Etude des systèmes techniques Génératrice à courant continu

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Génératrice à courant continu
1. Généralité
En électrotechnique, les machines tournantes peuvent être des générateurs dont le rôle est de transfor-
mer de l’énergie mécanique en énergie électrique, ou des moteurs qui transforment de l’énergie électrique
en énergie mécanique, soit en courant continu soit en courant alternatif.
Les machines tournantes peuvent être classées en fonction :
- De leur degré de protection ( IP ...)
- De leur puissance.
Machines fractionnaires P < 1 KW
Machines de petites puissances 1 KW < P < 15 KW
Machines de moyennes puissances 15 KW < P < 600 KW
Machines de fortes puissances P> 600 KW
Dans tous les cas on rencontre
a) Une partie magnétique
b) Une partie électrique
c) Une partie mécanique
2. Les machines tournantes à courant continu
A l’heure actuelle les génératrices à courant con-
tinu sont peu utilisées, par contre, les moteurs sont
très employés dans les domaines de la traction
électrique, du levage, de la sidérurgie et souvent
quand on a besoin de variation de vitesse.
Exemple:
Pour le TGV, chaque rame comporte 12 moteurs
CC de 525 KW, la tension maxi de chaque moteur
et de 1070 V et le courant maxi est de 1000 A.

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2.1 Principe
a) Création d’une force électromotrice
- Si on considère le conducteur 1, placé sur l’induit qui tourne ( Rotor ), ce conducteur coupe les
lignes de champ, il est alors le siège d’une FEM, dont le sens est donné par la règle des trois doigts
de la main gauche.
- Si on réalise une spire, les conducteurs 1 et 2 étant diamétralement opposés, les deux forces
électromotrices sont de même sens et s’ajoutent, ci on ferme le circuit on réalise un générateur.
Valeur de la FEM
p : Nombre de paires de pôles
a : Nombre de paires de voies d'enroulement
N : Nombre de conducteurs d'induit
F : Flux sous un pôle
2.2 Réversibilité
Si un courant passe dans les conducteurs de l’induit ( rotor ), ils se trouvent soumis à une force
(règle des trois doigts de la main droite), qui l’entraîne en rotation.
Les machines à courant continu fonctionnent aussi bien en moteur qu’en générateur, elles sont
réversibles.
2.3 Constitution générale
On distingue dans une machine à courant continu:
E= p
a
N n
Φ

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- Les organes magnétiques.
Ils produisent et canalisent le flux magnéti-
que.
* Pôles inducteurs
* Induit ( rotor )
* Culasse ( stator)
- Les organes électriques.
Ils sont le siège des fem et assurent les liaisons
avec le circuit extérieur.
* Conducteurs ou faisceau logés dans
les encoches.
* Collecteur à lames.
* Balais et porte-balais.
* Plaque à bornes
- Les organes mécaniques.
Pour assurer la fixation des organes magnétiques et électriques, et réaliser le guidage en rotation
des parties mécaniques.
* Stator
* Arbre avec les roulements
* Turbine de ventilation
* Flasque avec les paliers

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2.4 Le circuit magnétique fixe
Il canalise le champ magnétique produit par les pôles inducteurs
a) Les pôles inducteurs
Le noyau, il est traversé par un champ magnétique fixe, il peut donc être massif. Pour permettre
d’avoir plus de conducteur du rotor soumis au champ magnétique on réalise un épanouissement sous
les pôles principaux, ce sont les cornes polaires.
Lors du défilé alterné des dents et des encoches, les
lignes de champ, qui ont tendance à ce concentrer dans
les dents, se déplacent autour d’une ligne moyenne, c’est
le papillotement des lignes de champs. L’épanouissement
polaire est soumis à un champ variable, donc il est le
siège de courant de Foucault. C’est la raison pour la-
quelle il est feuilleté ( tôles magnétiques en acier à 3.5 %
de silicium).
On constate la présence d’encoches destinées destinée à rece-
voir les enroulements de compensation. Ils sont là pour réduire la
réaction magnétique d’induit.
Lors du passage du courant dans les conducteurs du rotor, ceux
si créent un champ magnétique qui déforme le champ magnéti-
que des pôles principaux ce qui déplace la ligne neutre, donc
diminue la tension au collecteur (cf. cours de physique). Pour

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annuler cet effet perturbateur on place des bobines dans les
encoches des épanouissements polaires, traverser par le
courant d’induit (rotor) débité par la machine, qui compense
cet effet.
Ce sont les enroulements de compensation.
b) Les pôles auxiliaires d’aide à la commutation
Placé entre les pôles principaux ils produisent un flux qui
supprime les étincelles aux balais, ces étincelles étant produi-
tes par le renversement du sens du courant dans les sections
court-circuitées par les balais. Placé sur la ligne neutre, ils
sont en série avec l’induit.
2.5 Le circuit magnétique tournant
Le rotor voit un champ magnétique tournant, il est donc
nécessaire d’utiliser un circuit magnétique feuilleté pour dimi-
nuer les pertes par courant de Foucault. Pour réduire les pertes
par hystérésis on utilise des tôles en acier au silicium(3% sili-
cium, de 0.35 mm d’épaisseur), l’ensemble des pertes et de
l’ordre de 2.5 W/ kg pour une induction de 1.4 T à une fré-
quence de 50 Hz.
2.7 La carcasse ou culasse
Elle assure deux fonctions.
* Magnétique, elle permet au champ magnétique de se refermer, elle doit donc être en
acier ou en fonte, et avoir une section minimale.
* Mécanique, C’est sur ce bâti que viennent se fixer les différents organes magnétique et
électrique.
2.8 Le circuit électrique
a) Les bobines inductrices
Elles sont destinées à produire le flux inducteur. La puissance d’excitation est d’environ 2 à 3%
de la puissance totale.
On distingue deux types d’enroulement:
Les enroulements d’excitation série qui sont destiné à être placé en série avec l’induit,
grosses sections et petit nombre de spires (excitation série).
Les enroulements d’excitation en dérivation, ils comportent beaucoup de spires de faibles
sections ( excitation en dérivation ).
Les bobines des pôles auxiliaires et de commutation sont toujours montées en série avec