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Exemples concrets de circuits d'excitation
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Nous montrons ici quelques exemples concrets de circuits d'excitation modernes.

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Générateur universel

Pour produire le courant d'excitation correct, il faut une source d'énergie et il faut également une tension de référence. Un alternateur moderne de type brushless nécessite une puissance d'excitation d'environ 0.04% de la puissance fournie. Cela ne semble pas beaucoup, mais il s'agit malgré tout de 100W pour un alternateur de 250kW.

Les circuits d'excitation modernes utilisent un des montages ci-dessous, mais les alternateurs moins récents peuvent utiliser un système mixte (décrit à l'introduction).


Self excited generator (SHUNT)
Le système le plus simple est de prélever la source d'énergie sur la sortie de l'alternateur. Cela permet également d'avoir une tension de référence.

L'avantage principal est la simplicité du système, mais il a de nombreux inconvénients:

  • Il faut prévoir un système d'amorcage (field flash)

  • Le fonctionnement de l'excitation dépend de la tension d'alimentation. Si celle-ci n'est pas stable, l'excitation ne le sera pas non plus et l'alternateur peut décrocher si la charge est très forte (démarrage d'un gros moteur).

  • Certaines protections qui dépendent d'une alimentation correcte ne peuvent pas fonctionner si l'alimentation chute. Quand il y a un cours-circuit, le courant est limité à une valeur trop faible pour faire fonctionner les protections.
Quand on n'indique pas de type particulier, il s'agit d'un générateur de ce type, qui est le plus répandu pour les usages dit "ménagers".

Ce type d'excitation est utilisé tant que le courant maximal à fournir n'excède pas 150% du courant nominal. En surcharge, le générateur se comporte comme une excitation shunt (voir dynamo).

Ce type de générateur ne peut être utilisé sur des chantiers que si une ample réserve de puissance est prévue. S'il faut faire démarrer un moteur de 1000W, il faudra prévoir un générateur de 10kW pour être sûr qu'il ne flanche pas. C'est principalement le cas si des appareils accessoires très inductifs sont également branchés (éclairage à décharge à ballast, gros transfos, etc). Ces accessoires ne consomment pas beaucoup de puissance effective, mais nécessitent un courant déwatté important (ils ont besoin une forte puissance réactive).

Ce type de générateur n'est pas utilisé dans des applications pointues (centrales électriques).

Quand on met plusieurs générateurs en fonctionnement parallèle, il faut que le système d'excitation soit identique, pour avoir une répartition correcte de la puissance (effective et réactive) sur les groupes.


Excitation Boost Generator (EBG)
Ce système élimine l'inconvénient du système précédent par un petit générateur auxiliaire qui n'est utilisé que quand la charge est très importante. Le générateur auxiliaire est prévu pour un fonctionnement intermittent (maximum 10 secondes).

Ce générateur auxiliaire est commandé par le régulateur principal et injecte du courant dans l'excitation quand la tension d'alimentation du régulateur principal s'effondre (démarrage d'un gros moteur). Il permet au moteur de démarrer même à forte charge (ou aux protections de fonctionner).

Ce type d'excitation n'a plus les inconvénients du système précédent, mais il nécessite un petit générateur auxiliaire (de type PMG, voir plus bas). Ce générateur peut être moins puissant, parce qu'il ne doit fonctionner qu'un court instant


Separately excited generator (PMG)
Ce type de générateur utilise une alimentation séparée pour l'excitation. Il s'agit généralement d'un petit générateur de type magnéto (Permanent Magnet Generator) dont le courant est redressé.

L'avantage est un fonctionnement très stable, indépendant des fortes variations de charge. C'est ce type d'alternateur qui est généralement utilisé dans les grandes installations. L'inconvénient est la nécessité d'avoir un petit générateur supplémentaire, mais cet inconvénient ne joue pas dans les grandes installations (centrales électriques).

L'alimentation du circuit d'excitation peut également être fourni par une alimentation totalement indépendante. Dans le cas d'un navire, cela peut être le réseau indépendant 28V continu, mais les centrales électriques ont également des groupes de secours qui permettent de faire démarrer les générateurs qui seront couplés au réseau.


Auxiliary winding(s) (AUX)
Ce système utilise un bobinage auxiliaire monté sur le stator. Il est bobiné de telle façon que l'influence de l'induit principal est minimale. Au contraire, on utilise la réaction d'induit pour augmenter la tension aux bornes du bobinage auxiliaire.

Si l'induit principal fait pratiquement 90°, l'induit auxiliaire fait 30°. Quand il y a un fort appel de courant, le champ magnétique produit par la roue polaire est déformé (harmoniques du troisième ordre). Grace à cette modification du champ magnétique, l'induit auxiliaire produit une tension un peu plus élevée quand la charge est très forte.

Ce système nécessite un bobinage supplémentaire dans l'induit principal, mais permet d'éliminer le générateur séparé. Leroy Somer est un des fabriquants qui produisent ce type d'alternateur (sous une forme un peu différente que cette représentation simplifiée). La roue polaire peut également être équipée de petits aimants pour permettre l'amorçage.

