Comment fonctionnent les générateurs AC et DC ?

Le terme "génération" en génie électrique vient de la langue latine. Cela signifie "naissance". Concernant l'énergie, on peut dire que les générateurs sont des appareils techniques qui génèrent de l'électricité.

Dans ce cas, il convient de noter que le courant électrique peut être produit en convertissant différents types d'énergie, par exemple :

• chimique;

• lumière;

• thermique et autres.

Historiquement, les générateurs sont des structures qui convertissent l'énergie cinétique de rotation en électricité.

Selon le type d'électricité produite, les générateurs sont :

1. courant continu ;

2. variables.

Le principe de fonctionnement du générateur le plus simple

Les lois physiques qui permettent de créer des installations électriques modernes de production d'électricité par transformation d'énergie mécanique ont été découvertes par les scientifiques Oersted et Faraday.

Toute conception de générateur s'applique principe de l'induction électromagnétiquelorsqu'il y a une induction d'un courant électrique dans un cadre fermé en raison de son intersection avec un champ magnétique tournant qui est créé aimants permanents dans des modèles simplifiés pour un usage domestique ou des bobines d'excitation sur des produits industriels à puissance accrue.

Lorsque vous tournez la lunette, l'amplitude du flux magnétique change.

La force électromotrice induite dans la boucle dépend de la vitesse de variation du flux magnétique pénétrant dans la boucle en boucle fermée S et est directement proportionnelle à sa valeur. Plus le rotor tourne vite, plus la tension générée est élevée.

Afin de créer une boucle fermée et d'en détourner le courant électrique, il a fallu créer un collecteur et un balai qui assurent un contact constant entre le cadre tournant et une partie fixe du circuit.

En raison de la construction de balais à ressort pressés contre les plaques collectrices, le courant électrique est transmis aux bornes de sortie et passe de celles-ci au réseau du consommateur.

Le principe de fonctionnement du générateur de courant continu le plus simple

Lorsque le cadre tourne autour de l'axe, ses moitiés gauche et droite tournent autour des pôles sud ou nord des aimants. Chaque fois qu'il y a en eux un changement de sens des courants en sens inverse, de sorte qu'à chaque pôle ils circulent dans un sens.

Pour créer un courant continu dans le circuit de sortie, un demi-anneau est créé au nœud collecteur pour chaque moitié de la bobine. Les balais adjacents à l'anneau retirent le potentiel uniquement de leur signe : positif ou négatif.

Le demi-anneau du cadre tournant étant ouvert, des moments y sont créés lorsque le courant atteint sa valeur maximale ou est absent. Afin de maintenir non seulement la direction, mais également une valeur constante de la tension générée, le cadre est fabriqué selon une technologie spécialement préparée:

• il n'utilise pas une bobine, mais plusieurs - en fonction de l'amplitude de la tension prévue ;

• le nombre de trames n'est pas limité à une copie : on essaie d'en faire un nombre suffisant pour maintenir de manière optimale la chute de tension au même niveau.

Dans le générateur de courant continu, les enroulements du rotor sont situés dans les fentes circuit magnétique… Cela permet de réduire la perte du champ électromagnétique induit.

Caractéristiques de conception des générateurs CC

Les principaux éléments de l'appareil sont:

• cadre d'alimentation externe ;

• pôles magnétiques;

• stator;

• rotor tournant;

• bloc interrupteur avec balais.

Châssis en alliages d'acier ou en fonte pour donner une résistance mécanique à l'ensemble de la structure. Une tâche supplémentaire du boîtier est de transférer le flux magnétique entre les pôles.

Pôles d'aimants fixés au corps avec des broches ou des boulons. Une bobine est montée dessus.

Un stator, également appelé culasse ou squelette, est constitué de matériaux ferromagnétiques. La bobine de la bobine d'excitation est placée dessus. Noyau de stator équipé de pôles magnétiques formant son champ magnétique.

Rotor a un synonyme : ancre. Son noyau magnétique est constitué de plaques laminées qui réduisent la formation de courants de Foucault et augmentent l'efficacité. Les enroulements de rotor et/ou d'auto-excitation sont posés dans les canaux du noyau.

Un nœud de commutation à balais, il peut avoir un nombre différent de pôles, mais est toujours un multiple de deux. Le matériau de la brosse est généralement du graphite. Les plaques collectrices sont en cuivre, le métal le plus optimal adapté aux propriétés électriques de conduction du courant.

Grâce à l'utilisation d'un interrupteur, un signal pulsé est généré aux bornes de sortie du générateur de courant continu.

Les principaux types de constructions de générateurs à courant continu

Selon le type d'alimentation de la bobine d'excitation, on distingue les appareils :

1. avec auto-excitation ;

2. fonctionnant sur la base de l'inclusion indépendante.

