Générateurs et Dynamos

Développement et histoire du composant qui a rendu l’électricité commercialement réalisable pour la première fois

Dynamos et Générateurs convertissent la rotation mécanique en énergie électrique.

Dynamo – un dispositif qui fait de l’énergie électrique en courant continu en utilisant l’électromagnétisme. Il est également connu sous le nom de générateur, cependant le terme générateur fait normalement référence à un « alternateur » qui crée une puissance en courant alternatif.

Générateur – normalement ce terme est utilisé pour décrire un alternateur qui crée du courant alternatif en utilisant l’électromagnétisme.

Les générateurs, les dynamos et les batteries sont les trois outils nécessaires pour créer/stocker des quantités substantielles d’électricité pour l’usage humain. Les batteries peuvent avoir été découvertes dès 248 avant Jésus-Christ. Elles utilisent simplement une réaction chimique pour produire et stocker de l’électricité. Les scientifiques ont expérimenté la batterie pour inventer la première lampe à incandescence, les moteurs et trains électriques et les tests scientifiques. Cependant les batteries n’étaient pas fiables ou rentables pour toute utilisation électrique régulière, c’est la dynamo qui a radicalement changé l’électricité d’une curiosité à une technologie rentable et fiable.

1. Comment ça marche
2. Brève histoire des dynamos et des générateurs
3. Vidéos de générateurs

1.) Comment ça marche :

Basique :

D’abord vous avez besoin d’une source d’énergie mécanique comme une turbine(alimentée par la chute de l’eau), une éolienne, une turbine à gaz ou une turbine à vapeur. L’arbre d’un de ces dispositifs est relié à un générateur pour produire de l’énergie.

Les dynamos et les générateurs fonctionnent en utilisant les phénomènes complexes sauvages de l’électromagnétisme. Comprendre le comportement de l’électromagnétisme, de ses champs et de ses effets est un vaste sujet d’étude. Ce n’est pas pour rien qu’il a fallu attendre 60 ans après la première pile de Volta pour faire fonctionner une bonne et puissante dynamo. Nous allons garder les choses simples pour vous aider à vous introduire dans le sujet intéressant de la production d’énergie.

Au sens le plus élémentaire, un générateur/dynamo est un aimant qui tourne tout en étant sous l’influence du champ magnétique d’un autre aimant. Vous ne pouvez pas voir un champ magnétique, mais il est souvent illustré à l’aide de lignes de flux. Dans l’illustration ci-dessus, les lignes de flux magnétique suivraient les lignes créées par la limaille de fer.

Le générateur/dynamo est composé d’aimants stationnaires (stator) qui créent un puissant champ magnétique, et d’un aimant rotatif (rotor) qui déforme et coupe les lignes de flux magnétique du stator. Lorsque le rotor coupe les lignes de flux magnétique, il produit de l’électricité.

Mais pourquoi ?

En raison de la loi d’induction de Faraday, si vous prenez un fil et le déplacez d’avant en arrière dans un champ magnétique, le champ pousse sur les électrons dans le métal. Le cuivre possède 27 électrons, les deux derniers de l’orbite sont facilement poussés vers l’atome suivant. Ce mouvement des électrons est un flux électrique.

Voyez la vidéo ci-dessous montrant comment le courant est induit dans un fil:

Si vous prenez beaucoup de fil comme dans une bobine et que vous le déplacez dans le champ, vous créez un « flux » d’électrons plus puissant. La puissance de votre générateur dépend de :

« l »-Longueur du conducteur dans le champ magnétique
« v »-Vélocité du conducteur (vitesse du rotor)
« B »-Force du champ électromagnétique

Vous pouvez faire des calculs en utilisant cette formule : e = B x l x v

Voyez la vidéo pour voir tout cela démontré :

A propos des aimants :

Au-dessus : un simple électroaimant appelé solénoïde. Le terme « solénoïde » décrit en fait la forme tubulaire créée par le fil enroulé.

Les aimants ne sont généralement pas constitués de magnétite naturelle ou d’un aimant permanent (sauf s’il s’agit d’un petit générateur), mais ce sont des fils de cuivre ou d’aluminium enroulés autour d’un noyau de fer. Chaque bobine doit être alimentée par une certaine puissance pour devenir un aimant. Cette bobine autour du fer s’appelle un solénoïde. Les solénoïdes sont utilisés à la place de la magnétite naturelle parce que le solénoïde est BEAUCOUP plus puissant. Un petit solénoïde peut créer un champ magnétique très fort.

