Génératrice - Institut Mermoz

GENERATRICE
Un conducteur non alimenté qui coupe les lignes d’un champ magnétique devient le siège d’un force
électromotrice induite (fem).
∆Φ
∆t
La valeur de cette fem (notée e) est égale à la valeur absolue de
Considérons l’expérience de la figure 1 ; un conducteur se déplace, sous l’action d’une force
mécanique d’entraînement, de la position 1 à la position 2.
Ce faisant, il coupe les lignes de champs d’un aimant permanent d’induction B.
La longueur l, comprise entre A et A’ (seule partie du conducteur baignée dans les lignes de force du
champ magnétique), se déplace de A vers B à une vitesse v, balayant alors une surface S = AA’.AB
en un temps t.
A’
A
B’
1
B
l
2
Fig 1
Fig 2
Nous pouvons écrire :
soit
Φ= B . S
Φ= B . AA’ . AB avec AA’ = l et AB = v . ∆t
∆Φ = B . v . ∆t . l
on obtient alors
e = ∆Φ = B.v.∆t.l = B.l.v
∆t
∆t
Donc e dépend, outre l’induction B, de la longueur de conducteur coupant les lignes de force
et de la vitesse à laquelle il le fait.
La génératrice est construite à partir de ce principe.
Une partie de la génératrice doit, comme l’aimant, générer Φ et une partie doit, comme le
conducteur, récupérer e.
La partie générant Φ dans notre expérience est un aimant permanent.
Il n’est pas possible par ce moyen de fournir un flux variable et nous allons voir que nous en avons
besoin.
En effet, une génératrice doit alimenter des équipements avions (en termes d’électricité, on les
appellera des charges).
Ces charges supportant assez mal les variations de tension, il faut concevoir une génératrice
fournissant e constant.
En reprenant les équations précédentes, on constate que la longueur du conducteur n’est pas aisément
variable, que v dépend de la vitesse d’entraînement du conducteur et que donc, pour obtenir e
constante, on jouera sur l’induction B.
Comment obtenir B, donc Φ, variable ?
On va pour cela créer le champ magnétique non pas en totalité avec un aimant permanent mais à
l’aide d’une bobine (fil enroulé autour d’un noyau magnétique, un tour de fil étant appelé spire).
Fig 3
Noyau magnétique et sa fixation sur la carcasse de la génératrice
On devrait se rappeler (si l’on est électricien) que l’induction pour une spire de rayon r est :
B = 4Π .10 − 7.µr. N.I (r, rayon de la spire ; le terme N.I est appelé ampères-tour)
2r
Φ pour une spire = B.S, pour N spires, Φ = B.S.N
En reprenant l’expression de B pour une bobine (solénoïde) constitué de N spires représentant une
longueur l,
Φ = 4Π .10
.µ . N
−7
r
soit très simplement compte tenu des termes constants :
Φ=k.I
2
l
S
.I
Nota :
le coefficient k est le coefficient d’auto-induction noté L.
Il est appelé INDUCTANCE dont l’unité est le Henry et dépend, des caractéristiques physiques de la bobine.et de la
perméabilité relative du milieu.
On écrit donc Φ = L . I
Nous allons donc pouvoir créer un flux d’intensité variable à l’aide d’une bobine
en faisant varier le courant I parcourant cette bobine.
Dans la génératrice, cette pièce fournissant le flux (donc présentant une induction) est appelée
inducteur.
De part la conception décrite (noyau fixé sur la carcasse, donc statique) la bobine est qualifiée de
stator.
Attention,l’inducteur (donc le générateur de champ magnétique), n’est pas toujours statorique.
En effet, dans l’expérience de la figure 1, le conducteur se déplace dans le champ d’un aimant
immobile (stator), mais on obtiendrait le même résultat en laissant le conducteur immobile et en
déplaçant l’aimant à la même vitesse.
L’inducteur ne serait donc plus statique.
Nous verrons dans l’étude de l’alternateur sans bagues, ni balais, que l’inducteur n’est pas
statorique.
Récupération de la tension induite
Dans l’expérience de la figure 1, la fem induite se développe dans le conducteur coupant les lignes
de champ magnétique.
Un seul conducteur donne une fem très faible, il va donc falloir multiplier les conducteurs et les
associer de telle manière que les fem de chacun s’additionnent afin de donner une fem correcte.
Il faut de plus prévoir un moyen simple de faire se déplacer ces conducteurs dans le champ
magnétique.
La technique retenue est de rassembler les conducteurs sur un tambour rotatif tournant dans le champ
magnétique.
Fig 4
H
Assemblage des conducteurs
L’assemblage des conducteurs chargés de recueillir la tension induite est appelé l’induit.
Le tambour sur lequel sont montés les conducteurs, entraîné en rotation par le moteur de l’aéronef,
est appelé rotor.
L’induit est donc ici rotorique, mais de même que le stator n’est pas toujours l’inducteur,
l’induit n’est pas toujours rotorique.
Fig 5
E
Collecteur
rotor
Charbons en contact avec
le collecteur afin de
récupérer E
stator
Schéma de la génératrice complète
Iex
H
Uex
FEM
Les bobines, alimentées par une tension d’excitation (Uex), sont parcourues par un courant
d’exitation (Iex) et délivre alors un champ magnétique (H) dans lequel se déplacent les conducteurs
du rotor, baignés dans un flux Φ.
