 1,5 x 63,7
=
En pratique :
En courant continu : Td = K.Tn où Tn est le couple nominal du moteur (Choix des résistances de démarrage). Il est
généralement compris entre 1,2 et 1,9.
En courant alternatif : le couple de démarrage dépend du mode de démarrage du moteur et de ses caractéristiques.
Ils sont donnés dans les catalogues constructeurs.
Les circuits de puissance électriques - 72
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243 - Arrêt :
Si la machine est laissée à elle même lors de la coupure de la
tension d’alimentation, le couple de ralentissement est égal au
couple résistant.
Tm-Tr= J
d
J
. Comme Tm=0, le temps d’arrêt sera : t=
si le
Tr
dt
couple résistant est constant.
Exemple :
Une machine tourne à 1500 tr/mn avec une inertie de 2 Kgm²
avec un couple résistant de 32 Nm (supposé constant).
Déterminer le temps nécessaire pour obtenir l'arrêt complet.
J
t=
=
Tr
1500 x 
2x

 30 
= 9,8s
32
244 – Freinage :
Le temps de freinage naturel est trop long (inertie
importante) :
Frein mécanique : on peut utiliser un frein électromécanique
qui bloque la machine, mais cette solution est brutale et n’est
pas adaptée pour obtenir le temps de ralentissement souhaité. Il
reste cependant indispensable pour maintenir la machine à
l’arrêt.
Utilisation du moteur comme un frein : il faut augmenter le
couple résistant pour réduire le temps d’arrêt du moteur, c’est à
dire fournir un couple moteur négatif qui ralentit la machine. En
continu on peut utiliser deux types de freinage.
Freinage rhéostatique : la machine entraîne le moteur, il se comporte comme un générateur U et I de sens contraire (en
convention récepteur). Cette génératrice peut fournir un courant dans une résistance, ce qui va créer un couple de
freinage. Mais son efficacité est proportionnelle au courant, donc à la tension qui elle-même dépend de la vitesse. Cela
assure un freinage mais pas un arrêt. L’énergie récupérée est transformée en énergie calorifique perdue dans la plupart
des cas. Exemple : certaines rames de métro assurent ainsi le chauffage des stations avec un freinage rhéostatique.
Fonctionnement moteur :
Energie
électrique
Variateur
électronique
Moteur
électrique
Energie
électrique
Partie
mécanique
Energie
mécanique
Fonctionnement en freinage :
Energie
électrique
Variateur
électronique
Moteur
électrique
Energie
électrique
Variateur
électronique
Partie
mécanique
Energie
mécanique
Energie
calorifique
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Freinage par récupération : il est obtenu en utilisant des
variateurs réversibles. En limitant l’intensité, le couple de
freinage est constant jusqu’à l’arrêt. L’énergie ainsi récupérée
est renvoyée sur le réseau. La technologie ainsi utilisée est plus
complexe mais permet une récupération de l’énergie. Exemple :
les funiculaires fournissent en descendant une partie de
l’énergie nécessaire à un autre pour monter. On retrouve ce
principe en mécanique avec les contrepoids qui équipe certains
ascenseurs.
La chaîne de transformation de l’énergie est dans ce cas :
Fonctionnement en freinage :
Energie
électrique
Variateur
électronique
Moteur
électrique
Energie
électrique
Partie
mécanique
Energie
mécanique
Le temps de freinage naturel est trop court (inertie faible) :
Il peut arriver que la machine s'arrête trop vite. La machine s’arrête naturellement de manière très brutale. Il faut donc
continuer à fonctionner en moteur pour fournir de l’énergie mécanique pendant la décélération. La chaîne de
transformation de l’énergie est dans ce cas :
Fonctionnement moteur :
Energie
électrique
Variateur
électronique
Moteur
électrique
Energie
électrique
Partie
mécanique
Energie
mécanique
245 - Les quadrants de fonctionnement :
Pour pouvoir visualiser toutes ces possibilités et pouvoir effectuer le choix des matériels à utiliser, on adopte une
représentation sous forme de quadrant de fonctionnement, dans le plan vitesse/couple.
En mouvement horizontal :
Les deux quadrants supérieurs correspondent à 1
sens de marche. Les deux quadrants inférieurs
correspondent à l’autre sens de marche. Q1 et Q3
correspondent à un fonctionnement nécessitant un
couple moteur (tirer une charge, pousser une
charge). Q2 et Q4 correspondent à un
fonctionnement nécessitant un couple de freinage,
qui peut être produit par le moteur fonctionnant en
générateur (ralentir la charge qui possède une
énergie cinétique).
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En mouvement vertical :
En montée :
Q1 :au démarrage, avant que le moteur ne tourne, le
couple doit être suffisant pour ne pas que la charge
descende.
Q2 : afin d’obtenir un arrêt rapide et précis, il est
nécessaire d’appliquer un couple de freinage. La
charge monte, mais naturellement elle s’arrêterait
«trop haut ».
Exemple : la charge monte à 10 m/s. Si on coupe
l’alimentation du moteur, elle continue de monter
encore pendant 30cm, avant de redescendre. On
veut qu’elle s’arrête au bout de 2 cm, il faut donc
fournir un couple de freinage pour arriver à ce
résultat.
En descente :
Q3 : un fonctionnement rapide nécessite l’application
d’un couple moteur bien que la charge soit
entraînante, cas d’un démarrage naturel trop lent
Q3. Exemple : si on libère la charge, elle atteint une
vitesse de 10m/s au bout de 20s. On veut atteindre
cette vitesse en 5s, il faut donc fournir un couple
moteur pour diminuer le temps d’accélération.
Q4 : pour contrôler la vitesse de la descente de la
charge ou pour obtenir son arrêt, il faut générer un
couple de freinage.
Les quadrants de fonctionnement autorisé par un variateur dépendent de sa technologie :
 Si la charge n’est jamais entraînante, et s’il ne faut pas contrôler la décélération du mobile (tapis roulant,
ventilateur), le moteur et son variateur ne fonctionnent que dans les quadrants Q1, Q3 ou Q1 et Q3 en fonction
de son ou des ses sens de rotation désirés.
 Par contre si la décélération doit être contrôlée ou s’il s’agit d’un mouvement de levage le moteur et le variateur
doivent être à quatre quadrants.
On résume ces 4 possibilités de fonctionnements avec la représentation ci-dessous dans le plan vitesse/couple. Par
convention, pour l’ensemble des moteurs, une tension positive, appliquée en référence, provoque la rotation du moteur
dans le sens horaire (1er quadrant), si les polarités convenables sont appliquées à l’induit et à l’inducteur.
Les circuits de puissance électriques - 75
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Rotation
1er sens
1er sens
2ème sens
2ème sens
La machine
fonctionne en
Moteur
Générateur
Moteur
Générateur
Couple T
Vitesse N
Produit T x N
Quadrant
+
+
+
+
-
+
+
-
1
2
3
4
246 - comportement de la charge a vitesse variable :
La charge s’oppose au mouvement en développant un couple résistant qui peut avoir plusieurs allures en fonction de la
machine. Pour déterminer correctement l’ensemble moteur variateur il faut connaître la caractéristique couple/vitesse
des différentes machines entraînées. Dans la pratique, toutes les machines peuvent être classées dans 4 catégories de
base :
Couple constant :
Puissance constante :
Dans l’industrie, 90% des machines rencontrées, les La puissance est indépendante de la vitesse, et le couple
pompes mises à part, sont des systèmes fonctionnant à varie de façon inversement proportionnelle à la vitesse.
couple constant. Le couple demandé est indépendant de Ce type de fonctionnement se retrouve dans les machines
la vitesse (levage, transport). Au démarrage il faut un outils et dans les systèmes d’enrouleur. Il faut un couple
surcouple de décollage, plus élevé que le couple résistant important à faible vitesse et un faible couple à grande
qui se présente ensuite.
vitesse, ce qui entraîne un surdimensionnement du
variateur par rapport au moteur.
Couple proportionnel à la vitesse :
Le couple varie de façon linéaire avec la vitesse et la
puissance avec le carré de la vitesse. On le rencontre sur
certaines pompes volumétriques, à vis d’Archimède et
dans les mélangeurs.
Couple croissant avec le carré de la vitesse :
Le couple varie comme le carré de la vitesse et la
puissance comme le cube de la vitesse. Ce type de
fonctionnement se rencontre sur les pompes centrifuges
et les ventilateurs.
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247 - Gamme de fonctionnement a couple constant :
Les puissances indiquées par les catalogues correspondent aux vitesses nominales des moteurs. Si les moteurs sont
auto-ventilés, il ne faut pas les faire travailler à faible vitesse. Il faudra choisir des moteurs munis d’un moto-ventilateur
extérieur.
Critère de choix d’un ensemble moteur variateur :
Type de machine
Surcouple au décollage ou
surcouple en marche
Choix du variateur
110% à 125%
Normal
130% à 150%
Normal
A rouleaux ou à roulements à billes
A paliers lisses
Convoyeur ou machine comportant des
frottements importants
Machine dont le cycle de fonctionnement
présente des à-coups (presse)
Inertie importante, machines à volant
d’inertie ou à masses en rotation
importantes (centrifugeuses)
160% à 250%
250% à 600%
Surdimensionner
le
variateur
et
éventuellement le moteur
Surdimensionner le variateur et le
moteur
Le dimensionnement du variateur
dépend essentiellement du temps désiré
pour le démarrage et/ou de freinage
Les variateurs électroniques possèdent en général une limitation de couple réglable protégeant ainsi le moteur et la
machine.
248 - Exemples d’applications théoriques :
Déterminer la puissance nominale Pn d’un moteur pour réaliser l’installation suivante :
 J= 8 Kgm²
 Td = 2Tn (supposé constant pendant tout le démarrage)
 Tr = 0,1Tn (supposé constant)
 On veut arriver à une vitesse de 3000 tr/mn en 5s
Déterminer le temps de démarrage de la machine suivante
 Pn sur l’arbre 5KW
 N= 3000 tr/mn
 Td = 1,6Tn (supposé constant pendant tout le démarrage)
 Tr = 0,8Tn
 J machine ramenée au moteur = 0.2 Kgm²
 J moteur 0,063 Kgm²
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XXV – DEMARREURS ET VARIATEURS DE VITESSE ELECTRONIQUES :
La commande des moteurs électriques par des ensembles de commutation TOR est une solution bien adaptée à
l’entraînement d’une grande variété de machines. Mais elle s’accompagne de contraintes qui peuvent s’avérer
gênantes pour certaines applications :
 Appel de courant de démarrage pouvant perturber la marche d’autres appareils connectés au réseau
 A-coups mécaniques lors des démarrages et des arrêts inacceptables pour la machine ou le confort et la sécurité
des usagers
 Fonctionnement à vitesse constante
Les démarreurs et variateurs de vitesse électroniques suppriment ces inconvénients. Destinés à la commande de
moteurs à courant continu ou alternatif, ils assurent une mise en vitesse et une décélération progressive et permettent
une adaptation précise de la vitesse aux conditions d’exploitation.
Suivant la nature du moteur, les variateurs utilisés sont du type redresseur contrôlé, convertisseur de fréquence ou
gradateur de tension.
251 – Principaux types de variateurs :
Un variateur est un convertisseur d’énergie dont le rôle consiste à moduler l’énergie électrique fournie au moteur.
Redresseur contrôlé : il fournit à partir d’un réseau alternatif monophasé
ou triphasé un courant continu avec contrôle de la valeur moyenne de la tension.
La variation de cette tension est obtenue en modifiant l’angle de retard à
l’amorçage des semi-conducteurs de puissance. Ce type de variateur alimente
des moteurs à courant continu, le plus souvent à excitation séparée.
Convertisseur de fréquence : il fournit, à partir d’un réseau monophasé
ou triphasé à fréquence fixe, une tension alternative de valeur efficace et de
fréquence variables selon une loi U/f = constante. Il est utilisé en variateur de
vitesse pour les moteurs asynchrones à cage.
U/f
Gradateur de tension : il fournit, à partir d’un réseau monophasé ou
triphasé, un courant alternatif de fréquence fixe égale à celle du réseau avec un
contrôle de la valeur efficace de la tension. La variation de cette tension est
obtenue en modifiant l’angle de retard à l’amorçage des semi-conducteurs de
puissance. Il est couramment utilisé comme démarreur progressif pour les
moteurs asynchrones à cage standards dans la mesure où un couple de
démarrage élevé n’est pas nécessaire. Il peut également être employé comme
variateur de vitesse pour les moteurs asynchrones à cage résistante ou à
bagues.
252 – Principales fonctions :
Accélération contrôlée : la mise en vitesse du moteur est contrôlée au moyen d’une rampe d’accélération
linéaire ou en S. Cette rampe est généralement réglable et permet par conséquent de faire varier le temps de mise en
vitesse.
Variation de vitesse : un variateur de vitesse ne peut pas être en même temps un régulateur. Un variateur de
vitesse est un système qui possède une commande avec amplification de puissance, mais qui ne possède pas de