Les premiers produits peuvent :

• utiliser des aimants permanents ;

• ou fonctionner à partir de sources externes, par exemple des batteries, des éoliennes...

Les générateurs à commutation indépendante fonctionnent à partir de leur propre enroulement, qui peut être connecté :

• séquentiellement ;

• shunts ou excitation parallèle.

L'une des options pour une telle connexion est illustrée dans le diagramme.

Un exemple de générateur de courant continu est une conception qui était souvent utilisée dans l'ingénierie automobile dans le passé. Sa structure est la même que celle d'un moteur à induction.

De telles structures collectrices peuvent fonctionner simultanément en mode moteur ou générateur. De ce fait, ils se sont généralisés dans les véhicules hybrides existants.

Processus de formation d'ancre

Cela se produit en mode veille lorsque la pression de la brosse est mal réglée, créant un mode de friction sous-optimal. Cela peut entraîner une réduction des champs magnétiques ou un incendie dû à une augmentation des étincelles.

Les moyens de réduire sont :

• compensation des champs magnétiques en connectant des pôles supplémentaires ;

• réglage du décalage de la position des balais collecteurs.

Avantages des générateurs CC

Ils comprennent:

• sans pertes dues à l'hystérésis et à la formation de courants de Foucault ;

• travailler dans des conditions extrêmes;

• poids réduit et petites dimensions.

Le principe de fonctionnement de l'alternateur le plus simple

À l'intérieur de cette conception, les mêmes détails sont utilisés que dans l'analogue précédent :

• champ magnétique;

• cadre tournant;

• bloc collecteur avec balais de vidange de courant.

La principale différence réside dans la conception de l'ensemble collecteur, qui est conçu de sorte que lorsque le cadre tourne à travers les brosses, le contact est constamment établi avec la moitié du cadre sans changer cycliquement leur position.

Par conséquent, le courant, qui change selon les lois des harmoniques dans chaque moitié, est transféré complètement inchangé aux balais, puis à travers eux au circuit consommateur.

Naturellement, le cadre est créé en enroulant non pas d'un tour, mais un nombre calculé d'entre eux pour obtenir la tension optimale.

Ainsi, le principe de fonctionnement des générateurs CC et CA est commun et les différences de conception résident dans la production de :

• ensemble collecteur à rotor rotatif ;

• configuration d'enroulement du rotor.

Caractéristiques de conception des alternateurs industriels

Considérez les pièces principales d'un générateur à induction industriel dans lequel le rotor reçoit un mouvement de rotation d'une turbine à proximité. La construction du stator comprend un électroaimant (bien que le champ magnétique puisse être créé par un ensemble d'aimants permanents) et un enroulement de rotor avec un certain nombre de tours.

Une force électromotrice est induite dans chaque boucle, qui s'additionne successivement dans chacune d'elles et forme aux bornes de sortie la valeur totale de la tension fournie au circuit d'alimentation des consommateurs connectés.

Pour augmenter l'amplitude de la FEM à la sortie du générateur, une conception spéciale du système magnétique est utilisée, composée de deux circuits magnétiques grâce à l'utilisation de nuances spéciales d'acier électrique sous forme de plaques laminées à canaux. Des bobines sont installées à l'intérieur.

Dans le boîtier du générateur, il y a un noyau de stator avec des canaux pour accueillir une bobine qui crée un champ magnétique.

Le rotor tournant sur paliers possède également un circuit magnétique à fentes à l'intérieur duquel est montée une bobine qui reçoit une force électromotrice induite. Habituellement, la direction horizontale est choisie pour l'axe de rotation, bien qu'il existe des générateurs avec une disposition verticale et la conception correspondante des roulements.

Un jeu est toujours créé entre le stator et le rotor, ce qui est nécessaire pour assurer la rotation et éviter les blocages. Mais en même temps, il y a une perte d'énergie d'induction magnétique. Par conséquent, ils essaient de le rendre aussi petit que possible, en tenant compte des deux exigences de manière optimale.

Situé sur le même arbre que le rotor, l'excitateur est un générateur de courant continu de relativement faible puissance. Son but : fournir de l'électricité aux enroulements d'un groupe électrogène dans un état d'excitation indépendante.

De tels excitateurs sont le plus souvent utilisés avec des conceptions de turbines ou de générateurs hydrauliques lors de la création d'une méthode d'excitation primaire ou de secours.

La photo d'un générateur industriel montre la disposition des bagues collectrices et des balais pour capter les courants d'une structure de rotor en rotation. Pendant le fonctionnement, cet appareil est soumis à des contraintes mécaniques et électriques constantes. Pour les surmonter, une structure complexe est créée, qui pendant le fonctionnement nécessite des contrôles périodiques et des mesures préventives.

Pour réduire les coûts d'exploitation générés, une technologie alternative différente est utilisée qui utilise également l'interaction entre les champs électromagnétiques tournants. Seuls des aimants permanents ou électriques sont placés sur le rotor et la tension est supprimée de la bobine fixe.

