Etude des systèmes techniques Génératrice à courant continu

Etude des systèmes techniques
Génératrice à courant continu
1. Généralité
En électrotechnique, les machines tournantes peuvent être des générateurs dont le rôle est de transformer 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 continu 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
E=
p
Nn Φ
a
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:
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- Les organes magnétiques.
Ils produisent et canalisent le flux magnétique.
* 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 laquelle il est feuilleté ( tôles magnétiques en acier à 3.5 %
de silicium).
On constate la présence d’encoches destinées destinée à recevoir 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 magnétique 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 produites 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 diminuer les pertes par courant de Foucault. Pour réduire les pertes
par hystérésis on utilise des tôles en acier au silicium(3% silicium, 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 fréquence 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
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l’induit et comportent quelques spires seulement.
b) L’enroulement d’induit
Chaque fils, pris isolément s’appelle un conducteur, deux conducteurs forme une spire, les spires
sont regroupées en section et les sections en bobines.
Les bobines sont réalisées à l’extérieur avant d’être placées dans les encoches. Chaque fils est
isolé par un ruban imprégné de vernis. Les extrémités d’une section vont à deux lames de collecteur voisines. Chaque demie section (Faisceau) se trouvent dans des encoches presque
diamétralement opposées. Lors de la rotation les conducteurs ont tendance à sortir des encoches,
on réalise donc des cales trapézoïdales qui les empêche de sortir. Pour les têtes de bobine (conducteur de retour) on réalise un frettage qui les maintiens solidaires du rotor.
L’enroulement d’une machine est complexe, on abordera ici un exemple simplifié d’une réalisation.
* Cas d’une seule spire
Lorsque le conducteur traverse la ligne neutre le courant s’inverse mais comme il a changé de
balais la polarité de celui ci reste identique. Le courant produit a la même allure que le flux.
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* Cas d’une machine bipolaire avec 4 encoches et 8 conducteurs
- Pour obtenir une FEM importante on va relier un
certain nombre de conducteur en série.
- Pour pouvoir obtenir un courant important on va
relier en parallèle un certain nombre de conducteur.
Pour que les FEM s’ajoutent quelque soit la position du
rotor il faut relier les conducteurs diamétralement opposés, pour compenser les écarts entre les tensions on va
alterner les conducteurs en fond d’encoche, avec les
conducteurs en haut d’encoche.
1
4
2
3
1
2
3 4
N
1
2
3
○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
Ce qui nous conduit à la représentation suivante, cette représentation est un développement
panoramique pour ne pas surcharger la figure.
Ligne neutre
5
6
7 8
S
4
-
+
On constate que deux lames de collecteur sont particulière ( 2 et 4 ), elles sont les seules à être
reliées à des conducteurs dont les FEM sont de même sens. On place donc le balai + sur la lame 2
et le balai moins sur la lame 4.
Pour aller d’un balais a un autre il y à deux chemins possibles donc deux voies d’enroulement.
Ce qui nous donne le schéma électrique suivant
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+
-
La FEM de chaque conducteur est différente mais leur somme ne s’annule pas comme pour
l’exemple avec un seul conducteur. L’amplitude de l’ondulation diminue avec le nombre de lames
aux collecteur, pour 50 lames (ce qui est peut) on obtient une ondulation de 0.4 %, ce qui est
négligeable. On peut donc admettre que le courant est continu.
Il existe deux types d’enroulements, les enroulements imbriqués ( cf. exemple) et les
enroulements ondulés
c) Le collecteur
Il assure la liaison entre les conducteurs tournant et le circuit extérieur, et il transforme le courant alternatif induit dans les bobinages en courant continu. Placé à l’extrémité de l’induit et calé
sur le même arbre, il est formé de lames de cuivre, isolées entre elles par du mica. A l’arrière de la
lame se trouve une ailette, usinée ou rapportée, dans laquelle sont soudées l’entrée d’une section
et la sortie d’une autre. Il y a autant de sections que de lames au collecteur.
d) Balais et porte-balais
Ils assurent un contact glissant entre le collecteur et les
conducteurs. Ils doivent :
- Assurer une bonne commutation, sans étincelles aux balais
- Ne pas détériorer le collecteur, ce sont les
balais qui constituent les pièces d’usure
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- Eviter les pertes ( chute de tension minimale )
* Porte-balais
Il assure une pression contante de contact
* Balais
Il réalise le contact glissant, ils sont à base de graphite avec
éventuellement du cuivre.
Trop durs ils provoquent l’usure du collecteur.
Trop tendre ils encrassent le collecteur.
La densité de courant autorisé est relativement faible : 10A/
cm², bien souvent il n’y a pas un mais, une ligne de balais, ils
provoquent une chute de tension ( 0.7 V par balais environ).
Ils sont placés sur l’axe des pôles mais les conducteurs qui
aboutissent aux lames en contact avec les balais se trouvent
pratiquement sur la ligne neutre. C’est pourquoi on dit que les
balais doivent être calés sur la ligne neutre.
Commutation des conducteurs dans l’induit
Lorsqu’une lame de collecteur quitte un balais, la section suivante doit varier de -I/2 à +I/2 en un
temps très court. Le circuit étant inductif, une force électromotrice auto-induite prend naissance
dans la section court-circuitée par le balais qui tend à maintenir l’ancien courant. La séparation de
la lame en court circuit et du balai est équivalante à l’ouverture d’un circuit inductif, d’où l’apparition d’un arc électrique. Si au moment ou le balai quitte la lame suivante cet arc n’est pas éteint,
l’arc se propage de lames en lames court-circuitant l’ensemble du collecteur. C’est ce que l’on
appelle flash au collecteur. Pour remédier à ce problème on utilise des enroulements d’aide à la
commutation placé sur la ligne neutre qui créent une FEM favorisant la commutation.
2.9 Ventilation
On distingue deux types de ventilation.
Les machines auto ventilées. Un ventilateur est calé sur l’arbre du moteur coté opposé au collecteur.
Les machines à ventilation force. Un groupe indépendant assure la ventilation du moteur.
2.8 Entretien des machines à courant continu
Le collecteur et les balais de ces machines doivent faire partie d’une attention particulière pour
assurer une bonne commutation.
* Calage des balais
On utilise, pour caler les balais sur la ligne neutre un générateur de créneaux monté en série avec
l’induit, les bobines inductrices sont monté en série avec un voltmètre. Lorsque la déviation du voltmètre est minimum les balais sont correctement calés.
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* Entretien du collecteur et des balais.
- Vérification périodique du collecteur, ne jamais le frotter avec de la toile d’émeri.
- Changer les balais usagés.
- Vérifier la pression de contact des balais 1.5 à 2 N/cm².
- Vérifier la densité de courant de 6 à 12 A/cm².
Exemple de défauts pouvant survenir.
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