Arrêter un moteur DC, expliqué avec des schémas de circuit interactifs ── roue libre, freinage et récupération

Partie 2 de la série « Protection et pannes des circuits de commande, avec des schémas de circuit interactifs »

Vous le savez : un moteur ne s’arrête pas à l’instant où l’on coupe l’interrupteur. La rotation a de l’élan (l’inertie), et du courant circule encore dans les enroulements. Alors, où vont cet élan et ce courant ? Les différentes réponses à cette question sont précisément ce que distinguent les termes arrêt en roue libre, freinage par court-circuit, résistance de freinage et récupération (régénération) ── des termes à manier en gardant la sécurité à l’esprit. ── Si vous ne cherchez que des définitions, n’importe quel glossaire les donne. Mais dans quelle boucle le courant circule-t-il, où la chaleur sort-elle, quelque chose retourne-t-il ou non vers l’alimentation ── un schéma statique fait rarement sentir ces différences.

Dans cet article, nous observons ce qui se passe juste après la coupure de la commande d’un moteur DC, avec des schémas de circuit interactifs et des courbes de tension et de courant en temps réel. Les quatre façons d’arrêter partagent le même squelette de circuit et les mêmes commandes, si bien que les différences de chemin du courant et de destination de l’énergie sautent aux yeux. Toutes les figures sont interactives : basculez la commande avec le bouton et vérifiez la courbe de vos propres yeux au fil de la lecture.

Ce que couvre cet article

Les questions fréquentes et les sections qui y répondent.

Question	Section
Que deviennent le courant et la rotation du moteur après la coupure de la commande ?	§1
Que se passe-t-il si l’on coupe la commande sans rien faire d’autre (roue libre) ?	§2 (figure interactive)
Pourquoi le freinage par court-circuit fonctionne-t-il ? Quelle boucle le courant emprunte-t-il ?	§3 (figure interactive)
Quelle différence entre une résistance de freinage et un simple court-circuit ?	§4 (figure interactive)
Qu’est-ce, au juste, que la « récupération » ? Que se passe-t-il quand l’énergie retourne à l’alimentation ?	§5 (figure interactive)
Comment choisir entre les quatre façons d’arrêter ?	§6 (tableau comparatif) / FAQ
Quel rapport avec la force contre-électromotrice de la bobine de la Partie 1 ?	§1 · FAQ

1. Un moteur est une génératrice qui tourne ── arrêter, c’est décider où va l’énergie

À l’intérieur d’un moteur DC, une bobine (l’induit) tourne entre des aimants. Le moteur hérite donc de la propriété de la bobine vue dans la Partie 1 ── il déteste qu’on modifie son courant brutalement. Mais il y ajoute une seconde propriété que la bobine d’un relais n’avait pas : tant qu’il tourne, il produit sa propre tension. Moteur et génératrice partagent la même construction ; entraînez-en un de l’extérieur et il produit du courant. À l’instant où l’on coupe la commande, un moteur qui continue de tourner sur son inertie est, littéralement, une génératrice.

Faisons le compte de l’énergie en jeu. Dans la Partie 1, le fauteur de troubles était l’énergie stockée dans le champ magnétique de la bobine ── elle se manifeste par une unique surtension brève. Le moteur l’a aussi, mais il y ajoute bien plus gros : l’énergie cinétique de la rotation. Elle écrase l’énergie magnétique et met beaucoup plus longtemps à disparaître. « Arrêter un moteur » est donc, au fond, une décision de conception : où, et en quoi, dissiper (ou récupérer) cette énergie cinétique ? Les options : la roue libre, le freinage par court-circuit, la résistance de freinage et la récupération.

Toutes les figures qui suivent partagent un même squelette. À gauche de la frontière verticale, le côté externe (le moteur) ; à droite, le côté de l’interrupteur de commande. Le chemin : alimentation 24 V → résistance série de 50 Ω → interrupteur de commande → moteur DC → 0 V. Le bouton « Logique Y0 » du panneau joue le rôle de l’ordre de marche. La seule chose qui change d’une figure à l’autre, c’est la voie d’arrêt ajoutée autour des bornes du moteur.

