Commande électrique des machines : Génératrice à courant continu

Génératrice à courant continu

On utilise, de nos jours, de moins en moins les générateurs à courant continu. Par leur construction coûteuse, on leur préfère la génératrice à courant alternatif muni d’un redresseur qui, pour une même puissance, possède un volume plus petit et nécessite moins d’entretien.
Il existe trois types de génératrices à courant alternatif:

1. la génératrice à excitation shunt.
2. la génératrice à excitation série.
3. la génératrice à excitation composée(compound).

Génératrice à excitation « shunt »

Il existe deux modèles de génératrice à excitation « shunt » (figure 1-7, figure 1-8):
1- génératrice à excitation « shunt » séparée ;
2- génératrice auto-excitatrice;

Génératrice à excitation séparée

La génératrice à excitation séparée nécessite une source indépendante qui permet de varier la tension de sortie de la génératrice. On retrouve cette génératrice comme source d’alimentation pour les moteurs à courant continu utilisés dans les ascenseurs et les locomotives électriques.

Génératrice auto-excitatrice

Lorsque les bobines d’excitation sont reliées directement au balai, de façon à ce que le courant d’excitation soit fourni par l’induit, la génératrice est dite à auto-excitation. Le grand avantage de ce branchement, c’est qu’il n’exige aucune source extérieur.
Pour régler la valeur de la tension induite, il suffit de faire varier le courant d’excitation au moyen d’une résistance variable placée en série avec les bobines excitatrices.

Valeur de la tension induite

La valeur de la tension induite d’une génératrice est donnée par l’Equation 1-2:

Eo = tension induite, en Volt
Z = nombre total de conducteurs sur l’induit
n = vitesse de rotation en tours par minute(rpm)
f = flux par pôle, en Webers (Wb)
60 = constante tenant compte des unités.
Exemple 1-2 :
L’induit d’une génératrice possède 90 encoches et chaque encoche est composée d’une bobine possèdant 4 spires. Si la vitesse de l’induit est de 600 rpm et que le flux par pôle est de 0.04Wb, calculez la tension induite.
solution
E_o = Zn*f / 60
K = 90*4 = 360 conducteurs
E_o = 360*600 rpm*0.04 Wb / 60
E_o = 144 Volts

Fonctionnement à vide

Quand une génératrice toursne à vide, elle ne débite aucun courant, ainsi une variation du courant d’excitation ou de la vitesse de rotation entraîne un variation de la tension induite (voir figure 1-9).Si on augmente le courant d’excitation, le champ magnérique de l’inducteur augmente. Pas conséquent, les conducteurs coupent un plus grand nombre de lignes par seconde et la tension aux bornes de l’induit augmente. Si la valeur du courant d’excitation est trop grande, il se produit une saturation de l’inducteur, et la tension n’augmente plus de façon linéaire.
La tension induite lorsque le courant d’excitation est nul est due au champ rémanent des pièces polaires. Dans le cas des génératrices à auto-excitation, il est important que le champ rémanent soit dans la même polarité que le champ magnétique des pôles inducteurs. Dans le cas contraire, il faut inverser la polarité des bobines inductrices.
Si on change la polarité de la tension d’excitation ou le sens de rotation de la génératrice, la polarité de la tension induite change.

Fonctionnement en charge

Lorsqu’on applique une charge à la génératrice (voir figure 1-10), on note que la tension de sortie diminue plus on augmente la charge. Cette baisse de tension est attribuable à la résistance de l’induit. On peut mesurer cette résistance entre les balais de la machine.
La résistance de l’induit est généralement très faible et elle dépent particulièrement de la puissance et de la tension de la machine.
On peut représenter le circuit de l’induit par une résistance R_o en série, avec une tension E_o, cette dernière représente la tension induite à vide par les conducteurs de l’induit.

Exemple 1.3 :

Une génératrice toursnant à 1000 rpm induit une tension de 100 Volts lorsqu’elle est à vide, et la résistance de l’induit est de 0,2 ohm. Déterminez la tension de sortie lorsqu’on branche une charge qui débite un courant de 25 ampères.

solution :
V_ro = Ro *I
V_ro = 0.2 W*25A
V_ro = 5 Volts
V_rl = Eo - Vro
V_rl = 100V - 5V
Vrl = 95 V
Exemple 1.4

Une génératrice à auto-excitation induit une tension de 200 Volts à la sortie lorsqu’on lui branche une charge qui demande un courant de 50 ampères. Sachant que la résistance de l’induit est de 0.15 ohm, la résistance des bobines d’excitation, de 50 ohms et que le rhéostat de champ est ajusté à 25 ohms, calculez les valeurs suivantes
a) I_f
b) I_o
c) P_ind.

solution
a) I_f = V_rl / (R_f + R_sh) I_f = 200 / 50 W + 25 W I_f = 2.6 ampères
b) I_o = I_rl + I_f
I_o = 50A + 2.6A
I_o = 52.6 ampères
c) P_ind = E_o*I_o
E_o = V_rl + (R_o
I_o) = 200V + (0,15*52.6A) = 207.9V
P_ind = 207.9*52.6A
P_ind = 10.93 KW