Types de génératrice à courant continu

Les génératrices à courant continu sont surtout utilisées dans les installations isolées comme excitatrices de moteurs dans :

• les automobiles ;
• les avions ;
• les sous-marins ;
• les trains.

Cette étude porte sur les caractéristiques de quatre types de génératrice à courant continu :

• les génératrices à excitation indépendante ;
• les génératrices à excitation en dérivation ;
• les génératrices à excitation en série ;
• les génératrices à excitation composée.

Dans une génératrice, le flux magnétique est créé par le passage d'un courant d'excitation (i_exc) dans les bobines de l'inducteur.

Lorsque ce courant est fourni par une source indépendante de la génératrice, on dit que cette génératrice est à excitation indépendante ou à excitation séparée.

Le courant induit (I_a) est alors égal au courant (I) fourni par la génératrice. De plus, la tension qui est aux bornes de l'inducteur (U_exc) est généralement différente de la tension (U) présente aux bornes de la génératrice.

La figure suivante vous montre le schéma d'une génératrice à excitation indépendante. Les lettres A1 et A2 désignent l'induit, tandis que les lettres F1 et F2 représentent l'inducteur créant le champ.

Schéma d'une génératrice à excitation indépendante :

Ce type d'excitation est utilisé dans les génératrices à basse tension (4 à 24 V), dans les génératrices de tension élevée (supérieure à 600 V) et dans les machines de grande puissance où il faut régler la tension dans de larges limites.

Caractéristique externe :

La génératrice est une machine qui fournit de l'énergie électrique sous forme de courant et de tension à un circuit extérieur.

La caractéristique la plus importante est donc celle indiquant la tension (U) aux bornes de la génératrice en fonction du courant (I) fourni au circuit extérieur. Cette caractéristique est appelée caractéristique externe.

La figure suivante vous montre le schéma permettant de relever la caractéristique externe d'une génératrice à excitation indépendante.

Schéma de branchement d'une génératrice à excitation indépendante :

La figure suivante représente la courbe de la caractéristique externe de la génératrice à excitation indépendante. Vous remarquerez que la tension U aux bornes de la génératrice diminue lorsque le courant de charge I fourni augmente. Cette chute de tension est due :

- d'une part à la résistance totale d'induit R qui provoque une chute de tension lorsqu'elle est traversée par un courant (loi d'ohm) ;

- d'autre part à des phénomènes magnétiques (déformation des lignes de champ, saturation du circuit magnétique), d'où le nom de réaction magnétique de l'induit, plus communément appelée réaction d'induit.

 Caractéristique externe d'une génératrice à excitation indépendante :

Pour relever cette caractéristique:

• on fait tourner la génératrice à vitesse nominale;
• on règle le courant d'excitation (i_exc) de façon que, pour le courant nominal (I_n), on ait la tension nominale (U_n) (le point 1 sur la courbe de la figure 1.16).
• on diminue progressivement la charge jusqu'à la marche à vide (I = 0) (le point 2 sur la même courbe). Lorsque la charge diminue (du point 1 au point 2), le courant diminue. Cela provoque la diminution de la chute de tension due à la résistance totale d'induit (R) et à la réaction d'induit. Par conséquent, la tension de la génératrice augmente.

La génératrice à excitation en dérivation ou excitation shunt est une machine très répandue, car elle n'exige pas une source spéciale de courant d'excitation. On dit qu'elle est auto-excitée

La figure suivante vous montre le schéma d'une génératrice à excitation en dérivation.

Le bobinage inducteur (bornes E1 et E2), est raccordé directement en parallèle à l'induit (bornes A1 et A2).

La tension (U) aux bornes de la génératrice est égale à celle de l'induit et à celle de l'inducteur. Le courant d'excitation (i_exc) est tiré de l'induit.

Schéma d'une génératrice à excitation en dérivation :

Caractéristique externe :

La caractéristique externe d'une génératrice à excitation en dérivation, tout comme celle d'une génératrice à excitation indépendante, doit montrer l'influence de la variation de la charge sur la tension de la génératrice sans aucun réglage du courant d'excitation à l'aide d'un rhéostat.

De ce fait, le courant d'excitation (i_exc) demeure constant.

La courbe de cette caractéristique vous est montrée à la figure suivante.

Caractéristique externe d'une génératrice à excitation en dérivation :

Lorsque la charge augmente, la tension aux bornes d'une génératrice à excitation indépendante tombe à la suite de la réaction de l'induit et de la chute de tension dans la résistance (R) de l'enroulement de l'induit.

