1 Classe : 4ème H. ELECTRICITE N°FICHE : ECOLE : ………………………………………… Ir. Djolinha KINAMVUIDI KIBEFU BRANCHE : MACHINES ELECTRIQUES Sujet : CONVERTISSEUR TOURNANT /COMMUTATRICE LEPHONE : 0815863904 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 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 Electricien +243815863904 2 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 luimême. 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 2 q , 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 : Ir. Djolinha Kinamvuidi Kibefu Electricien +243815863904 3 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 2 Ea E 1 Sin ou a Sin Ec q Ec q 2 1. En monophasé : 2 prises à 180°, 2 bagues q=2 π=180° Ea E 1 180 1 Sin a 1 Ec 2 Ec 2 2 Ea 0,707 Ea 0,707 Ec Ec 2. En biphasé : 4 prises à 90°, 4 bagues. La tension maximum alternative représentée par AD. On a AB sin45° Ea E 1 1 2 Sin 45 a Ec Ec 2 2 2 Ea 0,5 Ea 0,5Ec Ec Ou : AD AB sin 45 Ec 2 2 Ec 2 Avec AD E max Ea 2 , on a : Ea 2 ou Ea 0,5Ec 2 Ir. Djolinha Kinamvuidi Kibefu Electricien +243815863904 4 3. En triphasé : 3 prises à 120°, 3 bagues. La tension maximum alternative est représentée par AC Ea E 1 120 1 3 Sin a Ec 3 Ec 2 2 2 Ea 1 3 Ec 2 2 Ea 3 3 2 6 Ec 4 2 2 2 2 2 Ea 0,612 Ea 0,612 Ec Ec Ou AC AB sin 60 Ec Ea Ec 3 avec AC E max Ea 2 ou 2 3 Ea 0,612 Ec 2 2 4. En hexaphasé : 6 prises à 60°, 6 bagues. La tension maximum alternative est ici AE ; AE AB sin 30 ou AB Ea E 2 2 1 d'où Ea 2 , Ec 1 2 2 Ea 0,353Ec 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 : U C I C .q.U a I aCos Ir. Djolinha Kinamvuidi Kibefu Electricien +243815863904 5 Puc Uc.Ic Pma q.Ua.Ia.Cos Ua’ désignant la tension simple ou étoile et le déphasage entre Ua et Ia or la figure 5 met en évidence la relation : 1 1 Tension étoile maximale 2U a U max mono U C 2 2 D’où : U a UC 2 2 Nombre de bagues Valeur théoriques Flux sinusoïdal =1, Cos =1 q=2….monophasé q=3….triphasé q=4….diphasé q=6….hexaphasé 1,41 0,94 0,707 0,47 Valeur pratique arc. polaire 2 ; Cos 1 pas. polaire 3 A pleine charge 1,5 1,00 0,75 0,5 Dès lors, en remplaçant Ua’ par cette expression, on à : U c I c .q. Uc I a Cos 2 2 Ia 2 2 I c .q.Cos Donc en fin : Le tableau ci-dessus donne les valeurs théorique et pratique du rapport Ia Ic 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 ». Ir. Djolinha Kinamvuidi Kibefu Electricien +243815863904 6 d. Le réglage de la tension continu s’effectue en agissant sur la tension alternative d’alimentation (survolteur-dévolteur transformateur à prises, régulateur d’induction). e. Son démarrage est délicat. On peut l’accrocher sur un réseau triphasé comme un moteur synchrone en l’entrainant au moyen d’un moteur asynchrone auxiliaire, on peut aussi la faire démarrer comme un moteur, à courant continu (quand on dispose d’une source convenable, on peut enfin la faire démarrer en asynchrone puis l’exciter à l’instant convenable. 7. Réglage de la tension On ne peut pas régler la tension continue existant aux balais, en agissant simplement sur son excitation, car cette manœuvre ne modifie nullement la f.é.m. de la machine, mais simplement le déphasage du courant absorbé par rapport à la différence de potentiel appliquée. D’un autre côté, si l’on maintient constante la tension alternative, il est pourtant nécessaire, à cause de la chute ohmique de tension dans les enroulements et les conducteurs de distribution, de pouvoir disposer à son gré, de la tension continue. On y arrive par plusieurs procèdes : a. Méthode par compoundage. Le principe de cette méthode est simple on intercale entre le réseau alternatif et la commutatrice une bobine de self-induction (figue 3). cette bobine très peu résistance, parcourue par un courant I, engendre une force électromotrice EI décale en arrière de 90° en arrière sur le courant qui lui donne naissance. Si le courant I est décalé en arrière de la tension (cas général) (figure 4), le résultat sera un abaissement de la tension alternative appliqué aux bagues d’où un abaissement de la tension continuel. Mais, si en surexcitant la commutatrice, on provoque une avance du courant sur la tension aux bornes (figure 5), on voie que la force électromotrice EI produira un renforcement de la tension et cela d’autant plus que l’avance du courant est plus forte. Dans tous les cas, il faut en même temps augmenter l’excitation proportionnément au courant débité. La manière usuelle d’obtenir ce résultat est de manœuvre à la main le rhéostat d’excitation. La manière la plus simple et automatique est d’employer comme dans les dynamos compound, un enroulement série supplémentaire parcouru par le courant continu que débite la commutatrice ; il suffit alors de régler l’excitation primitive de manière à obtenir à vide la tension désirée et un facteur de puissance égal à 1 ; la tension restera alors constante, quel que soit le débit, si l’enroulement supplémentaire a été convenablement calculé. N.B. un réglage étendu par une bobine de self conduit à une mauvaise utilisation de la commutatrice, car il est alors nécessaire de fonctionner avec un déphasage important ce qui surcharge la machine. Ir. Djolinha Kinamvuidi Kibefu Electricien +243815863904 7 Figure 3. b. On peut aussi faire usage d’un transformateur à rapport de transformation variable, pourvu d’un commutateur à prises multiples, susceptible d’être manœuvré en charge automatiquement. L’inconvénient de ce système est que la variation de tension se fait par à-coups et lorsqu’il s’agit de courants intenses, l’appareil est coûteux, encombrant et les contacts vite détériorés. c. On peut encore utiliser à cet effet, surtout s’il s’agit de courant triphasés un appareil vu dans le transformateurs et appelé régulateur d’induction. Ce dernier a l’avantage de ne pas troubler la commutation de la commutatrice, même dans le cas d’une grande variation de tension. Avec le régulateur d’induction, on peut maintenir le Cos aux bagues à l’unité, tandis qu’on a vu qu’avec le système de variation de tension par le champ, le Cos de la commutatrice est variable. Il en résulte que, dans le cas du réglage par régulateur d’induction, on bénéficie de l’avantage de moindre échauffement et du meilleur rendement de la machine. En dehors de cette application, cet appareil peut s’employer comme démarreur. Si e est sensiblement égal à E, on peut appliquer au récepteur une différence de potentiel croissant graduellement depuis E-e qui sera presque nulle, jusqu’à E+e. Ir. Djolinha Kinamvuidi Kibefu Electricien +243815863904