boucle de rétroaction. Il est dit en « boucle ouverte ». La vitesse du moteur est définie par une grandeur d’entrée
(tension ou courant) appelée consigne de référence. Pour une valeur donnée de la consigne, cette vitesse peut varier
en fonction des perturbations (variation de la tension du réseau, de la charge, de la température). La plage de vitesse
s’exprime en fonction de sa vitesse nominale.
Consigne de
Vitesse
Variateur
Moteur
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Régulateur de vitesse : un régulateur de vitesse est un variateur asservi. Il possède un système de commande
avec amplification de puissance et une boucle de retour. Il est dit en « boucle fermée ». La vitesse du moteur est définie
par une consigne. La valeur de la consigne est en permanence comparée à un signal de retour, image de la vitesse du
moteur. Ce signal est généralement délivré par une génératrice tachymétrique ou un générateur d’impulsions monté en
bout d’arbre du moteur. Si un écart est détecté suite à une variation de la vitesse, la valeur de la consigne est
automatiquement corrigée de façon à ramener la vitesse à sa valeur initiale. Grâce à la régulation, la vitesse est
pratiquement insensible aux perturbations. La précision d’un régulateur est généralement exprimée en % de la valeur
nominale de grandeur à réguler.
Consigne de
Vitesse
Comparateur
Régulateur
Mesure de
vitesse
Moteur
Image de la vitesse réelle
Décélération contrôlée : quand un moteur est mis hors tension, sa décélération est due uniquement au couple
résistant de la machine (décélération naturelle). Les démarreurs et variateurs de vitesse électroniques permettent de
contrôler la décélération au moyen d’une rampe linéaire ou en S, généralement indépendante de la rampe
d’accélération. La rampe peut être réglée de manière à obtenir un temps de passage de la vitesse en régime établi à
une vitesse intermédiaire ou nulle. Si le temps de décélération est inférieur au temps de décélération naturelle, le
moteur doit alors développer un couple résistant qui vient s’additionner au couple résistant de la machine. Si le temps
de décélération est supérieur au temps de décélération naturelle, le moteur doit développer un couple moteur inférieur
au couple résistant de la machine.
Inversion du sens de marche : elle peut être commandée à vitesse nulle après décélération sans freinage
électrique, ou avec freinage électrique pour obtenir une décélération et une inversion rapides.
Protections intégrées : les variateurs modernes assurent en général la protection thermique des moteurs et leur
propre protection. A partir de la mesure du courant, un microprocesseur calcule l’élévation de température du moteur et
fournit un signal d’alarme ou de déclenchement en cas d’échauffement excessif. Les variateurs, et notamment les
convertisseurs de fréquence, sont d’autre part fréquemment équipé de protections contre les courts circuits entre
phases ou entre une phase et la terre, les surtensions et les chutes de tension, les déséquilibres de phases, la marche
en monophasé.
253 – Constitution :
Les démarreurs et variateurs de vitesse électroniques sont composés de 2 modules généralement regroupés dans une
même enveloppe :
 Un module de contrôle qui gère le fonctionnement de l’appareil
 Un module de puissance qui alimente le moteur en énergie électrique
MODULE DE PUISSANCE
ORDRES
Redresseur
Visualisation
des états
Traitement
des
informations
Mémoire
thermique
Alimentation
Microprocesseur
Réglage
Allumage
Interface de
puissance
Retour
Relais
Interface de
sécurité
MODULE DE CONTROLE
Convertisseur
Gradateur
Sécurité
Retour
Moteur
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Le module de contrôle :
Sur les variateurs et démarreurs modernes, toutes les fonctions sont commandées par un microprocesseur qui exploite
les réglages, les ordres transmis par un opérateur ou une unité de traitement, et les résultats de mesures comme la
vitesse, le courant, etc. A partir de ces informations, le microprocesseur gère l’allumage des composants de puissance,
les rampes d’accélération et de décélération, l’asservissement de vitesse, la limitation de courant, les protections et
sécurités, etc.
Les réglages des consignes (vitesse, rampes, limitation de courant, etc.) se font, suivant les produits, par
potentiomètres, claviers, à partir d’API ou de PC par l’intermédiaire d’une liaison série.
Les ordres (marche, arrêt, freinage, etc.) peuvent être donnés par des interfaces de dialogue homme/machine, des API,
des PC, etc.
Les paramètres de fonctionnement et les informations d’alarme et de défauts peuvent être visualisés sur des voyants,
des LED, des afficheurs 7 segments ou à cristaux liquides, des écrans vidéo, etc.
Des relais souvent affectables donnent des informations de :
 Défaut (réseau, thermique, produit, séquence, surcharge, etc.)
 Surveillance (seuil de vitesse, préalarme, fin de démarrage, etc.)
 Une alimentation isolée fournit les tensions nécessaires pour l’ensemble des circuits de mesure et de contrôle.
Le module de puissance :
Le module de puissance est principalement constitué de :
 Composants de puissance : diodes, transistors, thyristors, diacs, triacs, etc.
 Interfaces de tension et/ou courant
 Sur les gros calibres, un ensemble de ventilation
Les composants de puissance sont des semi-conducteurs fonctionnant en TOR. Ils sont donc comparables à des
interrupteurs statiques pouvant prendre 2 états : passant ou bloqué.
Ces composants, associés dans un module de puissance, constituent le convertisseur qui alimente, à partir du réseau à
tension et fréquence fixe, un moteur électrique sous une tension et/ou fréquence variables.
253 – Principaux modes de fonctionnement :
Unidirectionnel : un dispositif de conversion en électronique est dit unidirectionnel s’il ne laisse passer l’énergie
que dans le sens réseau  récepteur. Un dispositif de freinage d’arrêt peut être exercé en courant alternatif en
connectant un dispositif distinct de freinage sur résistance qui dissipe l’énergie emmagasinée dans les pièces en
mouvement.
Réversible : un dispositif de conversion en électronique est dit réversible, ou bidirectionnel, quand il autorise le
transfert de l’énergie dans les 2 sens réseau  récepteur et récepteur  réseau. Un freinage peut alors être exercé en
renvoyant sur le réseau d’alimentation tout ou partie de l’énergie emmagasinée dans les pièces en mouvement.
Couple constant : le fonctionnement est dit à couple constant quand le moteur fournit le couple nominal quelle que
soit sa vitesse.
Puissance constante : le fonctionnement est dit à puissance constante quand le moteur fournit un couple
inversement proportionnel à la vitesse angulaire. C’est le cas, par exemple, pour un enrouleur/dérouleur de câble dont
la vitesse doit diminuer au fur et à mesure que croit le diamètre d’enroulement par accumulation du matériau.
Charge entraînante : une charge est dite entraînante quand elle produit une force accélératrice qui agit dans le
sens du mouvement. Par exemple, sur un engin de levage, le moteur doit développer un couple de freinage en
descente pour compenser la force accélératrice produite par la charge.
254 – Variateur – Régulateur pour moteur a courant continu a excitation séparée :
Ce type de variateur, alimenté sous une tension fixe à partir du réseau alternatif, fournit au moteur une tension continue
variable. A excitation constante, la vitesse du moteur est fonction de la tension appliquée à l’induit du moteur.
Le circuit de puissance est un redresseur. La tension à délivre devant être variable, ce redresseur doit être du type
contrôlé ; c’est à dire comporter des composants de puissance dont la conduction peut être commandée (thyristors ou
transistors de puissance). La variation de tension de sortie est obtenue en limitant plus ou moins le temps de
conduction pendant chaque demi-période.
Plus l’amorçage du thyristor est retardé par rapport au zéro de la demi période, plus la valeur moyenne de la tension
est réduite et de ce fait, la vitesse du moteur plus faible (l’extinction d’un thyristor intervient naturellement en fin de demi
période).
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La régulation consiste à maintenir avec précision la vitesse à la valeur imposée en dépit des perturbations : variations
du couple résistant, de la tension d’alimentation, de la température, etc. Toutefois, lors des accélérations ou en cas de
surcharge, l’intensité du courant ne doit pas atteindre une valeur telle que les composants soient en danger. Un
dispositif réglable abaisse le niveau de la limitation à une valeur acceptable.
La valeur de consigne désirée est fixée par un potentiomètre, par un signal transmis par liaison série ou par tout autre
dispositif qui délivre une tension image de cette vitesse désirée. La référence peut être fixe ou varier au cours du cycle.
Des rampes d’accélération et de décélération réglables appliquent de façon progressive la tension de référence
correspondant à la vitesse désirée, l’évolution étant linéaire ou en S. Le réglage des rampes définit la durée de
l’accélération et du ralentissement.
Régulation : en boucle fermée, la vitesse réelle est mesurée en permanence par une dynamo tachymétrique ou un
générateur d’impulsions et comparée à la référence. Si un écart est constaté, l’électronique de contrôle réalise une
correction de la vitesse.
Freinage par récupération : lorsqu’un freinage rapide est désiré, il faut choisir un variateur capable de renvoyer sur le
réseau l’énergie de freinage. Celle-ci doit être convertie en courant alternatif, ce qui nécessite que, pendant le freinage,
le redresseur fonctionne en onduleur. Le variateur doit être bidirectionnel et comporter un double circuit de puissance.
Inversion du sens de marche : elle est réalisée en inversant le sens du courant dans l’induit. La commande
d’inversion peut être statique si le variateur est bidirectionnel.
255 – Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone :
Pour disposer d’un couple constant quelle que soit la vitesse, il est nécessaire de maintenir le flux constant. Ceci
nécessite que la tension et la fréquence évoluent simultanément dans les mêmes proportions.
Les convertisseurs de fréquence, alimentés à tension et fréquence fixes par le réseau, assure au moteur, en fonction
des exigences de vitesse, son alimentation en courant alternatif à tension et fréquence variables.
Le circuit de puissance est constitué d’un redresseur et d’un onduleur qui, à partir de la tension redressée, produit une
tension d’amplitude et de fréquence variables. Cet onduleur utilise 6 transistors de puissance. Le principe de la
régulation est le même que celui du variateur/régulateur à courant continu.
L’onduleur peut générer une fréquence plus élevée que celle du réseau et, de ce fait, assure au moteur un excédent de
vitesse proportionnel à cet excédent de fréquence. Toutefois, la tension de sortie du convertisseur ne pouvant pas
dépasser celle du réseau, le couple disponible décroît en proportion inverse de l’accroissement de la vitesse. Audessus de sa vitesse nominale, le moteur fonctionne non plus à couple constant mais à puissance constante (P = C).
Ce type de variateur est destiné à l’alimentation des moteurs asynchrones triphasés à cage. Il est constitué d’un
redresseur avec condensateur de filtrage, d’un onduleur à 6 transistors de puissance et d’une unité de contrôle
organisée autour d’un microprocesseur qui assure la commande de l’onduleur.
L’ondulation est obtenue par découpe de la tension redressée au moyen d’impulsions dont la durée, donc la largeur, est
modulée de telle manière que le courant alternatif soit aussi sinusoïdal que possible. Ceci conditionne la rotation
régulière à basse vitesse et limite les échauffements.
Deux rampes règlent l’accélération et le ralentissement.
Le variateur s’autoprotège et protège le moteur contre les échauffements excessifs, en se verrouillant jusqu’au retour à
une température acceptable.
Inversion du sens de marche : l’inversion du signal de commande entraîne l’inversion dans l’ordre de fonctionnement
des composants de l’onduleur, donc du sens de rotation du moteur.
Régulation : en boucle ouverte, le référence de vitesse impose une fréquence à l’onduleur, qui détermine la vitesse
théorique du moteur. Mais la vitesse réelle varie avec la charge. En boucle fermée, la vitesse réelle est contrôlée au
moyen d’un indicateur tachymétrique. La régulation assure une vitesse constante.
Freinage d’arrêt : il peut être obtenu par injection de courant redressé dans le moteur.
Freinage de ralentissement : un module de freinage réalise un ralentissement contrôlé. L’énergie de freinage est
dissipée dans une résistance branchée aux bornes du condensateur de filtrage.
LE CONTROLE VECTORIEL DE FLUX :
Les variateurs de vitesse pour moteurs asynchrones triphasés augmentent sans cesse les performances de ces
