Electricité
poles de compenstion et commutation
Dynamo

Les dynamos d'une certaine puissance doivent être équipés d'enroulements de compensation (très fortes puissances) et de pôles de commutation (à partir de puissances moyennes).
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Compensation d'une dynamo


1: L'enroulement d'excitation parallèle ou shunt est constituée de fil fin, branché en parallèle sur le courant fourni au collecteur.

2: L'enroulement d'excitation série est constitué de gros fil, parcouru par tout le courant produit par la dynamo. Ces deux bobines forment un seul pôle.

3: Les pôles de commutation permettent d'améliorer la prise de courant aux balais. Ils sont constitués de quelques spires parcourues par le courant série. Ce pôle a une épaisseur qui correspond à l'épaisseur des charbons.

4: L'induit se compose de très gros bobinages, puisque le courant total doit le traverser. Chaque spire est connectée avec une lamelle du collecteur.


Le courant dans l'induit produit un glissement du champ magnétique.
Il doit absolument être compensé pour éviter la destruction des balais


Indication de la ligne neutre (LN) sur laquelle les balais doivent être positionnés.


Découpes transversales au champ principal pour réduire le champ parasite


Inducteur avec enroulements de compensation en bleu


Enroulements de compensation


Poles de commutation

D'autres images de la même dynamo se trouvent sur la première page des dynamos.

Nous avons appris sur cette page qu'une dynamo produit du courant continu et qu'une partie du courant est utilisé pour produire le champ magnétique.


La tension est maximale si elle est prélevée sur la ligne neutre,
mais en plus la différence de potentiel entre deux lames de collecteur est plus faible.

Si les charbons sont mal calés par rapport au flux magnétique (et donc par rapport au maximum de tension induite), la tension récoltée est moindre, mais de plus, il y a une différence de potentiel plus élevée entre les lamelles voisines du collecteur (trait rouge). L'épaisseur des charbons est donné par les traits noirs. Cette différence de potentiel produit des étincelles qui usent les balais.

Les charbons ont toujours une largeur supérieure à celle d'une lamelle de collecteur pour qu'il y ait toujours contact. Dans certaines machines à basse tension, les charbons font même contact avec 3 lamelles consécutives.


En pratique la situation est encore pire: voici la forme du signal sur le collecteur à cause de la forme des pièces polaires (dynamo de petite puissance sans pôles de commutation).

Correction de la réaction d'induit

(réaction magnétique transversale d'induit)

En charge, l'induit est parcouru par un courant, ce qui provoque à son tour un champ magnétique "parasite" qui dépend de la charge: c'est la réaction d'induit qui doit être compensée pour stabiliser le champ magnétique et donc stabiliser le fonctionnement de la dynamo.

Cette compensation est d'autant plus nécessaire qu'elle produit un déplacement de la ligne neutre, et nécessite donc le "déplacement" des balais pour capter la tension maximale (permettant également d'éviter une tension trop importante entre lamelles de collecteur voisines).

Les premières dynamos industrielles qui étaient par exemple utilisées pour la galvanoplastie ou pour l'éclairage des ateliers (charge relativement constante) avaient leur balais calés sur la ligne neutre en charge nominale. Ces dynamos produisaient beaucoup d'étincelles quand elles travaillaient à vide.


L'effet du déplacement de la ligne neutre peut être réduit de diverses façons: en rendant l'entrefer plus important sur le coté des pièces polaires ou en coupant un coté des lamelles qui constituent les pièces polaires. On les les monte ensuite alternativement avec la partie coupée à gauche et à droite pour en augmenter la réluctance (et donc diminuer le champ magnétique au bord de la pièce polaire). L'effet du déplacement du champ par la réaction d'induit est ainsi limité.

On peut également construire une pièce polaire avec un entrefer interne (voir schéma), ce qui réduit le champ rotorique (qui provoque le déplacement de la ligne neutre) sans diminuer le champ principal.

Ces mesures ne produisent qu'une réduction de l'effet. Pour l'éliminer complètement il faut utiliser des mesures plus drastiques: les enroulements de compensation ou des poles de compensation.

Enroulements de compensation

Il n'est pas possible de modifier de façon dynamique la position des balais: on cale les balais en fonctionnement statique (sans charge) et on utilise des enroulements de compensation pour faire varier la position du champ selon la charge. Ces enroulements sont situés exactement en face des enroulements de l'induit et parcouru par exactement le même courant. Ces enroulements de compensation sont alimentée en série et contre-carrent le glissement du champ magnétique.

