Les machines à collecteur ont des balais qui frottent sur un collecteur tournant : dynamos, moteurs de traction, perceuses, et la commutatrice qui transforme l'alternatif en continu. L'Exetat demande surtout de reconnaître les modes d'excitation, les usages de chaque moteur et le calcul d'une commutatrice.
L'essentiel
- Une machine à courant continu a un inducteur (qui crée le champ magnétique, ou flux) et un induit (qui tourne et porte les conducteurs). Le collecteur et les balais redressent le courant de l'induit. En génératrice (dynamo) : U = E − R × I ; en moteur : U = E + R × I, où E est la f.é.m. de l'induit et R sa résistance.
- Modes d'excitation, selon la façon d'alimenter l'inducteur : séparée (source indépendante) ; shunt ou dérivation (inducteur en parallèle sur l'induit) ; série (inducteur en série, traversé par tout le courant) ; composée ou compound (un enroulement shunt plus un enroulement série).
- Dynamo compound : l'enroulement série compense plus ou moins la chute de tension en charge. Hypo-compound (« hypo » = moins) : la tension baisse un peu ; compound normal : elle reste presque constante ; hyper-compound : elle monte avec le débit, pour compenser la chute dans une longue ligne. Une dynamo shunt, elle, voit sa tension baisser nettement en charge.
- Moteur série : son flux suit le courant, donc son couple croît comme I². Il donne un très fort couple au démarrage et ralentit de lui-même quand la charge augmente (une côte pour un train) : c'est le moteur classique de la traction. Mais à vide, il s'emballe : il doit toujours rester accouplé à sa charge. Le moteur shunt, lui, tourne à vitesse presque constante.
- Moteurs à collecteur en alternatif : le moteur série universel marche en continu comme en alternatif, car le flux et le courant d'induit s'inversent ensemble et le couple garde son sens (perceuses, mixeurs, aspirateurs). Le moteur série compensé a servi à la traction monophasée. Le moteur Schrage, triphasé, alimenté par le rotor, règle sa vitesse en déplaçant les balais (textile, papeterie, imprimerie).
- La commutatrice convertit le courant alternatif en courant continu avec UN seul induit : des bagues d'un côté (entrée alternative), un collecteur de l'autre (sortie continue). Elle remplace un groupe moteur-génératrice et n'entraîne aucune charge mécanique. Son rendement est η = P continu/P alternatif absorbée.
- Dans une commutatrice à q bagues, la tension alternative entre bagues vaut U continu × sin(π/q)/√2 : pour q = 3 (triphasé), cela fait 0,612 × U continu. L'angle électrique entre deux prises consécutives vaut 360°/q ; l'angle géométrique vaut cet angle divisé par le nombre de paires de pôles p.
Les formules
- Dynamo et moteur à courant continu
- dynamo : U = E − R I ; moteur : U = E + R I
- R : résistance de l'induit
- Tension alternative d'une commutatrice
- U alternatif = U continu × sin(π/q)/√2
- q = 3 : 0,612 × U continu
- Rendement de la commutatrice
- η = P continu/P alternatif ; P continu = U × I
- P alternatif = √3 U I cos φ en triphasé
- Angles entre prises
- angle électrique = 360°/q ; angle géométrique = 360°/(q × p)
- p : paires de pôles
La méthode
- 1Pour une question de reconnaissance, repère le mot clé : « compound, hypo, hyper » = excitation composée ; « traction, fort couple au démarrage, s'emballe à vide » = série ; « continu et alternatif, électroménager » = universel ; « vitesse réglée par les balais » = Schrage ; « un seul induit, bagues et collecteur » = commutatrice.
- 2Pour une commutatrice, calcule d'abord la puissance continue fournie : P = U × I.
- 3Divise par le rendement pour obtenir la puissance alternative absorbée.
- 4Calcule la tension alternative entre bagues avec U continu × sin(π/q)/√2 (0,612 × U continu en triphasé).
- 5Déduis le courant de ligne : I = P alternatif/(√3 × U alternatif × cos φ).
- 6Pour un angle de prises, divise 360° par q, puis par p si l'on demande l'angle géométrique.
Un exemple résolu
Une commutatrice triphasée doit fournir 300 A sous 500 V continu. Son rendement vaut 0,90 et son facteur de puissance côté alternatif vaut 1. Calcule le courant de ligne côté alternatif.
- 1.Puissance continue fournie : P = 500 × 300 = 150 000 W.
- 2.Puissance alternative absorbée : 150 000/0,90 ≈ 166 667 W.
- 3.Tension entre bagues : 500 × sin(60°)/√2 = 500 × 0,866/1,414 ≈ 306 V.
- 4.Courant de ligne : I = 166 667/(√3 × 306 × 1) = 166 667/530 ≈ 314 A.
Réponse : Le courant de ligne côté alternatif vaut environ 314 A.
Les pièges à éviter
- Utiliser la tension continue (500 V) dans la formule triphasée : côté alternatif, la tension est bien plus faible (0,612 fois).
- Oublier le rendement : la commutatrice absorbe plus qu'elle ne fournit, donc P alternatif = P continu/η.
- Confondre hypo et hyper : hypo = compensation insuffisante, la tension baisse un peu ; hyper = la tension monte.
- Croire qu'un moteur série peut tourner à vide sans risque : c'est justement lui qui s'emballe.
- Diviser l'angle électrique par le nombre de pôles au lieu du nombre de PAIRES de pôles (6 pôles = 3 paires).
À retenir
Compound = shunt + série (hypo, normal, hyper) ; moteur série = fort couple au démarrage mais s'emballe à vide ; commutatrice = un seul induit, U alternatif = 0,612 × U continu en triphasé.