moteurs utilisés en vitesse variable.
Les applications nécessitant un bon niveau de performances d’entraînement avaient recours aux solutions avec
moteurs à courant continu. Aujourd’hui, les techniques de commande en Contrôle Vectoriel de Flux (CVF) rendent ces
applications accessibles aux moteurs asynchrones, même si le moteur à courant continu résiste dans les très fortes
puissances eu égard au coût encore élevé des variateurs.
Le CVF augmente la plage de fonctionnement des moteurs asynchrones vers les très basses vitesses. Si le moteur est
muni d’un capteur de position et d’un d’une ventilation forcée, le couple nominal peut être fourni même à l’arrêt, le
couple transitoire étant égal à 2 ou 3 fois le couple nominal suivant les moteurs. De plus, la vitesse maximale atteint
souvent le double de la vitesse nominale ou davantage si le moteur le permet mécaniquement.
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256 – Gradateur de tension pour moteur asynchrone :
Un gradateur de tension alimente sous tension variable et fréquence fixe différents types de récepteurs : éclairage,
chauffage, moteurs, etc.
Quant à la commande des moteurs, le gradateur de tension est utilisé soit comme démarreur/ralentisseur progressif,
soit comme variateur de vitesse pour moteurs à cage résistante ou moteurs à bagues.
Démarreur/ralentisseur progressif :
Le gradateur de tension constitue un excellent démarreur dans tous les cas où un couple de démarrage élevé n’est pas
nécessaire (le couple est proportionnel au carré de la tension). En cas de besoin, on peut augmenter ce couple en
utilisant des moteurs comportant une cage supplémentaire pour le démarrage (moteurs à double cage).
Un gradateur réalise la mise en vitesse et le ralentissement progressif des moteurs asynchrones à cage sans à-coups
et sans pointes de courant ni chutes de tension excessives, même en cas de fortes inerties.
Le circuit de puissance comporte par phase 2 thyristors montés tête bêche. La variation de la tension est obtenue en
faisant varier le temps de conduction de ces thyristors au cours de chaque demi-période. Plus l’instant d’amorçage est
retardé, plus la valeur de la tension résultante est faible.
L’amorçage des thyristors est géré par un microprocesseur qui assure également les fonctions suivantes :
 Contrôle réglable des rampes d’accélération et de décélération
 Limitation de courant réglable
 Surcouple au décollage
 Commande de freinage par injection de courant continu
 Protection du variateur contre les surcharges
 Protection du moteur contre les échauffements dus aux surcharges ou aux démarrages trop fréquents
 Détection du déséquilibre ou d’absence de phase, de défauts des thyristors
 Un tableau de bord qui affiche différents paramètres de fonctionnement apporte une aide à la mise en service, à
l’exploitation et à la maintenance.
Un gradateur peut commander le démarrage et le ralentissement d’un seul moteur ou de plusieurs simultanément si
son calibre le permet ou encore de plusieurs moteurs successivement par commutation (en régime établi, chaque
moteur est alimenté directement par le réseau au travers d’un contacteur).
Variateur pour manutention/levage :
C’est un gradateur de tension particulièrement adapté au pilotage d’équipements commandés manuellement, comme
les engins de levage ou les machines utilisées dans l’industrie lourde.
Pour ce type d’applications, une grande plage de vitesse est requise. Cette vitesse doit pouvoir varier à tout instant au
gré de l’opérateur en fonction de ses besoins. La productivité nécessite tout à la fois que les mouvements puissent être
commandés à très grande vitesse pour des parcours de grande longueur, mais également à vitesse très réduite pour
effectuer des manœuvres précises.
Afin d’obtenir des caractéristiques couple/vitesse relativement stables, les moteurs utilisés sont des moteurs à bagues,
avec des résistances rotoriques éventuellement éliminées au moyen de contacteurs pilotés par le variateur.
Ce type de variateur permet :
 Le contrôle d’un ou plusieurs moteurs en parallèle
 L’inversion statique par thyristors du sens de marche
 Le fonctionnement dans les 4 quadrants du plan couple/vitesse
257 – Motovariateurs synchrones :
Les moto-variateurs synchrones sont destinés à la commande de mouvements de robots, et d’une façon plus générale
à tous les secteurs comportant des machines à cycles courts avec des cadences élevées.
Un ensemble moto-variateur comporte 2 éléments fonctionnellement indissociables :
 Un moteur de type synchrone sans balais (brushless) muni d’un résolver et éventuellement d’un frein
électromagnétique.
 D’un variateur assurant la commutation statique, la régulation de courant ou de couple et la régulation de vitesse.
Le moteur est constitué d’un stator triphasé à 6 pôles et d’un rotor 6 pôles à aimants permanents au Samarium-Cobalt.
La répartition des aimants en 6 pôles d’inducteurs et la structure des circuits magnétiques entraînent une concentration
efficace du flux dans l’entrefer, et par conséquent un couple volumique élevé.
Le résolver est un capteur fixé en bout d’arbre du moteur. Il délivre un signal analogique représentant la position
angulaire du rotor. Cette information permet au variateur de réaliser la commutation statique et d’élaborer un signal de
vitesse.
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Le variateur est constitué d’un redresseur et d’un onduleur à transistors à modulation de largeurs d’impulsions (MLI) qui
restitue un courant de sortie de forme sinusoïdale.
La fréquence de 10kH élimine pratiquement le bruit au niveau du moteur et minimise l’ondulation du couple.
La partie onduleur est réversible. Le variateur peut donc fonctionner dans les 4 quadrants du diagramme
couple/vitesse. Un module de freinage permet de dissiper dans une résistance extérieure l’énergie récupérée lors d’un
arrêt.
La commutation statique réalisée par le variateur consiste à contrôler la phase et la fréquence des ondes de courant
envoyées au stator, de telle sorte que le couple soit optimal quels que soient la vitesse et le sens de rotation. A partir de
la position du rotor indiquée par le résolver, l’électronique de commande impose un déphasage de 90° entre les
champs tournants rotoriques et statoriques. Le couple est alors maximal et le courant proportionnel au couple
demandé.
Les fonctions d’asservissement de l’électronique, les faibles constantes de temps mécaniques et électrique autorisent
des accélérations et plus généralement des bandes passantes très élevées, avec en même temps une très grande
dynamique de vitesse.
258 – Gradateur à trains d’ondes pour charges résistives :
Ce type de variateur est destiné au réglage de la puissance moyenne absorbée par une charge résistive pendant un
cycle ou une durée prédéterminée.
Il alimente la charge à partir du réseau alternatif au moyen de trains d’ondes entières. Cet appareil agit donc par
interruption périodique du courant sans modifier la forme et la fréquence des ondes de tension fournies par le réseau.
Le réglage de l’énergie résulte de la longueur et de l’espacement des trains d’ondes. La finesse de la régulation est
d’autant plus grande qui les trains d’ondes sont de faible longueur et leur fréquence de répétition élevée.
Ce type d’appareil est constitué de :
 Un module de puissance comportant 1 ou 2 ensembles de 2 thyristors montés tête bêche (1 ensemble pour
alimentation en monophasé et 2 ensembles pour alimentation en triphasé)
 Un module de contrôle comportant l’alimentation stabilisée et les dispositifs de synchronisation et d’allumage
 Un moto-ventilateur pour les gradateurs de puissance élevée
En nommant « d » la durée du cycle de ce type d’appareil à une fréquence « f » (50Hz), cette durée d correspond à d.f
périodes. La régulation consiste à moduler la longueur des trains d’ondes en réduisant leur durée par rapport au temps
de cycle d.
Le temps de conduction correspond toujours à un nombre entier de périodes. L’amorçage intervient au début d’une
période. Toutefois, lorsque la charge est alimentée par le gradateur à travers un transformateur, l’instant du 1er
amorçage de chaque train d’ondes est retardé au moyen d’un potentiomètre afin d’éviter le pointe de courant
magnétisant du transformateur. La variation de la puissance moyenne est faite en fonction d’un signal analogique ou
numérique délivré par un dispositif pilote (régulateur de température).
La régulation peut s’effectuer :
 En boucle fermée avec un régulateur de température à action proportionnelle (type P), proportionnelle et intégrale
(type PI) ou proportionnelle et intégrale et dérivée (type PID)
 En boucle fermée avec un thermostat délivrant un signal TOR
 En boucle ouverte avec commande manuelle par l’intermédiaire d’un interrupteur
Dans les 2 derniers cas, le niveau de puissance désiré est réglé au moyen d’un potentiomètre.
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XXVI – VARIATION DE VITESSE DES MOTEURS ASYNCHRONES TRIPHASES :
Un moteur asynchrone triphasé alimenté sur le secteur 50Hz tourne à une vitesse pratiquement constante. Pour faire
varier la vitesse de ce type de moteur, il faut moduler l’énergie.
La vitesse de rotation d’un moteur asynchrone est au glissement près : n=
f
p
 n est la fréquence de rotation en tr/s, f est la fréquence en Hz et p est le nombre de paires de pôles
 r et s : vitesses angulaires en rad/s
 Le glissement est donné par la relation : g=
s - r ns – n
=
ns
s
Il exprime l’écart relatif entre la vitesse ou la fréquence de synchronisme et la vitesse de rotation du moteur.
Le couple utile Tu d’un moteur asynchrone, pour qu’il fonctionne à sa vitesse nominale, est sensiblement proportionnel
au glissement : Tu = K.g.
D’autre part, le couple maxi du moteur (Tumax) est proportionnel au carré de la tension d’alimentation : Tumax = K’.V².
V est la valeur efficace de la tension simple d’alimentation.
On peut faire varier la vitesse en agissant sur 3 paramètres.
Action sur le nombre de paires de pôles : pour les petits moteurs
ou pour les moteurs spéciaux, on réalise :
Des enroulements séparés qui peuvent être indépendants, ce qui
donne 2 vitesses différentes
Des enroulements à couplage de pôles selon le montage Dahlander.
Action sur le glissement : en utilisant un moteur asynchrone à rotor
bobiné, avec des résistances placées en série sur les enroulements,
on fait varier le glissement, et donc la vitesse du moteur dans de
faibles proportions.
Action sur la fréquence : en agissant sur la fréquence du courant
d’alimentation d’un moteur, on fait varier sa vitesse (f=p.n d’où n =
f/p). Pour conserver une amplitude constante des flux du stator et du
rotor, on doit maintenir le rapport u/f constant. On obtient alors des
courbes comme celles indiquées ci-contre.
Variateur à contrôle vectoriel de flux : le contrôle vectoriel de flux
avec un moteur asynchrone permet de maîtriser séparément le
courant magnétisant et le courant actif. Le variateur vectoriel reçoit
des informations sur la vitesse et la position du rotor à l’aide d’un
codeur incrémental accouplé au moteur, qui mesure aussi le courant
absorbé. Ces valeurs sont traitées numériquement dans un
calculateur en fonction de la vitesse et du couple désirés. Compte
tenu des valeurs précédentes, il règle les courants sur l’onduleur de
manière à positionner le flux stator en quadrature avec le courant
induit dans le rotor comme dans un moteur à courant continu.
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XXVII – DEMARRAGE DES MOTEURS ASYNCHRONES :
Le dispositif de démarrage d’un moteur doit satisfaire aux exigences suivantes :
 Mécaniques :
o le moteur doit pouvoir démarrer : le couple de démarrage Td doit vaincre le couple résistant Tr de la
charge à entraîner : Td > Tr.
o Les conditions d’accélération doivent être compatibles avec la charge( ex : escalier mécanique).
 Electriques :
o Le courant de démarrage Id peut atteindre 4 à 8 fois l’intensité nominale In. Ce courant de démarrage
doit donc être compatible avec la ligne d’alimentation du moteur.
o La chute de tension au démarrage ne doit pas excéder 10%.
o Le courant de démarrage ne doit pas provoquer le déclenchement des protections.
La courbe ci-contre illustrant un démarrage direct d’un moteur
asynchrone montre une nouvelle fois que l’intensité de
démarrage est très importante.
Pour réduire la pointe d’intensité au démarrage, il faut
réduire la tension d’alimentation.
Cependant, cette réduction de tension a pour conséquence
de diminuer le couple au démarrage
Tout système de démarrage se doit donc de limiter l’intensité
absorbée par le moteur tout en maintenant les performances
mécaniques de l’ensemble moteur + charge.
Relations liant les caractéristiques du moteur sous tension
nominale avec les caractéristiques sous tension réduite :
I’d Id U’d
=
x
In Tn Un








