Electricité
Le courant alternatif
Alternatif

Au début de l'électrification, on travaillait surtout avec du courant continu, plus facile à mettre en œuvre. Mais petit à petit, on a découvert les avantages du courant alternatif. Et maintenant on retourne au continu pour transporter du courant sur de longues distances...
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Passage à l'alternatif

Photos prises au musée “Stoom & Stroom” à Izegem

Cet article fait suite à l'article consacré au courant continu et aux dynamos. La machine à vapeur entraine à la fois une dynamo et un alternateur.


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L'inducteur rotatif (en bas) se compose de bobinages parcourus par du courant continu. On utilise également le nom de roue polaire. La rotation de l'inducteur produit un champ magnétique tournant. L'induit produit un courant électrique alternatif dont la fréquence dépend de la vitesse de rotation de la roue polaire et du nombre de pôles.

Pour pouvoir produire du courant, il faut un champ magnétique variable (par exemple une bobine qui tourne dans un champ magnétique fixe). Le courant ainsi produit est également alternatif, et il faut un système de commutation pour en faire du continu. C'est le collecteur et les balais d'une dynamo. Tout le courant doit nécessairement passer par les balais et les collecteurs, ce qui fait qu'ils doivent devenir de plus en plus gros au fur et à mesure de la montée en puissance. De plus, ils s'usent de plus en plus vite.

Pour essayer de transporter plus de courant, on utilisait des réseaux à 3 fils: +110V, -110V et la terre. Les utilisateurs normaux prenaient du courant sur le +110 ou le -110V avec chaque fois une masse commune, ce qui permettait de transporter le double de puissance.

Au début, les utilisateurs demandaient principalement du continu (et les producteurs préféraient également le continu):

  • Tous les moteurs étaient basés sur la dynamo (moteur série, parallèle ou à excitation séparée) qui permettait un réglage de la vitesse et du couple. Il y avait quelques rares moteurs fonctionnant à l'alternatif (en triphésé uniquement).

  • Le courant continu permettait de charger des batteries-tampon pour fournir du courant en cas de mise à l'arrêt d'un générateur.

  • Certains procédés industriels comme la galvanoplastie, l'électrolyse ou la production d'aluminium nécessitaient du courant continu.

  • La synchronisation de deux réseaux alternatifs était fort complexe.
Si le réseau était alternatif, il fallait le redresser avec un convertisseur rotatif, puisque les premiers redresseurs sont apparus dans l'entre-deux guerres (tubes redresseurs). Ces premiers tubes avaient une très faible puissance et ne pouvaient être utilisés que dans des radios, pas dans l'industrie. Les tubes redresseurs de très forte puissance (à bain de mercure) sont apparus juste avant la seconde guerre mondiale.


Photo 2 + 3
Le courant continu pour l'inducteur est envoyé par deux contacts. Il y a pratiquement pas d'usure car les deux pôles se composent de deux anneaux, et non plus de nombreuses lamelles. Le courant à pourvoir (courant d'excitation) est faible. Le courant est envoyé à l'inducteur via ces deux cables montés sur l'axe rotatif.

Mais finalement, on s'est rendu compte des inconvénients du courant continu. Les premiers transformateurs ayant un rendement acceptable ont vu le jour, les moteurs électriques fonctionnant aussi bien sur le courant continu qu'alternatif sont apparus (moteurs dits universels),... Il n'y a plus vraiment d'inconvénients à utiliser de l'alternatif, tandis que le courant continu devient de jour en jour moins pratique:

  • Il faut une centrale tous les 4 km environ, pour éviter d'avoir à utiliser des cables d'un diamètre trop gros.

  • Une dynamo est moins efficace qu'un alternateur et la différence de rendement augmente avec la puissance à fournir. Une dynamo est également plus complexe et demande plus d'entretien.

  • Le continu ne peut pas être transformé, ce qui rend certaines applications impossibles: les enseignes au néon par exemple. Le seul moyen de transformer la tension est d'utiliser un convertisseur rotatif (un moteur entraine une dynamo).
L'Europe était déjà passée à l'alternatif, alors que certains quartiers américains recevaient toujours du continu (mais c'était également le cas chez nous pour les quartiers ayant bénéficié d'une électrification précoce).


Une fois qu'on est passé à l'alternatif, on a pû construire des alternatieurs bien plus efficaces, qui éliminent tous les inconvénients des dynamos: on n'est plus lié à la tension du réseau et on peut donc se baser uniquement sur le rendement pour fabriquer des alternateurs performants (les premiers alternateur de grande puissance avaient tous une tension de 10kV environ).

Par rapport à la dynamo, on a changé l'inducteur et l'induit de place (l'inducteur produit le champ magnétique, et l'induit produit le courant électrique). L'inducteur (roue polaire) produit un champ magnétique tournant, et ce sont les bobinages fixes qui produisent le courant. C'est l'inverse avec la dynamo.

Les nombreux balais et collecteur à lamelles d'une dynamo industrielle qui demandent un entretien réguliers peuvent être remplacés par une seule paire de balais. Il ne faut transmettre à la roue polaire qu'un faible courant d'excitation pour produire le champ magnétique (et actuellement on peut même s'en passer avec le placement d'un redresseur à diodes sur l'axe même).

L'alternateur du musée “Stoom en stroom” ressemble fort à ce moteur utilisé dans les magnétoscopes (entrainement du cabestan). L'alternateur peut très bien être utilisé comme moteur synchrone et le moteur de cabestan se transforme en générateur si on le fait tourner.

L'alternateur a un champ magnétique tournant (roue polaire) et des bobines fixes produisant le triphasé. la roue polaire est interne et l'induit se trouve à l'extérieur. Le moteur a des bobines fixes alimentées en triphasé et un aimant externe rotatif.

Si on fait tourner le moteur de cabestan, on peut récolter une tension sur les bobinages. L'aimant ayant un champ de valeur définie, il n'est pas possible de modifier la tension fournie comme avec un vrai alternateur (sauf en faisant tourner le moteur plus ou moins rapidement.


Dernière photo
La plaque signalétique de l'alternateur:

ACEC
Ateliers de Constructions Electriques de Charleroi

Alternateur
3 phases, 50Hz, 600kVA
Stator: 10kVA, 34.6A, couplage étoile
Rotor: 220V, 65A, 107 tours/minute

Et non, il n'y a pas tromperie sur la marchandise, 34.6A par phase sous 10kV font bien 600kVA en triphasé... C'est un des avantages du triphasé: on peut transmettre plus de puissance avec des conducteurs moins gros.

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