Conception d’un Générateur à Courant Continu à Aimants Permanents
Le générateur à courant continu est une machine électrique qui convertit l’énergie mécanique sous forme de mouvement, en énergie électrique sous forme de tension et de courant continu en utilisant les principes de l’induction magnétique. La tension et le courant produits par un générateur à courant continu spécifique dépendent de la vitesse de son arbre (tr/min) et de la charge électrique qui y est connectée.
La vitesse de l’arbre requise pour atteindre une tension de sortie particulière est déterminée par la charge. Plus la charge est légère, plus le tr/min nécessaire pour atteindre la tension spécifiée est bas. Ainsi, les générateurs à courant continu à faible tr/min sont un choix populaire pour une utilisation dans les systèmes de charge de batteries éoliennes et hydrauliques.
Le générateur à courant continu obtient son énergie de mouvement des pales de turbine éolienne ou hydraulique attachées à son arbre rotor. La plupart des générateurs à courant alternatif sont conçus pour tourner trop vite pour être couplés directement à ces pales de turbine, donc des réducteurs ou des systèmes de poulies sont utilisés pour augmenter la vitesse des générateurs à courant alternatif.
Cependant, les réducteurs de vitesse sont des éléments mécaniques complexes nécessitant un bon alignement mécanique et une lubrification pour un fonctionnement fiable, donc les générateurs à courant continu à faible tr/min sont idéaux pour ce type d’application.
La manière de générer de l’électricité en courant continu est de faire tourner une bobine à l’intérieur d’un champ magnétique de manière à ce que les lignes de force magnétique générées par le champ magnétique soient coupées par la bobine tournante. Nous savons depuis l’école que les aimants ont deux pôles, nord et sud, et que le flux magnétique émerge du pôle nord et revient au pôle sud.
Dans un générateur à courant continu, nous pouvons réaliser ce circuit magnétique de deux manières. Premièrement, en réintroduisant une partie de l’énergie de sortie du générateur dans ses propres bobines de champ pour créer un électroaimant qui peut être contrôlé précisément, ou deuxième option, en utilisant des aimants permanents pour générer le flux magnétique plutôt que d’utiliser un courant dans une bobine de fil.
L’avantage des aimants permanents est qu’aucune alimentation de champ n’est nécessaire, car le champ magnétique est excité de manière permanente, réduisant ainsi les coûts. Cela signifie également qu’il n’y a pas de perte de puissance I2R dans le bobinage du champ magnétique, ce qui contribue à augmenter l’efficacité des générateurs.
La théorie magnétique nous enseigne qu’une tension est induite dans une bobine de fil en raison de l’action du générateur. L’action du générateur est basée sur la loi d’induction électromagnétique de Faraday selon laquelle une bobine rectangulaire à N spires tourne dans un champ magnétique uniforme. Les aimants et les bobines au sein d’un générateur à courant continu sont configurés de manière à ce que le flux magnétique passe à travers les bobines de fil électrique, reliant ainsi les circuits magnétique et électrique.
Tous les générateurs à courant continu comprennent deux parties, une partie appelée le “stator”, car elle est stationnaire, et l’autre partie qui se déplace ou tourne appelée le “rotor”. En général, pour un design de générateur à courant continu, le champ magnétique est sur le stator et les enroulements de bobine de génération d’énergie sont sur le rotor.
Les générateurs à courant continu fonctionnent en faisant passer les bobines à travers les aimants (ou les aimants à travers les bobines), l’énergie électrique générée étant prélevée directement sur le rotor, communément appelé “armature” dans une machine à courant continu, via des balais en carbone, le champ magnétique, qui contrôle la puissance, étant fourni par des aimants permanents, ce qui est généralement appelé un générateur à courant continu à aimants permanents, ou par des bobines enroulées formant un électroaimant, créant ainsi un générateur à courant continu à enroulement de champ.
Les bobines d’armature tournantes traversent ce champ magnétique stationnaire, ou statique, qui génère à son tour un courant électrique dans les bobines. Lorsque la bobine de l’armature est adjacente à la direction du flux magnétique du stator, une tension maximale est induite dans la bobine, car le plus grand nombre de lignes de force magnétique est coupé par la bobine.
Au fur et à mesure que l’armature se déplace, sa bobine devient perpendiculaire au flux magnétique du stator, et aucune ligne de force magnétique n’est coupée, donc la tension induite est nulle à cet instant. Ensuite, au fur et à mesure que l’armature du générateur tourne dans un cycle infini, ses bobines coupent constamment les lignes de flux magnétique et une tension continue en courant alternatif est induite en elles. Ce processus est connu sous le nom d’”induction électromagnétique”.