T’d Td U’d2
=
x

In Tn  Un 
In : courant nominal
Id : courant de démarrage à Un
Un : tension nominale
Tn : couple nominal
Td : couple de démarrage sous Un
I’d : courant de démarrage sous U’n
U’d : tension réduite au démarrage
T’d : couple de démarrage sous U’d
Le couple est proportionnel au carré de
la tension d’alimentation : T
= KU².
Exemple :
D’après les courbes ci-contre :
 Sous tension nominale Un = 400V : Id =
7,3In et Td = 1,9Tn
 Sous tension réduite U’d = 240 V (0.6Un) :
I’d
240 T’d
2402
= 7,3 x
et
= 1,9 x  
In
400
In
400
On arrive au résultat suivant : I’d = 4,4In et T’d = 0,7 Tn.
La réduction de la tension a bien réduit l’intensité de démarrage (de 7,3In à 4,4In) sans trop détériorer les performances
du couple.
Les circuits de puissance électriques - 85
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LES CIRCUITS DE PUISSANCE ELECTRIQUES
271 – Solution générale au problème de démarrage :
La figure ci-dessous donne l’organisation fonctionnelle d’un circuit terminal de démarrage d’un moteur asynchrone
triphasé. Le démarrage du moteur peut être :
DISTRIBUTION ELECTRIQUE BASSE TENSION
FONCTIONS PRINCIPALES
SECTIONNEMENT
PROTECTION CONTRE LES COURTS CIRCUITS
COMMUTATION
Démarrage
semi
automatique
ou
automatique
Démarrage
manuel
Démarrage
progressif
Variation
de vitesse
PROTECTION CONTRE LES SURCHARGES
FONCTIONS SECONDAIRES
Dispostif à courant résiduel
Contrôleur d'isolement
Protection multifonctions
Protection thermique à sondes
Fonctions
Sectionner
Protéger
contre les
courts circuits
Commuter
Protéger
contre les
surcharges
Solutions
fonctionnelles
Par pôles
spécifiques
Avec pôles de
puissance
Fusibles
Déclencheur
magnétique
Commande
manuelle
Commande
automatique
Commande
électronique
Déclencheur
thermique
Sectionneur
Fusible
Disjoncteur
magnétique
DESIGNATION DES APPAREILS
Disjoncteur
Contacteur
magnéto
disjoncteur
thermique
Relais
thermique
Contacteur
Variateur
électronique
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Les circuits de puissance électriques - 86
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LES CIRCUITS DE PUISSANCE ELECTRIQUES
Dans tous les cas, ce circuit terminal moteur doit satisfaire 4 fonctions principales :
 SECTIONNER : isoler le circuit terminal du circuit amont et permettre des interventions de maintenance en
toute sécurité
 PROTEGER CONTRE LES COURTS CIRCUITS : cette protection avec une détection suivie d’une coupure
rapide est obligatoire pour éviter la détérioration de l’installation.
 COMMUTER : commander le moteur de manière manuelle, automatique ou semi-automatique, progressive,
variable en fonction de la vitesse.
 PROTEGER CONTRE LES SURCHARGES : cette protection avec une détection et une coupure doit éviter
que toute élévation intempestive de la température du moteur n’entraîne la détérioration de ses isolants.
D’autres fonctions secondaires (comme le contrôle d’isolement du moteur ou de la température) peuvent être mises en
œuvre dans certains circuits.
272 – Distribution des alimentations :
Le schéma ci-dessous représente la structure la plus générale qu’il soit d’une distribution des alimentations. La ligne
générale est dotée d’un sectionneur porte-fusibles condamnable par clef ou cadenas afin de répondre à l’obligation de
consignation de l’alimentation en cas d’intervention sur le circuit électrique. Chaque circuit aval, commande ou
puissance, est séparé fonctionnellement et doté d’une protection électrique contre les surcharges et les courts-circuits.
Alimentation
du circuit de
commande
Alimentation
du circuit de
puissance
L3
ARRET
GENERAL
L2
L1
Sectionneur
porte fusibles
Fusibles
400V
Transformateur
SEPARATION FONCTIONNELLE
DES ALIMENTATIONS ET
PROTECTIONS DE LIGNES
24V
Disjoncteur
magnéto
thermique
I> I>
Vers circuit de
commande
I> I> I>
Disjoncteur
magnéto
thermique
Vers circuit de
puissance
Les circuits de puissance électriques - 87
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LES CIRCUITS DE PUISSANCE ELECTRIQUES
Alimentation du circuit de commande :
Lorsque l’équipement comprend un sectionneur, le circuit de commande peut être alimenté à partir d’un ou deux
contacts de précoupure. Ces derniers coupent l’alimentation de tout le circuit de commande avant l’ouverture des
contacts principaux du circuit de puissance.
Ainsi, toute manœuvre accidentelle du sectionneur ne peut se traduire par une coupure en charge, non acceptée
per ce type d’appareil.
Le circuit de commande peut être alimenté :
 Directement : entre 2 phases (avec une coupure et une protection sur chaque phase) ou entre phase et neutre
(avec une coupure et une protection sur la phase). Ces 2 solutions sont à proscrire car le circuit de commande
est destiné à l’utilisateur ; et celui-ci, dans ce cas, pourrait être soumis à des tensions de 400V ou 240V, tensions
évidemment dangereuses pour l’homme.
 Par un transformateur de sécurité : la tension est ici de 48 ou 24 volts.
La mise à la terre d’un enroulement d’un transformateur (commun des bobines) est obligatoire.
Ligne d’alimentation du primaire :
Le transformateur ne peut à lui seul générer des surcharges. Sa ligne d’alimentation ne nécessite donc qu’une
protection contre les courts circuits.
Par ailleurs, à la mise sous tension du transformateur, il se produit un appel de courant très important (de l’ordre de 25
In) pendant environ 10 ms.
La protection de la ligne doit donc tenir compte de ces 2 facteurs. LEGRAND propose les 3 possibilités suivantes :
 Cartouches fusibles de type aM
 Disjoncteur type D (magnétique réglé à 15In environ)
 Disjoncteur type C (magnétique réglé à 6In environ)
Ligne d’utilisation du secondaire :
Cette ligne doit être protégée contre les surcharges et les courts circuits
Pour les surcharges, vérifier que le calibre de la protection est inférieur ou égal au courant secondaire du
transformateur
Pour les courts circuits, vérifier qu’au point le plus éloigné de la ligne, il assurera le déclenchement de la protection en
moins de 5 secondes
LEGRAND propose :
 Cartouches fusibles type gG
 Disjoncteurs type C (réglés à 6In)
400V
24V
230V
aM
gG
aM
Barette de
neutre
Alimentation entre phases
aM
24V
gG
Barette de
neutre
Alimentation entre phase et neutre
Les circuits de puissance électriques - 88
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273 – Démarrage direct :
Dans ce procédé, le stator du moteur est
branché directement sur le réseau
d’alimentation triphasé. Le démarrage
s’effectue en un seul temps.
Seuls les moteurs asynchrones triphasés
à rotor en court circuit ou rotor à cage
peuvent être démarrés suivant ce
procédé.
Si le réseau accepte la pointe
d’intensité au démarrage, ce procédé
est simple à mettre en œuvre.
Au démarrage, la pointe d’intensité est
de l’ordre de 4 à 8 fois l’intensité
nominale.
Le couple de décollage (pour vaincre
le couple résistant de la charge
entraînée) est important, environ 0,5 à
1,5 fois le couple nominal.
Ces caractéristiques de démarrage peuvent présenter des inconvénients :
 Au niveau du réseau d’alimentation : en provoquant une chute de tension non négligeable (U > 5% de U) et en
sollicitant la fourniture d’une puissance apparente élevée.
 Au niveau de la machine entraînée : en appliquant un couple d’accélération trop important dû à l’énergique
couple de décollage.
L’oscillogramme ci-dessous représente l’intensité absorbée pendant le démarrage direct d’un moteur asynchrone
triphasé.
Protection contre les courts circuits :
Elle peut être assurée par :
 Des fusibles aM dont le calibre est au moins égal ou immédiatement supérieur au courant nominal In du
moteur.
 Des déclencheurs magnétiques qui équipent les disjoncteurs et dont le seuil de déclenchement (fixe ou
réglable) peut être exprimé suivant les appareils par rapport :
o Au courant thermique conventionnel Ith : seuil de réglage = 6 à 15 fois Ith
o Au courant assigné d’emploi Ie : seuil de réglage = 6 à 12 fois Ie
o A l’intensité de réglage maximale du déclencheur thermique I rthmaxi : seuil de réglage = 13 fois Irthmaxi
o A l’intensité de réglage du déclencheur thermique Irth : seuil de réglage = 12 fois Irth
Les circuits de puissance électriques - 89
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Protection contre les surcharges :
Suivant le niveau de protection souhaité et les conditions d’emploi du moteur, cette protection peut être assurée par :
 Des relais thermiques
 Des disjoncteurs magnéto-thermiques
 Des relais à sondes à thermistances
 Des relais à maximum de courant
 Des relais électroniques avec des protections complémentaires en option ou intégrées
Les relais thermiques et les disjoncteurs sont les plus employés pour la protection des moteurs contre les surcharges
faibles et prolongées.
Ils sont réglés à l’intensité nominale In.
Association d’appareils électromécaniques :
Au niveau du circuit de puissance, les différents appareils de commande et de protection peuvent s’associer de la
manière suivante :
 Sectionneur porte fusible + contacteur + relais thermique
 Disjoncteur magnétique + contacteur + relais thermique
 Disjoncteur magnéto-thermique + contacteur
 Contacteur disjoncteur
Schémas de puissance et de commande d’un démarrage direct, un seul sens de marche :
Il existe 2 types de commande :
 La commande manuelle directe : l’utilisateur agit directement sur le contacteur, en général par une commande
par levier, au niveau de la puissance. Cette solution est à proscrire car elle peut soumettre l’opérateur à des
risques dus à une tension élevée (400V).
 La commande semi-automatique à partir de l’ordre d’un utilisateur ou la commande automatique à partir d'un
ordre délivré par un API. Ces 2 commandes permettent une commande à distance.
Démarrage direct 1 sens avec sectionneur porte fusibles/contacteur/relais thermique :
CIRCUIT DE PUISSANCE
CIRCUIT DE COMMANDE
Les circuits de puissance électriques - 90
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LES CIRCUITS DE PUISSANCE ELECTRIQUES
Circuit de puissance :
 L1, L2, L3 : réseau triphasé
 Q1 : sectionneur tripolaire porte fusibles équipé
avec 1 ou 2 contacts de précoupure, pour
l’alimentation du circuit de commande
 KM1 : contacteur tripolaire
 F1 : relais thermique
 M1 3 : Moteur asynchrone triphasé à cage
Circuit de commande :
 Q1 : contacts de précoupure du sectionneur :
sectionnement de la commande
 F2 : fusible : protection de la commande contre les
courts circuits
 F1 : contact à ouverture issu du relais thermique :
protection contre les surcharges
 S1 : bouton poussoir NF d’arrêt
 S2 : bouton poussoir NO de marche
 km1 (13-14) : contact d’auto-maintien ou d’autoalimentation
 km1 (A1-A2) : bobine du contacteur KM1
Equation de KM1 :
KM1 = Q1. F1 . S1 .(S2 + KM1)
Fonctionnement :
Une impulsion sur S2, « Marche », alimente la bobine du contacteur KM1. Cette bobine reste alimentée même après le
relâchement de S2 par le contact KM1 (13-14) dit contact d’auto-maintien ou d’auto-alimentation.
La commande Marche est mémorisée et le moteur, alimenté par KM1 tourne. Une impulsion sur S1, « Arrêt », coupe
l’auto-alimentation de la bobine du contacteur KM1 qui s’ouvre. Le moteur s’arrête de tourner et reste à l’arrêt.
La commande Arrêt est mémorisée. Une action simultanée sur S1 et S2 se traduit par la non-alimentation de la bobine
KM1.
Le contacteur, avec son câblage, est une mémoire à arrêt prioritaire.
Anomalies :
Quand le moteur tourne, en cas de court circuit, les fusibles du circuit de commande et du circuit de puissance fondent.
Le moteur s’arrête immédiatement.
Quand le moteur tourne, en cas de surcharge, le relais thermique la détecte et ouvre le contact associé F1(95-96). La
bobine de KM1 ne se trouve plus alimentée, le contacteur s’ouvre et le moteur s’arrête et reste à l’arrêt. Il faut un
réarmement volontaire sur le relais thermique pour à nouveau fermer le contact F1 et ainsi pouvoir redémarrer le
moteur.
Démarrage direct 1 sens avec sectionneur disjoncteur magnétique/contacteur/relais thermique :
CIRCUIT DE PUISSANCE
CIRCUIT DE COMMANDE
Les circuits de puissance électriques - 91
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LES CIRCUITS DE PUISSANCE ELECTRIQUES
Circuit de puissance :
 L1, L2, L3 : réseau triphasé
 Q1 : disjoncteur magnétique tripolaire
équipé avec 1 ou 2 contacts de précoupure,
pour l’alimentation du circuit de commande
 KM1 : contacteur tripolaire
 F1 : relais thermique
 M1 3 : Moteur asynchrone triphasé à cage
Circuit de commande :
 Q1 : contacts de précoupure du
sectionneur :
sectionnement
de
la
commande
 F1 : contact à ouverture issu du relais
thermique :
protection
contre
les
surcharges
 S1 : bouton poussoir NF d’arrêt
 S2 : bouton poussoir NO de marche
 km1 (13-14) : contact d’auto-maintien ou
d’auto-alimentation
 km1 (A1-A2) : bobine du contacteur KM1
Equation de KM1 :
KM1 = Q1. F1 . S1 .(S2 + KM1)
Fonctionnement :
Une impulsion sur S2, « Marche », alimente la bobine du contacteur KM1. Cette bobine reste alimentée même après le
relâchement de S2 par le contact KM1 (13-14) dit contact d’auto-maintien ou d’auto-alimentation.
La commande Marche est mémorisée et le moteur, alimenté par KM1 tourne. Une impulsion sur S1, « Arrêt », coupe
l’auto-alimentation de la bobine du contacteur KM1 qui s’ouvre. Le moteur s’arrête de tourner et reste à l’arrêt.
La commande Arrêt est mémorisée. Une action simultanée sur S1 et S2 se traduit par la non-alimentation de la bobine
KM1.
Le contacteur, avec son câblage, est une mémoire à arrêt prioritaire.
Anomalies :
Quand le moteur tourne, en cas de court circuit, le disjoncteur détecte l’anomalie. Il s’ouvre alors immédiatement,
provoquant l’arrêt du moteur.
Quand le moteur tourne, en cas de surcharge, le relais thermique la détecte et ouvre le contact associé F1(95-96). La
bobine de KM1 ne se trouve plus alimentée, le contacteur s’ouvre et le moteur s’arrête et reste à l’arrêt. Il faut un
réarmement volontaire sur le relais thermique pour à nouveau fermer le contact F1 et ainsi pouvoir redémarrer le
moteur.
Démarrage direct 1 sens avec sectionneur disjoncteur magnéto-thermique/contacteur :
CIRCUIT DE PUISSANCE
CIRCUIT DE COMMANDE
Les circuits de puissance électriques - 92
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Circuit de puissance :
 L1, L2, L3 : réseau triphasé
 Q1 :
disjoncteur
magnéto-thermique
tripolaire équipé avec 1 ou 2 contacts de
précoupure, pour l’alimentation du circuit de
commande
 KM1 : contacteur tripolaire
 M1 3 : Moteur asynchrone triphasé à cage
Circuit de commande :
 Q1 : contacts de précoupure du
sectionneur :
sectionnement
de
la
commande
 S1 : bouton poussoir NF d’arrêt
 S2 : bouton poussoir NO de marche
 km1 (13-14) : contact d’auto-maintien ou
d’auto-alimentation
 km1 (A1-A2) : bobine du contacteur KM1
Equation de KM1 :
KM1 = Q1. S1 .(S2 + KM1)
Fonctionnement :
Une impulsion sur S2, « Marche », alimente la bobine du contacteur KM1. Cette bobine reste alimentée même après le
relâchement de S2 par le contact KM1 (13-14) dit contact d’auto-maintien ou d’auto-alimentation.
La commande Marche est mémorisée et le moteur, alimenté par KM1 tourne. Une impulsion sur S1, « Arrêt », coupe
l’auto-alimentation de la bobine du contacteur KM1 qui s’ouvre. Le moteur s’arrête de tourner et reste à l’arrêt.
La commande Arrêt est mémorisée. Une action simultanée sur S1 et S2 se traduit par la non-alimentation de la bobine
KM1.
Le contacteur, avec son câblage, est une mémoire à arrêt prioritaire.
Anomalies :
Quand le moteur tourne, en cas de court circuit ou de surcharge, le disjoncteur détecte l’anomalie. Il s’ouvre alors
immédiatement, provoquant l’arrêt du moteur.
Démarrage direct 1 sens avec sectionneur/contacteur/disjoncteur (Intégral) :
CIRCUIT DE PUISSANCE ET CIRCUIT DE COMMANDE
S1
S2
KM1
I
I
I
I> I> I>
W
Q1
V
Q1
A2
U
A1
km1


