Alternateurs
Comment cela fonctionne
Générateurs

L'alternateur est la partie du générateur qui fournit le courant électrique. Les alternateurs fonctionnent tous de la même manière. Voici un tout petit apperçu de leur fonctionnement.
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Générateur universel

Les dessins schématique ont trait aux générateurs à deux étages
(générateurs sans balais et bagues)
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Nous décrivons ici le type d'alternateur le plus courant, l'alternateur synchrone à excitation statique (il en existe d'autres, voyez la page d'index des générateurs).

On ne trouve plus de générateur monophasé quand la puissance dépasse quelques kW. Les générateurs monophasé ont un moins bon rendement et tournent moins souplement que les générateurs triphasés. Une des caractéristiques d'un générateur triphasé est en effet que la puissance instantanée est toujours identique: quand la puissance d'une phase diminue, elle augmente sur une autre (pour autant que la charge soit symmétrique).

Le courant est récolté sur l'induit. Ce sont des bobinages fixes (stator). L'avantage est que le courant ne doit pas être capté par des balais du rotor comme dans le cas d'une dynamo. Les balais qui encaissent un très fort courant chauffent, s'usent et doivent régulièrement être remplacés (c'était le cas avec les dynamos).

L'inducteur (roue polaire ou bobine d'excitation) qui produit le champ magnétique est un rotor. On retrouve souvent le terme anglais exciter. L'inducteur produit un champ magnétique tournant. Pour produire ce champ, il faut du courant électrique, qui est ammené par deux balais qui glissent sur deux anneaux isolés. Les balais sont souvent en cuivre, car les anneaux sont très lisses, ce qui réduit l'usure. La puissance produite par l'alternateur (induit) est par exemple 50× plus grande que la puissance dissipée dans l'inducteur.

Le courant dans l'inducteur est continu. La rotation du bobinage (rotor) produit un champ alternatif.

L'alternateur dans une voiture est un générateur complet, qui contient également le régulateur. Le courant alternatif triphasé est redressé dans le générateur même par un pont de diodes. Un petit ventilateur produit un courant d'air qui évacue la chaleur. Ces alternateurs sont très fiables.

Alternateur à deux étages

A part pour les alternateurs basse puissance (alternateur de voiture), on utilise maintenant presque toujours un alternateur à deux étages (voyez les schémas 1 2 et 3): l'inducteur du circuit de puissance (rotor) reçoit son courant d'un petit induit fixé sur le même axe. Comme ce générateur produit du courant alternatif, un pont de diodes (rectifier) est placé sur une plaquette montée sur l'axe. Le premier générateur (générateur d'excitation) produit du triphasé qui est redressé par un pont de diodes tournantes (6 diodes) et envoyé à la roue polaire.

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'inducteur primaire est ici un stator (d'où le nom d'excitation statique qu'on retrouve parfois). On utilise également le terme brushless generator (générateur sans balais).

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.

Réglage du courant d'excitation

Le réglage du courant d'excitation qui se fait par un module électronique est décrit sur une page séparée.

Dans une installation simple (fonctionnement en ilot), le courant d'excitation détermine la tension fournie par l'alternateur. La puissance fournie est déterminée par ce que consomme les utilisateurs.

Dans un fonctionnement en réseau, le courant d'excitation détermine le facteur de puissance de l'alternateur. La puissance fournie (répartition de la puissance) est déterminée par la quantité de carburant.

Exemples pratiques

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Le schéma à droite correspond à la partie alternateur d'un groupe électrogène.
  • 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.

    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. Acteuellement 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.
Attention, 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.

Certains petits générateurs ménagers utilisent le magnétisme rémanent du rotor pour produire une petite tension, qui alimentera l'inducteur pour augmenter le champ magnétique, et ainsi de suite.

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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.

Tous les alternateurs ne sont pas nécessairement équipés de bobinages auxiliaires: certains prélèvent leur tension d'alimentation du réseau 24V.

Ce générateur est connecté en permanence en étoile. Un transfo triphasé réduit la tension à la sortie pour qu'elle puisse être comparée à la consigne.

Le générateur a en plus un transfo de courant qui est nécessaire si le générateur doit être synchronisé avec d'autres générateurs (load sharing). Quand la puissnce 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.

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La vue éclatée montre la construction d'un alternateur de 250kW 450V 60Hz. On voit à nouveau tous les éléments d'un alternateur industriel:

  1. Inducteur primaire (alimenté par l'électronique)
  2. Induit primaire fournissant l'alimentation pour l'inducteur principal (la roue polaire)
  3. La roue polaire
  4. Induit principal
  5. Pont redresseur et 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).

Les deux images suivantes montrent l'alternateur d'excitation qui a un stator qui produit le champ magnétique. Le rotor produit 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.

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Un alternateur a des pôles composés de bobinages déphasés (angle α): un pôle de stator se compose de plusieurs bobinages élémentaires montés en série (enroulements répartis). L'avantage est que l'alternateur produit une tension sinusoidale, même si le champ magnétique produit par la roue polaire est déformé.

Le champ magnétique dans les bobinages successifs n'atteint pas le maximum simultanément, et donc les tensions induites dans chaque bobinage sont déphasées. La tension totale obtenue est moindre que s'il y avait un seul bobinage (avec le même nombre de spires au total). La tension obtenue dépend du nombre de bobinages par pôle.

Les moteurs (synchrones ou asynchrones) ont également des bobinages répartis pour obtenir un couple plus stable (sans à-coups). Le second exemple est le bobinage d'un moteur asynchrone triphasé où on remarque bien l'absence de pôles définis: le champ tournant se déplace plus souplement.

Le branchement d'un générateur est décrit ici.

Certains composants techniques sont décrits ici (amortisseur Leblanc, synchroscope,...).

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