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La puissance cachée des rotors des moteurs électriques : pourquoi les générateurs modernes ne dépendent-ils pas de balais de carbone ?
À mesure que la technologie progresse, la conception et le fonctionnement des générateurs évoluent également. Le passage des premiers générateurs fonctionnant avec des balais de carbone à la technologie sans balais de plus en plus courante d’aujourd’hui a non seulement amélioré les performances des générateurs, mais également réduit les coûts de maintenance. De nombreux lecteurs se demandent peut-être pourquoi les générateurs modernes ne sont pas équipés de balais de charbon. Quelles innovations technologiques se cachent derrière cela ?
L'excitation en électromagnétisme
En électromagnétisme, l’excitation est le processus de génération d’un champ magnétique à l’aide d’un courant électrique. Un générateur ou un moteur est constitué d'un rotor tournant dans un champ magnétique. Le champ magnétique peut être généré par des aimants permanents ou des bobines de champ électrique. Pour les machines qui utilisent des bobines de champ électrique, le courant doit circuler à travers les bobines pour générer (exciter) le champ magnétique, sinon le rotor ne peut pas transférer de puissance.
Les bobines de champ électrique offrent la forme la plus flexible de régulation de flux, mais elles consomment du courant.
Excitation dans les générateurs
Pour de nombreux grands générateurs, un courant électrique doit être établi avant que le générateur puisse produire de l'électricité. Bien qu'une partie de la puissance de sortie du générateur puisse être utilisée pour maintenir le champ magnétique une fois démarré, une source de courant externe est toujours nécessaire pendant le démarrage. Le contrôle du champ magnétique est très important car cela maintiendra la tension dans le système.
Principe de l'amplificateur
À l’exception des générateurs à aimant permanent, la tension de sortie du générateur est proportionnelle au flux magnétique. La somme du flux magnétique est constituée de l'aimantation de la structure et du champ magnétique généré par le courant d'excitation. S'il n'y a pas de courant d'excitation, le flux magnétique est très faible et la tension d'induit est presque nulle. En contrôlant le courant de champ, la tension du système générateur peut être régulée pour éliminer la chute de tension causée par l'augmentation du courant d'induit.
Un générateur peut être considéré comme un amplificateur de courant en tension.
Utilisation d'incitations indépendantes
Pour les grands générateurs, il est courant d’utiliser un générateur d’excitation séparé connecté en parallèle avec le générateur principal. Il s'agit d'un petit générateur à aimant permanent ou à batterie, conçu pour fournir le courant nécessaire au générateur plus grand.
Une nouvelle ère d'auto-motivation
Les générateurs modernes sont généralement auto-excités, c'est-à-dire qu'une partie de la puissance de sortie du rotor est utilisée pour entraîner les bobines de champ électrique. Lorsque le générateur est éteint, le noyau du rotor conserve une certaine quantité de magnétisme résiduel. Lors du démarrage du générateur, ne connectez aucune charge au préalable. Son champ magnétique faible initial induira alors un faible courant dans la bobine du rotor, renforçant ainsi le champ magnétique et établissant finalement une forte tension.
Startup et autres variantes
Les générateurs auto-excités doivent être démarrés sans charge externe. Il existe différents types de conceptions auto-excitées, allant des conceptions de shunt simples qui utilisent l'énergie de l'enroulement principal aux systèmes d'amplification d'excitation qui fournissent une augmentation d'énergie temporaire pour faire face aux changements de charge.
Lorsque le magnétisme résiduel du générateur n'est pas suffisant pour atteindre la pleine tension, il existe généralement des dispositions pour injecter du courant à partir d'une autre source.
La montée en puissance des incitations sans balais
La technologie d'excitation sans balais permet de générer le flux magnétique dans le moteur sans avoir recours à des balais de charbon. Cette technologie, issue des avancées de la technologie des semi-conducteurs, utilise un redresseur rotatif pour collecter la tension alternative induite sur l'arbre de la machine synchrone et la redresse pour la fournir à l'enroulement de champ du générateur. Bien que l’excitation sans balai ait historiquement été déficiente en termes de régulation de flux rapide, cela s’améliore à mesure que de nouvelles solutions deviennent disponibles.
L'avenir de la technologie
La technologie sans balais d'aujourd'hui est plus sophistiquée, utilisant des communications sans fil hautes performances pour obtenir un contrôle total du champ magnétique, comme les redresseurs à thyristors et les interfaces de commutation, rendant le fonctionnement du générateur plus flexible et efficace.
Alors que la technologie continue d'évoluer, la question de savoir si les générateurs peuvent complètement se débarrasser des balais de charbon reste un problème difficile. Quelles nouvelles technologies émergeront à l'avenir pour résoudre ces défis ?