Les circuits de puissance électriques - 93
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LES CIRCUITS DE PUISSANCE ELECTRIQUES
Circuit de puissance :
 L1, L2, L3 : réseau triphasé
 Q1 : sectionneur/contacteur/disjoncteur
 M1 3 : Moteur asynchrone triphasé à cage
Circuit de commande :
 Q1 : contacts du sectionneur / contacteur /
disjoncteur : sectionnement de la
commande
 S1 : bouton poussoir NF d’arrêt
 S2 : bouton poussoir NO de marche
 km1 (13-14) : contact d’auto-maintien ou
d’auto-alimentation
 km1 (A1-A2) : bobine du contacteur KM1
Equation de KM1 :
KM1 = Q1. S1 .(S2 + KM1)
Fonctionnement :
Une impulsion sur S2, « Marche », alimente la bobine du contacteur KM1. Cette bobine reste alimentée même après le
relâchement de S2 par le contact KM1 (13-14) dit contact d’auto-maintien ou d’auto-alimentation.
La commande Marche est mémorisée et le moteur, alimenté par KM1 tourne. Une impulsion sur S1, « Arrêt », coupe
l’auto-alimentation de la bobine du contacteur KM1 qui s’ouvre. Le moteur s’arrête de tourner et reste à l’arrêt.
La commande Arrêt est mémorisée. Une action simultanée sur S1 et S2 se traduit par la non-alimentation de la bobine
KM1.
Le contacteur, avec son câblage, est une mémoire à arrêt prioritaire.
Anomalies :
Quand le moteur tourne, en cas de court circuit ou de surcharge, le disjoncteur détecte l’anomalie. Il s’ouvre alors
immédiatement, provoquant l’arrêt du moteur.
Autres représentations des circuits de puissance précédents :
Disjoncteur magnétique + contacteur + relais thermique Disjoncteur magnéto-thermique + contacteur
I> I> I>


W
V
W
V
U
U
I> I> I>


Les circuits de puissance électriques - 94
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LES CIRCUITS DE PUISSANCE ELECTRIQUES
Circuits de signalisation :
La signalisation peut être lumineuse ou sonore et elle concerne un état de l’équipement : mise sous tension, marche,
arrêt, défaut, etc.
Dans le cas d’une signalisation de défaut, le détecteur de défaut ferme un contact qui alimente un avertisseur sonore.
Ce dernier reste alimenté tant qu’un bouton poussoir « Acquittement » n’a pas été actionné par la personne chargé de
la surveillance de la machine.
Signalisation lumineuse de mise sous tension
Signalisation lumineuse d’arrêt
Signalisation lumineuse de marche
Signalisation sonore de défaut avec acquittement
Les circuits de puissance électriques - 95
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274 – Démarrage direct 2 sens de marche :
L’inversion du sens de rotation est obtenue par l’inversion de 2 phases.
Circuit de puissance
Circuit de commande
L1, L2, L3 : réseau triphasé
Q1 : sectionneur tripolaire porte fusibles équipé avec 1 ou 2
contacts de précoupure, pour l’alimentation du circuit de
commande
KM1 : contacteur tripolaire sens 1
KM2 : contacteur tripolaire sens 2
F1 : relais thermique
M1 3 : Moteur asynchrone triphasé à cage
Q1 : contacts de précoupure du sectionneur :
sectionnement de la commande
F2 : fusible : protection de la commande contre les
courts circuits
F1 : contact à ouverture issu du relais thermique :
protection contre les surcharges
S1 : bouton poussoir NF d’arrêt
S2 : bouton poussoir NO de marche sens 1
S3 : bouton poussoir NO de marche sens 2
km1 (13-14) : contact d’auto-maintien ou d’autoalimentation de KM1
km1 (21-22) : contact NF de verrouillage électrique
km1 (A1-A2) : bobine du contacteur KM1
km2 (13-14) : contact d’auto-maintien ou d’autoalimentation de KM2
km2 (21-22) : contact NF de verrouillage électrique
km2 (A1-A2) : bobine du contacteur KM2
Equation de KM1 :
KM1 = Q1. F1 . S1 . KM2 .(S2 + KM1)
Equation de KM2 :
KM2 = Q1. F1 . S1 . KM1 .(S3 + KM2)
Les circuits de puissance électriques - 96
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Fonctionnement :
Une impulsion sur S2, « Marche », alimente la bobine du contacteur KM1. Cette bobine reste alimentée même après le
relâchement de S2 par le contact KM1 (13-14) dit contact d’auto-maintien ou d’auto-alimentation.
La commande Marche est mémorisée et le moteur, alimenté par KM1 tourne. Une impulsion sur S1, « Arrêt », coupe
l’auto-alimentation de la bobine du contacteur KM1 qui s’ouvre. Le moteur s’arrête de tourner et reste à l’arrêt.
La commande Arrêt est mémorisée. Une action simultanée sur S1 et S2 se traduit par la non-alimentation de la bobine
KM1.
Le contacteur, avec son câblage, est une mémoire à arrêt prioritaire.
Le fonctionnement est analogue lorsqu’il y a une impulsion sur S3.
Anomalies :
Quand le moteur tourne, en cas de court circuit, les fusibles du circuit de commande et du circuit de puissance fondent.
Le moteur s’arrête immédiatement.
Quand le moteur tourne, en cas de surcharge, le relais thermique la détecte et ouvre le contact associé F1(95-96). La
bobine de KM1 ou de KM2 ne se trouve plus alimentée, le contacteur s’ouvre et le moteur s’arrête et reste à l’arrêt. Il
faut un réarmement volontaire sur le relais thermique pour à nouveau fermer le contact F1 et ainsi pouvoir redémarrer
le moteur.
Verrouillages :
Si l’on ne prend pas certaines précautions, la fermeture simultanée de KM1 et de KM2 entraîne un court circuit au
niveau du circuit de puissance. Il est donc nécessaire de verrouiller un contacteur par rapport à l’autre et inversement.
Ce verrouillage se fait de 2 manières :
Verrouillage mécanique : symbolisé dans le circuit de puissance et de commande par le symbole
, il
empêche une action manuelle simultanée sur les 2 contacteurs. Ce verrouillage est un composant qui s’intègre entre
les 2 contacteurs KM1 et KM2.
Verrouillage électrique : ce verrouillage se situe dans le circuit de commande. Il consiste à placer en série avec la
bobine d’un contacteur un contact NF (à ouverture) de l’autre contacteur. Ici, le contact km1(21-22) est en série avec la
bobine KM2 et le contact km2(21-22) est en série avec la bobine KM1. Quand la bobine KM1 est alimentée, le contact
km1(21-22) s’ouvre ; une impulsion sur le bouton S3 ne pourra pas mettre le moteur en route dans l’autre sens.
Il est à signaler que pour passer d’un sens à l’autre, il faut nécessairement passer par une phase d’arrêt du moteur.
Les associations décrites précédemment pour le démarrage direct 1 sens sont encore valables pour le démarrage
direct 2 sens de marche.
274 – DEMARRAGE DIRECT AUTOMATIQUE :
Dans les cas précédents, le démarrage direct était semi-automatique puisque
l’utilisateur devait appuyer sur des boutons de marche et d’arrêt.
Dans les systèmes automatisés, le démarrage du moteur est soumis aux ordres
venant de la PC (API).
Le raccordement du circuit de commande du moteur doit dans ce cas obéir à
certaines règles :
La marche du moteur doit être conditionnée à la fermeture du contact d’un relais
général de sécurité autorisant la mise sous tension des sorties (cf. figure cicontre).
Ce relais est alimenté par :
Un contact à ouverture (NF) d’arrêt d’urgence (normes EN292 et EN418).
 Un ou plusieurs contacts à ouverture (NF) d’arrêt local en série (normes
EN292 et EN418).
 Un contact d’auto-maintien du relais lui-même avec contact de réarmement en
parallèle : effet mémoire de la coupure assurant un arrêt sûr sans
redémarrage automatique
La figure de la page suivante montre les schémas de commande et de puissance
d’un moteur asynchrone triphasé à 2 sens de marche avec API et sécurité câblée.
Les circuits de puissance électriques - 97
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Rep.
SQ1
DJ2
F2
T1
DJ1
KAs
Désignation
Sectionneur
porte fusibles
Disjoncteur
magnéto
thermique
Fusibles
Rôle et norme
Rep. Désignation
Rôle et norme
Coupure de l’ensemble de l’alimentation KM1 Contacteur Commutation des 3 phases dans l’ordre 1.
(EN292 et PR EN1037)
sens 1
Interverrouilé avec KM2 (EN292, EN60204)
Coupure du circuit en cas de surcharge
Contacteur Commutation des 3 phases dans l’ordre 2.
ou de court circuit (EN292, EN60204)
KM2
sens 2
Interverrouilé avec KM1 (EN292, EN60204)
Protection du départ de ligne
Isolation du circuit commande
Transformateur production de la basse tension
Disjoncteur
Magnéto
thermique
Relais maître
AU
et
S3,
DJ2,
etc.
Arrêt
d’urgence
Arrêts et
sécurités
Coupure de l’alimentation du relais maître
(EN 292 et EN418)
Coupure de l’alimentation du relais maître
(EN 292 et EN418). Arrêts de sécurité.
Coupure du circuit en cas de surcharge
ou de court circuit (EN292, EN60204)
Réa. Réarmement Réarmement du circuit après arrêt.
Autorisation de l’alimentation électrique
des sorties API et des contacteurs
Les circuits de puissance électriques - 98
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275 – DEMARRAGE ETOILE – TRIANGLE :
Ce procédé ne peut s’appliquer qu’aux moteurs dont toutes les extrémités d’enroulements sont sorties sur la plaque à
bornes, et dont le couplage triangle correspond à la tension nominale du réseau.
Exemples :
 Pour un réseau 133/230V : moteur 230V / 400V
 Pour un réseau 230/400V : moteur 400V / 690V
Principe de démarrage :

Premier temps : mise sous tension et couplage étoile des enroulements. Le moteur démarre à tension réduite
U/ 3.

