Chap. IV: Machines à Courant Continue

Chap. IV: Machines à Courant Continue
1. Principes physiques mis en jeu
La machine à courant continu (MCC) est une machine réversible. C’est à dire
qu’elle peut :
- fonctionner en moteur et donc recevoir de l’énergie électrique pour la
transformer en énergie mécanique,
- fonctionner en génératrice et donc recevoir de l’énergie mécanique
pour la transformer en énergie électrique.
a- Fonctionnement moteur
cette machine tourne par action d’un champ magnétique constant d’induction
radiale B sur un courant continu Im passant dans des brins de conducteurs
orthogonaux à la direction de l’induction (loi de Laplace).
b. Fonctionnement en génératrice
En fonctionnement génératrice cette machine entraînée en rotation par la partie
mécanique voit apparaître une force électromotrice induite aux extrémités de
chaque brin de conducteur qui coupe le flux créé par le champ magnétique
constant d’induction radiale B (loi de Lenz).
2. Constitution de la Machine
La machine à courant continue comporte deux parties :

- Une partie fixe, appelé Stator, c’est un électroaimant qui joue le rôle de
l'inducteur.
- Une autre partie mobile, appelée Rotor, qui est solidaire de l'arbre moteur : elle
joue le rôle d'induit. (Cf. Figure IV-1).
Figure IV-1 : Coupes transversale et longitudinale d’une MCC
a. Le Stator
Le stator est appelé aussi ‘inducteur’ ou ‘champ’. Que la machine fonctionne en
moteur ou en génératrice, le principe est de créer un champ magnétique constant
d’induction. Deux moyens peuvent être utilisés : des aimants ou une bobine
électrique. Pour canaliser les lignes de champ, un circuit ferromagnétique sera
utilisé. Le champ magnétique sera créé dans la partie fixe de la machine appelé
Stator (Cf. Figure IV-2).
Figure IV-2 : Stator de la MCC
Dans le cas de la MCC à aimant permanent il est impossible d’inverser le sens
du champ magnétique. Au contraire, dans le cas d’une machine à inducteur
bobiné on peut inverser le sens du champ magnétique en inversant le sens du
courant dans la bobine inductrice.

b. Le Rotor
Appelé aussi ‘induit’, il est composé d’un ensemble de bobines identiques
réparties uniformément autour d’un noyau cylindrique et montées sur un arbre
qui tourne entre les pôles de l’inducteur (Cf. Figure IV-3.a). L’induit constitue
donc un ensemble de conducteurs qui coupent le flux magnétique. Les bobines
sont disposées de telle façon que leurs deux côtés coupent respectivement le flux
provenant d’un pole nord et d’un pole sud de l’inducteur.
Figure IV-3.a : Rotor de la MCC
c. Collecteur/Balaies
Le collecteur est un ensemble de lames de cuivre où sont reliées les extrémités
du bobinage de l’induit. Les balaies (ou charbons) sont situées au stator et
frottent sur le collecteur en rotation. Deux balaies fixes et diamétralement
opposés appuient sur le collecteur. Ainsi, ils assurent le contact électrique entre
l’induit et le circuit extérieur (CF. Figure IV-3.b).
Le dispositif collecteur/balaies permet de faire circuler un courant dans l’induit.
Les bobines et l’induit peuvent être reliés entre elles et au collecteur de plusieurs
manières, une des plus employé est l’enroulement imbriqué.
Figure IV-3.b : Collecteur et Balaie de la MCC

d. Enroulement imbriqué
L’induit de la figure IV-4 possède 8 bobines identiques distribuées
uniformément autour de l’induit, à 45° les unes des autres. Elles sont identifiées
par les chiffres 1 à 8, et logées dans 8 encoches numérotées. En faisant tourner
les 8 bobines à la même vitesse, chaque bobine génère une tension et une
polarité correspondant à sa position. Notons que les bobines (1) et (5) sont
logées dans les mêmes encoches ; par conséquent leurs tensions ont
instantanément la même valeur, mais de polarités contraires. Il en est de même
pour les bobines (2) et (6) ; (3) et (7) ; (4) et (8).
Si l’on considère l’instant particulier où la bobine (1) est à 0°, la tension dans
cette bobine est nulle, et les tensions dans les autres bobines sont celles que
présente la figure IV-5. En relions les bobines entre elles (CF. Figure IV-6), on
crée un circuit fermé ; la tension résultante est égale à la somme des tensions des
8 bobines qui est nulle algébriquement. Donc, aucun courant ne circule dans la
boucle, et les tensions de la figures IV-5 demeurent les mêmes
En connectant les bobines à un collecteur à 8 lames, une tension induite apparait
entre deux lames consécutives. Si on place les balaies x, y à l’endroit indiqué sur
la figure IV-7, la tension Exy recueillie est égale à la somme des tensions entre
les lames soit Exy=+7+10+7=+24.
- Cas de la génératrice Multipolaire
La figure IV-8 montre le diagramme schématique d’une telle machine
possédant 72 encoches sur l’induit, 72 lames sur le collecteur et 72 bobines.
L’enroulement est imbriqué, les bobines A et C traversent momentanément la
zone neutre, tandis que la bobine B coupe le flux au centre des pôles.
3. Fonctionnement en génératrice
a. Tension induite
La valeur de la tension induite aux bornes d’une génératrice est données par:
Z = nombre total de conducteur
n = vitesse de rotation en trs/mn
Φ = flux par pôle en Wb
b. Génératrice à excitation séparée
La génératrice est à excitation séparée si le courant d’excitation est fournit par
une source indépendante (Cf. Figure IV-9).
60
0
Zn
E

Figure IV-9 : Génératrice à excitation séparée
La source de courant d’excitation est raccordée aux bornes a et b. Lorsque les
deux pôles sont excités et que l’induit est entrainé au moyen d’une turbine ou
d’un moteur quelconque, une tension E0 apparait aux bornes x et y reliées aux
balais (Cf. Figure IV-10)
En fonctionnement à vide, la variation du courant d’excitation ou de la vitesse
de rotation entraîne une variation correspondante de la tension induite. A la
saturation du fer de l’inducteur et de l’induit, le flux reste constant  machine
saturée (Cf. Figure IV-11).
c. Génératrice à excitation shunt
Lorsque les bobines excitatrices sont reliés directement aux bornes du
générateur, de façon que le courant d’excitation soit fourni par l’induit, la
génératrice est dite à excitation shunt (Cf. Figure IV-12).
Figure IV-12 : Génératrice à excitation shunt
Le grand avantage de cette connexion réside dans le fait qu’elle n’exige aucune
source extérieure pour le fonctionnement de la machine.
Dans un générateur shunt on peut régler la tension induite en faisant varier
l’intensité du courant d’excitation au moyen d’une résistance variable intercalée
en série avec les bobines excitatrices qui portent le nom de rhéostat d’excitation
(CF. Figure IV-13).