Au-dessus : Les bobines de fil dans les générateurs doivent être isolées. Les pannes de générateurs sont causées par des températures trop élevées qui entraînent une rupture de l’isolation et un court-circuit entre à fils parallèles. En savoir plus sur les fils >

Termes :
Electromagnétisme – étude des forces qui se produisent entre les particules chargées électriquement
Rotor – partie du générateur de dynamo qui tourne
Armature – même chose qu’un rotor
Flux – les lignes de force dans un champ magnétique, il est mesuré en densité, Unité SI de weber
Stator – aimants dans un générateur/dynamo qui ne bougent pas, ils établissent le champ magnétique stationnaire
Solénoïde – un aimant créé par une bobine de fil autour d’un noyau de fer/ferris (solénoïde signifie techniquement la forme de cet aimant, mais les ingénieurs se réfèrent au solénoïde et à l’électroaimant de manière interchangeable.
Commutateur – Apprenez plus de détails à leur sujet ici
Torque – force dans un mouvement de rotation

La dynamo

La dynamo est un terme plus ancien utilisé pour décrire un générateur qui fait du courant continu. Le courant continu envoie les électrons dans une seule direction. Le problème avec un générateur simple est que lorsque le rotor tourne, il finit par tourner complètement, inversant le courant. Les premiers inventeurs ne savaient pas quoi faire avec ce courant alternatif. Le courant alternatif est plus complexe à contrôler et à concevoir pour les moteurs et les lampes. Les premiers inventeurs devaient trouver un moyen de ne capter que l’énergie positive du générateur, ils ont donc inventé un commutateur. Le commutateur est un interrupteur qui permet au courant de ne circuler que dans un sens.

Voir la vidéo ci-dessous pour voir comment le commutateur fonctionne :

La dynamo se compose de 3 éléments majeurs : le stator, l’armature et le commutateur.

Les balais font partie du commutateur, les balais doivent conduire l’électricité car ils gardent le contact avec l’armature en rotation. Les premiers balais étaient de véritables « brosses » métalliques faites de petits fils. Ceux-ci s’usaient facilement et ils ont développé des blocs graphiques pour faire le même travail.

Le stator est une structure fixe qui fait un champ magnétique, vous pouvez le faire dans une petite dynamo en utilisant un aimant permanent. Les grandes dynamos nécessitent un électroaimant. L’armature est constituée d’enroulements de cuivre bobinés qui tournent à l’intérieur du champ magnétique créé par le stator. Lorsque les enroulements se déplacent, ils coupent les lignes du champ magnétique. Cela crée des impulsions de puissance électrique. Le collecteur est nécessaire pour produire du courant continu. Dans le courant continu, la puissance circule dans une seule direction à travers un fil, le problème est que l’armature rotative dans une dynamo inverse le courant à chaque demi-tour, donc le commutateur est un interrupteur rotatif qui déconnecte la puissance pendant la partie de courant inversé du cycle.

Auto-excitation:

Les aimants d’une dynamo étant des solénoïdes, ils doivent être alimentés pour fonctionner. Donc, en plus des balais qui prennent de l’énergie pour aller vers le circuit principal, il y a un autre ensemble de balais pour prendre de l’énergie de l’armature pour alimenter les aimants du stator. C’est très bien si la dynamo est en marche, mais comment démarrer une dynamo si vous n’avez pas de puissance à démarrer ?

Parfois, l’armature conserve un peu de magnétisme dans le noyau de fer, et et quand elle commence à tourner, elle produit une petite quantité de puissance, suffisante pour exciter les solénoïdes dans le stator. La tension commence alors à augmenter jusqu’à ce que la dynamo soit à pleine puissance.

S’il n’y a plus de magnétisme dans le fer de l’armature, alors souvent une batterie est utilisée pour exciter les solénoïdes dans la dynamo pour la faire démarrer. C’est ce qu’on appelle le « flashage du champ ».

Plus bas, dans la discussion sur le câblage de la dynamo, vous remarquerez comment la puissance est acheminée différemment à travers les solénoïdes.

Il y a deux façons de câbler une dynamo : en série et en dérivation. Consultez les schémas pour apprendre la différence.

