Principes, Excitation et Essais des Générateurs CC (Dynamos)

Quel est le principe de fonctionnement d'un générateur ?

• Le principe de fonctionnement des générateurs électriques est basé sur l'induction électromagnétique, c'est-à-dire l'action établie entre le courant et le champ magnétique. Si un conducteur parcouru par un courant électrique est placé au voisinage d'un champ magnétique, un champ est créé.

Conversion CA/CC et obtention d'un courant continu moins ondulé

• La conversion est réalisée par le collecteur (commutateur), reliant les extrémités des boucles (bobines) à des demi-bagues isolées les unes des autres. Les balais communiquent avec ces lames pour recueillir le flux et obtenir une sortie en courant continu (CC).
• Lorsque l'on souhaite une tension aussi droite que possible (moins ondulée), les dynamos sont construites avec un nombre considérable de bobines et de lames de collecteur.

Éléments essentiels d'une machine à courant continu

• Induit (Rotor) : Situé dans le rotor, il se déplace en rotation. Il est constitué d'un noyau magnétique cylindrique sur lequel sont enroulées les bobines de cuivre.
• Inducteur (Stator) : Situé dans le stator, la partie statique de la machine. Il est formé par une bobine de deux ou plusieurs pôles magnétiques, selon qu'il s'agit de machines bipolaires ou multipolaires.
• Collecteur (Commutateur) : Assure l'union et la connexion entre l'arbre d'induit et les barres collectrices.

Types d'enroulement de l'induit d'une machine CC

Deux types d'enroulement sont possibles dans l'induit :

• Enroulement Imbriqué (Lap) : Le début de chaque bobine est relié à une lame du collecteur et la fin à la lame suivante.
• Enroulement Ondulé ou Série (Wave) : Le début de chaque bobine est relié à une lame correspondant à un pôle magnétique, et la fin à une lame correspondant à l'autre pôle magnétique.

Définition et optimisation de l'entrefer

• L'entrefer est l'espace entre l'induit et l'inducteur par lequel passent les lignes de champ magnétique.
• Il est réduit au minimum car les lignes de champ magnétique passent très difficilement à travers cet espace. La réduction est effectuée sans empêcher la rotation libre du rotor.

Réaction d'induit : définition et prévention

• La réaction d'induit est le champ magnétique résultant de l'interaction entre le champ magnétique induit et le champ inducteur. Ce phénomène décale l'axe des balais par rapport à leur position initiale.
• Elle peut être évitée par le décalage des balais et l'utilisation de pôles auxiliaires de commutation.

Inconvénient du décalage des balais

• L'inconvénient est que le décalage des balais n'est approprié que pour un courant donné. Si la puissance (et donc le courant) varie, le décalage des balais devrait également être ajusté, ce qui n'est pas pratique.

Résolution du problème par les pôles de commutation

• Les pôles auxiliaires sont disposés sur la culasse du générateur. Ils produisent un champ magnétique transversal de même valeur et opposé à la réaction transversale induite. Ils sont connectés en série pour garantir le même courant.

Utilisation de l'enroulement de compensation

• Il est utilisé dans les machines de forte puissance pour éliminer les distorsions du champ magnétique principal causées par le flux transversal.

Production du champ magnétique dans la dynamo

Le champ magnétique peut être produit de deux façons :

1. Par un aimant permanent.
2. Par des électro-aimants alimentés en courant continu (CC).

Quand utiliser chaque type ?

• L'aimant permanent est utilisé lorsque l'on souhaite un champ magnétique intense, très constant et sans réglage. Son usage est intéressant dans les petites dynamos.
• Lorsque l'on souhaite un champ magnétique d'excitation élevé et la possibilité de régulation, on utilise des bobines d'induction qui entourent les pièces polaires et sont alimentées par un courant continu.

Dynamo à excitation séparée : caractéristiques

• Définition : Le courant d'excitation alimentant l'inducteur est fourni par une source d'énergie externe.
• Avantage : Il est possible de régler le flux sortant du générateur via l'alimentation externe.
• Inconvénient : Une source de courant externe est nécessaire pour alimenter l'inducteur.

Auto-excitation et magnétisme résiduel des dynamos

• Auto-excitation : Le générateur produit lui-même l'énergie suffisante pour alimenter les électro-aimants inducteurs.
• Variétés : Dynamos à excitation shunt (dérivation), à excitation série et à excitation composée.
• Magnétisme résiduel : Magnétisme qui persiste dans le matériau du noyau magnétique des pièces polaires après la coupure du courant d'excitation.

Dynamo Shunt : Rhéostat et perte d'excitation

• Le rhéostat est utilisé pour réaliser un contrôle effectif sur la tension de sortie du générateur.
• L'excitation du générateur peut être perdue sous de très forts courants de charge car l'augmentation de la chute de tension dans la charge induit une diminution de la tension aux bornes, entraînant une réduction du courant d'excitation.

Enroulement d'excitation série : construction et inconvénients

• L'enroulement inducteur en série doit être construit avec peu de spires et de gros conducteurs car le courant qui le traverse est élevé (c'est le courant de charge total).
• Inconvénients :
  • Lorsque la machine fonctionne à vide, elle ne produit pas de tension, car le courant est nul.
  • Lorsque le courant de charge augmente beaucoup, le flux d'induction augmente également, ce qui fait que la tension aux bornes du générateur augmente aussi (régulation médiocre).

Excitation composée : définition et avantages

• Définition : C'est une dynamo dont l'excitation est provoquée par deux enroulements inducteurs indépendants : l'un disposé en série avec l'enroulement d'induit, et l'autre connecté en dérivation (shunt) avec le circuit formé par les enroulements d'induit, l'inducteur auxiliaire et l'inducteur série.
• Avantage : La tension fournie à la charge du générateur est beaucoup plus stable, quelle que soit la charge du système.

Essais pour étudier le comportement du générateur

1. Caractéristiques à vide.
2. Caractéristiques en charge.
3. Caractéristiques d'excitation ou de régulation.
4. Caractéristiques de court-circuit.
5. Caractéristiques externes.
6. Caractéristiques internes.

Éléments nécessaires pour les essais de générateurs

Pour effectuer les essais et tracer les courbes caractéristiques, les éléments suivants sont nécessaires :

• Moteur électrique avec réglage et contrôle de vitesse.
• Alimentation en courant continu (CC) réglable pour l'entraînement du moteur.
• Alimentation en courant continu (CC) réglable pour l'excitation de la dynamo.
• Instruments de mesure (voltmètres et ampèremètres) adaptés pour mesurer la tension et le courant dans les différents circuits.
• Un tachymètre pour mesurer la vitesse de la dynamo.
• Rhéostats pour réguler le courant d'induit ou d'excitation.