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Nous décrivons ici le type d'alternateur le plus courant, l'alternateur synchrone à excitation statique. On parle d'excitation statique car le bobinage d'excitation est fixe (non rotatif). Il en existe d'autres types de générateurs, voyez la page d'index des générateurs.

On utilise également le terme d'alternateurs à double étage, car il se compose d'un alternateur d'excitation et d'un alternateur de puissance. Et finalement on retrouve également le terme d'alternateur brushless (sans balais), ce type d'alternateur n'ayant pas de contacts rotatifs.

1. Le premier alternateur est appellé alternateur auxiliaire ou alternateur d'excitation. C'est un alternateur inversé (le stator produit l'excitation et le rotor est l'induit).
2. Le second alternateur est l'alternateur principal ou l'alternateur de puissance. Il reçoit son excitation de l'alternateur auxiliaire via un cable qui passe dans l'axe de transmission.

A part pour les alternateurs basse puissance (alternateur de voiture, petits groupe nomades), on utilise maintenant presque toujours un alternateur à deux étages (voyez les schémas 1 2 et 3). Il se compose d'un alternateur de basse puissance (alternateur d'excitation) avec inducteur fixe et induit rotatif monté sur le même axe. Comme ce générateur produit du courant alternatif triphasé, un pont de diodes (rectifier) est placé sur une plaquette montée sur l'axe. La roue polaire et l'inducteurs sont similaires à ceux d'un alternateur simple étage.

Les diodes rotatives ont été utilisées à partir des années 1960, dès que des redresseurs de bonne qualité sont apparus sur le marché. Avant cela, on utilisait un alternateur simple étage, avec deux bagues permettant d'alimenter l'inducteur rotatif en continu, ou on utilisait une petite dynamo séparée (monté sur le même axe) pour produire le continu. Dans les deux cas, la fiabilité était limitée à cause des balais qui s'usent.

L'avantage est qu'il ne faut pas de contacts, ce qui rend ce type d'alternateur extrèmement fiable. Ces alternateurs sont utilisés pour la production industrielle d'électricité (centrales électriques, gros groupes électrogènes,...). Chaque étage amplifie la puissance: un alternateur à deux étages ne nécessite qu'une excitation faible pour produire une puissance élevée.

Le premier schéma (1) est une vue éclatée d'un alternateur de 50kW. Un inducteur primaire fixe produit un champ magnétique fixe. Le générateur primaire tourne dans ce champ et produit un courant alternatif qui est redressé et transmis à l'inducteur secondaire (souvent appellé roue polaire) monté sur le même axe. Il n'y a pas de commutateurs ni de balais.

Le second schéma (2) provient du mode d'emploi. Le générateur a trois bobinages avec prise médiane, chaque demi-bobinage fournissant 120V. La prise médiane n'est pas utilisée en Europe, nous utilisons une connection en étoile avec un des cables de chaque bobinage au neutre.

Certains générateurs ont 6 bobinages (deux par pôles) et les deux bobinages peuvent soit être montés en série (tension plus élevée) ou en parallèle (courant plus élevé).

Le troisième schéma (3) montre une vue générale comment la bobine d'excitation est alimentée.

Trois photos à droite (4 - 5 - 6):
Le rotor d'un alternateur de 14kW. A partir du rotor, il n'est pas possible de déterminer si l'alternateur produit du monophasé ou du triphasé. C'est le nombre de bobinages au stator et leur connection qui détermine le courant en sortie (4 pour du monophasé, 6 pour du triphasé).

On voit bien à droite le premier circuit qui se compose d'un induit qui produit du courant alternatif. Ce courant alternatif est envoyé à un pont redresseur (qu'on voit sur l'extrémité de l'axe). Le courant redressé est envoyé à la roue polaire (l'inducteur principal à gauche) qui produit le champ tournant principal. Ce champ tournant produit à son tour le courant à haute puissance dans le stator.

• En rose: la partie principale est l'alternateur, avec en rouge le rotor, qui comprend l'induit auxiliaire, le pont de diodes et la roue polaire.

  Le stator se compose d'un inducteur primaire et de l'induit principal qui fournit le courant aux utilisateurs.

• En mauve: l'électronique peut être alimentée par trois bobinages branchés en étoile et connectés sur UH1, VH1 et WH1, ou par une tension biphasée dont les bobinages sont branchés à UH1 - UH2 et WH1 - WH2 (l'alternateur fournit ici une tension biphasée pour alimenter le module de régulation.

  Grâce au magnétisme rémanent, une faible tension est générée. Cette tension est envoyée au bobinage d'excitation et le champ magnétique augmente, produisant une tension de plus en plus élevée, jusqu'à ce que l'électronique stabilise la tension.

  Le régulateur a besoin d'une alimentattion, bien sûr, mais également d'une tension de référence. Dans ce cas précis, le régulateur a deux entrées, notament U250 - W250 quand la tension de l'alternateur est inférieure à 250V et U500 - W500 si la tension est entre 250 et 500V.