L’instrumentation est celle de la Partie 1 : les courbes en temps réel au-dessus de chaque figure tracent 【V1】 (la tension à la borne + du moteur) et 【I1】 (le courant du moteur) sur une fenêtre glissante d’environ 0,05 seconde de temps simulé. Pour repartir de zéro, le bouton « Réinitialiser le circuit », en haut à droite de chaque panneau, recharge la figure dans son état initial.

V1 Tension à la borne + du moteur ── observez le pic, ou le plafond, juste après l’OFF I1 Courant du moteur ── observez la vitesse de décroissance et le chemin emprunté

2. La roue libre ── couper la commande sans préparer de chemin (Fig. 1)

La première figure n’a aucune voie d’arrêt. Coupez l’interrupteur de commande et le circuit du moteur reste simplement ouvert. C’est l’arrêt en roue libre, et toutes les autres façons d’arrêter de cet article se lisent par contraste avec cette référence. Mettez « Logique Y0 » sur ON, regardez le courant circuler et la vitesse monter, puis coupez sur OFF avant que la vitesse ne plafonne ── et gardez les yeux sur la courbe 【V1】 juste après l’OFF.

À l’instant de l’OFF, le courant resté dans les enroulements perd son chemin, et la même surtension fugitive que dans la Partie 1 apparaît sur 【V1】 (l’enroulement d’un moteur est une bobine : jusqu’ici, c’est de la révision). La suite est le vrai sujet de cet article. Même une fois le courant éteint, le moteur continue de tourner sur son inertie et, en génératrice, maintient une tension à ses bornes ── mais le circuit est ouvert, aucun courant ne circule. Aucun freinage électrique n’a lieu, et la vitesse ne descend que lentement, par le seul frottement des paliers et de la charge. « J’ai coupé, et ça tourne toujours » ── la roue libre est la façon d’arrêter qui abandonne toute l’énergie cinétique au frottement.

Remarque : les figures 1 à 3 comportent un petit réseau RC série qui tient lieu de capacité et de fuites du câblage réel, ajouté pour que l’oscillation après l’OFF ne dure pas indéfiniment. Il ne fait pas partie du chemin principal.

3. Le freinage par court-circuit ── reliez les bornes et le courant continue de tourner (Fig. 2)

Ajoutons maintenant un interrupteur d’arrêt entre les bornes du moteur. Coupez la commande, fermez cet interrupteur, et les deux bornes du moteur se retrouvent court-circuitées. Un moteur qui tourne est une génératrice ── et une génératrice en court-circuit débite du courant. Le courant continue de tourner dans la petite boucle moteur → interrupteur de court-circuit → moteur, et sa source d’énergie est la rotation elle-même. Autrement dit, la rotation se fait freiner. C’est le freinage par court-circuit (une forme de freinage dynamique).

Dans la figure ci-dessous, cette voie d’arrêt est sur un bouton. Laissez d’abord « Freinage par court-circuit: non », faites un cycle ON → OFF et retrouvez la surtension de la Fig. 1. Puis, après l’OFF, passez le frein sur « oui » et refaites les mêmes gestes. Même circuit, mêmes commandes ── le pic de 【V1】 est maté, et l’on voit le courant tourner dans la boucle du court-circuit à la place.

Une vérification importante pendant que vous y êtes : le courant du freinage par court-circuit ne retourne jamais à l’alimentation. Il ne circule qu’entre le moteur et l’interrupteur de court-circuit, et l’énergie de rotation se consume surtout en chaleur dans la résistance de l’induit (l’enroulement). On imagine volontiers que « freiner = renvoyer de l’électricité à l’alimentation », mais c’est l’histoire du §5 (la récupération). Le freinage par court-circuit, lui, convertit l’énergie en chaleur sur place et la jette.