Deuxième temps : suppression du couplage étoile et mise en couplage triangle. Le moteur est alimenté à pleine
tension.
Deuxième temps
Premier temps
L1
L2
U
L3
V
W
L1
L2
U
Z
X
L3
V
W
Y
Z
Couplage 
X
Y
Couplage 
Caractéristiques :
Les circuits de puissance électriques - 99
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LES CIRCUITS DE PUISSANCE ELECTRIQUES

La courbe In = f(n) montre que l’appel de courant au moment du démarrage est le tiers de l’appel en démarrage
direct triangle. Id

= 1,3 à 2,6 In.
Le couple étant proportionnel au carré de la tension appliquée, la tension étant
fois plus faible qu’en démarrage direct : Td
U/ 3, le couple est sensiblement 3
= 0,2 à 0,5 Tn.
Démarrage étoile/triangle 1 sens de marche :
CIRCUIT DE PUISSANCE
CIRCUIT DE COMMANDE
Les circuits de puissance électriques - 100
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Q1 : sectionneur porte fusibles
KM1 : contacteur de ligne
F1 : relais thermique (calibre = intensité en couplage )
KM3 : contacteur de couplage 
KM4 : contacteur de couplage 
Q1 : contacts de précoupure du sectionneur :
sectionnement de la commande
F2 : fusible : protection de la commande
contre les courts circuits
F1 : contact à ouverture issu du relais
thermique : protection contre les surcharges
S1 : bouton poussoir NF d’arrêt
S2 : bouton poussoir NO de marche sens 1
1km1 : contact d’auto-maintien ou d’autoalimentation de KM1
2km1 : contact temporisé fixant la durée du
couplage étoile
km1 (A1-A2) : bobine du contacteur KM1
(contacteur de ligne)
1km3 : contact NF de verrouillage électrique
2km3 : contact NO d’alimentation de KM1
km3 (A1-A2) : bobine du contacteur KM3
(contacteur couplage étoile)
1km4 : contact NF de verrouillage électrique
km4 (A1-A2) : bobine du contacteur KM4
(contacteur couplage triangle
CIRCUIT DE PUISSANCE
CIRCUIT DE COMMANDE
Fonctionnement :
 Fermeture manuelle de Q1
 Impulsion sur S2 : fermeture de KM3 (couplage étoile)
 Fermeture de 2KM3 : alimentation de KM1 : le moteur tourne
 Auto-alimentation de KM3 et de KM1 par 1KM1
 Ouverture de KM3 par 2KM1 temporisé : élimination du couplage étoile
 Fermeture de KM4 par 1KM3 : couplage triangle
 Arrêt : impulsion sur S1
84 – Inversion du sens de marche :
On ajoute un contacteur KM2 placé à coté de KM1 sur le circuit
de puissance pour réaliser l’inversion.
Le circuit de commande comprend en plus un relais temporisé
KA1 qui est excité par l’un ou l’autre des contacteurs de ligne
KM1 ou KM2.
Les circuits de puissance électriques - 101
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Démarrage en 3 temps :
Pour diminuer la surintensité au passage étoile en triangle, on ajoute un 3 ème temps dans lequel une résistance est
mise en série avec les enroulements couplés en triangle pendant environ 3 secondes.
 1er temps : Etoile
 2ème temps : Triangle + résistances
 3ème temps : Triangle
Détermination de l’appareillage de puissance :
Les circuits de puissance électriques - 102
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Couplage normal des enroulements en triangle :I
Couplage des enroulements en étoile : I
=
=
P
I U
J =
=
U 3cos
3 Z
V 1 U I 1 I
=
x =
x
=
Z
3 Z
3 3 3
Courants nécessaires au dimensionnement de l’appareillage :
In
In
In
Q1  In = I ; KM1 et KM4  J =
; F1 
; KM3  I =
3
3
3
276 – DEMARRAGE DES MOTEURS ASYNCHRONES TRIPHASES A ROTOR BOBINE :
Les circuits de puissance électriques - 103
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277 – Comparaison des divers procédés de démarrage :
Moteur à
rotor bobiné
Moteur à rotor en court circuit
Démarrage
Direct
Etoile/triangle
Electronique
progressif
Courant
de démarrage
Couple initial
de démarrage
4 à 8 In
1,3 à 2,6 In
Réglable de
2 à 5 In
< 2,5 In
0,6 à 1,5 Tn
0,2 à 0,5 Tn
Réglable de
0,1 à 0,7 Tn
< 2,5 Tn
Simple, économique et robuste
Avantages
Inconvénients
Durée de
démarrage
Exemples
d’application
Couple de
démarrage important
Rotorique
Réglable à la mise en
service
Peu encombrant
Statique (pas de
pièces en mouvement)
Adaptable à tous les
cycles de
fonctionnement
Démarrage en
souplesse
Démarrage peu onéreux
Pointe de courant
importante
Démarrage brutal
2 à 3 secondes
Couple de démarrage faible
Pas de possibilité de réglage
Coupure de l’alimentation du moteur
au changement de couplage et
phénomènes transitoires
3 à 7 secondes
Petites machines
pouvant démarrer à
pleine charge
Machines démarrant à vide ou à
faible charge
Machines ayant un couple résistant
proportionnel au carré de la vitesse
(ventilateur)
Très bon rapport
couple/courant
Possibilité de réglage des
valeurs au démarrage
Pas de coupure
d’alimentation pendant la
phase de démarrage
Moteur plus onéreux
Nécessite des résistances
Entretien des balais de
commutation
Fonction de la valeur des
résistances
Génère des
perturbations sur le
réseau
Réglable de 1 à 60
secondes
Machines démarrant en
charge ou à démarrage
progressif
Pompes
Ventilateurs
Compresseurs
Convoyeurs
XXVIII – PRINCIPES DE FREINAGE DES MACHINES ASYNCHRONES :
W
V
Il en existe 2 types :
 Freinage à manque de courant : le frein est actionné mécaniquement
(système de ressort) au repos (hors tension). Principe utilisé sur les systèmes
de levage
 Freinage par appel de courant : le frein est actionné mécaniquement par une
alimentation électrique indépendante de celle du moteur.
Dans le cas d’une alimentation du moteur par variateur de vitesse, il y a nécessité
d’une alimentation indépendante du frein.
U
FREINAGE MECANIQUE (Freinage d’arrêt) :


FREINAGE A CONTRE COURANT :


W
V
U
W
V
Coupure
U
Après la coupure de l’alimentation du moteur, pendant la période de
ralentissement, un courant de sens inverse est envoyé dans les enroulements par
inversion de 2 phases.
Le freinage est très efficace. La tension inverse d’alimentation doit être coupée
lorsque le moteur est à l’arrêt. Il n’y a aucune pièce mécanique en contact.
La détection de la vitesse nulle est obtenue par des dispositifs à friction,
centrifuges ou chronométriques.
Inconvénients : contraintes mécaniques importantes, énergie importante à
dissiper dans le rotor et dans le réseau.
Pour réduire le couple au freinage, on peut :
 Insérer des résistances statoriques (R)pour les moteurs à cage
 Utiliser des résistances rotoriques de démarrage pour les moteurs à bagues


Les circuits de puissance électriques - 104
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FREINAGE PAR INJECTION DE COURANT CONTINU :


W
V
U
W
V
Coupure
U
Le stator du moteur est alimenté par une tension redressée afin de créer un
champ magnétique fixe.
Le rotor du moteur tend à suivre le champ fixe et tend à s’immobiliser.
Avantages : faible énergie prise au réseau, couple de freinage réglable (réglage
de If : 1,3<If<1,5In), aucun risque de démarrage en sens inverse, faible énergie
dissipée au rotor, aucune pièce mécanique en contact
Inconvénients : nécessite de couper le courant continu dans le stator du moteur
afin d’éviter l’échauffement
Ce mode de freinage peut être utilisé indifféremment sur les moteurs à rotor en
court circuit comme sur les moteurs à bagues.
Ce système de freinage est souvent intégré dans les variateurs de vitesse
électronique.


SCHEMAS DES SYSTEMES DE FREINAGE DES MOTEURS ASYNCHRONES TRIPHASES A ROTOR EN
COURT CIRCUIT :
Les circuits de puissance électriques - 105
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SCHEMAS DES SYSTEMES DE FREINAGE DES MOTEURS ASYNCHRONES TRIPHASES A ROTOR A
BAGUES :
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XXIX : PROTECTION DES PERSONNES :
291 – Effet du courant sur les personnes :
Le choc électrique est l’effet ressenti physiquement lors du
passage d’un courant électrique à travers le corps humain.
L’intensité du choc électrique dépend de l’intensité du
courant qui traverse le corps de la personne, qui se
comporte alors comme une résistance électrique (cf. figure
ci-contre) :
 De 1 à 5 mA : seuil de protection pratiquement sans
danger
 De 10 à 20 mA : picotements puis crispation des
muscles. Danger dû aux réactions incontrôlées
(chutes)
 De 25 à 30 mA : tétanisation des muscles se
traduisant par une contraction au niveau de la cage
thoracique (risque d’asphyxie)
 De 50 mA et au-dessus : fibrillation du cœur, arrêt des
battements cardiaques entraînant la mort sauf
intervention immédiate
Un très faible courant (50 mA) peut donc entraîner la mort. Le corps humain se comporte comme un récepteur traversé
par un courant dont l’intensité nous est donnée par la loi d’Ohm :
U
I= .
R
 R est la résistance du corps traversé par le courant.
 U est la tension à laquelle est soumise le corps humain.
 I est l’intensité traversant le corps.
A tension constante, plus la résistance humaine est grande plus l’intensité traversant le corps humain est faible ; donc les
dangers limités.
Pour exemples : 50000 ohms pour des mains sèches et calleuses, 5000 ohms pour une résistance moyenne et 1000
ohms dans les conditions les plus défavorables.
La courbe de sécurité est la courbe temps de coupure du dispositif de protection en fonction de la tension de contact
présumée Uc. En effet, si le circuit est coupé dans un temps très court, on limite le danger.
La courbe suivante, établie à partir du tableau joint, est donnée pour des tensions limites conventionnelles de 25 V et 50
V.
Durée maximale de la tension de contact Uc en
fonction du temps de coupure normalisé
Tension limite UL = 25 V
Tension limite UL = 50 V
Uc(V)
Uc(V)
t(s) CA
t(s) CC
<50
50
75
90
120
150
220
280
350
500
5
5
0,60
0,45
0,34
0,27
0,17
0,12
0,08
0,04
5
5
5
5
5
1
0,40
0,30
0,20
0,10
t(s) CA
t(s) CC
25
5
5
50
0,48
5
75
0,30
2
90
0,25
0,80
110
0,18
0,50
150
0,12
0,25
230
0,05
0,06
280
0,02
0,02
CA : courant alternatif
CC : courant continu
Les circuits de puissance électriques - 107
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292 - Causes d’accidents :
Les très nombreuses causes d’accidents sont classées en 2 catégories : les contacts directs et les contacts indirects.
 Le contact direct est le contact d’une personne avec les parties actives des matériels sous tension. Une partie
active peut être un conducteur d’énergie ou même un conducteur neutre.
 On appelle contact indirect le contact des personnes avec des masses mises accidentellement sous tension. Une
masse est une partie métallique normalement isolée, mais susceptible d’être touchée. Cf. figures page suivante.
Les circuits de puissance électriques - 108
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293 - Règles pour la protection des personnes :
Protection contre les contacts directs :




Par isolation des parties actives : tous les conducteurs sont recouverts d’isolants
Par des barrières, des enveloppes, des obstacles : c’est le cas de certaines pièces d’appareillage et des coffrets
Par mise hors de portée, par éloignement : c’est le cas des lignes à haute tension
Par l’utilisation de la très basse tension de sécurité (TBTS) :
Tension limite UL
U2
U3
U4

