Principe de fonctionnement d’une génératrice à courant continu

1/ Loi de Faraday:

Tout conducteur en déplacement dans un milieu inondé par un champ magnétique sera le siège d’une fem induite.

2/ force électromotrice (fem) induite:

On considère le cas d’une machine bipolaire (à deux pôles). Une machine à courant continue peut être multipolaire : présentant plus qu’une paire de pôles Nord et Sud.

Ligne neutre : C’est la ligne au niveau de laquelle s’inverse la polarité du champ magnétique.

On adopte que l’induction ma



gnétique B est constante sous un pôle. On considère une spire composée de deux conducteurs logés dans l’induit tournant à la vitesse angulaire Ω. Chaque conducteur coupe les lignes de champ, il sera par la suite le siège d’une fem induite donnée par

(l :longueur du conducteur).

La tension récupérée au niveau d’une spire est U=2.e= 2lvB sin φ.

C’est une tension quasi sinusoïdale qui s’annule lorsque les conducteurs diamétralement opposés passent par la ligne neutre.

 Forme de la tension récupérée 

3/ Redressement:

La fem s’inverse au passage par la ligne neutre. Puisqu’on désire avoir une tension continu, il faut redresser la tension récupérée à l’aide d’un redresseur mécanique : le Collecteur. Il faut qu’au moment précis ou la tension récupérée s’inverse, croiser les connexions entre les bornes de la spire et les liaisons extérieures.

Sur la position de gauche, la lame 1 est négative ainsi que le balais de gauche.

Sur la position de droite, les lames ont changé de polarité et de balais. Il vient que la tension récupérée reste de même signe ; elle est unidirectionnelle.

4/ Réduction de l’ondulation:

Pour réduire l’ondulation et augmenter ainsi la valeur moyenne récupérée, il convient de ne pas laisser la fem s’approcher de zéro (ne pas utiliser de fem induite dans un conducteur proche de la ligne neutre). On multiplie ainsi le nombre de lames du collecteur et le nombre de sections associé.

Il va falloir augmenter le nombre de conducteurs (2N conducteurs) et les relier entre eux de façon judicieuse. L'association des conducteurs, va permettre de faire comme si, on additionnait N tensions redressées déphasées entre elles de 2π/N. On obtiendra alors une tension de sortie d'autant plus élevée et d'autant moins ondulée que le nombre N sera grand.

Déjà, pour le cas simple N = 3 (équivalent 3 spires = 6 brins), on se retrouve avec une tension de sortie de la forme suivante:

Si le rotor tourne, une tension est générée dans chacune des bobines, tension qui passe au maximum à tour de rôle pour chaque bobine. Toutes les bobines sont raccordées en série de sorte que la somme totale des tensions autour du parcours fermé des bobines est nulle. (Donc pas de courant qui circule dans les bobines en série).Chaque bobine a un point de contact avec une pièce conductrice (commutateur ou lame) qui tourne avec l'ensemble des bobines (Autant de lames commutateurs que de sections).

Si on pose deux balais, un qui touche le commutateur #1 et un autre qui touche le commutateur #7, nous avons deux parcours en parallèles entre ces deux balais : Le parcours 1,2,3,4,5,6,7 et le parcours 1,12,11,10,9,8,7.

Entre la borne + et la borne - l'observateur voit une tension continue et si une résistance extérieure est raccordée entre ces deux bornes, il circulera du courant continu dans cette résistance.

Exemple d’enroulement bipolaire (Induit à six sections) :

·         L’enroulement comporte 6x2=12 faisceaux.

·         Deux faisceaux par encoches : deux encoches distantes de 2Π/6.

·         Le collecteur contient autant de lames que de sections : 6.

·         On dispose côte à côte les deux faisceaux superposés dans une même encoche (les faisceaux profond sont en pointillés).

·         n conducteurs = n/2 spires.

·         n’ sections = n’ lames.

·         Deux voies d’enroulement = deux balais.

5/ Force électromotrice :

On considère le cas d’une machine bipolaire. L’induit (rotor) tourne à une vitesse N et coupe les ligne de champ deux fois ( Une fois près du pôle Nord et une fois près du pôle Sud) au bout de 1/N seconde.

ΔΦ=2Φ  et Δt=1/N. Il vient que la tension moyenne emoy= ΔΦ / Δt = 2Φ N .

La fem globale E= n/2. 2Φ.N = n/2Π . Φ .Ω.

Elle est proportionnelle :

• Au flux Φ.
• A la vitesse angulaire Ω.

NB : Le cœfficient K est généralement donné par

p : nombre de paires de pôles.

a : nombre de voies d’enroulement.

Le couple électromagnétique C :

La puissance électromagnétique est P=EI=CΩ. Il vient que

Ce couple est couple résistant.

Représentation d’une GCC :

6/ Réaction magnétique d’induit :

Les conducteurs de l’induit siège de fem induites seront parcourue par des courant lorsque la machine fonctionne en charge. Le courant qui travers un conducteur crée un flux magnétique qui se superpose au flux d’excitation de l’inducteur. Le flux résultant s’affaiblit ainsi que la fem.

On prouve expérimentalement que la RMI progresse en fonction du courant de charge comme suit :

On compense la RMI par un enroulement auxiliaire formé de conducteurs logés dans des encoches pratiquées dans les pièces polaires (inducteur) et parcourues par le courant induit (mis en série avec l’induit) de telle sorte à créer une force magnétomotrice (fmm) égale et opposée à celle produite par la RMI. On parle alors de machine compensée ( = 0).

7/ La commutation:

Elle se traduit pratiquement par des étincelles qui réduisent la durée de vie des balais. Ce phénomène s’explique par le fait que le courant dans une section (fortement inductive) doit s’inverser rapidement sinon une étincelle s’éclate entre la lame et le balai.

La commutation est le changement du sens du courant dans une bobine au moment où cette bobine passe sous le balai. Supposons que l'on fait tourner les balais plutôt que les bobines.

La bobine #1 doit changer le sens de son courant pendant qu'elle est en court-circuit sous le balai.

La bobine en commutation possède une résistance et une inductance. Si on pouvait commuter de façon linéaire ce serait l'idéal.

Comme l'inductance est présente, le courant est retardé (courbe sans interpoles) et lorsque le balai quitte le commutateur "a" il existe un di/dt qui produit un arc.

Pour aider la commutation, on introduit un dl/dt dans la bobine en court-circuit au moyen d'un interpole (pole auxiliaire) dont la FMM est proportionnelle au courant à commuter et produit un flux magnétique qui assiste le renversement du sens du courant.

Les pôles auxiliaires doivent être parcourus par le courant d’induit et participent également à la compensation de la RMI.