Génératrices à courant continu
Nous avons déjà vu le principe de fonctionnement d'une génératrice à courant continu (section Tension induite dans un conducteur).
Dans cette section, nous examinerons de plus près la construction et le comportement de cette machine. Aujourd'hui, les génératrices à c .c. jouent un rôle mineur car le courant continu est produit surtout par des redresseurs électroniques. Ces redresseurs, étudiés à la section Électronique de puissance, convertissent le courant alternatif d'un réseau en courant continu, sans utiliser d'éléments mécaniques tournants.
Il est quand même indispensable d'étudier les génératrices car certains moteurs à c.c . fonctionnent en génératrice pendant de courtes périodes. C'est le cas, par exemple, des moteurs utilisés dans les grues et dans les laminoirs . La théorie des moteurs s'appuie en effet sur celle des génératrices, à tel point qu'on peut utiliser une machine à courant continu soit comme moteur, soit comme générateur. Nous étudierons les moteurs à c.c. à la section Moteurs à courant continu.
CONSTRUCTION D'UNE GÉNÉRATRICE À C.C.
Une génératrice à c. c. comprend quatre parties principales : l'inducteur, l'induit, le collecteur et les balais (Fig. 27-1 et 27-2).
Figure 27-1 Parties principales d'une génératrice à courant continu
Figure 27-2 Vue en coupe d'une génératrice de 1,8 kW, 6V, 300A
Nous les examinons successivement dans les sections qui suivent.
Inducteur
L'inducteur (parfois appelé «champ») produit le flux magnétique dans la machine. Il est constitué d'un électro-aimant qui engendre la force magnétomotrice (FMM) nécessaire à la production du flux.
Dans les machines bipolaires (à deux pôles), deux bobines excitatrices sont portées par deux pièces polaires montées à l'intérieur d'une culasse. La culasse est généralement en fonte d'acier, tandis que les pièces polaires sont formées de tôles d'acier doux.
Les bobines excitatrices sont alimentées en courant continu, et le courant qui les traverse porte le nom de courant d'excitation. Elles sont composées de plusieurs centaines de spires et portent un courant relativement faible. Les bobines sont bien isolées des pièces polaires afin de réduire les risques de court-circuit à la terre.
Dans certaines génératrices spéciales, les bobines et pièces polaires sont remplacées par des aimants permanents. La force magnétomotrice (FMM) des bobines crée un champ magnétique qui traverse les pièces polaires, la culasse, l'induit et l'entrefer (Fig . 27-1).
L'entrefer est l'espace d'air séparant la surface de l'induit de celle des pièces polaires: il est de l'ordre de 1,5 mm à 5 mm pour les machines de faible et moyenne puissance. Comme l'induit et l'inducteur sont construits avec des matériaux possédant une bonne perméabilité, la majeure partie de la FMM sert à pousser le flux à travers l'entrefer.
Donc, en réduisant la longueur de celui-ci, on peut diminuer la grosseur des bobines excitatrices. La vue en coupe de la Fig. 27-8 montre les différentes parties d'une génératrice bipolaire. Le nombre de pôles que porte l'inducteur dépend surtout de la grosseur de la machine.
Plus une machine est puissante et plus sa vitesse est basse, plus elle aura de pôles. En utilisant plus de deux pôles on réduit les dimensions et le coût des grandes machines. Les bobines excitatrices d'un inducteur multipolaire sont connectées de façon que les pôles adjacents aient des polarités magnétiques contraires (Fig. 27-3).
Figure 27-3 Polarités magnétiques d'une génératrice à 6 pôles et mode de raccordement des bobines du champ shunt
Induit
L'induit est composé d'un ensemble de bobines identiques réparties uniformément autour d'un noyau cylindrique. Il est monté sur un arbre et tourne entre les pôles de l'inducteur. L'induit constitue donc un ensemble de conducteurs qui coupent le flux magnétique.