Dans un générateur à courant continu, alors que l’armature effectue une rotation complète de 360o, le courant généré doit passer par ce qu’on appelle un collecteur qui est construit à partir d’un anneau en cuivre divisé en segments avec un matériau isolant entre chaque segment. Un arrangement de balais en carbone en contact avec les segments du collecteur transporte l’énergie électrique vers les bornes de sortie comme montré.
Construction du Générateur à Courant Continu
Les segments du collecteur dans un générateur à courant continu remplacent les bagues de glissement continues des générateurs à courant alternatif et constituent la principale différence dans leur construction. Le collecteur inverse mécaniquement les connexions de la bobine d’armature au circuit externe, produisant une tension pulsée. La tension de sortie est pulsée car elle ne “s’allume” ni ne “s’éteint”, mais elle ne reverse jamais sa polarité, contrairement aux tensions et courants à courant alternatif. Ainsi, puisque la polarité aux bornes du générateur reste constante, la tension de sortie est continue.
En plus des générateurs à aimants permanents, les générateurs à courant continu peuvent également avoir une bobine de champ enroulée afin de produire le champ magnétique requis. Les noms utilisés pour décrire ces types de générateurs à courant continu dépendent de la relation et de l’interconnexion de chaque bobine de champ magnétique par rapport à l’armature.
Les deux types de base d’excitation de bobinage de champ utilisés pour les générateurs à courant continu sont appelés : auto-excitation et excitation séparée, et selon quel type d’excitation de champ est utilisé, le générateur à courant continu est classé soit comme un “générateur auto-excité” soit comme un “générateur séparément excité”.
Fondamentalement, pour un générateur à courant continu séparément excité, une alimentation de tension continue externe distincte est requise pour fournir le courant d’excitation à travers le bobinage de champ. Alors que dans un générateur à courant continu auto-excité, la tension générée elle-même est utilisée pour exciter le bobinage de champ du même générateur, comme illustré.
Classification des Générateurs à Courant Continu
Les deux connexions de base pour une machine à courant continu auto-excitée sont le “générateur à courant continu à enroulement shunt”, où le bobinage de champ construit avec assez de tours de fil de haute résistance pour limiter le flux de courant à travers le champ, est connecté en parallèle, ou en shunt avec l’armature.
Le “générateur à courant continu à enroulement série”, où le bobinage de champ est réalisé avec relativement peu de tours de très gros fil de très basse résistance, est connecté en série avec l’armature. Chaque type de construction de générateur à courant continu a son propre ensemble d’avantages et d’inconvénients, et le choix dépendra de votre application.
Pour les applications de charge de batteries, le générateur auto-excité à enroulement shunt ou le générateur à courant continu à aimants permanents sont les mieux adaptés car leur tension de sortie reste relativement constante sur une large gamme de vitesses de rotation.
Lorsque vous chargez une batterie avec un générateur à courant continu, la vitesse de rotation du générateur doit d’abord atteindre un point où sa tension de sortie dépasse la tension aux bornes de la batterie pour qu’un courant puisse s’écouler dans la batterie. L’effort requis pour faire tourner le générateur (son couple d’entrée) augmente, et tant que la quantité de couple d’entrée requise peut être fournie par les pales du moteur primaire du générateur, il continuera à charger la batterie.
Le courant ou l’intensité d’un générateur à courant continu à n’importe quel tr/min n’est régulé que par la charge de la batterie connectée, et non par sa vitesse. Dès que la batterie devient complètement chargée, aucun courant de charge supplémentaire ne circule et la charge disparaît effectivement.
Si le générateur PMDC continue d’être entraîné par les pales, la tension aux bornes du générateur augmentera et peu importe à quel point la tension terminale devient élevée, s’il n’y a pas de charge connectée au générateur, il n’y a pas de circulation de courant. De plus, si vous faites fonctionner un générateur à courant continu sans charge, le courant sera toujours nul peu importe la vitesse de rotation.
Le générateur à courant continu est l’un des composants clés d’un système de turbine éolienne ou de turbine hydraulique, et comme nous l’avons vu, il existe différentes options disponibles qui varient en termes de complexité et de type de puissance de sortie qu’ils peuvent fournir. Les générateurs à courant continu peuvent être auto-excités ou séparément excités. Même un générateur électrique simple peut être construit en utilisant des aimants permanents fixes pour créer un générateur à aimants permanents.
L’invention du générateur à courant continu a simplifié nos vies. Mais le fait que les armatures, les balais, les collecteurs et les enroulements soient complexes et coûtent cher, beaucoup de générateurs à courant continu ont été remplacés par des alternateurs à courant alternatif modernes et des machines à induction qui sont plus économiques, car les tensions et courants continus, lorsque nécessaire, peuvent être produits par des redresseurs électroniques.
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