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Courant d'excitation
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Le seul paramètre de fonctionnement d'un alternateur qui puisse être modifié est le courant d'excitation.

Lisez également la page d'introduction sur le fonctionnement des alternateurs.

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Générateur universel


Rapport du courant d'excitation Ie
et de la tension récoltée Uo
Fonctionnement à vide (bleu)
et en charge (rouge)
Même sans courant d'excitation, un faible voltage apparait sur les bornes de l'alternateur (causé par le magnétisme rémanent).

Quand le courant d'excitation augmente, la tension augmente aussi, mais une saturation se produit. Même avec un courant d'excitation maximum, il n'est normalement pas possible d'obtenir une tension supérieure à 125% de la tension nominale (donc 500V pour un générateur fournissant du 400V).

La tension produite chute quand on prélève du courant: il faut compenser les pertes (ohmiques et magnétiques) en augmentant le courant d'excitation de Io à Im.



Génération du courant d'excitation avant l'usage de modules électroniques

Détermination du courant d'excitation par compoundage

En principe, le réglage du courant d'excitation est simple. Il détermine la tension à la sortie du générateur. Cette tension dépend de la variation du champ magnétique, qui dépend de la vitesse de rotation du générateur et de la force du champ magnétique. Comme la vitesse du générateur est fixe, il n'y a que le courant d'excitation qui détermine la tension à la sortie du générateur.

Quand le générateur est en charge, il faut compenser les pertes (pertes ohmiques dans l'induit et réaction d'induit). Il faut donc augmenter le courant d'excitation. Entre la marche à vide et à pleine charge, le courant varie dans une fourchette de 1 à 3 environ. Cela est valable pour les alternateurs simples et double étage (à excitation statique).

Les premiers alternateurs utilisaient une dynamo pour produire le champ magnétique de l'alternateur principal. Avec l'arrivée de bons redresseurs au silicium, on a pu utiliser la tension de l'alternateur même (qui était simplement réduite à une valeur correcte pour l'inducteur grâce à un transfo).

Tout comme avec les dynamos on a utilisé un système compound pour stabiliser la tension de sortie quelle que soit la charge. Ce n'est qu'à partir des années 1970 que les premiers transistors suffisamment fiables et puissants sont apparus et qu'on qu'on a commencé à les utiliser comme régulateur (le transistor typique de ces années était le 2N3055).

Une dynamo a un bobinage série et shunt monté sur le même pôle du stator. Dans le cas d'un alternateur on utilise des transfos pour envoyer le signal "tension" et le signal "courant" à un seul bobinage inducteur.

Le transfo m1 est un trasfo d'isolement qui sert également à réduire la tension du secteur à une tension qui sera utilisée pour l'excitation.

K1 est une self qui sert à régler le compoundage. En modifiant la self-induction de la bobine, on peut modifier sa résistance, et donc le rapport courant/tension. On peut rendre l'alternateur hypercompound, compound normal ou sous-compound (voyez la page consacrée au fonctionnement de la dynamo pour plus d'explications).

m2 est un triple transfo d'intensité qui va utiliser le courant fourni par l'alternateur pour adapter la tension d'excitation.

La tension est redressée et envoyé à l'inducteur. Ce type de commande permet une stabilisation de la tension à 5%. Il y a une connection supplémentaire de prévue pour cours-circuiter l'inducteur (en cas de défaillance) ou pour connecter une alimentation externe si le magnétisme rémanent n'est pas suffissant pour amorcer l'alternateur.

Si vous avez bien regardé le schéma, vous devriez vous rendre compte qu'il manque un élément: la tension de sortie n'est pas comparée à une valeur de référence. Il ne s'agit donc pas d'une régulation, mais d'une commande.


Et voici le module électronique qui y a été ajouté par après.
Il a également un compoundage (tension/courant).
La régulation est inverse: le champ magnétique du régulateur diminue le champ du compoundage électrique.


Compoundage (en vert) et régulation shunt (en rouge)

Système double

Pour avoir une meilleure stabilisation, on a ajouté dans les années 1970 un système de stabilisation électronique (circuit transistorisé se composant d'une référence, d'un comparateur et d'un transistor de commande). La commande compound électrique permettait une stabilisation approximative, tandis que l'électronique permettait une régulation précise.

L'alternateur avait ainsi deux inducteurs séparés: un inducteur principal commandé en compound et une régulation éléctronique.

Pourquoi une telle complexité? Pour fournir l'excitation à un alternateur de 250kW, il faut une puissance d'excitation de 100W (alternateur double étage de type "brushless"). Les premiers transistors de puissance n'étaient pas capable de fournir une telle puissance avec une réserve dynamique suffisante.

Il pouvait tout aussi bien s'agir de stabilisation positive (le champ du stabilisateur s'ajoute au champ du compoundage) que d'une stabilisation négative où le stabilisateur réduit le champ magnétique total. Dès que l'électronique de puissance était capable de fournir un courant important, le système compound double a été éliminé (sauf certaines applications spécifiques).

