Support de cours Commutatrice/Convertisseur tournant

1
Ir. Djolinha Kinamvuidi Kibefu
Electricien [phone]
CHAPITRE 7. COMMUTATRICE
1. Définition :
La commutatrice est un convertisseur mobile qui a un induit tournant, à collecteur et à bagues,
destinées à transformer des C.A simple ou polyphasés en courant continu ou inversement sans
qu'il y ait séparation entre les circuits à C.C et C.A. Les bagues sont reliées à certains points
pris d'une façon convenable dans l'enroulement. Autrement dit c'est une machine réversible.
N.B. : La commutatrice est une machine polymorphique.
2. Constitution
Il est constitué :
a. D'un induit portant un enroulement du type d'une machine à courant continu, son
bobinage est relié d'un côté aux bagues et de l'autre côté à un collecteur.
b. D'un inducteur dont l'enroulement du type shunt monté en parallèle du côté balais
collecteur.
3. Principe du Fonctionnement
3.1.Comportements
La commutatrice à trois comportements dans son fonctionnement :
a. Lorsqu'on entraine la commutatrice par un moteur :
 Elle produit du courant alternatif du côté bagues balais
 Elle produit du courant continu du côté balais collecteur.
b. Lorsqu'on l'alimente par du courant continu du côté balais :
Ir. Djolinha KINAMVUIDI KIBEFU
BRANCHE : MACHINES ELECTRIQUES
Sujet : CONVERTISSEUR TOURNANT /COMMUTATRICE
Référence : - A. Fouillé, Electrotechnique A l’usage des ingénieurs, tome 3, Ed. Dunod, Pg.184-192
- A. TROUILLET, cours théorique et pratique d'électricité II, Pg.398-402
Classe : 4ème H. ELECTRICITE
N°FICHE :
ECOLE : …………………………………………
LEPHONE : 0815863904

2
Ir. Djolinha Kinamvuidi Kibefu
Electricien [phone]
Elle tourne comme moteur shunt à courant continu et produit du courant alternatif du
côté bagues balais.
c. Lorsqu'on l'alimente par du courant alternatif du côté bagues :
Elle tourne comme un moteur synchrone et produit du courant du côté collecteur.
3.2.Généralisation
a. Le nombre q de prises dépend du nombre de phases du réseau polyphasé
auquel la commutatrice est destinée à être raccordée.
Avec :
- q=2, on a une commutatrice monophasé ;
- q=3, on a une commutatrice triphasé ;
- q=4, on a une commutatrice diphasée (tétraphasée) ;
- q=6, on a une commutatrice hexaphasé.
b. Les tranches de l’induit d’une commutatrice sont toujours montées en
polygone ; principe des dynamos à courant continue doit être fermé sur lui-
même.
c. Si la machine est multipolaire et si son enroulement d’induit est imbriqué,
il y aura autant de fois q prise de paires de pôles (mais seulement q bagues).
Les prises étant décalées entre elles de l’angle électriques
q 2
, plusieurs
prises a aboutiront donc à la même bague. La machine multipolaire ne
différant nullement du point de vue principe de la commutatrice bipolaire,
nous raisonnerons le plus souvent sur celle-ci, pour la clarté de notre
exposé.
3.3.Propriétés de la commutatrice
La commutatrice est à la fois moteur synchrone et dynamo. Elle possède
donc des propriétés d’un groupe convertisseur qui serait constitué par ces
deux machines, à savoir :
1. Stabilité d’autant meilleure que l’excitation est plus grande ;
2. Puissance alternative absorbée croissant avec la charge du côté
continu ;
3. A puissance constante, courant absorbe variant, en fonction de
l’excitation suivant une courbe de Mordey et possibilité par
surexcitation de fournir de l’énergie réactive ;
4. Risques de pompage, particulièrement en sous-excitation. Mais le
fait que les f.é.m. continu et alternative sont engendrés par le même
enroulement et que, d’autre part, celui-ci est parcouru simultanément
par des courant continu et alternatif confère à la commutatrice des
propriétés tout à fait caractéristiques :
a. Rapport constant entre les tensions alternatives et continue ;
b. Perte-joule dans l’induit plus faible que dans une dynamo et
comme conséquence :
 Rendement supérieur à celui de la dynamo et d’autant
meilleur que la machine a plus de bagues ;
 Puissance par kg supérieur à celle de la dynamo et
d’autant plus grande que la machine a plus de bagues ;
c. Réaction transversale d’induit nulle, et dès lors :

