Commutatrice

Une commutatrice est une machine tournante unique qui change le courant alternatif en courant continu, ou l'inverse. Son enroulement d'induit est relié à la fois à des bagues et à un collecteur : elle tourne en moteur du côté alternatif et agit en génératrice du côté continu. Charles Bradley en a décrit l'idée dans une demande de brevet de 1887, et les commutatrices ont alimenté les tramways et chemins de fer à courant continu du début du XXe siècle.

Ce que c’est

Une commutatrice change le courant alternatif en courant continu, ou le continu en alternatif, avec une seule machine. Elle ressemble à une génératrice à courant continu : un inducteur, un induit tournant et un collecteur avec ses balais. À l’autre bout de l’arbre, elle porte aussi des bagues reliées à des points du même enroulement d’induit.

Au tournant du XXe siècle, les centrales produisaient du courant alternatif, que les transformateurs permettaient de transporter loin sous haute tension, tandis que les tramways, les chemins de fer, la galvanoplastie et bien des réseaux urbains utilisaient du continu. Les commutatrices des sous-stations reliaient les deux systèmes. Un moteur entraînant une génératrice séparée, le groupe moteur-génératrice, faisait le même travail avec deux machines.

Comment ça marche

Dans une génératrice à courant continu, la tension induite dans chaque bobine de l’induit tournant s’inverse chaque fois que la bobine passe d’un pôle inducteur au suivant. Le collecteur, un anneau de lames de cuivre reliées à l’enroulement, et les balais qui frottent dessus inversent alors les connexions de cette bobine, à chaque demi-tour dans une machine à deux pôles : le courant qui sort des balais circule toujours dans le même sens.

Si l’on prend aussi des connexions sur l’enroulement en des points régulièrement espacés et qu’on les mène à des bagues, on peut tirer du courant alternatif des bagues pendant que le courant continu sort du collecteur. Charles Bradley l’a montré avec un induit en anneau piqué en quatre points à 90 degrés, chacun relié à sa propre bague. Avec trois points à 120 degrés, les bagues portent du courant triphasé.

Les balais frottent sur les lames du collecteur et recueillent du courant continu sur le même enroulement que les bagues alimentent.

La machine fonctionne dans les deux sens. Alimentée en alternatif par les bagues, elle tourne en moteur synchrone, au rythme du réseau, et le collecteur délivre du continu. Dans l’autre sens, alimenté en continu et débitant du monophasé sur deux bagues, l’induit est entièrement moteur aux instants où la sortie alternative passe par zéro et agit en partie comme génératrice près de ses maximums : la puissance le traverse par impulsions.

Le rapport entre les deux tensions est fixé par les connexions et dépend du nombre de bagues. Pour changer la tension continue, on réglait l’alimentation alternative, en général par des transformateurs. L’inducteur était excité par du courant continu pris sur le collecteur de la machine elle-même.

Comment faire

En tournant sous ses balais, la bande coupée inverse le courant dans la DEL à chaque demi-tour : le continu devient alternatif.

Une maquette à manivelle montre, avec une petite pile, l’organe qui fait la conversion : le collecteur relié aux bagues. Il faut un goujon de bois d’environ 2 cm de diamètre et 15 cm de long, deux montants de bois pour le porter, du ruban adhésif de cuivre, du fil fin isolé, quatre lames souples de laiton ou de cuivre découpées dans une feuille, une pile de quelques volts, une petite résistance pour la protéger et une DEL bicolore à deux pattes, avec la résistance série que son fabricant indique pour la tension de la pile.

Enroulez autour du goujon trois bandes de ruban de cuivre larges d’environ 1 cm et espacées de 1 cm. Laissez les deux premières entières : ce sont les bagues. Coupez la troisième en deux moitiés, avec un intervalle d’environ 5 mm de chaque côté : c’est le collecteur. Percez deux petits trous et faites passer sous le ruban un fil d’une moitié du collecteur à la première bague, et de l’autre moitié à la seconde.

Posez le goujon dans des encoches des montants pour qu’il tourne librement. Vissez les quatre lames de laiton sur le socle de façon que chacune appuie sur le cuivre : une sur chaque bague et deux sur le collecteur, de part et d’autre du goujon. Faites le bout de chaque balai plus étroit que les intervalles. Reliez la pile, à travers sa résistance, aux deux balais du collecteur : la résistance limite le courant chaque fois qu’un balai touche les deux moitiés à la fois. Branchez la DEL et sa résistance en série entre les deux balais des bagues.

Tournez lentement le goujon. La DEL prend une couleur pendant un demi-tour et l’autre pendant le demi-tour suivant : le courant s’y inverse deux fois par tour, comme dans une alimentation alternative. Tournez plus vite et les couleurs se mêlent. Une vraie commutatrice fonctionne aussi dans l’autre sens, en recevant l’alternatif par les bagues et en rendant du continu au collecteur.

Histoire et évolution

La machine de Bradley de 1887 : un seul enroulement en anneau, piqué en quatre points pour quatre bagues, avec un collecteur sur le même arbre.

Le 9 mai 1887, Charles S. Bradley, de Yonkers (New York), dépose une demande de brevet pour une dynamo dont l’enroulement en anneau est relié à la fois à un collecteur et à quatre bagues. Il écrit que la machine peut servir à « changer un courant continu en courant alternatif, ou l’inverse ». Le brevet américain 390 439 est délivré en 1888. Dans une demande ultérieure, il réduit les prises à trois et décrit un moteur dont le collecteur redresse tout le courant pour des moteurs à courant continu, des bains de galvanoplastie ou des lampes à arc. Chez Westinghouse, Benjamin Lamme conçoit une commutatrice comme une génératrice à courant continu associée à un moteur synchrone, et n’apprend que plus tard l’existence du brevet de Bradley.

Les systèmes polyphasés font de la commutatrice une machine courante. Le courant est envoyé sous haute tension à des sous-stations où des commutatrices le changent en continu pour les lignes de tramway et de chemin de fer. Elles demandent du personnel sur place. Les redresseurs à vapeur de mercure, des ampoules de verre contenant du mercure et sans pièce mobile, convertissent eux aussi l’alternatif en continu, entre autres pour le métro de New York, avant d’être à leur tour remplacés par les thyristors, des interrupteurs à semi-conducteurs.