Les générateurs

(génératrices ou électromoteurs)

Éclairage Et Installation Électriques 1961

L'industrie moderne consomme une immense quantité d'énergie électrique, qu'elle produit au moyen d'énormes générateurs. En réalité, ces génératrices — machines à induction — sont des pompes refoulantes d'électricité, qui la répartissent dans tout le réseau de distribution.

Quoique le principe des générateurs soit simple — il s'agit ni plus ni moins que de machines à self-induction — leur agencement est parfois assez complexe.

CONSTRUCTION DES GÉNÉRATEURS

La génératrice ou dynamo étant un appareil à self-induction, il lui faut d'abord un champ magnétique. La fig. 21 illustre le champ le plus simple que puisse comporter un générateur.

Fig. 21.— Champ simple d'une dynamo, c'est-à-dire d'un appareil générateur de courant électrique.

Il consiste en deux électro-aimants montés sur une culasse (yoke) en fer. Les enroulements de ces électro-aimants sont disposés de façon à constituer des pôles d'électricité contraire N et S (nord et sud).

Remarquez que le circuit magnétique est entièrement en fer, sauf le centre, entre les pôles, qu'on nomme entrefer. La culasse, ses pôles, les enroulements et le champ magnétique qu'ils créent constituent le circuit primaire.

Le circuit secondaire est une bobine enroulée sur un noyau de fer. Le noyau et ses enroulements montés sur un axe de rotation (shaft) constituent l'induit (armature). (Fig. 22).

Fig. 22.— Cette partie d'un générateur s'appelle l'induit (armature).

Cet induit s'emboîte entre les pôles de la fig. 21 et complète ainsi le générateur.

FONCTIONNEMENT DES GÉNÉRATEURS

La culasse de la génératrice est fixe, de même que son champ magnétique.

Mais l'axe de l'induit est entraîné par une force mécanique extérieure, et pendant sa rotation, les fils de la bobine interceptent le flux du champ magnétique, induisant un voltage. Toutes les génératrices fonctionnent selon ce même principe, et comportent trois éléments principaux:

1° Le champ magnétique produit par les électro-aimants ;

2° La force motrice extérieure faisant tourner l'induit de la génératrice ;

3° L'induit lui-même déplaçant une bobine de fil dans le champ magnétique, et engendrant ainsi un potentiel d'induction — une FEM.

Pour mieux comprendre l'action de l'induit, dépouillons-en le noyau de fer de la bobine qui l'entoure. La fig. 23 illustre une révolution complète du noyau à l'intérieur du champ magnétique, prise à 4 stades différents.

Fig. 23.— Effet que produit une révolution complète de l'induit entre les pôles d'un générateur, c'est-à-dire dans un champ magnétique.

Dans la position A, l'induit ne produit aucun potentiel — comme l'indique le galvanomètre marquant un voltage de zéro — parce que le noyau n'intercepte pas le champ.

Mais comment le noyau peut-il se mouvoir dans un champ magnétique sans en interrompre aucune ligne de force ?

 Tout simplement dans une direction parallèle à ces lignes de force.

Remarquez, dans l'illustration A, que les deux sections du noyau circulent en ligne droite, entre les pôles. Dans un tel mouvement, les fils conducteurs de la bobine glissent entre les lignes de force, sans les interrompre.

Plus tard, la bobine a tourné d'un quart de tour, et pris la position B. Le côté noir du noyau intercepte le champ magnétique en descendant et induit un voltage vers l'extérieur.

Le côté blanc le coupe en remontant, et induit un voltage vers l'intérieur. D'où réaction du galvanomètre connecté aux deux pôles du circuit.

Bien que les deux voltages induits soient de courants contraires, il est intéressant de noter que le voltage total de la bobine se résout dans l'addition des deux courants.

Suivons le chemin du potentiel dans la bobine: les deux flèches qui en marquent la direction sont bien dans le sens de notre parcours, ce qui signifie vraiment que les deux potentiels collaborent à renforcer le courant.

Tournant encore de 90°, le noyau, dans l'illustration C, est rendu à un demi-tour de sa position initiale. Et tout comme en A les sections du noyau circulent parallèlement aux lignes de force, et n'induisent donc aucun potentiel (voltage).

En D, la position du noyau est l'inverse de B. Maintenant, la section noire du noyau intercepte les lignes de force vers le haut ; elle induit un potentiel dirigé vers l'intérieur. La section blanche les traverse vers le bas et induit un potentiel vers l'extérieur.