  Le réglage fin de la tension se fait avec un pothentiomètre;

  Le régulateur n'a qu'une sortie, notament la commande de l'inducteur (courant d'excitation).

• En jaune: l'alternateur a un bornier à 6 broches classique, qu'on retrouve dans toutes les installations triphasées. Ce bornier standardisé permet de brancher l'alternateur en étoile ou triangle. L'alternateur a toujours du 220V sur chaque bobinage. Quand la connection est en étoile les bornes U2, V2 et W2 forment le neutre (qui est mis à la masse comme dans tous les alternateurs et transfos d'alimentation).

• Rouge/vert: S1 permet la commutation entre étoile et triangle.

  S1 commute également l'entrée à la plaquette de régulation, puisque la tension entre U et W est de 220V en montage en triangle et 380V en montage en étoile. Actuellement tous les alternateurs sont cablés à demeure en étoile et on dispose de 220 - 235V entre le neutre et la phase (tension simple), et de 380 - 400V entre deux phases (tension composée).

• En bleu: l'alternateur est en plus équipé de filtres sur tous les bobinages de sortie.

B
Schéma d'un générateur dont l'électronique est alimentée par une magnéto (PMG: Permanent Magnet Generator). L'avantage de cette alimentation séparée est qu'elle peut fonctionner indépendamment de la tension produite par l'alternateur principal. Quand l'alternateur principal ne produit pas de tension (par exemple parce qu'il y a un cours-circuit et que l'électronique a bloqué le courant d'excitation), l'électronique est malgré tout alimentée par le générateur indépendant. Ainsi le module électronique peut empêcher le fonctionnement de l'alternateur tant que le cours-circuit est présent. Ce générateur est connecté en permanence en étoile.

Nous avons en orange les courants:

1. Le courant produit par le générateur PMG pour alimenter l'électronique
2. Le courant d'excitation de l'alternateur (excitation statique)
3. Le courant fourni aux utilisateurs

A priori on ne voit pas vraiment la différence entre les deux générateurs, c'est l'indication PMG qui signale que nous avons un générateur à aimants permanents. Dans certains cas spécifiques, les deux bobinages auxiliaires ont une fonction un peu différente (alternateurs à excitation AREP (Auxiliary Winding Regulation Excitation Principle)) où un bobinage a une fonction "shunt" el l'autre "série". Le signal de tension et le signal de courant sont directement envoyés à la plaquette électronique. Ces bobinages sont noyés dans l'induit principal. L'inducteur (pièce polaire) est équipée d'aimants permanents pour faciliter l'amorçage.

Tous les alternateurs ne sont pas nécessairement équipés de bobinages auxiliaires: certains prélèvent leur tension d'alimentation du réseau 24V continu présent en permanence dans les grandes installations. Les petits générateurs ménagers utilisent le magnétisme rémanent du rotor pour produire une petite tension qui alemente le module, qui fournira une tension à l'inducteur pour augmenter le champ magnétique, et ainsi de suite.

Le générateur (exemple B) a en plus un transfo de courant qui est nécessaire si le générateur doit être synchronisé avec d'autres générateurs (load sharing). Quand la puissance demandée augmente, l'électronique réduit légèrement la tension fournie (droop ou statisme). Cela évite que dans certaines circonstances un générateur ne fournisse nettement plus de puissance que les autres. Le statisme permet d'équilibrer la charge sur tous les générateurs du groupe.

1. Inducteur auxiliaire (alimenté par l'électronique)
2. Induit auxiliaire fournissant l'alimentation pour l'inducteur principal (la roue polaire)
3. La roue polaire
4. Induit principal
5. Ailettes de ventilateur
6. Régulation électronique
7. Refroidissement à eau

Ce générateur étant construit pour fonctionner sur des navires militaires, il ne dispose pas d'un refroidissement à air classique, mais d'un refroidissement à eau. L'air du refroidissement circule en circuit fermé, l'air chaud est refroidi par la circulation d'eau et réutilisé dans l'alternateur. La circulation d'eau permet d'évacuer beacoup de chaleur avec relativement peu d'eau et on évite le refroidissement par air (qui peut être humide et salin et pourrait oxider les bobinages).

L'alternateur d'excitation monté en bout d'arbre produit de l'alternatif triphasé qui doit être redressé pour alimenter la roue polaire. Les diodes de redressement existent en deux versions pour chaque type, un type normal avec la cathode (-) du coté à visser et l'anode du coté à souder, et le type R qui a l'anode (+) du coté à visser. Il faut remplacer les trois diodes de chaque type.

L'image ci-dessus et à gauche montre l'alternateur d'excitation qui a un stator qui produit le champ magnétique. Le rotor fournitt un courant électrique qui est redressé par 6 diodes (redressement triphasé) et envoyé à la roue polaire de l'alternateur principal via l'axe creux. Le condensateur monté sur le rotor filtre la tension d'alimentation qui va à la roue polaire.