Description d'une génératrice à courant continu (2)

Une machine à courant continu comprend deux parties principales :

- une partie fixe, appelée stator, joue le rôle d'inducteur, destiné à créer le flux magnétique ;

- une partie mobile appelée rotor, joue le rôle d'induit, dans lequel l'énergie mécanique est transformée en énergie électrique.

La figure suivante vous montre les éléments d'une machine à courant continu à deux pôles principaux et deux pôles auxiliaires. Il s'agit d'une machine bipolaire.

Éléments d'une machine à courant continu :

La partie fixe, ou inducteur, comprend les pôles principaux et les pôles auxiliaires ou pôles de commutation.

L'inducteur est constitué d'un électroaimant qui engendre la force magnétomotrice nécessaire pour produire du flux magnétique. L'électro-aimant est composé de pôles dont le nombre est toujours pair (une paire de pôles étant constituée d'un pôle N et d'un pôle S).

Les bobines de l'inducteur, appelées bobines excitatrices et portées par le noyau des pôles, sont parcourues par un courant continu appelé courant d'excitation. Vous savez qu'il faut un tour complet de l'induit d'une machine bipolaire (deux pôles) pour faire un cycle ou une période de tension. Si l'on ajoute deux pôles, un demi-tour suffira pour faire une période de tension. Une rotation complète de la bobine produira donc deux périodes.

Pôles auxiliaires

Vous verrez un peu plus loin que des balais fixes appuient sur le collecteur en rotation. Il se produit des étincelles lorsqu'une lame quitte le balai pour qu'une autre prenne place sous ce même balai. Pour éliminer ces étincelles, on place des pôles appelés pôles auxiliaires ou pôles de commutation entre les pôles principaux.

Il y a autant de pôles auxiliaires que de pôles principaux. L'enroulement des pôles auxiliaires est raccordé en série avec l'induit. Il est donc parcouru par le même courant.

Induit

La partie mobile comprend l'induit, appelé aussi armature, le collecteur et les balais.

Armature

L'induit, là où la tension est induite, est fait de tôles en fer doux et il est monté sur un arbre. Il reçoit l'ensemble des conducteurs qui coupent le flux magnétique. Un certain nombre de conducteurs, regroupés en spires, forment une bobine. L'induit renferme plusieurs bobines placées dans des encoches.

Collecteur

Le collecteur est un ensemble de lames de cuivre isolées les unes des autres par des feuilles de mica.

Vous savez que les conducteurs de l'induit sont raccordés aux lames de cuivre qui servent à collecter la tension induite alternative pour la transformer en une tension continue. Ces lames sont montées sur l'arbre de la machine, mais isolées de ce dernier.

Balais

Les balais, ou frotteurs, sont fixes et appuient sur le collecteur pour assurer la transmission de l'énergie entre la machine et le circuit extérieur. Ils sont maintenus par des porte-balais dans lesquels des ressorts viennent maintenir une pression appropriée du balai sur le collecteur.

Ces balais sont faits de carbone. Il s'agit d'un matériau ayant une bonne conductivité thermique et électrique. De plus, il est assez doux pour ne pas endommager le collecteur.

Dans une machine à courant continu, il y a autant de balais que de pôles. Dans le cas d'une machine multipolaire, les balais sont reliés entre eux pour former deux groupes afin de constituer les bornes positive et négative de la tension continue.

La figure suivante montre les différentes pièces constitutives d'une machine à courant continu. Ainsi vous pouvez voir en :

1. Stator (ou carcasse) en tôles magnétiques ; recevant le bobinage inducteur.

2. Rotor, en tôles magnétiques également, recevant le bobinage d'induit.

3. Collecteur.

4. Arbre.

5. Couronne porte-balais et balais.

6. Flasques paliers.

7. Roulements.

8. Ventilation.

9. Boite à bornes.

Coupe d'une machine à courant continu :

Expression de la force électromotrice :

La tension induite, ou force électromotrice, (symbole de grandeur : E, unité de mesure : V) dépend :

• du nombre total de conducteurs de l'induit (symbole de grandeur : N),
• de la vitesse de rotation de l'induit (symbole de grandeur : n, unité de mesure : tours par seconde ou s^-1) et,
• du flux magnétique par pôle (symbole de grandeur : ø, unité de mesure : Wb).