Alternatif U efficace
50
25
12
Continu
120
50
25
Exemples
Locaux d’habitation, de bureaux
Locaux mouillés, chantiers
Piscines, volumes enveloppe des salles
d’eau
Par protection complémentaire : emploi d’un disjoncteur différentiel à courant résiduel (DDR) de haute sensibilité
(30mA).
Protection contre les contacts indirects :
Protection par coupure automatique de l’alimentation :
On réalise un circuit de boucle de défaut qui permet
l’établissement d’un courant de défaut en cas de baisse
d’isolement.
o Neutre de la source à la terre (Rn)
o Masses reliées entre elles et mises à la terre
(Ra)
o La coupure de l’alimentation s’effectue
d’après la relation UL > Ra x In
o UL : tension limite
o Ra : Résistance de terre des masses
o In : sensibilité du disjoncteur différentiel
294 - Appareils de protection différentielle :
Si une installation monophasée présente un défaut d’isolement
(récepteur dont la masse est reliée à la terre), le courant I qui entre
dans le récepteur est différent de celui qui en sort (I - if : avec if
courant de fuite à la terre).
Si, par suite de la résistance de terre, ou si le défaut n’est pas franc,
les systèmes de protection de surintensité, de surtension, de baisse
de tension ne fonctionnent pas, il y a risque d’électrocution par
contact indirect.
Les circuits de puissance électriques - 109
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Le dispositif comporte un circuit magnétique en forme de tore sur
lequel sont bobinés le ou les circuits des phases et celui du neutre.
En l’absence de courant de fuite, ou courant résiduel de défaut, les
flux produits par les bobines s’annulent : il ne se passe rien.
Si un défaut survient, le courant résiduel de défaut produit un
déséquilibre des flux dans les bobines et un flux magnétique
apparaît dans le tore.
La bobine de mesure est alors le siège d’une force électromotrice
qui alimente un petit électro-aimant provoquant le déverrouillage du
disjoncteur.
Le dispositif est analogue en triphasé, mais il comprend 4 bobines
sur le tore, soient 3 pour les phases et 1 pour le neutre.
La sensibilité désigne la valeur du courant de fuite, ou courant
résiduel de défaut, pour laquelle le disjoncteur déclenche.
 Moyenne sensibilité (MS) : 1A, 650 mA, 500 mA, 300 mA, 100
mA
 Haute sensibilité (HS) : 30 mA, 12 mA, 6 mA
Le choix d’un dispositif de protection différentiel s’effectue en fonction des paramètres suivants :
 Fonction assurée : interrupteur, disjoncteur, sectionneur, etc.
 Intensité assignée au circuit à protéger
 Tension du réseau et nombre de phases
 Tension limite de sécurité : 12, 25 ou 50 V
 Valeur de la résistance de terre des masses métalliques
A l’aide de ces 2 dernières valeurs, on peut calculer la sensibilité du dispositif différentiel résiduel (DDR) avec la
UL
Ra
relation : In=
 UL : tension limite de sécurité en volts
 Ra : Résistance de terre des masses et ohms
 In : sensibilité du disjoncteur différentiel en ampères
Caractéristiques électriques :
 Tension nominale ou assignée : 250 V, 440 V
 Nombre de pôles : 2 ou 4
 Pouvoir de coupure : 1500A ou plus
 Sensibilité : de 6 mA à 1A
Toute installation alimentée par la distribution EDF doit être protégée par un DDR placé à l’origine de l’installation.
Cette solution présente l’inconvénient de couper toute l’installation en cas de défaut. Pour y remédier, on utilise
plusieurs appareils différentiels à moyenne ou haute sensibilité. Cela permet une sélectivité de la protection. En cas de
défaut, seul le circuit en défaut sera coupé.
295 – La prise de terre :
La protection par coupure automatique nécessite une mise à la terre de toutes les masses métalliques pouvant être
mises accidentellement sous tension. Une installation particulière s’impose.
Toute pièce ou ensemble de pièces conductrices enfoncées dans le sol et assurant une liaison
électrique efficace avec la terre est une prise de terre.
Le conducteur de protection PE est un conducteur utilisé dans les mesures de protection contre les contacts indirects
reliant les masses métalliques soit aux autres masses, soit à une prise de terre.
La liaison équipotentielle est une liaison électrique destinée à mettre au même potentiel des masses métalliques
différentes.
Le potentiel de la masse doit être sensiblement le même que celui de la prise de terre. Il faut donc veiller à ce que les
résistances du conducteur de protection et de la prise de terre soient les plus faibles possibles. Le conducteur de
protection doit avoir une bonne résistance mécanique, physique et chimique. La prise de terre doit résister à la
corrosion du sol.
Les circuits de puissance électriques - 110
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La résistivité de la terre varie selon la nature du terrain, le taux d’humidité et la température. Le gel, la
sécheresse augmentent la résistivité des terrains et leurs effets peuvent se faire ressentir jusqu’à 2 mètres de
profondeur.
Le ceinturage à fond de fouille est un câble en cuivre nu de section 25 mm² mini posé
dans les tranchées où seront coulées les fondations de la maison ou du bâtiment.
 Pose d’un câble en tranchée : à moins de 20 cm de toute autre canalisation
 Le piquet ou grillage, la plaque métallique sont à au moins 2 mètres de
profondeur.
 Rechercher les endroits plutôt humides et à l’abri du gel et de la sécheresse.
Nature du
terrain
Résistivité en
Ohms
Terrain
marécageux
Limons
Humus
Argile
Sable argileux
Sol pierreux nu
Calcaires
tendres
Calcaires
compacts
Granits et grès
2 à 30
20 à 100
10 à 150
50
50 à 500
1500 à 3000
100 à 300
100 à 5000
1500 à 10000
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XXX – PRODUCTION ET DISTRIBUTION DE L’ENERGIE ELECTRIQUE :
301 - les sources d’énergie :
Les 4 sources d’énergie les plus utilisées pour produire de l’énergie électrique sont d’origine solaire, hydraulique
(énergie potentielle de l’eau des barrages), chimique ou nucléaire.
Ces sources d’énergie sont très inégales si l’on considère le coût et la quantité d’énergie produite ainsi que la durée de
mise en route des systèmes de production.
Elles ont cependant un point commun : la production électrique qui en est issue passe par une conversion d’énergie en
énergie mécanique par l’utilisation de machines tournantes.
Pour résoudre plus facilement les besoins en énergie électrique instantanée, on utilise conjointement une ou plusieurs
sources de production, d’origine énergétique parfois différente, sur des réseaux de distribution communs.
Energie d’origine hydraulique :
L’énergie potentielle de l’eau accumulée dans
les barrages ou les lacs est transformée en
énergie cinétique par écoulement. Cette
énergie cinétique de l’eau est transmise à une
turbine hydraulique qui entraîne en rotation
une machine électrique appelée alternateur.
Cette énergie électrique d’origine hydraulique
ne coûte pratiquement rien, mais est
disponible en quantité limitée. On distingue les
centrales hydrauliques au fil de l’eau et les
centrale de montagne. La mise en service de
ces systèmes est très rapide.
Les centrales au fil de l’eau sont des systèmes
de production qui utilisent directement le débit
des fleuves (centrales sur le Rhône ou sur le
Rhin) ou le régime des marées (le seul
exemple est l’usine marémotrice de la Rance).
L’énergie potentielle est inépuisable. La
production d’énergie électrique est peu
coûteuse et permanente.
Les centrales de montagne sont des systèmes de production qui sont limités aux heures de pointe de la consommation
nationale. La réserve d’eau est utilisée pendant l’hiver, qui est une période de forte demande en énergie électrique.
Dans certains cas, aux heures creuses, on utilise l’énergie électrique excédentaire produite pour reconstituer cette
réserve d’eau (utilisation de pompes électriques).
La figure ci-contre illustre le principe de la production d’énergie électrique d’une centrale hydraulique de montagne.
Energie chimique :
L’énergie libérée bar la combustion de
matériaux fossiles (houille, lignite, gaz naturel)
est transformée en chaleur. Cette chaleur est
transformée en énergie mécanique par
l’intermédiaire d’une turbine à vapeur qui sert
à entraîner en rotation un alternateur. Les
rendements obtenus sont faibles (environ
45%) et les pertes thermiques importantes.
Ces systèmes de production assurent encore
15% des besoins nationaux en énergie
électrique.
Les circuits de puissance électriques - 112
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L’énergie nucléaire :
Ces systèmes de production de l’énergie électrique sont comparables à ceux qui utilisent l’énergie chimique ; seule la
production de chaleur, obtenue par réaction nucléaire (fission de l’uranium 235) est différente.
Ces unités de production de l’énergie électrique se généralisent en France. Leur mise en service de mande une journée
minimum.
Le prix de revient de l’énergie électrique est faible. Mais se posent le problème du stockage des déchets nucléaires et
celui de difficile maîtrise des technologies utilisées pour assurer la sécurité.
L’énergie solaire :
L’accroissement permanent de la demande en énergie électrique et
la difficulté à implanter (dans certains cas) des réseaux de
distribution ont conduit les pays industrialisés à exploiter
directement l’énergie du soleil.
Les cellules photovoltaïques utilisées à cet effet sont des
composants électroniques à semi-conducteurs (jonction PN)
capables de débiter un courant électrique dans un circuit extérieur
lorsqu’ils sont éclairés par le rayonnement solaire. La figure cidessus donne la courbe courant / tension dans l’obscurité (a) et
sous éclairement (b). La surface grisée représente la puissance
électrique utilisable.
Ces systèmes de production d’énergie électrique sont d’un coût assez élevé et sont encore limités dans leur application
(utilisation essentiellement sur des satellites).
Les figures page suivante montrent le principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque et la structure d’une
photopile. Cette dernière est obtenue par association de cellules photovoltaïques. La puissance utile fournie par ce type
de photopile peut atteindre 50 à 80 watts par mètre carré.
302 - Transport et distribution de l’énergie électrique :
Introduction :
L’emplacement d’une unité de production d’énergie électrique dépend de nombreuses considérations, parmi lesquelles
la nature de la source d’énergie à convertir et les systèmes de refroidissement ne sont pas les moindres. L’unité de
production peut donc se trouver plus ou moins éloignée des lieux de consommation. Pour réaliser la liaison entre les
lieux de production et de consommation, il est nécessaire d’établir des lignes aériennes et / ou des canalisations
souterraines.
Nécessité d’une tension élevée :
Les pertes par effet Joule ne sont pas négligeables
dans les conducteurs des lignes de transport de
l’énergie électrique (longueur des lignes importante).
Les calculs ci-après montrent que plus la tension sur
les lignes est élevée et plus les pertes sont faibles.
La figure ci-contre schématise une ligne de transport
de l’énergie électrique.
Uu est la tension d’utilisation et Up est la tension à la
production.
50 km
Réseau de
production de
l'énergie
électrique
I
Up
Uu
Réseau
d'utilisation de
l'énergie
électrique
Les circuits de puissance électriques - 113
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Ex : soit à apporter à un réseau d’utilisation une puissance de 5 MW (mégawatts) à l’aide d’une ligne de distribution
d’une longueur de 50 km. La densité de courant  normalisée est de 5 A/mm².
Soit R la résistance ohmique d’une ligne :
R = .
l
s
 est la résistivité du conducteur ( = 2.10-8 /m), S la section du conducteur et l la longueur du conducteur.
Premier cas :
La tension d’utilisation Uu est de 250000 V.
P 5000000
=
= 20 A
U 250000
I 20
Section des conducteurs : S = =
= 4 mm2
 5
Courant sur la ligne :
I=
l 2.10-8 x 5.104
R= =
= 250
s
4.10-6
Chute de tension en ligne : U = RI = 250 x 20 = 5000V
Résistance de la ligne :
La chute de tension en ligne représente 2% de la tension d’utilisation. La tension du réseau à la production
sera donc de 255000 V. La puissance perdue sur la ligne est de 100 kW, soit également 2% de la puissance
produite.
Deuxième cas :
La tension d’utilisation Uu est de 250 V.
P 5000000
=
= 20000 A
U
250
I 20000
Section des conducteurs : S = =
= 4000 mm2
5