Malgré qu'il s'agisse d'une régulation électronique, il y a également un compoundage (influence du courant sur la tension) sur la partie électronique, voir l'exemple à droite. Cela permet de mieux distribuer la puissance réactive des générateurs lors d'un fonctionnement en parallèle.

Dans une version suivante, le courant d'excitation du compoundage électrique est cours-circuité en partie par le module électronique (dérivation d'une partie du courant). C'est possible puisque le compoundage fournit un courant (et non une tension). Ce système permet d'utiliser un alternateur avec un seul bobinage d'excitation, ce qui est plus courant (alternateurs Leroy Somer).


Les navires militaires utilisent encore le système double qui permet en cas de calamité (panne du régulateur) de continuer à utiliser l'alternateur uniquement avec le compoundage et sans stabilisation. Le module électronique produit ici une stabilisation négative par réduction du champ magnétique. Quand le module électronique est en panne, une régulation manuelle est possible par un rhéostat qui dérive une partie du courant du compoundage.

Effet de la charge (capacitive ou inductive)

Le générateur se comporte comme une forte inductance qui agit sur le courant et la tension.
  • Si la charge est purement ohmique (résistances ou lampes à incandescence): la tension diminue légèrement quand la charge augmente, ce qui est tout à fait normal, ce sont les pertes indiquées plus haut.
  • Si la charge est inductive (moteur ou transfo), l'inductance de la charge s'ajoute à celle de la source, ce qui réduit la tension d'un facteur plus important que si la charge avait été ohmique.
  • Si la charge est principalement capacitive, la capacitance de la charge annule l'inductance du générateur et la tension augmente avec la charge. L'inductance et la capacitance forment un circuit oscillant (dont la fréquence est heureusement très éloignée de celle d'un circuit accordé!).
La raison de la chûte de courant en cas de charge inductive est expliquée ici. Le raisonnement est contraire pour une charge capacitive (rare...)
Le courant déwatté qu'un moteur tournant à vide ou en transfo sans charge consomme sert a établir et détruire le champ magnétique. La puissance qui circule d'un coté à l'autre à chaque alternance est de la puissance qui ne sert à rien.

Quand un alternateur fournit du courant à un moteur ou un transfo, c'est comme si l'alternateur devait fournir une partie de son champ magnétique. Comme nous savons que le champ magnétique d'un alternateur détermine sa tension de sortie, quand le champ diminue, la tension diminue également. Cette diminution peut ête compensée par une augmentation de l'excitation.

Il faut mesurer la tension fournie et corriger le courant d'excitation pour les petits générateurs dont la tension est stabilisée à 5% (insuffisant pour les applications industrielles). Les alternateurs de forte puissance mesurent la tension (avec un transfo de tension), le courant (avec un transfo de courant) et la phase.

Le fonctionnement en réseau (plusieurs alternateurs fonctionnant en parallèle) est décrit ici.


Compensateur synchrone refroidi à l'hydrogène
125MVar, 750 tours
Excitation: 300V 1200A.

Compensateur synchrone

Un générateur peut donc être utilisé pour stabiliser le facteur de puissance d'une partie du réseau. On utilise alors un moteur-générateur tournant à vide et dont on modifie le courant d'excitation pour corriger le facteur de puissance (voir fonctionnement en réseau). Ce type de moteur/générateur est appellé compensateur synchrone. Il était souvent utilisé localement dans l'industrie lourde pour corriger le facteur de puissance et absorber les variations de tension (enclenchement de gros moteurs, fours à arc,...).

Si le réseau a besoin de puissance réactive, on augmente l'excitation du compensateur. Son champ magnétique plus intense va aider à créer les champs magnétiques dans les appareils connectés.

Le compensateur synchrone permet un fonctionnement plus souple et plus stable qu'un banc de condensateurs. Il a de plus comme avantage que son action est plus forte quand la tension est plus basse (c'est ce qui faut). Il permet en plus d'absorber des courtes chutes de tension.

Perte de l'excitation

La perte d'excitation d'alternateurs industriels est une des pannes les plus courantes. Elle peut être causée par une coupure dans la roue polaire, une défaillance des diodes rotatives, une coupure dans l'inducteur primaire,... Mais une mise à la masse d'un de ces bobinages peut également causer une perte d'excitation. Une panne du module électronique est peu fréquente, mais peut également se produire.

