Electricité
La commutatrice
Générateur

La commutatrice permettait de transformer aisément de l'alternatif en continu et inversément
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Un groupe moteur-générateur pour produire du continu à partir de l'alternatif


Une commutatrice n'a qu'un rotor et stator

A gauche
la partie continu avec collecteur et commutateur

A droite
la partie alternative avec bagues et frotteurs


Redresseur à bain de mercure

La commutatrice est une combinaison d'un moteur et d'un générateur, mais n'utilise qu'un seul rotor.

Le stator produit l'excitation, mais contrairement à un générateur sa tension ne détermine par la tension en sortie: l'excitation sert uniquement à permettre au moteur de tourner. Dans certains cas, l'augmentation de l'excitation permet d'améliorer le facteur de puissance et même de fournir de la puissance réactive au réseau alternatif (courant déwatté).

Le rotor a un bobinage qui est à la fois connecté comme une dynamo (avec de nombreuses connections vers les lamelles du commutateur) et comme un moteur à cage bobinée avec 3 branchements équidistants qui vont à une bague.

Dans le cas d'un fonctionnement en redresseur (cas le plus probable), l'alternatif triphasé arrive aux bagues via trois frotteurs et le continu est récolté par deux balais.

La commutatrice fonctionne comme un autotransformateur dont les balais prélèvent toujours la tension redressée. C'est la rotation synchrone qui fait que la tension continue apparait toujours aux même endroits.

La commutatrice est mise en route sans charge avec une tension alternative réduite, les grosses commutatrices ont un moteur de démarrage. On peut également la faire démarrer comme moteur à courant continu, mais cela nécessite un système de commutation plus complexe. La commutatrice doit tourner en synchronisme avec le réseau.

Du point de vue mécanique, la commutatrice travaille toujours à vide. Le courant d'excitation qui peut être assez faible ne sert qu'à permettre la rotation du moteur. On aurait tout aussi bien pu utiliser des aimants permanents, mais ceux-ci n'étaient pas assez puissants à cette époque.

Pour limiter l'usure des balais, on fait tourner le convertisseur à la vitesse la plus basse possible, par exemple 750 tours/minutes. Comme le convertisseur tourne en synchronisme avec le réseau, une vitesse de rotation plus basse nécessite un nombre de pôles plus importants et une construction plus complexe.

Les commutatrices étaient principalement utilisées pour fournir du courant continu au matériel ferroviaire: il était plus facile de régler la puissance d'un moteur continu que d'un moteur alternatif. Actuellement encore, les trams sont alimentés en continu sur de nombreuses lignes.

On les a également utilisées pour produire dun continu dans certaines applications: ascenseurs pour charbonnages avant l'utilisation de groupes Ward Leonard, galvanoplastie et électrolyse,... En comparaison d'un groupe Ward Leonard qui était utilisé pour alimenter un seul gros moteur, la commutatrice était utilisée pour créer un second réseau électrique auquel différents moteurs pouvaient être branchés.



L'avantage d'une commutatrice par rapport à un groupe moteur-générateur est le bon rendement électrique. La commutatrice ne nécessite pas de pôles compensateurs (voir dynamo). Par contre la tension ne peut pas être modifiée et est 1.633× la tension alternative efficace (tension composée, puisqu'il n'y a pas de neutre). De plus, il n'y a pas d'isolation entre le réseau alternatif et continu.

La commutatrice était souvent alimentée par un transfo rabaisseur qui réduit la tension du réseau moyenne tension à la tension nécessaire. Le secondaire du transfo est isolé pour permettre la mise à la masse du négatif ou positif pour la galvanoplastie ou l'alimentation des tramways.

Il existait également des commutatrices à bobinages séparés, mais celles-ci n'étaient utilisés que pour de petites puissances. Le rotor doit en effet être plus gros pour une puissance donnée. A cause des parties en rotation, l'isolation entre les deux réseaux n'est pas aussi bonne qu'avec un transformateur.

Une photo de commutatrice se trouve sur la page du HF4 de Charleroi.

Pour les petites puissances, par exemple pour recharger les batteries de voiture on utilisait un redresseur de Barthélémy (voir ecrit à droite).

Un transfo rabaisse la tension alternative de 110V à la tension de charge des batteries. Un petit moteur synchrone à aimant permanent entraine un commutateur en cuivre avec des zones isolées. Des charbons apportent le tension alternative et collectent la tension redressée. Une self-induction limite les pics de courant et réduit les étincelles. Il ne faut pas laisser la batterie branchée quand il n'y a pas d'alimentation alternative pour éviter sa décharge.

Ce type de redresseur était présent dans les grands garages avant la seconde guerre mondiale. Il s'agit en fait de la version mécanique du redressement synchrone moderne (réalisé avec des IGBT ou autres types de transistors). Le redresseur de Barthélémy mécanique a été remplacé par des redresseurs électroniques avec tubes Tungar.

Ce schéma provient d'un carnet de cours de 1933 où l'étudiant devait réaliser des expériences et dessiner les schémas (à la plume d'oie).

Les commutatrices ont été utilisées jusque dans les années 1960, avec l'apparition de diodes de redressement au silicium pouvant travailler avec des très hautes tension et de forts courants. Mais avant l'utilisation de diodes au silicium, on a utilisé des redresseurs à bain de mercure qui pouvaient fournir un courant très important sous une tension très élevée.

Les redresseurs à diodes (bain de mercure ou diodes au silicium) utilisent non pas du triphasé, mais de l'hexaphasé dont le redressement produit une ondulation résiduelle moindre (et un facteur de crête plus avantageux).

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