Grande Encyclopédie Larousse 1971-1976Éd. 1971-1976
G

générateur électrique (suite)

Force électromotrice d’une dynamo

Soit 2p le nombre de pôles, 2a le nombre de voies d’enroulement, N le nombre total de conducteurs actifs, Ф le flux utile émis par un pôle, ω la vitesse angulaire de rotation (en rd/s). Considérons une rotation de l’induit égale à un pas polaire. Chaque conducteur s’est déplacé de 2π/2p rd. Il a coupé, au cours de son mouvement, tout le flux utile Ф pendant le temps

que dure cette rotation. Il est donc le siège d’une f. e. m.

Chaque voie comporte N/2a conducteurs actifs. La f. e. m. d’une voie — donc aussi celle de la machine —, toutes les voies étant en parallèle, est ainsi

On peut remarquer que représente le nombre n de tours par seconde, d’où

Pour une machine bipolaire p = a = 1, E = N n Ф.


Rendement d’une dynamo

La loi de Lenz indique qu’un courant induit s’oppose, par ses effets, à la cause qui lui a donné naissance. Le courant débité par la dynamo est donc à l’origine d’une force électrique freinant la rotation de l’induit. Pour maintenir cette rotation, il faut fournir à la machine une puissance mécanique W. Soit W′ la puissance débitée par la dynamo dans le circuit récepteur. Nous appellerons rendement de la dynamo le rapport

Ce rapport est inférieur à 1, car il y a des pertes d’énergie dues :
1o à l’effet Joule dans l’enroulement d’induit ;
2o à l’effet Joule produit par les courants de Foucault dans le fer de l’induit ;
3o à l’échauffement par hystérésis du fer de l’induit soumis au champ variable du courant induit, dont le sens s’inverse dans chaque conducteur actif au cours de la rotation ;
4o à l’échauffement par frottement des différentes pièces mécaniques ;
5o à la ventilation rendue nécessaire par ces dégagements de chaleur.

Dans une dynamo bien construite, l’ensemble de ces pertes est assez faible pour que le rendement atteigne 0,85 et même 0,95 pour les très grosses machines.


Réaction d’induit

Le courant induit crée un champ qui, en se composant avec le champ inducteur, déforme les lignes d’induction dans l’entrefer (fig. 9). L’augmentation de l’excitation sous la corne de sortie ne fait guère augmenter le champ du fait de la saturation. Par contre, la réduction correspondante sous la corne d’entrée réduit la valeur totale du flux utile. Il en résulte une diminution de la tension lorsque la dynamo débite un courant intense. De plus, la ligne neutre se déplace dans le sens de la rotation, et la tension induite n’est plus nulle dans la section en commutation. Il en résulte des étincelles qui risquent de détériorer rapidement le collecteur. Pour éviter cet inconvénient, on munit parfois les grosses machines d’un enroulement « de compensation ». Cet enroulement, réalisé sur les épanouissements polaires, parallèlement aux brins actifs, crée une nappe de courant identique à celle de l’induit. Il suffit alors de faire parcourir cet enroulement par le courant induit pour que les effets magnétiques des deux nappes s’annulent.


Commutation

Des étincelles dangereuses apparaissent aux balais d’une dynamo lorsque celle-ci est fortement chargée (même après compensation de la réaction d’induit). On peut expliquer ce défaut de commutation : lorsqu’un balai entre en contact avec deux lames du collecteur (fig. 8, lames I et II par exemple), on se trouve en présence d’une spire fermée (brins 1 et 8) dans laquelle le courant doit changer de sens. Si le courant est intense, prend naissance dans la spire une f. e. m. d’auto-induction qui crée une surtension dangereuse entre les lames du collecteur lorsque le balai quitte l’une d’elles. Pour réduire cette f. e. m., on ajoute entre les pôles principaux de l’inducteur des pôles auxiliaires (pôles de commutation) très étroits, dont les bobines magnétisantes sont parcourues par le courant induit (fig. 10). Le but de cette opération est de créer dans la section en commutation une f. e. m. de sens opposé à la précédente afin de rétablir une commutation correcte.

Dans les machines de puissance moyenne (quelques kilowatts), l’introduction de pôles de commutation apporte, en charge, une correction de la répartition du flux qui suffit à supprimer les effets les plus gênants de la réaction d’induit. Ainsi, pratiquement toutes les machines actuelles comportent des pôles de commutation ; seules les machines soumises à des variations brutales de charge comportent un enroulement de compensation.


Excitation des dynamos

Le courant traversant l’enroulement inducteur (courant d’excitation) peut provenir soit d’une source extérieure (excitation séparée), soit de la machine elle-même (auto-excitation). Dans ce cas, deux montages sont possibles. L’excitation shunt ou dérivation (fig. 11) est beaucoup plus utilisée que l’excitation série (fig. 12). Dans les deux cas, le rhéostat permet de régler la f. e. m. de la machine. Le montage « compound » permet de compenser assez bien la chute de tension qui apparaît lorsqu’on charge une dynamo dérivation (fig. 13).


Autres types de générateurs

Les besoins de l’industrie aérospatiale ont provoqué le développement de nouveaux types de générateurs statiques.


Générateurs thermo-électriques

Un générateur thermo-électrique élémentaire est constitué de deux barreaux de semi-conducteurs n et p reliés entre eux par des conducteurs métalliques (fig. 14). Les jonctions métal - semi-conducteur sont maintenues alternativement à une température élevée (source chaude) et à une température basse (source froide). Le fonctionnement d’un tel système est complexe et fait intervenir des processus thermodynamiques irréversibles. Remarquons simplement qu’une partie de la chaleur empruntée à la source chaude par le système est convertie en énergie électrique. La f. e. m. d’un tel dispositif est très faible, mais il est facile d’en mettre en série un grand nombre. Les générateurs thermo-électriques réalisés actuellement utilisent les couples PbTe (n) et BiTe (p) ou PbTe (n) et SbTe (p). Les rendements obtenus avoisinent 10 p. 100. Les puissances mises en jeu atteignent le kilowatt. La source chaude peut être constituée d’un brûleur à gaz ou à hydrocarbure, ou bien d’un radio-isotope.