	Frein sur « non » (roue libre)	Frein sur « oui »
【V1】 juste après l’OFF	Pic brutal et bref	Pic maté
Chemin du courant après l’arrêt	Aucun (ouvert)	Boucle moteur ↔ interrupteur
Chute de la vitesse	Lente, au seul frottement	Rapide, par freinage génératrice
Destination de l’énergie	Surtension · frottement	Surtout chaleur dans l’induit
Retour vers l’alimentation ?	Non	Non

4. La résistance de freinage ── choisir où sort la chaleur (Fig. 3)

Le freinage par court-circuit a deux points faibles ── la chaleur atterrit dans l’induit, et le courant est énorme. On atténue les deux d’un coup en remplaçant le court-circuit par une résistance de la valeur de son choix. C’est la résistance de freinage. Dans la figure ci-dessous, la voie d’arrêt entre les bornes du moteur est une résistance de 150 Ω en série avec un interrupteur. Les commandes sont celles de la Fig. 2 : faites l’OFF avec « Résistance de freinage: non » pour voir la surtension, puis recommencez avec « oui ».

Comparez avec la Fig. 2 : 【I1】 décroît plus doucement qu’avec le court-circuit pur. Plus la résistance est grande, plus le courant de freinage est faible et le frein doux ; plus elle est petite, plus on revient vers le freinage par court-circuit. Et la chaleur sort désormais surtout dans la résistance de freinage externe plutôt que dans l’induit. Confier l’énergie cinétique à une résistance au refroidissement bien dimensionné, plutôt qu’au moteur sensible à la chaleur ── voilà pourquoi les « résistances de freinage » (souvent vendues comme « résistances de récupération ») existent autour des servovariateurs et des variateurs de fréquence. Le concepteur choisit à la fois la force du freinage et l’endroit où paraît la chaleur ── c’est la différence essentielle avec le court-circuit pur.

5. La récupération ── construire un chemin de retour vers l’alimentation (Fig. 4)

La dernière méthode est d’une autre nature que les trois précédentes. Au circuit de la Fig. 1, nous ajoutons une seule diode allant de la borne + du moteur vers le rail 24 V (anode côté moteur, cathode côté alimentation). Après la coupure de la commande, chaque fois que la tension aux bornes du moteur qui tourne tente de dépasser l’alimentation, la diode conduit et le courant s’écoule vers le côté alimentation. Au lieu de brûler l’énergie cinétique en chaleur, on la restitue sous forme d’électricité ── c’est la porte d’entrée de la récupération.

Les commandes, comme toujours : ON → OFF. Cette fois, juste après l’OFF, regardez les points de courant traverser la diode en direction de l’alimentation. Et au lieu du pic acéré de la Fig. 1, 【V1】 plafonne près de la tension d’alimentation ── le courant qui n’avait nulle part où aller dispose désormais d’un chemin de retour.

6. Choisir parmi les quatre ── selon le chemin du courant et le lieu de la chaleur

Voici tout ce que montrent les quatre figures, sur une seule feuille. Il ne s’agit pas de dire qu’une méthode vaut mieux que les autres : on choisit en répondant à trois questions ── quelle boucle le courant emprunte-t-il, où se débarrasse-t-on de l’énergie, et à quelle vitesse le moteur doit-il s’arrêter. C’est la conclusion de cet article.

Méthode	Chemin du courant après l’arrêt	Destination de l’énergie	Vitesse d’arrêt	En une ligne
Roue libre (Fig. 1)	Aucun (ouvert)	Frottement (+ surtension à l’OFF)	Lente, subie	Un arrêt jamais vraiment conçu
Freinage par court-circuit (Fig. 2)	Boucle des bornes en court-circuit	Surtout chaleur dans l’induit	Rapide (fort courant)	Puissant, mais le moteur encaisse la chaleur
Résistance de freinage (Fig. 3)	Boucle des bornes + résistance	Chaleur de la résistance externe	Réglable par la résistance	Force et lieu de la chaleur, par conception
Récupération (Fig. 4)	Retour vers l’alimentation	Côté alimentation (récupérée, dans l’idéal)	Selon le récepteur	Tout dépend d’avoir à qui la rendre