Ci-après, vidéo d’une petite dynamo simple semblable aux schémas ci-dessus (construite dans les années 1890):

La génératrice

La génératrice diffère de la dynamo en ce qu’elle produit du courant alternatif. Les électrons circulent dans les deux sens dans le courant alternatif. Ce n’est que dans les années 1890 que les ingénieurs ont compris comment concevoir des moteurs puissants, des transformateurs et d’autres dispositifs qui pouvaient utiliser le courant alternatif d’une manière qui puisse concurrencer le courant continu.

Alors que l’alternateur utilise des collecteurs, le générateur utilise une bague collectrice avec des balais pour prélever l’énergie du rotor. Fixés à la bague collectrice, des « balais » en graphite ou en carbone sont chargés par un ressort pour pousser le balai sur la bague. Cela permet de maintenir un flux d’énergie constant. Les balais s’usent avec le temps et doivent être remplacés.

Ci-après, vidéo des bagues collectrices et des balais, de nombreux exemples de l’ancien au nouveau:

Depuis l’époque de Gramme dans les années 1860, on a compris que la meilleure façon de construire une dynamo/génératrice était de disposer des bobines magnétiques autour d’un large cercle, avec une large armature tournante. Cela semble différent des petits exemples simples de dynamo que vous voyez utilisés dans l’enseignement du fonctionnement de ces appareils.

Dans la photo ci-dessous, vous verrez clairement une bobine sur l’armature (les autres ont été retirées pour l’entretien) et d’autres bobines intégrées dans le stator.

Depuis les années 1890 jusqu’à aujourd’hui, le courant alternatif triphasé a été la forme standard d’énergie. Le triphasé est réalisé par la conception du générateur.

Pour faire un générateur triphasé, vous devez placer un certain nombre d’aimants sur votre stator et votre armature, tous avec un espacement approprié. L’électromagnétisme est aussi complexe que de traiter avec des vagues et de l’eau, vous devez donc savoir comment contrôler le champ à travers votre conception. Les problèmes comprennent le fait d’avoir votre aimant inégalement attiré par le noyau de fer, les calculs incorrects de la distorsion du champ magnétique (plus il tourne vite, plus le champ est déformé), la résistance parasite dans les bobines d’armature, et une myriade d’autres problèmes potentiels.

Pourquoi 3 phases ? si vous voulez en savoir plus sur les phases et pourquoi nous utilisons 3 phases, voir notre vidéo avec le pionnier de la transmission de puissance Lionel Barthold.

2.) Une brève histoire des dynamos et des générateurs :

Le générateur a évolué à partir des travaux de Michael Faraday et Joseph Henry dans les années 1820. Une fois que ces deux inventeurs ont découvert et documenté le phénomène de l’induction électromagnétique, cela a conduit à l’expérimentation par d’autres en Europe et en Amérique du Nord.

1832 – Hippolyte Pixii (France) a construit la première dynamo en utilisant un collecteur, son modèle a créé des impulsions d’électricité séparées par aucun courant. Il a également créé par accident le premier alternateur. Il ne savait pas quoi faire avec le courant changeant, il s’est concentré pour essayer d’éliminer le courant alternatif pour obtenir une puissance en courant continu, cela l’a conduit à créer le commutateur.
Les années 1830-1860 – La batterie reste le moyen le plus puissant pour fournir de l’électricité pour les diverses expérimentations en cours à cette époque. L’électricité n’était toujours pas viable commercialement. Un train électrique alimenté par une batterie reliant Washington DC à Baltimore a échoué, ce qui a constitué un gros embarras pour le nouveau domaine de l’électricité. Après des millions de dollars gaspillés, la vapeur s’est avérée être une meilleure source d’énergie. L’électricité devait encore prouver qu’elle était fiable et commercialement viable.
1860 – Antonio Pacinotti- A créé une dynamo qui fournissait une alimentation continue en courant continu
1867 – Werner Von Siemens et Charles Wheatstone créent une dynamo plus puissante et plus utile qui utilise un électroaimant autoalimenté dans le stator au lieu du faible aimant permanent.
1871 – Zenobe Gramme a déclenché la révolution commerciale de l’électricité. Il a rempli le champ magnétique avec un noyau de fer qui a fait un meilleur chemin pour le flux magnétique. Cela a augmenté la puissance de la dynamo au point qu’elle était utilisable pour de nombreuses applications commerciales.
1870s – Il y avait une explosion de nouvelles conceptions de dynamos, les conceptions variaient d’un assortiment sauvage, seulement quelques-unes se sont démarquées comme étant supérieures en efficacité.
1876 – Charles F. Brush (Ohio) a développé la conception de dynamo la plus efficace et fiable jamais à ce point. Ses inventions sont vendues par la Telegraph Supply Company.
1877 – Le Franklin Institute (Philadelphie) effectue des tests sur des dynamos du monde entier. La publicité de cet événement stimule le développement par d’autres personnes comme Elihu Thomson, Lord Kelvin et Thomas Edison.