Lors de la création d'un tel circuit, une telle structure peut être appelée le terme «alternateur». Il est utilisé dans les générateurs synchrones : haute fréquence, automobiles, locomotives diesel et navires, installations de centrales électriques pour la production d'électricité.

Caractéristiques des générateurs synchrones

Principe de fonctionnement

Le nom et la particularité de l'action résident dans la création d'une liaison rigide entre la fréquence de la force électromotrice alternative induite dans l'enroulement du stator «f» et la rotation du rotor.

Un enroulement triphasé est monté dans le stator et sur le rotor se trouve un électroaimant avec un noyau et un enroulement d'excitation alimenté par des circuits à courant continu via un collecteur à balais.

Le rotor est entraîné en rotation par une source d'énergie mécanique - un moteur d'entraînement à la même vitesse. Son champ magnétique fait le même mouvement.

Des forces électromotrices de même amplitude mais décalées de 120 degrés en direction sont induites dans les enroulements du stator, créant un système symétrique triphasé.

Lorsqu'ils sont connectés aux extrémités des enroulements des circuits consommateurs, des courants de phase commencent à agir dans le circuit, qui forment un champ magnétique tournant de la même manière : de manière synchrone.

La forme du signal de sortie de la FEM induite ne dépend que de la loi de distribution du vecteur d'induction magnétique dans l'entrefer entre les pôles du rotor et les plaques du stator. Par conséquent, ils cherchent à créer une telle conception lorsque l'amplitude de l'induction change selon une loi sinusoïdale.

Lorsque l'écart est constant, le vecteur de flux à l'intérieur de l'écart est trapézoïdal, comme le montre le graphique linéaire 1.

Cependant, si la forme des franges aux pôles est corrigée pour être biaisée en modifiant l'écart à la valeur maximale, il est alors possible d'obtenir une forme sinusoïdale de la distribution comme indiqué à la ligne 2. Cette technique est utilisée dans la pratique.

Circuits d'excitation pour générateurs synchrones

La force magnétomotrice apparaissant sur l'enroulement d'excitation du rotor «OB» crée son champ magnétique. Pour cela, il existe différentes conceptions d'excitatrices CC basées sur :

1. mode de contact ;

2. méthode sans contact.

Dans le premier cas, un générateur séparé appelé excitateur « B » est utilisé. Sa bobine d'excitation est alimentée par une génératrice supplémentaire selon le principe de l'excitation parallèle, appelée excitatrice « PV ».

Tous les rotors sont situés sur un arbre commun. Par conséquent, ils tournent exactement de la même manière. Les rhéostats r1 et r2 sont utilisés pour réguler les courants dans les circuits d'excitation et d'amplification.

Avec la méthode sans contact, il n'y a pas de bagues collectrices sur le rotor. Un enroulement d'excitation triphasé est monté directement dessus. Il tourne de manière synchrone avec le rotor et transmet le courant électrique continu à travers le redresseur co-rotatif directement à l'enroulement d'excitation «B».

Les types de circuits sans contact sont :

1. système d'auto-excitation à partir du propre enroulement du stator ;

2. schéma automatisé.

Dans la première méthode, la tension des enroulements du stator est envoyée au transformateur abaisseur, puis au redresseur à semi-conducteur «PP», qui génère du courant continu.

Avec cette méthode, l'excitation initiale est créée en raison du phénomène de magnétisme résiduel.

Le schéma automatique de création d'auto-excitation implique l'utilisation de:

• transformateur de tension TT ;

• régulateur d'excitation automatisé ATS ;

• transformateur de courant TT ;

• redresseur TT ;

• convertisseur à thyristor TP ;

• bloc de protection BZ.

Caractéristiques des générateurs asynchrones

La principale différence entre ces conceptions est l'absence de relation rigide entre la vitesse du rotor (nr) et la FEM induite dans la bobine (n). Il y a toujours une différence entre eux, qui s'appelle "slip". Il est désigné par la lettre latine "S" et s'exprime par la formule S = (n-nr) / n.

Lorsque la charge est connectée au générateur, un couple de freinage est créé pour faire tourner le rotor. Il affecte la fréquence de l'EMF généré, crée un glissement négatif.

La construction du rotor pour les générateurs asynchrones est faite :

• court-circuit;

• phase;

• creux.

Les générateurs asynchrones peuvent avoir :

1. excitation indépendante;

2. auto-excitation.

Dans le premier cas, une source de tension alternative externe est utilisée, et dans le second, des convertisseurs à semi-conducteurs ou des condensateurs sont utilisés dans les types de circuits primaires, secondaires ou les deux.

Ainsi, les alternateurs et les générateurs de courant continu ont beaucoup en commun dans les principes de construction, mais diffèrent dans la conception de certains éléments.