Une chose encore, quelle que soit la méthode retenue : la surtension de l’instant OFF exige toujours sa propre protection (la diode et consorts de la Partie 1). Pendant le bref instant qui précède la fermeture de l’interrupteur de la voie d’arrêt, le courant de l’enroulement n’a nulle part où aller. Concevoir l’arrêt, et protéger contre la surtension ── deux chantiers séparés, tous deux menés à bien. C’est le fil pratique qui relie la Partie 1 à cet article.

Dans les produits réels, vous câblerez rarement ces circuits nus vous-même : les drivers de moteur et les ponts en H intègrent d’origine le freinage par court-circuit (mode brake) et les chemins de récupération. Mais quand une fiche technique dit « brake », « coast » ou « regenerative », les quatre figures de cet article sont exactement la carte de ce que ces mots veulent dire.

Résumé ── « arrêter », c’est décider du chemin du courant et de la destination de l’énergie

• Couper la commande n’efface ni le courant ni la rotation du moteur. Un moteur qui tourne est une génératrice, et concevoir un arrêt, c’est choisir où va l’énergie cinétique (§1).
• La roue libre n’a pas de chemin : aucun freinage électrique, arrêt confié au frottement, et la surtension de l’instant OFF apparaît pour la même raison que dans la Partie 1 (§2).
• Le freinage par court-circuit fait tourner le courant dans une boucle entre bornes, convertissant l’élan de la rotation en chaleur d’induit pour un arrêt rapide. Rien ne retourne à l’alimentation (§3).
• La résistance de freinage est « un court-circuit aux Ω choisis » : le concepteur règle la force du freinage et l’endroit où sort la chaleur (§4).
• La récupération est un chemin de retour vers l’alimentation ── mais la plupart des alimentations réelles ne peuvent pas l’accepter, d’où le problème suivant : la montée de la tension du bus (§5, suite prévue).
• Quelle que soit la méthode, la protection contre la surtension de l’OFF est une exigence à part, qui s’ajoute (§6).

Les fondations de cet article ── « la bobine déteste les changements brusques de courant » et « où atterrit la surtension » ── sont posées dans la Partie 1, « La force contre-électromotrice d’une bobine, expliquée avec des schémas de circuit interactifs ── le rôle de la diode de roue libre », et l’étage de sortie qui pilote le moteur est traité dans « Relais, transistor ou triac ? Comprendre les types de sortie d’un automate (PLC) avec des schémas de circuit interactifs », tous deux avec le même type de figures interactives.

FAQ

Q1. Roue libre, freinage par court-circuit, récupération ── chacun en une ligne ?

R. Roue libre : n’offrir aucun chemin et attendre le frottement. Freinage par court-circuit : créer une boucle entre les bornes et brûler l’énergie en chaleur sur place, pour un arrêt rapide. Récupération : créer un chemin vers l’alimentation et restituer l’énergie sous forme d’électricité. L’axe qui les sépare : quelle boucle le courant emprunte-t-il après l’arrêt.

Q2. Quelle différence avec la surtension de bobine de la Partie 1 ?

R. La Partie 1 traitait de l’énergie stockée dans un champ magnétique ── une unique surtension brève, contrée par une « échappatoire momentanée » comme la diode de roue libre. Cet article traite de l’élimination de l’énergie cinétique de rotation ── bien plus grande, bien plus durable, et contrée par la conception de l’arrêt lui-même. Dans un moteur, les deux se produisent en même temps : il faut donc la protection contre la surtension et la conception de l’arrêt, comme deux points distincts.

Q3. Le courant du freinage par court-circuit retourne-t-il à l’alimentation ?

R. Non. Le courant ne circule que dans la boucle entre le moteur et l’interrupteur de court-circuit, et l’énergie se dissipe surtout dans la résistance de l’induit, en chaleur. L’énergie ne retourne à l’alimentation que lorsqu’un chemin vers elle existe, comme dans la Fig. 4 (récupération).