Construction générale d'un alternateur de type AREP (Auxiliary Winding Regulation Excitation Principle).
Partie rouge = rotor, partie verte = stator. Tous les éléments forment un tout, l'excitatrice est montée dans l'alternateur.

  • 1 induit de l'excitatrice
  • 2 redresseur tournant (6 diodes)
  • 3 roue polaire (inducteur principal)
  • 4 induit principal
  • 5A 5B bobinages auxiliaires tension et courant
  • 6 régulateur de tension
  • 7 inducteur de l'excitatrice
  • X excitatrice
  • Y alternateur principal
Dans ce type d'alternateur, le courant consommé n'est pas mesuré par un transfo d'intensité classique, mais par un bobinage inclus dans le stator de l'alternateur. Ce bobinage est placé de telle façon qu'il est fortement influencé par la réaction d'induit.

Ce type de groupe électrogène est utilisé dans les applications où la charge peut être très complexe: groupes électrogènes militaires, chantiers de construction, etc.


Voici les courbes courant/tension des 4 types de générateurs. Il s'agit en partie de courbes théoriques, un générateur n'est normalement pas prévu pour fonctionner à 300% et le groupe lui-même déconnecte l'utilisateur si la tension tombe en dessous de 80%.

La plupart des protections sont prvues pour déclencher à un courant 3× supérieur au bout de 10 secondes. Les groupes électrogènes professionnels sont en mesure de fournir ce surplus de puissance pour permettre un déclenchement correct.

Pourtant ces courbes ont une fonction: dans certains cas la charge peut monter à 300%, par exemple si le seul utilisateur est un gros moteur qui tire un courant 3.5× supérieur au courant nominal. Lors de la mise sous tension d'un datacenter, l'appel de courant est de 1000% le courant nominal (ici il faut absolument prévoir un enclenchement déphasé).

Le moteur diésel doit être en mesure de fournir cet exces de puissance pendant quelques secondes. Le moteur diésel est adapté à l'alternateur, et s'il s'agit d'une construction shunt, le moteur peut avoir une réserve de puissance moindre.

Dans le cas d'une centrale électrique, on va tenter de garder l'alternateur couplé au réseau coute que coute, mais on va déconnecter certains utilisateurs. Si on déconnecte un alternateur, on a une réduction de la puissance disponible, ce qui ne va pas arranger les choses. De plus, resynchroniser un gros alternateur industriel est plus lent que synchroniser un petit alternateur de quelques megawatts.

L'alternateur de type "shunt" a le comportement typique d'une dynamo compound aux charges normales (mais avec une meilleure régulation). En surcharge, nous avons un comportement shunt typique. Les générateurs qui sont conçus pour un fonctionnement en parallèle ont une courbe qui diminue linéairement avec la charge.

Les autres types d'alternateurs ont une plus grande réserve de puissance (le moteur diésel doit également être en mesure de fournir cet exces de puissance). Même si le moteur est en mesure de fournir une puissance plus grande, ce n'est pas le but de le faire fonctionner dans cette plage: il ne tiendrait pas le coup très longtemps (température de l'huile qui monte trop, graissage insuffisant,...)

Le générateur EBG peut fournir un courant supérieur, mais uniquement pendant une dixaine de secondes (le temps pour faire démarrer la charge ou pour activer les protections). Après cela, le générateur fonctionne en mode shunt (avec parfois un petit supplément de puissance fourni par le boost).


Alternateur à aimants permanents
On ne peut terminer cette page sans parler des alternateurs qui n'utilisent pas de bobinages inducteurs, mais des aimants permanents. Il s'agit généralement de générateurs très trappus avec un diamètre élevé, ce qui permet un grand nombre de bobinages (pôles): l'alternateur peut donc tourner à une vitesse plus basse.

Les bobinages sont connectés en triphasé pour avoir une charge équilibrée (ce qui n'est possible que quand un alternateur produit du triphasé): il faut donc 6, 9, 12,... bobinages (multiple de 3 avec un minimum de 6). Les bobinages sont montés sur une carcasse composé de fines lamelles de fer isolées pour augmenter le champ tout en réduisant les pertes.

Les aimants sont montés sur l'armature (en fer doux facilement magnétisable) avec chaque fois un pôle nord et sud vers l'extérieur. Pour un fonctionnement souple il faut autant d'aimants qu'il y a de pôles.

La tension et la fréquence produites dépendent de la vitesse de rotation. La tension est redressée et utilisée sous forme continue (par exemple pour charger des batteries), soit la tension redressée est envoyée à un convertisseur qui en fait de l'alternatif. L'"énergie est renvoyée au réseau , mais peut également être utilisée sur place (fonctionnement en ilot). Il faut alors un accu pour absorber les pics de production et de consommation.

Cette solution est utilisée pour les éoliennes de basse et moyenne puissance, pour les moulins à eau, etc. Les petits groupes électrogènes de type "inverter" utilisent également un tel alternateur à cause de sa grande simplicité. La fréquence et la tension très variables sont corrigées par un module électronique.

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