3
Ir. Djolinha Kinamvuidi Kibefu
Electricien [phone]
 Commutation, en marche normale, meilleure que dans la
dynamo ;
 Court-circuit particulièrement dangereux
N.B. : La commutatrice diffère du moteur synchrone par le fait qu’elle est très généralement
autoexcitatrice. Il en résulte quel que particularités dans son démarrage.
4. Rapport constant des tensions
Le fait que la transformation du courant alternatif en courant continu à lieu dans un induit
unique, a évidemment pour conséquence que la tension continue produite est étroitement liée à
la tension alternative reçue. Les deux tensions sont entre elles, abstraction faite de la chute
d'intérieure de tension et de dispersion magnétique, dans un rapport déterminé dépendant
uniquement du nombre de phases.
Preuve.
Les balais d'une dynamo sont calés dans les lignes neutres afin de recueillir le maximum de la
f.é.m. engendrée. La tension continu est donc égale à l'amplitude de la f.é.m. alternative prenant
naissance dans l'induit soit AB (fig 1) représentant la tension continu Ec, on a AB=Ec=Ea max
q
Sin
EE
c
a
2
ou
q
Sin
E
E
c
a
2
1
1. En monophasé : 2 prises à 180°, 2 bagues
q=2 π=180°
ca
c
a
c
a
c
a
EE
E
E
E
E
Sin
E
E
707,0707,0
1
2
1
2
180
2
1
2. En biphasé : 4 prises à 90°, 4 bagues. La tension maximum
alternative représentée par AD. On a AB sin45°
ca
c
a
c
a
c
a
EE
E
E
E
E
Sin
E
E
5,05,0
2
2
2
1
45
2
1
Ou :
22
45sin Ec ABAD 
Avec
,2max EaEAD 
on a :
22
2Ec Ea 
ou
EcEa 5,0

4
Ir. Djolinha Kinamvuidi Kibefu
Electricien [phone]
3. En triphasé : 3 prises à 120°, 3 bagues. La tension maximum
alternative est représentée par AC
ca
c
a
c
a
c
a
c
a
c
a
EE
E
E
E
E
E
E
E
E
Sin
E
E
612,0612,0
4
6
222
23
22
3
2
3
2
1
2
3
2
1
3
120
2
1
Ou
2
3
60sin EcABAC 
avec
2max EaEAC 
ou
EcEaEcEa 612,0
22
3
4. En hexaphasé : 6 prises à 60°, 6 bagues. La tension maximum
alternative est ici AE ;
 30sinABAE
ou
2
1
AB
d'où
2
1
,2 EcEa 
EcEa
E
Ea 353,0
22 
Avec : - Ea : force électromotrice alternatif en V
- Ec : force électromotrice continue en V
- Ua=Ea
- Uc=Ec
N.B :
 Si la tension alternative calculée ne correspond pas aux tensions de réseau, on se
trouvera forcé de transformer, au préalable, la tension alternative par un transformateur
statique enfin de réguler la tension.
 Les avantages du régulateur d'induction dans une commutatrice sont :
- Pas de trouble de la commutation de la commutatrice même dans le cas d'une
grande variation de tensions,
- Maintien le facteur de puissance aux bagues à l'unité
- Moindre échauffement et meilleur rendement de la machine.
5. Rapport des courants
Désignons par le rendement de la commutatrice, c’est-à-dire rapport de la puissance continue
fournie à la puissance alternative absorbée et supposons le champ sinusoïdal. Nous avons :
CosIUqIU aaCC ..

5
Ir. Djolinha Kinamvuidi Kibefu
Electricien [phone]
CosIaUaqIcUc Pm
Pu
a
c... .
Ua’ désignant la tension simple ou étoile et le déphasage entre Ua et Ia or la figure 5 met en
évidence la relation :
Cmonoa UUU 2
1
2
1
2maximale étoileTension max  
D’où :
22 C
aU
U
Nombre de bagues
Valeur théoriques
Flux sinusoïdal
=1, Cos
=1
Valeur pratique
1;
3
2
.
.
Cos
polairepas polairearc
A pleine charge
q=2….monophasé
1,41
1,5
q=3….triphasé
0,94
1,00
q=4….diphasé
0,707
0,75
q=6….hexaphasé
0,47
0,5
Dès lors, en remplaçant Ua’ par cette expression, on à :
CosqI
I
CosI
U
qIU
c
a
a
c
cc
.. 22
22
..
Donc en fin :
Le tableau ci-dessus donne les valeurs théorique et pratique du rapport
c
a
I
I
6. Propriétés générales de la commutatrice
On montre que :
a. Ses pertes-joules sont plus faibles que dans une génératrice à courant continu. Cela
tient au fait que le courant continu et courant alternatif se mélangent pendant une
fraction plus ou moins grande de la période. Dès lors la puissance massique et le
rendement sont supérieurs à ceux de la machine à courant continu ;
b. Sa commutation est meilleure que dans la machine à courant continu ;
c. Ses court-circuit sont particulièrement dangereux (risques de coup de feu au
collecteur) sur tout quand la tension à la fréquence sont élevées. Dans sa marche
normale elle transforme le C.A en C.C. quand on s’en sert pour la conversion
inverse, on dit qu’elle marche en « commutatrice inversée ».