Les bobines sont disposées de telle façon que leurs deux côtés coupent respectivement le flux provenant d'un pôle nord et d'un pôle sud de l'inducteur. Le noyau est formé d'un assemblage de tôles en fer doux. Ces tôles sont isolées les unes des autres et portent des encoches destinées à recevoir les bobines (Fig . 27-4a).
Figure 27-4
a. Le noyau de l'induit est composé d'un empilage de tôles d'acier.
b. Les conducteurs sont retenus dans les encoches au moyen de cales en fibre
Les conducteurs de l'induit sont parcourus par le courant débité par la machine. Ils sont isolés du noyau par des couches de papier ou d'autres feuilles isolantes. Pour résister aux forces centrifuges, ils sont maintenus solidement en place dans les encoches au moyen de cales en fibre (Fig. 27-4b et 27-5).
Figure 27-5 Photo d'un induit illustrant collecteur, empilage de tôles, cales en fibre, bobinage et ventilateur
Si le courant est plutôt faible, on emploie des conducteurs ronds, mais s'il dépasse une cinquantaine d'ampères, on se sert de conducteurs rectangulaires qui permettent une meilleure utilisation du volume de l'encoche.
Collecteur et balais
Le collecteur est un ensemble cylindrique de lames de cuivre isolées les unes des autres par des feuilles de mica. Le collecteur est monté sur l'arbre de la machine, mais isolé de celui-ci (Fig . 27-6a).
Figure 27-6
a. Collecteur à 16 lames et noyau d'acier montés sur un arbre
b. Balais sur une génératrice bipolaire
c. Groupement des balais sur une machine à 6 pôles
Les deux fils sortant de chaque bobine de l'induit sont successivement et symétriquement soudés aux lames du collecteur. Dans une génératrice bipolaire, deux balais fixes et diamétralement opposés appuient sur le collecteur.
Ainsi, ils assurent le contact électrique entre l'induit et le circuit extérieur (Fig. 27-6b). La construction du collecteur demande un soin considérable, car, s'il arrivait qu'une des lames dépasse les autres d'une fraction de millimètre seulement, des étincelles seraient produites par le rebondissement des balais quand la machine serait en charge.
De telles étincelles rongeraient et détérioreraient les balais, tout en surchauffant et en carbonisant le collecteur, ce qui ne peut évidemment être toléré. Les machines multipolaires ont autant de balais que de pôles.
Par exemple, une génératrice ayant 6 pôles possède 6 balais, dont 3 positifs (+) et 3 négatifs (-). Les balais (+) sont reliés ensemble pour former la borne positive de la machine. De même, les balais (-) sont reliés ensemble pour en former la borne négative (Fig. 27-6c). Les balais sont faits en carbone car ce matériau possède une bonne conductivité électrique et est assez doux pour ne pas user indûment le collecteur. Pour améliorer leur conductivité, on ajoute parfois au carbone une petite quantité de cuivre.
La pression des balais sur le collecteur peut être réglée à une valeur appropriée grâce à des ressorts ajustables (Fig. 27-7).
Figure 27-7 Balai et porte-balai d'une machine à c .c.
Figure 27-8 Vue en coupe d'une génératrice à c .c. bipolaire
Si la pression est trop grande, le frottement provoque un échauffement excessif du collecteur et des balais; par contre, si elle est trop faible, le con- tact imparfait peut produire des étincelles. La pression des balais sur le collecteur est généralement de l'ordre de 15 kPa (1,5 N/cm²) et la densité du courant qui les traverse est d'environ 10 A/cm².
Par exemple, un balai ayant une largeur de 3 cm et une épaisseur de 1 cm exerce une pression d'environ 4,5 newtons sur le col- lecteur et peut porter un courant de 30 A.
Pour les forts courants de collecteur, on utilise deux et même plusieurs balais connectés en parallèle. En se référant à la Fig. 27-2, on remarque que chaque point de contact comprend trois balais, côte à côte, reliés en parallèle. Comme la génératrice possède 4 pôles, il y a 12 balais en tout, dont 6 sont connectés à la borne (+) et 6 à la borne (-). Le courant par balai est donc de 300A = 6 = 50A.