l 2.10-8 x 5.104
Résistance de la ligne : R =  =
= 0,25
s
4.10-3
Chute de tension en ligne : U = RI = 0,25 x 20000 = 5000V
Courant sur la ligne : I
=
La chute de tension en ligne reste inchangée. La section des conducteurs est très importante. La tension du
réseau à la production sera donc de 5250 V. Cette tension est pratiquement perdue dans les conducteurs. La
puissance perdue sur la ligne s’élève à 100 MW, soit 20 fois la puissance fournie à l’utilisation.
Structure des réseaux de transport et de distribution :
Le transport et la distribution de l’énergie électrique s’effectuent actuellement avec les tensions suivantes :
 Lignes THT : lignes très haute tension de 400 kV pour les très grandes puissances ou les grandes distances
(centrales de production de dernière génération).
 Lignes THT : lignes très haute tension de 225 kV pour le réseau de distribution national.
 Lignes HT : lignes haute tension de 90 kV et 45 kV pour les répartitions régionales et locales.
 Lignes MT : lignes moyenne tension de 20 kV pour les gros consommateurs (industries), les villes et les villages.
 Lignes BT : lignes basse tension de 220 V ou 380 V pour les particuliers.
Le réseau de distribution français est très complexe. Il est obtenu par interconnexion de lignes, indépendantes au
départ, issues soit d’unités de production (centrales), soit de l’étranger (interconnexions avec l’Europe). Des
transformateurs d’énergie permettent de rendre interconnectables toutes les mailles du réseau et d’adapter leurs
tensions.
La figure page suivante montre d’une manière simplifiée l’organisation du réseau de transport et de distribution de
l’énergie électrique en France.
La section des conducteurs des lignes de transport, leur masse et leur coût diminuent quand la valeur de la tension
transportée augmente.
Cependant, les conducteurs doivent être d’autant plus isolés que la tension véhiculée est importante, ce qui implique
des pylônes de lignes aériennes plus hauts et donc plus coûteux.
Les circuits de puissance électriques - 114
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Un compromis entre ces différents paramètres permet
d’adapter la valeur de la tension véhiculée à la distance de
transport.
Ces différentes considérations sont à l’origine des différentes
valeurs de tensions utilisées dans les réseaux de distribution
(cf. fig. page précédente).
Le réseau français a été obtenu par interconnexion de lignes
initialement indépendantes, ce qui lui confère des avantages
mais aussi des inconvénients.
Avantages :
Si 2 réseaux sont totalement indépendants, la puissance
installée par chacun d’eux doit correspondre à la pointe
maximale de sa propre consommation. Grâce à
l’interconnexion et du fait que les pointes de consommation
sont rarement simultanées, on pourra se contenter d’une
puissance installée plus faible.
La sécurité d’exploitation se trouve accrue : en cas de
défaillance d’une unité de production, on peut mettre en service
une unité de réserve même très éloignée.
Inconvénient :
En cas de surcharge, et donc de coupure d’une ligne, la
perturbation risque de se propager sur les autres lignes qui
passeront à leur tour en surcharge, mettant en difficulté
l’ensemble du réseau.
Conclusion :
Des dispositifs à action automatique rapide permettent de protéger les lignes interconnectées dans le cas de
l’apparition de troubles de fonctionnement susceptibles de se propager.
Au départ et à l’arrivée d’une ligne, on dispose de disjoncteurs à coupure automatique de ligne et des sectionneurs
destinés à mettre la ligne hors service.
Les circuits de puissance électriques - 115
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303 : protection des réseaux :
Il est donc nécessaire de bien distinguer le disjoncteur du sectionneur.
Le rôle du disjoncteur est principalement d’ouvrir le circuit de ligne en cours de fonctionnement (débit sur la ligne ou
ligne en charge) en cas de consommation excessive (accidentelle ou non). Il dispose d’un pouvoir de coupure
important.
Le sectionneur, par contre, ne dispose d’aucun pouvoir de coupure, c’est à dire que sa manoeuvre ne pourra s’effectuer
qu’une fois la ligne mise hors débit à l’aide du disjoncteur. On utilise le sectionneur pour isoler une portion de réseau
(pour effectuer des interventions de maintenance par exemple). Le sectionneur s’ouvre automatiquement quand le
disjoncteur a terminé son travail de coupure. Il est nécessaire de fermer le sectionneur afin que le disjoncteur puisse
fonctionner à nouveau.
304 - Choix du mode de distribution de l’énergie électrique :
Tous les réseaux de production de l’énergie électrique fournissent une ou plusieurs tensions alternatives sinusoïdales
issues d’une machine électrique appelée alternateur.
Réseau de distribution monophasé :
Ce réseau de distribution comporte 2 conducteurs
(L1 et L2).
La tension délivrée est u(t)=Um.sin (t).
Le courant circulant dans la ligne est i(t)=Im.sin (t).
L’angle  représente le décalage angulaire entre la
tension et le courant. Il est appelé aussi déphasage.
La figure ci-contre représente le principe d’une
distribution monophasée.
Sur la figure ci-contre :
T représente la période de la ligne monophasée.
f=1/T est la fréquence en Hertz (en France f = 50 Hz)
 est la pulsation angulaire telle que  = 2.f = 2/T
est exprimée en radians par seconde (rad/s).
i(t)
LIGNE
MONOPHASEE
L1
u(t)
L2
Réseau
d'utilisation de
l'énergie
électrique
La puissance instantanée mise en jeu à chaque instant est égale au produit de la tension d’utilisation par l’intensité
consommée. P(t) = u(t) . i(t)
La puissance moyenne s’écrit donc Pmoy = U.I.cos 
 U représente la valeur efficace de u(t) sur une période T.
 I représente la valeur efficace de i(t) sur une période T.
 cos  est appelé facteur de puissance.
Réseau de distribution triphasé :
Une distribution triphasée comporte généralement 4
conducteurs. Trois d’entre eux sont appelés
conducteurs de phase ; le quatrième, relié au point
commun des transformateurs d’énergie alimentant le
réseau, est le conducteur de neutre.
La tension entre 2 conducteurs de phase ( u12(t),
u23(t), u13(t)) est appelée tension composée.
La tension entre un conducteur de phase et le neutre ( u1(t),
u2(t), u3(t)) est appelée tension simple.
Les circuits de puissance électriques - 116
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LES CIRCUITS DE PUISSANCE ELECTRIQUES
Les 3 tensions simples u1(t), u2(t), u3(t) formant un
réseau de distribution triphasé sont décalées dans le
temps d’un tiers de période (T/3). Elles sont donc
déphasées de 2/3 ou 120° l’une par rapport à
l’autre.
u1(t) = Usmax.sin (t)
2
)
3
4
u3(t) = Usmax.sin (t - )
3
u2(t) = Usmax.sin (t -
Soit encore u1(t)+u2(t)+u3(t)=0
La tension u12(t) représente à chaque instant la différence entre u1(t) et u2(t) : u12(t) = u1(t)-u2(t)
Il en résulte qu’à chaque instant : u12(t)+u23(t)+u13(t)=0
A partir de ces considérations géométriques simples sur les tensions u1(t), u2(t), u3(t), on montre que les 3 tensions
composées forment généralement un réseau triphasé tel que :
Ucmax = Usmax. 3
 Ucmax représente la valeur maximale de la tension composée.
 Usmax représente la valeur maximale de la tension simple.
Ces différentes relations associées à un réseau triphasé justifient sa désignation au moyen de 2 valeurs : la valeur
efficace de la tension simple (entre phase et neutre) et la valeur de la tension composée (entre phases).
Ex : réseau 127 / 220 V - 220 / 380 V - 380 / 660 V.
La puissance mise en œuvre à chaque instant est égale au produit u 1(t).i1(t) pour la phase 1, au produit u2(t).i2(t) pour la
phase 2, au produit u3(t).i3(t) pour la phase 3.
Une utilisation équilibrée correspond à des consommations identiques sur les 3 phases avec un même déphasage
entre le courant et la tension de ligne.
Dans des conditions d’utilisation équilibrée, la puissance totale moyenne est égale à trois fois la puissance moyenne
sur une phase :
Pmoy = 3.US.I.cos
Us = Us1 = Us2 = Us3 représente la valeur efficace de la tension simple.
I = I1 = I2 = I3 représente la valeur efficace du courant en ligne.
Si on considère les tensions composées : Pmoy
= 3.Uc.I.cos
Uc représente la valeur efficace de la tension composée.
I représente la valeur efficace du courant en ligne.
Sur le plan économique, il est souhaitable d’utiliser des tensions élevées et le moins de cuivre possible. Il y a donc lieu
de comparer les 2 systèmes de distribution et de déterminer la masse de cuivre nécessaire à chacun d’eux pour
transporter une même puissance P avec les mêmes pertes p.
Un calcul permettant la comparaison montrerait la conclusion suivante : pour une même puissance fournie à l’utilisation
et en considérant les mêmes pertes en ligne par effet Joule, on réduit le quart de volume (et donc la masse) de cuivre
nécessaire en utilisant une ligne triphasée au lieu d’une ligne monophasée.
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XXXI – COMPOSANTS D’ELECTRONIQUE DE PUISSANCE :
Ces composants simples sont principalement utilisés pour la modulation d’énergie (en électronique de puissance).
LA DIODE :
Parmi toutes les diodes existantes (diode de signal, diode Zener, LED), seule la diode
Anode
Cathode
de redressement (appelée aussi diode de puissance) est intéressante dans la
modulation d’énergie.
i
Les diodes à semi-conducteurs sont réalisées à partir d’une jonction PN. Leur
représentation symbolique indique le sens du courant.
V
La diode en sens direct (sens de i) est parfaitement conductrice. Elle provoque une
faible chute de tension (0,5 à 1,5V) et peut être assimilée à un interrupteur fermé.
La diode en sens inverse (ou bloqué) est parfaitement isolante. Un faible courant résiduel la traverse (quelques
microampères). Elle est analogue à un interrupteur ouvert.
Dans l’étude des circuits de redressement, on suppose la diode parfaite : sans chute de tension directe ni courant
inverse.
LE THYRISTOR :
Le thyristor est une diode commandée par une gâchette en plus de l’anode
Anode
Cathode
et de la cathode.
Le thyristor est avant tout une diode avec un sens bloqué et un sens
A
K
i
passant.
Dans le sens passant, il faut, pour que le thyristor conduise, que la tension
V
v soit positive et qu’il y ait un courant suffisant dans la gâchette.
G
Dans le sens bloqué, il faut que la tension v passe par 0 ou s’inverse pour
que le courant dans le circuit s’annule.
Gâchette
Dès qu’un thyristor est amorcé par le courant de gâchette, ce courant peut
être supprimé. Le thyristor continu à conduire tant que v est positif.
Les GTO : ce sont des thyristors qui possèdent une gâchette de blocage (utilisés en continu).
Les thyristors doivent être protégés contre :
 Les surintensités par des fusibles ultra rapides (prothystor), ils doivent être dimensionnés pour assurer dans tous
les cas la protection des thyristors.
 Les sur tensions et les gradients de tensions (variation brutale de la tension), par des circuits RC appropriés
placés aux bornes des thyristors.
LE TRIAC :
Le triac (TRIode Alternative Current) est un composant qui se présente comme 2
thyristors montés « tête bêche », mais ne comportant qu’une seule gâchette. Il est
essentiellement utilisé dans les gradateurs.
Le triac fonctionne sur le même principe que 2 thyristors montés en inverse.
L’amorçage d’un triac peut âtre réalisé par un courant de gâchette positif ou
négatif, mais on choisira de préférence un courant de gâchette positif.
A2
A1
V
G
Le blocage du triac est obtenu après suppression du courant de gâchette et application d’une tension inverse à celle qui
maintenait la conduction.
Un triac peut remplacer les 2 thyristors d’un gradateur. Il peut contrôler des courants compris entre 1 et 60A avec des
tensions inverses de 700 à 1000V. On l’utilise surtout dans les gradateurs de lumière, les alimentations de radiateurs
de chauffage électrique et la commande de petits moteurs universels alimentés en courant alternatif.
LE DIAC :
Le diac se présente comme des triacs sans gâchette, ou comme 2 diodes montées en
inverse, c’est à dire réunies par leur cathode. Un diac s’amorce automatiquement dès
que la tension à ses bornes atteint une valeur comprise entre 32 et 45V. Dès qu’il est
amorcé, la tension à ses bornes devient pratiquement nulle.
E2
E1
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Exemple : amorçage d’un triac par un circuit RC et un diac :
Tension d'entrée
Charge
100 
Triac
230V 
R=100k
Diac
Charge du condensateur
C=0,1F
32 à 45V
La résistance variable R sert à augmenter ou diminuer le temps de
charge du condensateur C.
-32 à -45V
Amorçage du diac
LE TRANSISTOR DE PUISSANCE :
Le transistor de puissance ou transistor bipolaire est surtout employé
en commutation. Il joue le rôle d’un interrupteur électronique
commandé. A l’état bloqué (interrupteur ouvert), il doit supporter des
tensions importantes (de 400V à 1000V) et, à l’état saturé (interrupteur
fermé), des courants de plusieurs dizaines d’ampères.
Il existe 3 possibilités de montage des transistors : à émetteur commun,
à base commune et à collecteur commun. Le montage le plus employé
en commutation est celui à émetteur commun, car il permet de
commuter des tensions et des intensités importantes.
Pour différentes valeurs de Ib, on obtient un réseau de courbes
Ic=f(Vc). En commutation, on retient 2 points de fonctionnement A et B :
A quand le transistor est bloqué, B quand il est saturé.
Commutation : s’il est très rapide, le passage de l’état bloqué à l’état
saturé et inversement n’est pas instantané.
Tension aux bornes de la charge
Les circuits de puissance électriques - 119
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AUTRES TRANSISTORS :
Transistors de commutation Darlington : pour fonctionner, les transistors de
commutation en puissance ont besoin d’un courant de base important. Pour
diminuer l’intensité de ce courant, les constructeurs réalisent un montage
Darlington avec 2 transistors.
Les résistances R1 et R2 avec la diode D permettent l’évacuation des
charges stockées dans la jonction Base/Emetteur. La diode D est une diode
de roue libre qui protège le transistor T2.
Le transistor MOSFET (Métal Oxyde Semi-conducteur Field Effect Transistor)
est un transistor à effet de champ comportant 3 électrodes : G pour grille, D
pour drain et S pour source.
L’intensité du courant de drain Id est commandée par la tension grille/source
Vgs.
Ce transistor est utilisé en fonction commutation pour des fréquences très
élevées.
Le transistor IGBT (Insulated Gate Bipolaire Transistor) est constitué d’un
transistor MOSFET, qui assure la commande, associé à un transistor
bipolaire pour la sortie de puissance.
Les caractéristiques des transistors IGBT sont voisines de celles des
transistors bipolaires.
LES DISSIPATEURS :
Les dissipateurs ou radiateurs sont destinés à améliorer les échanges thermiques entre les semi-conducteurs et le
milieu ambiant. Ils doivent dissiper la chaleur de façon que la température de jonction ne dépasse pas les limites
permises.
La puissance à dissiper d’un semi-conducteur en régime impulsionnel est fonction des pertes dues à la conduction, au
blocage et la mise en conduction. Ces pertes dépendent également du régime de fonctionnement de l’appareil dans
lequel est utilisé le composant.
TRANSFORMATEURS D’IMPULSIONS :
Ils ont pour rôle essentiel d’assurer la séparation galvanique entre les circuits de commande et le circuit de puissance.
Ils sont utilisés pour l’allumage des thyristors et de triacs ou pour la commande des transistors de puissance.
Les circuits de puissance électriques - 120