Alternateurs
Courant d'excitation
Générateurs
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Le seul paramètre de fonctionnement d'un alternateur qui puisse être modifié est le courant d'excitation.
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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 sur la page du compoundage (introduction).
  • 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 du transfo ou du moteur 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), alors que les bancs de condensateurs agissent moins bien quand la tension chute, ce qui oblige à surdimensionner les condensateurs pour la situation la plus défavorable du réseau.

Par sa masse importante le compensateur permet d'absorber des courtes chutes de tension. Il peut donc à la fois de fournir de la puissance réactive et de la puissance effective (pendant un court instant).

Par sa masse en mouvement, il permet de stabiliser un réseau moderne, qui est alimenté par différentes sources comme les panneaux photo-voltaïques. Dans certains pays, quand on met d'anciennes centrales électriques à l'arrêt, on transforme les générateurs en compensateurs.

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 va 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 immédiatement 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. L'amorçage doit se faire avec le générateur tournant, autrement il ne magnétise que l'alternateur auxiliaire (alternateur à excitation statique ou "à double étage").

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

Influence du courant d'excitation
selon le type de fonctionnement

Isolé
(un seul générateur)
Ilot connecté
(plusieurs générateurs connectés ensemle)
Réseau infini
(générateur connecté au réseau de distribution)
Courant d'excitationDétermine la tension de sortieDétermine la tension de sortie et le facteur de puissance Détermine le facteur de puissance (puissance réactive injectée ou absorbée)
Puissance fournieDéterminée 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 les utilisateurs
et le rapport entre générateurs (statisme)
Déterminée par l'apport de carburant ou d'énergie
(le réseau absorbe le surplus ou fournit de la puissance)
FréquenceDéterminée par le rapport puissance électrique demandée par les utilisateurs
et puissance injectée (mécanique) (a)
Déterminée par le rapport général (puissance demandée) / (puissance fournie) Déterminée par le réseau (b)
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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