En cas de perte d'excitation, il ne reste plus que le magnétisme rémanent de la roue polaire. Ce magnétisme est trop faible pour assurer un fonctionnement de l'alternateur. Plusieurs phénomènes vont se produire presque simultanément: le champ magnétique principal n'étant plus fourni par la roue polaire, l'induit va consommer de la puissance réactive (comme un transformateur) en fonctionnement en réseau, ou bien la tension van fortement chuter (fonctionemment isolé). Le faible champ magnétique qui reste n'est généralement pas en mesure de garder le synchronisme: le générateur va décrocher et tourner plus vite que le réseau, et provoquer un fort appel de courant (fonctionnement en réseau). En cas de fonctionnement isolé, la tension plus faible fait qu'il n'y a pratiquement plus de transfert de puissance à l'utilisateur et le générateur peut passer momentanément en survitesse.

Il est donc nécessaire de déconnecter rapidement le générateur du réseau en cas de perte d'excitation. La perte d'excitation d'un alternateur connecté au réseau peut avoir des conséquences catastrophiques s'il n'est pas immédiatement déconnecté du réseau: dégats mécaniques causés par la désynchronisation, surcharge électrique, déclenchement en chaine de tout le réseau. Il faut également réduire directement l'alimentation du moteur ou de la turbine pour éviter une survitesse.

Amplification du courant d'excitation

L'alternateur fonctionne en fait comme un amplificateur qui va amplifier le faible courant d'excitation. C'était le seul moyen fiable de produire des ondes radio dans l'entre deux guerres, alors que les tubes (triodes) et les transistors n'existaient pas encore (faites une recherche sur Google du terme alternateur d'Alexanderson). Un tel alternateur était en mesure d'amplifier le signal d'un microphone à charbon jusqu'à une puissance de 200kW (le premier étage était une inductance saturable). La fréquence de l'émetteur était de 100kHz et se changeait en modifiant la vitesse de rotation de l'alternateur.

Les alternateurs actuels ne permettent plus un fonctionnement en amplificateur à cause de différentes améliorations (bobinages d'amortissement) qui stabilisent le fonctionnement de l'alternateur, mais qui le rendent plus lent à réagir au courant d'excitation.

De par la très haute self-induction des bobinages (roue polaire), la modification de l'excitation ne se propage pas directement au stator: le module de stabilisation doit en tenir compte et ne pas tenter de compenser trop fort une variation de tension pour éviter l'apparition d'une oscillation qui risque d'augmenter et augmenter, jusqu'à produire de fortes variations de la tension. L'oscillation est généralement d'1 Hz ou moins. Si c'est le cas il faut réduire le gain du stabilisateur (parfois indiqué "stabilité")

Field Flash

Le magnétisme rémanent de l'inducteur permet de produire un petit champ magnétique tournant, qui va produire une petite tension, qui sera envoyée à l'inducteur, augmentant ainsi son magnétisme. La tension produite va augmenter, jusqu'à ce que le système de régulation entre en jeu. Les utilisateurs ne peuvent être connectés que quand le fonctionnement de l'alternateur (tension) est stable.

Si le magnétisme rémanent est très faible (cela peut arriver si le générateur n'a pas fonctionné pendant très longtemps) il faut amorcer le système en envoyant du courant externe pour magnétiser l'inducteur. Cette opération est actuellement effectuée automatiquement après le démarrage du groupe électrogène, mais certains groupes ont un bouton-poussoir FIELD FLASH (AMORCAGE) qui connecte momentanément la batterie à l'inducteur.

Les différents types d'excitation utilisés sur les groupes électrogènes modernes sont décrits ici.

Et pour terminer un petit tableau récapitulatif de l'influence du courant d'excitation...

Fonctionnement Courant d'excitationPuissance fournieFréquence
Isolé Détermine la tension de sortieDéterminée par les utilisateurs
jusqu'à la limite de saturation de l'alternateur ou la limite de puissance que la source (moteur diésel...) peut fournir
Déterminée par le rapport puissance électrique demandée par les utilisateurs
et puissance injectée (mécanique) (a)
Ilot connecté Détermine la tension de sortie et le facteur de puissanceDéterminée par les utilisateurs
et le rapport entre générateurs (statisme)
Déterminée par le rapport puissance électrique demandée par les utilisateurs
et puissance injectée (mécanique) (a)
Réseau infini Détermine le facteur de puissance (puissance réactive)Déterminée par l'apport de carburant ou d'énergie
(le réseau absorbe le surplus ou fournit de la puissance)
Déterminée par le réseau

a Le générateur (moteur diésel ou turbine) doit disposer d'une gouverne pour stabiliser la vitesse de rotation du moteur et donc adapter la puissance fournie (carburant consommé) à la puissance demandée. Si le générateur a un statisme, la fréquence diminue légèrement selon la puissance fournie.

b Un réseau va fonctionner à une fréquence légèrement plus basse si la demande est plus forte que l'offre. Il faut que les gestionnaires du réseau ajoutent des générateurs (ou augmentent la puissance des générateurs connectés) pour corriger la fréquence.

Le fonctionnement en parallèle est décrit ici (conditions à remplir, synchronisation, couplage, marche en parallèle)

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