Dans une génératrice à excitation en dérivation, il y a une troisième chute de tension. Comme la tension aux bornes de l'inducteur est égale à celle de l'induit, lorsque la tension de la génératrice diminue, le courant d'excitation (i_exc) diminue proportionnellement. Cela provoque une chute de tension supplémentaire en comparaison avec la génératrice à excitation indépendante.

Les variations de tension représentées par les courbes de la figure 1.18 se situent autour de 15 % dans le cas d'une génératrice à excitation en dérivation, et à environ 10 % seulement pour une génératrice à excitation indépendante.

Ce pourcentage correspond à une baisse de tension entre les caractéristiques à vide et les caractéristiques de pleine charge des génératrices.

Dans une génératrice à excitation en série, l'enroulement inducteur (ou d'excitation) est en série avec l'enroulement de l'induit ; avec l'identification des bornes de l'inducteur série par D1 et D2. Les deux circuits sont parcourus par le même courant (I), celui débité par la génératrice.

La figure suivante vous montre le schéma d'une génératrice à excitation en série.

Schéma d'une génératrice à excitation en série :

Caractéristique externe :

La courbe de la caractéristique externe donnant la tension (U) aux bornes de la génératrice en fonction du courant (I) débité est représentée à la figure suivante.

Caractéristique externe d'une génératrice à excitation en série :

Notez que, puisque la tension (U) d'une génératrice à excitation en série varie considérablement avec la charge, les génératrices de ce type ne sont plus utilisées.

Les génératrices à excitation composée ou compound sont des machines ayant une combinaison d'inducteurs shunt et série.

Lorsque l'inducteur shunt n'est raccordé en parallèle qu'avec l'induit (partie A de la figure suivante), la connexion est dite composée en courte dérivation.

Schéma d'une génératrice à excitation composée :

Par ailleurs, la connexion est dite composée en longue dérivation lorsque l'inducteur shunt est raccordé en parallèle avec l'induit et l'inducteur série (partie B de la figure 1.21).

Pratiquement, il n'y a pas de différence entre les deux configurations, car la résistance de l'enroulement série et la chute de tension à ses bornes sont minimes. Le flux de la machine est aussi une combinaison du flux produit par l'enroulement shunt et de celui produit par l'enroulement série.

Si ces enroulements sont branchés de façon que leurs flux s'ajoutent, on parle de flux additif. Dans le cas où les flux s'opposent, il est question de flux soustractif.

Flux additif :

Lorsqu'on branche une charge aux bornes de la génératrice, la tension de cette dernière tend à baisser.

Cependant, le flux développé par l'enroulement série croît avec le courant de charge et s'ajoute au flux de l'enroulement shunt. Cette augmentation du flux produit une tension qui compensera la chute de tension causée par la résistance de l'induit et par la réaction de l'induit.

Cela donne une tension presque constante aux bornes de la génératrice.

La partie A de la figure suivante représente la courbe de la caractéristique externe d'une génératrice à excitation composée à flux additif. Cette hausse de tension provoquée par le comportement en pleine charge peut atteindre jusqu'à 10 % de plus que la tension à vide.

Caractéristiques externes d'une génératrice à excitation composée :

On emploie ce genre d'excitation lorsqu'on doit éviter les fluctuations de la tension fournie par la génératrice. C'est le cas, par exemple, d'un réseau de distribution d'un bateau qui alimente à la fois des moteurs à courant continu, des lampes et d'autres récepteurs.

Le courant débité par la génératrice est sujet à de grandes fluctuations dues au démarrage de ces divers appareils.

Flux soustractif :

Dans le cas où le flux produit par l'enroulement série s'oppose au flux produit par l'enroulement shunt, la tension diminue considérablement lorsque la charge augmente (partie B de la figure 1.22). Dans certains cas, on note une diminution de tension de plus de 30 % par rapport à la tension à vide.

Caractéristiques externes d'une génératrice à excitation composée :

Ce type d'excitation est peu utilisé. Il sert surtout à l'alimentation de certaines soudeuses à l'arc électrique.

A la suite de cette étude, vous devriez retenir plus particulièrement les points suivants :

- Dans une génératrice à excitation indépendante (excitation séparée), le courant d'excitation est fourni par une source indépendante.

- La chute de tension en charge d'une génératrice à excitation indépendante est due à la résistance de l'induit et à la réaction de l'induit.

- Dans une génératrice à excitation en dérivation (excitation shunt), la chute de tension est plus grande et elle est due au circuit d'excitation.

- Dans une génératrice à excitation composée à flux additif en charge, la tension est presque constante.

- Dans une génératrice à excitation composée à flux soustractif, la diminution de tension est accentuée avec le courant de charge.