Différents modes d’excitation
Une machine à courant continu comporte deux circuits électriques:l’enroulement de l’induit et l’enroulement de l’inducteur. Ces deux circuits peuvent être couplés l’un par rapport à l’autre de différentes manières ce qui définie les différents types de machines.
• Génératrice à excitation indépendante
Le flux dans la machine est créé par le passage d’un courant d’excitation J dans l’enroulement de l’inducteur. Lorsque ce courant continu est fourni par une source indépendante, c’est-à-dire séparée de la machine, on dit que la génératrice est à excitation indépendanteou à excitation séparée (fig.1).
fig.1
• Génératrice à excitation en dérivation
L’enroulement induit et l’enroulement inducteur sont montés en parallèle: l’induit générateuralimente l’enroulement d’excitation de la machine qu’on dit être auto-excitée (fig.2).
L’enroulement inducteur comporte un grand nombre de spires en fil fin, le courant admis sousla tension Une devant dériver que de 2% à 5% environ du courant total.
Exemple:
Machine 3 kW, 220 V, I = 16,5 A, J = 0,56A
Résistances à froid: R inducteur= 270 Ω; R induit= 1,84 Ω
Fig. 2.
• Génératrice à excitation série
L’enroulement inducteur est en série avec l’induit et ne doit entraîner qu’une chute de tension de 3% environ, il a donc une faible résistance et comporte peu de spires de gros fil (fig. 3).
Exemple:
Machine 3 kW, 220 V, I = 15 A
Résistances à froid: R inducteur= 0,55 Ω; R induit= 1,1 Ω
Fig. 3
• Génératrice à excitation composée
C’est la combinaison des deux modèles précédents. Les deux enroulements peuvent être montés en courte(fig. 4a) ou en longue dérivation (fig. 4b). Les flux peuvent s’ajouter (flux additifs) ou se retrancher (flux soustractifs).
Exemple:
Machine 3 kW, 220 V, I = 14 A, J = 0,4 A
Résistances à froid: R inducteur= 1,82 Ω; R’induit= 208 Ω; R”induit= 0,44 Ω
Il faut noter que ce mode d’excitation est actuellement peu utilisé dans l’industrie.
a) Les enroulements montés en “courte dérivation” (flux additifs)
fig. 4a
b) Les enroulements montés en “longue dérivation” (flux soustractifs)
fig. 4b
Essais des génératrices
• Marche à vide
Quand une dynamo à excitation indépendante tourne à vide, c’est-à-dire lorsqu’elle n’est raccordée à aucun circuit extérieur et que l’induit ne débite aucun courant, une variation du courant d’excitation ou de la vitesse de rotation entraîne une variation correspondante de la tension induite.
Effet du courant d’excitation. Si l’on augmente le courant d’excitation, la f.m.m. de l’enroulement d’inducteur augmente, ce qui augmente le flux dans la machine. Par conséquent, les conducteurs coupent un plus grand nombre de lignes par seconde et la tension aux bornes de l’induit (entre les balais) augmente. Lorsque ce courant est faible, la perméabilité de l’entrefer étant constante, le flux croît proportionnellement au courant d’excitation. Mais, lorsque le fer de l’inducteur et de l’induit se sature, la perméabilité diminue et le flux ne croît plus. On dit que la machine est saturée.
Si l’on trace la valeur de la tension induite enfonction du courant d’excitation, la vitesse de rotation étant maintenue constante, on obtient la courbe de saturation de la génératrice (fig.5).
Fig. 5.
On peut donc faire varier la tension induite à volonté en faisant varier le courant d’excitation. La tension nominale de la machine est habituellement située un peu plus haut que le “coude” de la courbe de saturation.
Quand les bornes du circuit d’excitation sont interverties, le courant circule en sens inverse dans l’enroulement d’excitation , ce qui entraîne le changement de la polarité de la tension induite.
Effet de la vitesse de rotation. Lorsqu’on augmente la vitesse de rotation sans faire varier le courant d’excitation, le nombre de lignes coupées par seconde augmente en proportion, ce qui augmente la tension induite. La tension Exyest proportionnelle à la vitesse de rotation de l’induit (fig. 6).
E1= (p/a) NΦn1
⇒E1/ E2= n1/ n2
E2= (p/a) NΦn2
Quand on change le sens de rotation de la génératrice, la polarité des bornes x et y change aussi. Si l’on change à la foisla polarité de la tension d’excitation et le sens de rotation, la polarité ne change pas.
Fig. 6.