On récupère à l’extrémité de ces conducteurs (par un système de collecteur et balais, voir Fig 5, que
nous passons sous silence pour l’instant), une FEM disponible pour alimenter les servitudes
(charges) de l’aéronef.
Pour la suite du cours (afin de ne pas encombrer les schémas) nous symboliserons la génératrice par
un seul inducteur et un cercle symbolisant le rotor (induit de fem E).
Iex
I
n
d
u
c
t
e
ur
E
L’ interconnexions des inducteurs avec l’ induit déterminent des génératrices
aux caractéristiques différentes.
Iex
Iex
Génératrice Série :
L’inducteur est en série avec l’induit.
Cette génératrice doit être connectée sur une charge
extérieure afin qu’un courant (Iex) circule dans
l’inducteur.
Elle n’est donc pas auto-amorçable.
Pas d’utilisation en aéronautique.
E
Génératrice Shunt (ou parallèle) :
Iex
E
L’inducteur est en parallèle avec l’induit.
Le rotor dès le début de la rotation délivre, à cause du
flux rémanent dans l’inducteur, une tension très faible.
Cependant, cette faible tension donne un petit courant
d’exitation ( Iex), et ce petit courant traversant
l’inducteur donne un flux venant renforcer le flux
rémanent.
La faible tension devient plus importante donnant de
ce fait un courant d’excitation plus important, donnant
un flux inducteur plus important et ainsi de suite.
Cette génératrice est donc auto-amorçable et c’est celle
utilisée en aéronautique.
Génératrice Compound :
E
C’est une composition des deux.
Elle n’est pas utilisée comme une simple génératrice
en aéronautique mais un système de commutation
permet, en aéronautique, de :
-connecter uniquement l’enroulement en série et de
faire travailler l’ensemble en moteur série c’est à dire
en démarreur électrique par exemple.
-connecter après le démarrage, l’enroulement shunt et
de faire travailler l’ensemble (alors entrainé par le
moteur avion) en génératrice shunt.
Cette association est connue sous le nom de généstarter.
REGULATION DE TENSION
Nous avons vu plus avant que nous pouvions faire varier la fem E récupérée sur l’induit, en créant un
flux variable dans l’inducteur, obtenu par variation du courant d’excitation [ selon la relation E =
k.n.N. Φ où, k constante, n nombre de tours/seconde du rotor, N nombres de conducteurs coupant les
lignes de flux, Φ flux inducteur proportionnel au courant traversant l’inducteur ayant une inductance
L déterminée par fabrication (Φ = L.Iex)].
L’induit est, comme l’inducteur, un bobinage de fil sur un support.
Le fil servant au bobinage ne présente pas une résistance nulle, mais une résistance r appelée
résistance interne du générateur E.
Ainsi le schéma équivalent d’une génératrice de fem E alimentant une charge externe (circuit avion)
de résistance R se représente comme ci-dessous.
I
E
E
r
rI
U= E-rI
U=RI
R
On peut donc écrire : U= E- rI c’est à dire que la tension de la génératrice au travail devient d’autant
plus faible que l’on lui demande de fournir un courant important.
Sur le plan réalisation de l’ensemble, il faudra essayer d’avoir r mini.
Nous voulons cependant garder U constant quelque soit I (dans une certaine limite bien sûr).
Comme r est lié au fabricant et que l’on ne peut pas le diminuer indéfiniment, il ne nous reste plus
qu’une solution : augmenter E afin de compenser rI.
Iex
E
R
r
Ceci sera réalisé en augmentant Iex afin d’augmenter le flux inducteur (Φ) qui permettra
d’augmenter E f( n.N. Φ).
Comme I consommé par les charges varie souvent, il faut trouver le moyen de faire varier Iex chaque
fois que U varie sachant que si U diminue, il faut augmenter Iex.
Ceci est le rôle du régulateur de tension.
Le régulateur de tension peut prendre plusieurs formes mais le principe reste toujours le même.
Il comprend une entrée reliée à la sortie génératrice afin de mesurer la tension de sortie de celle-ci.
Il possède également une valeur de consigne (valeur de la tension U constante désirée).
Il possède aussi un élément comparateur (mécanique ou électronique) faisant varier Iex en agissant
sur un élément dont la conductibilité varie chaque fois que Usortie s’écarte de Uconsigne.
Cet élément est soit une résistance variable, soit un ensemble transistorisé (cas le plus fréquent de
nos jours).
Iex
1 – mesure de la tension
génératrice
+
1
2- Réglage de la tension de sortie
3
2
3- Signal d’erreur pilotant le
courant d’exitation
Iex
E
U géné
R
r
Consigne
Donc, afin de délivrer une tension régulée, le courant d’exitation est prélevé sur la sortie génératrice
(l’induit) et il traverse l’inducteur et l’élément variable du régulateur de tension chargé de le moduler
en fonction des fluctuations de la tension de sortie.
Schéma de la génération King 200
On y voit le régulateur de tension ( DC GEN CONTROL UNIT), les entrées tension de consigne (
BUS VOLTAGE SENSE) et de mesure de la tension de sortie de la génératrice ( GEN VOLTAGE
SENSOR).
La ligne Excitation est parcourue par le courant d’excitation dont la valeur est ajustée par le
régulateur.
Le courant via le relais d’excitation parcourt l’inducteur délivrant un flux f(Iex) .
Le reste des éléments n’intéresse pas ce court.