Notez bien que le courant du noyau se dirige maintenant en sens inverse de celui de la position B. Mais cela est loin de vous embrouiller, car vous savez déjà qu'en inversant l'interception des lignes de force, vous renversez en même temps le sens du potentiel d'induction.

Vous venez d'assister à une révolution complète de la bobine. Deux faits sont à retenir. D'abord, c'est qu'il y a deux angles de révolution où la bobine se déplace parallèlement au champ et où le potentiel est nul. On appelle ces positions plans neutres du générateur. (Dans l'appareil précédent, qui n'a que deux pôles, le plan neutre est à mi-chemin entre les pôles.)

Ensuite, durant la moitié d'une révolution, le potentiel d'induction circule dans un seul sens, inverse du sens horaire. Durant l'autre moitié du tour, le potentiel d'induction circule dans la direction opposée, soit dans le sens horaire.

Moitié dans un sens, moitié dans l'autre. Cette expression n'évoque-t-elle rien en vous ? Mais oui ... en effet, nous voici bien en face d'un courant alternatif !

LE COLLECTEUR

II est certain que les bobines qui accomplissent une rotation produisent toujours un courant alternatif.

Mais retournons à la fig. 23 et vérifions les lectures du galvanomètre pour confirmer ce fait. En B ou en D, la déviation a lieu vers la droite. Ceci indique qu'un courant continu sort de la bobine.

Mais pourquoi donc avons-nous un courant alternatif à l'intérieur et un courant continu à l'extérieur ? Tout simplement parce que le courant alternatif a été rectifié, c'est-à-dire rendu continu par le collecteur.

Examinons les bornes de la bobine dans la fig. 23. Chaque borne est connectée à la moitié d'une bague en cuivre. Ces deux moitiés de l'anneau de cuivre, rassemblées, forment le collecteur.

Regardez bien comment ce dernier est relié au circuit extérieur (au galvanomètre). Sur les deux moitiés, ou mieux sur les deux segments du connecteurs frottent deux blocs de carbone, appelés balais.

 Le balai et le collecteur relient la bobine en rotation au galvanomètre immobile. Sans balais ni collecteurs, les fils émanant de la bobine se tordraient après quelques révolutions seulement.

Voilà la raison d'être du couple collecteur-balai: il fournit un contact par glissement entre l'induit rotatif et le circuit d'utilisation, qui est fixe.

Mais comment le collecteur rectifie-t-il le courant?

Eh bien, voici:

appelons négatif le balai par où le courant s'échappe de la bobine, et positif celui par où le courant y retourne.

Suivons maintenant les diverses phases A, B, C et D de la rotation de la bobine, en fig. 23. Le segment du collecteur par où le courant sort est toujours en contact avec le balai négatif.

Et le segment par où le courant pénètre communique toujours avec le balai positif. Autrement dit, la bobine en rotation renverse son courant et fait tourner avec elle ses segments.

À l'instant où la bobine entre dans le plan neutre, le courant se renverse, et les segments inversent les connexions aux balais.

Voilà une autre fin importante du collecteur: il rectifie le courant alternatif produit, et livre un courant continu au circuit extérieur.

BAGUES COLLECTRICES

Au lieu de connecter une bobine rotatoire à un collecteur, l'on peut relier chaque borne de la bobine à une bague collectrice, en métal malléable et bon conducteur. Les balais frottant sur ces bagues collectrices recueilleront alors un courant alternatif et le communiqueront au circuit extérieur.

La fig. 24 illustre une bobine rotatoire avec bagues collectrices à même.

Fig. 24.— Bobine rotatoire avec bague collectrice à même.

En A, la bobine est dans le plan neutre et n'induit aucun potentiel. En B, la bobine est à angle droit avec les lignes de force. Le potentiel induit du côté noir de la bobine se dirige vers l'extérieur.

Du côté blanc, il pénètre à l'intérieur. Ici la bague blanche est donc positive et la bague noire, négative.

Dans la phase C, la bobine retourne dans un plan neutre.

En D, la bobine coupe à nouveau les lignes de force à angle droit. Toutefois, le voltage ou potentiel induit du côté noir de la bobine se dirige maintenant vers l'intérieur, et du côté blanc, il se déplace vers l'extérieur.

La bague blanche devient donc négative et la noire, positive. L'on voit donc qu'au cours de la moitié de la révolution, la bague blanche est positive, tandis que durant l'autre moitié, elle devient négative.

La réciproque a lieu dans la bague noire. Par la suite, le courant du circuit extérieur s'inverse à chaque fois que le courant de la bobine s'inverse, c'est-à-dire chaque fois que la bobine passe par le plan neutre.