• Réglage de la tension
Les particularités citées ci-dessus sont valables entièrement pour une génératrice à excitation indépendante. Quand il s’agît d’une génératrice à excitation en dérivation (excitation shunt), dont le grand avantage réside dans le fait qu’elle n’exige aucune source extérieure, on peut facilement régler la valeur de la tension au moyen d’une résistance variable intercalée en série avec l’enroulement de l’inducteur (fig. 7) . Cette résistance variable porte le nom de rhéostat d’excitation.
La tension E xy prend sa valeur nominale quand le curseur p du rhéostat est au milieu. Si on déplace le couseur vers l’extrémité m, la valeur de la résistance diminue, donc le courant d’excitation augmente, le flux augmente aussi, donc la tension induite augmente. Si on déplace le curseur vers l’extrémiténse passe l’inverse et la tension induite diminue.
Fig. 7.
Si l’on connaît la courbe de saturation et la résistance totale RΣdu champ et du rhéostat, on peut facilement déterminer la valeur de la tension induite. Il suffit detracer sur le graphique de la courbe de saturation, une droite correspondant à la résistance RΣ. Le point de coupure de cette droite avec la courbe correspond à la tension induite. Par exemple (fig. 8), si la résistance de l’inducteur est de 50 Ωet si celle du rhéostat est nulle, la droite passe par le point E= 50 V, I= 1 A. Cette droite coupe la courbe de saturation à un point correspondant à une tension de 150 V. Etant donné que la résistance du rhéostat est nulle, cela représente la tension maximale que peut atteindre la génératrice à excitation shunt. En déplaçant le couseur p, la résistance de l’inducteur augmente et lorsqu’elle est de 120 Ωon obtient une nouvelle droite coupant la courbe à une tension E0= 120 V.
Méthode pour déterminer la valeur de la tension induite
Fig. 8.
• Marche en charge
L’induit d’une génératrice est formé d’un grand nombre de conducteurs ayant une certaine résistance. On appelle résistance de l’induit celle que l’on peut mesurer entre les balais de la machine. Elle est généralement très faible(souvent de l’ordre du centième d’ohm); elle dépend essentiellement de la puissance et de la tension de la machine.
On peut donc représenter le circuit de l’induit par une résistance Raen série avec une tension E0, cette dernière représentant la tension induite(fig.9a). Lorsque la machine tourne à vide, la tension entre les balais Ecest égale à la tension induite E0, car la chute de tension dans la résistance de l’induit est nulle puisqu’il n’y circule aucun courant.
Par contre, lorsque l’on relie l’induit à une charge, ce courant de la charge I provoque une chute de tension dans la résistance Ra. La tension Ecobtenue entre les balais (et par conséquent aux bornes de la charge) est inférieure à la tension induite E0. (fig.9b)
A mesure que la charge augmente, la tension aux bornes de la charge diminue progressivement. Le graphique représentant cette variation de la tension pour les différentes valeurs du courant débité porte le nom de caractéristique en charge. Outre la résistance de l’induit, le phénomène deréaction de l’induitfait aussi baisser la tension aux bornes de la génératrice. En effet, le passage du courant dans les conducteurs de l’induit donne naissance à une f.m.m. qui tend à déformer et à réduire leflux provenant des pôles. Cet affaiblissement du flux provoque une diminution correspondante de la tension induite E0et, par suite, de la tension aux bornes.
a) Circuit équivalent d’une génératrice b)Caractéristique en charge d’une
en charge génératrice à c.c.
Fig. 9
Dans le cas d’une génératrice shunt(à excitation en dérivation), la variation de la tension aux bornes avec le courant débité est plus grande que dans le cas d’une génératrice à excitation indépendante. En effet, la tension induite dans cette dernière est à peu près constante. Ce n’est pas le cas pour la génératrice shunt, car le courant d’excitation et le flux varient avec la tension entre les balais.
Pour la génératrice shunt,la baisse de tension entre les conditions à vide et les conditions de pleine charge est de l’ordre de 15%, tandis que pour une génératrice à excitation indépendante, elle est seulement de l’ordre de 10%.
Lorsqu’il s’agît d’une dynamo dont l’inducteur est en série avec l’induit, le phénomène est plus compliqué. La petite f.é.m. due à la rémanence du circuit magnétique crée un courant de faible intensité dans le circuit induit - inducteur - rhéostat. Deux cas sont alors possibles:
a) le courant précédent (qui circule dans l’inducteur) renforce le champ rémanent: la f.é.m. augmente, entraînant un accroissement du courant si bien que la dynamo peut atteindre son fonctionnement normal (on parle alors d’auto-amorçage);
b) le courant circule dans un sens tel qu’il réduit le champ rémanent: le champ s’annule pratiquement, si bien que la dynamo ne peut plus auto-amorçage; le courant débité reste pratiquement nul.
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