COMMUTATRICE

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 :
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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 :
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 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
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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
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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 ».
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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 EI 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 EI
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.
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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.
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