La valeur de la f.é.m. induite est calculée à l'aide de l'équation suivante :

N dépend de la construction de la machine ; si le courant d'excitation est constant, le flux ø l'est également et l'on peut poser Nø comme une constante k. On obtient alors :

E = k n.

La force électromotrice est proportionnelle à la vitesse de rotation. L'expression de la f.é.m. lorsque la vitesse est donnée en tours par minute s'écrit également :

E =

Avec n en tours par minute ou min^-1.

Voici un exemple d'application de cette équation.

Problème :

L'induit d'une génératrice comporte 720 conducteurs et tourne à 600 tours par minute. Calculer la valeur de la f.é.m. induite, sachant que le flux par pôle est de 0,04 Wb.

Solution :

La tension est :

E = .

E = .

E = 288 V.

La tension induite est donc de 288 volts.

Loi d'ohm :

Le bobinage de l'induit, le bobinage des pôles auxiliaires qui sont branchés en série avec l'induit, de même que les balais présentent chacun une résistance plus ou moins importante au passage du courant électrique dans l'induit.

Comme ces résistances se trouvent être toutes en série, nous les considérerons comme une résistance unique équivalente que nous appellerons résistance totale de l'induit R.

Cette résistance R s'oppose au passage du courant électrique et par conséquent va être à l'origine d'une chute de tension lorsque la machine débite un courant sur une charge.

Nous pouvons faire apparaître cette résistance dans un modèle équivalent à la génératrice constitué d'un générateur de f.é.m. E en série avec la résistance R comme le montre la figure suivante.

Modèle équivalent d'une génératrice à courant continu :

La loi d'ohm s'appliquant au modèle équivalent, nous pouvons calculer la tension à ses bornes lorsqu'elle est en charge, c'est-à-dire lorsqu'elle fournit un courant I à une charge :

U = E - RI.

Avec :

U : la tension aux bornes de la génératrice en volts (V).

E : la f.é.m. en volts (V).

R : la résistance totale de l'induit en ohms (Ω).

I : le courant débité par l'induit en ampères (A).

Le produit RI représente la chute de tension dans l'induit. Si la machine tourne à vide, le courant débité est nul (I = 0), le produit RI est donc également nul (RI = 0) et l'on retrouve aux bornes de la machine sa f.é.m. telle que U = E.

Voici un exemple d'application de la loi d'ohm.

Problème :

Une génératrice alimente une charge avec un courant de 50 A sous une tension de 230 V. Calculer la f.é.m. de cette génératrice sachant que la résistance totale de l'induit est de 0,46 Ω.

Solution :

La tension aux bornes de la génératrice est U = E - RI. Donc la f.é.m. de la génératrice est :

E = U + RI.

E = 230 V + 0,46 Ω 50 A.

E = 253 V.

La f.é.m. de la génératrice est de 253 V.

Vous devriez retenir plus particulièrement les points suivants :

- Lorsqu'un conducteur se déplace dans un champ magnétique, une tension y est induite, on l'appelle force électromotrice (f.é.m.).

- Lorsque le circuit est fermé, un courant est induit. Le sens de ce courant est déterminé par la règle de la main droite.

- Les génératrices sont des machines qui transforment l'énergie mécanique en énergie électrique.

- La machine à courant continu se compose de deux principales parties : la partie fixe, ou stator, joue le rôle d'inducteur et la partie mobile, ou rotor, joue le rôle d'induit.

- Le champ magnétique dans la machine est engendré par l'inducteur.

- La f.é.m. est induite dans l'induit.

- Le collecteur sert à collecter la tension alternative pour la transformer en une tension continue.

- Les balais appuient sur le collecteur pour transmettre la f.é.m. induite continue au circuit extérieur.

- La f.é.m. induite est égale à : E = N n Ø.

- La loi d'ohm traduit le fonctionnement de la génératrice en charge et donne la tension à ses bornes : U = E - RI.

Vous connaissez maintenant le principe de fonctionnement et la composition d'une génératrice à courant continu.