Au-dessus : La Long Legged Mary d’Edison, une dynamo à succès commercial pour ses systèmes à courant continu 1884

1878 – La société Ganz commence à utiliser des générateurs à courant alternatif dans de petites installations commerciales à Budapest. 1880 – Charles F. Brush avait plus de 5000 lampes à arc en fonctionnement, représentant 80 % de toutes les lampes dans le monde. Le pouvoir économique de l’ère électrique avait commencé. 1880-1886 – Les systèmes de courant alternatif se développent en Europe avec Siemens, Sabastian Ferranti, Lucien Gaulard, et d’autres. Les dynamos à courant continu règnent en maître sur le lucratif marché américain, beaucoup sont sceptiques pour investir dans le courant alternatif. Les générateurs CA sont puissants, mais le générateur seul n’est pas le plus gros problème. Les systèmes de contrôle et de distribution du courant alternatif devaient être améliorés avant qu’il puisse concurrencer le courant continu sur un marché. 1886 – Sur le marché nord-américain, des inventeurs comme William Stanley, George Westinghouse, Nikola Tesla et Elihu Thomson développent leurs propres systèmes de courant alternatif et leurs conceptions de générateurs. La plupart d’entre eux utilisaient les générateurs Siemens et Ferranti comme base d’étude. William Stanley a pu rapidement inventer un meilleur générateur après avoir été insatisfait du générateur Siemens qu’il avait utilisé lors de sa première expérience.

Au-dessus : Générateurs de courant alternatif Siemens utilisés à Londres en 1885, aux États-Unis Edison était réticent à sauter dans le domaine du courant alternatif alors qu’en Europe la technologie se développait rapidement.

1886-1891 – Les générateurs de courant alternatif polyphasé sont développés par C.S. Bradly (États-Unis), August Haselwander (Allemagne), Mikhail Dolivo-Dobrovsky (Allemagne/Russie), Galileo Ferraris (Italie), et d’autres. Les systèmes à courant alternatif qui comprennent un meilleur contrôle et des moteurs électriques puissants permettent au courant alternatif de rivaliser.

1891 – Le courant alternatif triphasé s’avère être le meilleur système de production et de distribution d’énergie lors de l’Exposition internationale électrotechnique de Francfort. Le générateur triphasé conçu par Mikhail Dolivo-Dobrovsky utilisé à l’exposition est vu à gauche. 1892 – Charles P. Steinmetz présente son article à l’AIEE sur l’hystérésis. La compréhension de Steinmetz des mathématiques de l’alimentation en courant alternatif est publiée et contribue à révolutionner la conception des systèmes d’alimentation en courant alternatif, y compris les grands générateurs à courant alternatif. 1890s – La conception des générateurs est améliorée rapidement grâce aux ventes commerciales et à l’argent disponible pour la recherche. Westinghouse, Siemens, Oerlikon et General Electric développent les générateurs les plus puissants du monde. Certains générateurs fonctionnent encore 115 ans plus tard. (Mechanicville, NY)

Au-dessus : 1894 Elihu Thomson a développé de nombreux générateurs de courant alternatif pour General Electric

Un générateur ultérieur de Westinghouse 2000 kW 270 Volt d’après 1900

3. Vidéos

Générateurs de Mécanicville avec l’histoire expliquée (1897), conçu par le cerveau AC Charles P. Steinmetz

Générateur Westinghouse en cours de construction et testé (1905), conçu par Oliver Shallenberger, Tesla et d’autres chez Westinghouse.

1895 Premiers générateurs puissants utilisés à Folsom, CA (conçus par Elihu Thompson, le Dr Louis Bell et d’autres chez GE)

1891 Générateur produit par Oerlikon pour l’exposition internationale d’électrotechnique (conçu par Dobrovolsky en Allemagne)

Sujets connexes :

Les locomotives électriques diesel	Transformateurs	Histoire du courant alternatif.
Transmission de puissance	Moteurs électriques	Fils et câbles

.