GENERATRICE. Un conducteur non alimenté qui coupe les lignes d un champ magnétique devient le siège d un force électromotrice induite (fem).

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1 GNRATRIC Un conducteur non alimenté qui coupe les lignes d un champ magnétique devient le siège d un force électromotrice induite (fem). La valeur de cette fem (notée e) est égale à la valeur absolue de Φ t 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 1 B l B 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.

2 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. n 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. n 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 µ N (r, rayon de la spire ; le terme N.I est appelé ampères-tour) r I r. 2. Φ pour une spire = B.S, pour N spires, Φ = B.S.N n reprenant l expression de B pour une bobine (solénoïde) constitué de N spires représentant une longueur l, 4Π µ soit très simplement compte tenu des termes constants : Φ = Φ = k. I N 2 r.. S l I

3 Nota : le coefficient k est le coefficient d auto-induction noté L. Il est appelé INDUCTANC 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. n 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

4 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 Collecteur rotor Charbons en contact avec le collecteur afin de récupérer stator

5 Schéma de la génératrice complète H Uex FM Les bobines, alimentées par une tension d excitation (Uex), sont parcourues par un courant d exitation () 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 FM 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 ). I n d u c t e ur L interconnexions des inducteurs avec l induit déterminent des génératrices aux caractéristiques différentes.

6 Génératrice Série : L inducteur est en série avec l induit. Cette génératrice doit être connectée sur une charge extérieure afin qu un courant () circule dans l inducteur. lle n est donc pas auto-amorçable. Pas d utilisation en aéronautique. Génératrice Shunt (ou parallèle) : 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 ( ), 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 : C est une composition des deux. lle 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.

7 RGULATION D TNSION Nous avons vu plus avant que nous pouvions faire varier la fem récupérée sur l induit, en créant un flux variable dans l inducteur, obtenu par variation du courant d excitation [ selon la relation = 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.)]. 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. Ainsi le schéma équivalent d une génératrice de fem alimentant une charge externe (circuit avion) de résistance R se représente comme ci-dessous. I U= -ri U=RI R r ri On peut donc écrire : U= - 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 afin de compenser ri. R r Ceci sera réalisé en augmentant afin d augmenter le flux inducteur (Φ) qui permettra d augmenter f( n.n. Φ).

8 Comme I consommé par les charges varie souvent, il faut trouver le moyen de faire varier chaque fois que U varie sachant que si U diminue, il faut augmenter. 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 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) mesure de la tension génératrice 2- Réglage de la tension de sortie 2 3- Signal d erreur pilotant le courant d exitation R U géné 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.

9 Schéma de la génération King 200 On y voit le régulateur de tension ( DC GN CONTROL UNIT), les entrées tension de consigne ( BUS VOLTAG SNS) et de mesure de la tension de sortie de la génératrice ( GN VOLTAG SNSOR). La ligne xcitation 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(). Le reste des éléments n intéresse pas ce court.