Q4. « Résistance de freinage » et « résistance de récupération », est-ce la même chose ?

R. En tant que composant, ce sont deux résistances de puissance ; le nom suit généralement le contexte. Mais il existe deux branchements distincts : entre les bornes du moteur, comme dans la Fig. 3, ou sur le bus continu d’un variateur ou d’un servo, où elle brûle la montée de tension du bus causée par la récupération (suite prévue). Quand un catalogue dit « résistance de récupération », il s’agit le plus souvent du second cas.

Q5. Peut-on enclencher le freinage par court-circuit à tout moment ?

R. Non. La résistance de la boucle étant minime, le courant de freinage à l’enclenchement est fort, et depuis une vitesse élevée ou une grosse inertie, il peut dépasser les valeurs nominales de l’interrupteur ou du moteur. Les drivers et moteurs réels spécifient les conditions (vitesse, fréquence d’utilisation, etc.) dans lesquelles le frein peut servir. Dans le doute, penchez vers une résistance de freinage qui limite le courant.

Q6. Concrètement, qu’est-ce qui tourne mal quand l’énergie récupérée revient à l’alimentation ?

R. Le problème, c’est le récepteur. La source idéale de la Fig. 4 absorbe le courant, mais la plupart des alimentations DC réelles ne sont pas faites pour encaisser un courant entrant. Sans destination, le courant charge les condensateurs du bus et la tension du bus monte. Les « défauts de surtension » des variateurs, les résistances de freinage de récupération sur le bus et les convertisseurs de récupération sont autant de réponses à ce phénomène.

Q7. Pourquoi les figures demandent-elles de couper avant que la vitesse ne plafonne ?

R. Parce qu’une fois qu’un moteur à vide atteint sa pleine vitesse, sa tension générée (force contre-électromotrice) égale presque l’alimentation et le courant cesse quasiment de circuler. Coupez alors, et il reste peu de courant à perdre : la surtension est petite elle aussi. Coupez pendant l’accélération ── tant qu’il reste du courant ── et le comportement du courant privé de chemin apparaît nettement.

Q8. Le « mode brake » d’un pont en H ou d’un driver de moteur, c’est lequel ?

R. Le plus souvent, le freinage par court-circuit de la Fig. 2 : les deux interrupteurs du bas (ou du haut) du pont s’activent en même temps et court-circuitent les bornes du moteur. Dans le langage des fiches techniques, coast (roue libre) correspond à la Fig. 1, brake à la Fig. 2, et regenerative braking à la famille de chemins de la Fig. 4.

Q9. Le même raisonnement vaut-il pour les moteurs AC (asynchrones) ?

R. Le squelette ── décider où va l’énergie cinétique ── est le même, mais les chemins se construisent autrement. Avec un moteur AC piloté par variateur, la décélération récupère à travers le variateur vers le bus continu, ce qui mène droit au monde de la suite de la Fig. 4 : montée du bus, résistances de freinage et convertisseurs de récupération. Il existe aussi des méthodes propres à l’AC, comme le freinage par injection de courant continu.

Q10. En quoi la simulation diffère-t-elle du matériel réel ?

R. Elle est réduite au squelette du principe. Les constantes du moteur (constante de couple, inertie, frottement) sont des valeurs pédagogiques choisies pour rendre le comportement lisible, et la résistance série de 50 Ω sert aussi à ralentir les points de courant à l’écran. Le petit réseau RC série des figures 1 à 3 tient lieu de capacité et de fuites du câblage réel, uniquement pour amortir l’oscillation ── il ne fait pas partie du chemin principal. L’alimentation de la Fig. 4 est une source de tension idéale : la montée de tension du bus qui tourmente le matériel réel ne s’y produit pas. Utilisez les figures pour comprendre le principe, et les fiches techniques des moteurs et drivers pour les chiffres de conception réels.