Enroulement imbriqué Les bobines de l'induit peuvent être reliées entre elles et au collecteur de plusieurs manières ; une des plus employées est l'enroulement imbriqué.
Afin de comprendre ce genre d'enroulement, considérons une simple bobine qui tourne entre les deux pôles d'un inducteur (Fig. 27-9).
Figure 27-9 La tension induite dans le cadre tournant dépend de sa position
On sait qu'une tension alternative sera induite entre ses bornes a et b. La valeur instantanée de cette tension dépend de la position de la bobine. Supposons que la tension maximale soit de 10V. On montre à la Fig. 27-10, huit positions successives de la bobine, avec les tensions et les polarités correspondantes. Par exemple, lorsque la bobine passe par la position 225°, la tension Eab est de -7V car a est (-) par rapport à b.
Figure 27-10 Tensions induites pour 8 positions du cadre
Imaginons maintenant un induit possédant 8 bobines identiques à celle qu'on vient de décrire. Les bobines sont distribuées uniformément autour de l'induit, à 45° les unes des autres (Fig . 27-11).
Figure 27-11 Induit portant 8 bobines. Les bobines logées dans les mêmes encoches produisent des tensions identiques mais de polarités contraires
Elles sont identifiées par les chiffres encerclés (1) à (8), et logées dans 8 encoches numérotées 1 à 8. Faisons tourner cet ensemble de 8 bobines à la même vitesse qu'auparavant. Chaque bobine génère une tension et une polarité correspondant à sa position.
Pour chaque bobine, la tension obtenue est identique à celle induite dans la bobine de la Fig . 27-10. Notons que les bobines (1), (5) sont logées dans les mêmes encoches ; par conséquent, leurs tensions Eab ont instantanément la même valeur, mais de polarités contraires.
Il en est de même pour les bobines (2), (6) ; (3), (7) et (4), (8). Si l'on considère l'instant particulier où la bobine (1) est à 0°, la tension dans cette bobine est nulle, et les tensions dans les autres bobines sont celles que pré- sente la Fig. 27-12.
Figure 27-12 Valeurs instantanées des tensions induites dans les huit bobines
Un instant plus tard, lorsque l'induit a tourné de 45°, la tension Eab de la bobine (1) est de +7 V, celle de la bobine (2) est nulle, celle de la bobine (3) est de -7V, et ainsi de suite.
Jusqu'à présent nous avons supposé que les bobines étaient isolées les unes des autres ; relions-les maintenant en série pour créer une boucle fermée (Fig . 27- 13).
Figure 27-13 Étant donné que la somme des tensions autour de la boucle est nulle, on peut la fermer sans produire un courant de circulation
La tension résultante est égale à la somme des tensions des huit bobines. Cependant, en faisant la somme, on s'aperçoit que les tensions induites dans les bobines logées dans les mêmes encoches s'annulent.
Par conséquent, la somme algébrique des tensions autour de la boucle est nulle à tout instant. Donc aucun courant ne circule dans la boucle et les tensions de la Fig . 27-13 demeurent les mêmes que celles de la Fig. 27-12. Connectons alors les bobines à un collecteur à huit la- mes (Fig. 27-14).
Figure 27-14 On place les balais à l'endroit produisant la plus grande tension Exy.
Ces connexions sont montrées en pointillé. Il est évident que la tension induite dans chaque bobine apparaît maintenant entre deux lames consécutives. C'est cet arrangement des bobines, et leur raccordement au collecteur, qui constitue un enroule- ment imbriqué.
En pratique, l'induit comporte beaucoup plus que huit bobines. Ainsi, l'induit d'une génératrice de 250 kW, 250V, 1200 r/min peut contenir 240 bobines, ce qui exige un nombre égal de lames sur le collecteur.
Position des balais et zones neutres