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

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Alternateurs monophasés ou triphasés

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 couple demandé est donc constant et l'alternateur ne produit pas de vibrations.


Alternateurs simples

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 apporté 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 doit être continu. La rotation du bobinage (rotor) produit un champ alternatif dans l'induit. L'induit est ici un induit qui produit du triphasé. L'inducteur est toujours alimenté en continu (sauf certains cas spéciaux, voir "MADA").

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.

L'alternateur dans une voiture est un générateur complet, qui contient également le régulateur (qui produit le courant d'excitation). 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 plus fiables que les dynamos qu'ils remplacent.

Dans certaines applications on utilise un rotor avec des aimants permanents, ce qui permet d'éliminer la bobine d'excitation. Ce type de générateur est utilisé avec un convertisseur, car la tension en sortie ne peut pas être stabilisée par modification du courant d'excitation. On utilise souvent des aimants permanents dans les éoliennes de petite et moyenne taille, car elles nécessitent de toute façon un convertisseur pour adapter la fréquence variable de la génératrice à la fréquence fixe du réseau.

L'alternateur double est décrit plus en détails ici. On utilise un alternateur à deux étages à partir d'une puissance de 10kW environ. Cette page contient également des photos, dex exploded views et des schémas.

L'alternateur double étage ne nécessite plus de balais et est également appellé alternateur "brushless". L'alternateur d'excitation (A) est un alternateur inverse, avec le stator qui contient la bobine d'excitation et le rotor qui produit le courant.

Le courant est redressé par un pont de diodes et alimente la roue polaire du second étage qui est un alternateur classique (B).


Enroulements répartis


Principe et réalisation pratique des enroulements répartis



Enroulements répartis

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 (en rouge, graphique ci-dessous), même si le champ magnétique produit par la roue polaire est déformé (le courants dans chaque bobinage est indiqué en noir).


A gauche: tension générée par les enroulements répartis

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), mais la tension récoltée est sinusoïdale. 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). La photo à droite est le bobinage d'un moteur asynchrone triphasé où on remarque bien l'absence de pôles définis: le champ tournant qui doit entrainer le rotor se déplace plus souplement.


Stator générateur à aimants permanents


Les alternateurs à aimants permanents produisent de l'alternatif, mais celui-ci est directement redressé et envoyé à un onduleur. Il y a un exemple de stator d'un petit générateur d'éolienne individuelle à droite. La tension d'un tel alternateur n'est pas stable (ainsi que la fréquence): il faut donc nécessairement passer par un redresseur et un onduleur avant de mettre le courant sur le réseau.

Comme la forme de la tension n'a pas d'importance, les enroulements répartis ne sont pas nécessaires: on utilise donc un enroulement par pôle, ce qui se voit bien sur la photo. La tension induite est ainsi un peu plus élevée qu'en cas d'un pôle à enroulements répartis (le rendemente st également un peu plus élevé).

Le stator a 8 pôles, ce qui permet de produire une fréquence suffisamment élevée pour faire fonctionner l'onduleur dès les basses vitesses de rotation.

La tension produite est triphasée, formant un couple constant pour l'éolienne (c'est une des raisons pour lesquelles on utilise toujours du triphasé dans les gros moteurs électriques et les alternateurs).



Coupe d'un alternateur à pôles saillants

Pôles lisses ou
pôles saillants

Un alternateur peut avoir un rotor à pôles lisses pour les vitesses de 1500 et 3000 tours (2 paires de pôles). Ce sont généralement des alternateurs de forme alongée (alternateurs de turbine à vapeur). Pour éviter que le rotor ne s'affaise sous son propre poids quand l'alternateur est à l'arrêt, il doit régulièrement être viré (tourné d'environ 90°).

Les alternateurs pour basses vitesses ont des pôles saillants. Le nombre de paires de pôles va de 2 à plus de 100 et permet une vitesse de synchronisme de par exemple 60 tours/minutes pour 50 paires de pôles, par exemple pour l'alternateur d'une très grosse centrale hydro-électrique. Ce sont des alternateurs trappus pour permettre de loger les bobinages.

Le nombre de pôles au stator doit correspondre au nombre de pôles au rotor (multiplié par 1.5 en cas d'alternateur triphasé)..

L'alternateur à gauche a une roue polaire à pôles saillants. Il est utilisé pour les basses puissances.


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.

Le branchement d'un générateur est décrit ici.

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

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