Les enroulements de compensation sont intégrés dans les pôles principaux dans les très grosses dynamos.

Pôles de commutation

Les pôles de commutation aident à capter le courant sur le collecteur en modifiant la forme de la tension induite. Ce qu'on recherche, c'est qu'au moment de la commutation, la différence de potentiel entre deux lamelles voisines du collecteur soit la plus faible possible, ce qui limite les étincelles. Au lieu d'avoir une forme sinusoïdale, on cherche à avoir une forme un peu plus rectangulaire (différence de tension entre lames de collecteur voisines la plus basse possible à l'endroit où les charbons prélèvent le courant).

Les pôles de commutation sont plus fins que les pôles principaux et situés entre les deux. Ils se composent de quelques spires alimentées en série avec l'induit. Les pôles de commutation corrigent également le glissement du champ magnétique selon la charge (pour les dynamos moyennes qui n'ont pas d'enroulements de compensation). Les dynamos qui ont des enroulements de compensation ont des pôles de commutation parcourus par un courant constant.

Le changement de régime de la dynamo provoque également un déplacement de la ligne neutre. Pour éviter cela, on fait travailler les grosses dynamos à vitesse constante. La dynamo est ici accouplée à un alternateur dont la vitesse de rotation doit nécessairement être stable (photos à droite musée "stoom en stroom" d'Izegem).

Les schémas de cablage ne reprennent souvent pas les enroulements de compensation, puisque le cablage est fixe. Le nombre de spires est déterminé en usine et n'est plus modifié par après.

Quelle est la différence entre les pôles de commutation et les enroulement de compensation?
Les deux bobinages sont alimentés en série avec le courant d'induit et l'effet est similaire (compensation de la réaction d'induit).

  • Les enroulements de compensation servent uniquement à compenser la réaction d'induit et sont utilisés sur les très grosses machines à cause du surcoût important.

  • Les pôles de commutation permettent de réduire les étincelles à la commutation en modifiant la forme du courant produit au collecteur (quand il est alimenté en courant continu constant).

  • Les pôles de commutation permettent également de réduire la réaction d'induit s'ils sont alimentés en série sur l'induit (les deux fonctions sont combinées dans les dynamos de petite et moyenne taille).

Comme vous le voyez, une dynamo est une machine bien plus complexe qu'un alternateur...

Moteurs à courant continu

Si les dynamos ont besoin de pôles de commutation, il en va de même pour les moteurs à courant continu. Les bobinages de l'inducteur principal sont alimentés en parallèle sur le réseau (shunt), tandis que les bobinages de compensation sont alimentés en série avec l'induit, puisque c'est le courant dans l'induit qui détermine la réaction d'induit, qui doit être compensé.

On voit successivement un moteur à deux pôles, un moteur à quatre pôles et un moteur à quatre pôles avec compensation. Plus le nombre de pôles est important, et plus l'influence du courant d'induit se fait sentir. Pour augmenter la puissance des moteurs on tente d'augmenter le nombre de pôles, puisque chaque double pôle est en fait un moteur.

Les moteurs à courant continu dont la charge est constante n'ont pas besoin de pôles de commutation, puisque le courant dans l'induit est constant. Ces moteurs ont des balais qui peuvent être déplacés. On cale les balais en fonctionnement en charge pour qu'il y ait le moins d'étincelles. Ce moteur produit de très fortes étincelles à vide.

La plupart des moteurs à courant continu sont cablés en parallèle (shunt), ce qui permet une vitesse relativement constante indépendamment de la charge. Le couple (qui dépend de la tension au stator) est consstant, et c'est une caractéristique fort appréciée.

Les moteurs série ont un couple de démarrage très élevé mais s'emballent à vide. Ils ont été utilisés comme moteur de traction ferroviaire à cause de leur couple à l'arrêt élevé.

Les moteurs à courant continu dont la vitesse doit être variable ont une double alimentation: pour le stator (déterminant le couple) et pour le rotor (déterminant la vitesse). C'est cette caractéristique qui fait que les moteurs à courant continu ont été utilisés très longtemps dans des applications pointues où il faut une vitesse et un couple réglable.

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