Alternateurs
Marche en parallèle
Générateurs

Pour obtenir plus de puissance, il est possible de faire travailler plusieurs alternateurs en synchronisme
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Fonctionnement parallèle

Le courant continu a un avantage indéniable: il est plus facile à mettre en œuvre. On peut tout simplement ajouter des dynamos à un réseau existant pour augmenter la puissance. Il n'est pas nécessaire de synchroniser les génératrices, puisqu'il n'y a pas de fréquence. On "monte en puissance" en augmentant le régime du générateur.

Mais avec le courant alternatif est apparu un problème inconnu avec le courant continu: la synchronisation de l'alternateur avec le réseau. Connecter un alternateur non synchronisé au réseau produit un appel de courant qui ferait directement sauter les disjoncteurs. L'entreprise Westinghouse avec Nicolas Tesla (concurrente de General Electric avec Edison) s'est finalement rendu compte que le problème pouvait facilement être résolu.


Quand l'indicateur de puissance fournie par le générateur va dans le négatif, c'est que le générateur absorbe de la puissance du réseau (l'alternateur fonctionne en fait en moteur et entraine le diésel).

C'est une situation qui n'est pas normale et le relais de retour de puissance devrait fonctionner pour sectionner la connection avec le réseau. Cette situation peut se produire s'il y a une perte de puissance du diésel (alimentation en carburant bouchée).


Courbe de Mordey

Fonctionnement en îlot ou en réseau infini

La marche en parallèle consiste à faire tourner plusieurs alternateurs en parallèle pour alimenter une forte charge. Le but est que chaque alternateur participe de façon équilibrée à l'alimentation de la charge, aussi bien en puissance active qu'en puissance réactive. Le fonctionnement des alternateurs est considéré comme un fonctionnement en îlot puisqu'il n'est pas connecté au réseau.

En cas de fonctionnement en réseau infini, l'alternateur est connecté au réseau de distribution et injecte de l'énergie dans le réseau (le compteur électrique tourne à l'envers). Le réseau est si grand et se compose de tellement de générateurs qu'un seul générateur ne peut pas influencer les paramètres du réseau de distribution. Un alternateur couplé au réseau de distribution peut se passer de régulateur de vitesse. Il marche alors à puissance active constante (marche dite “sur programme”). C'est la marche la plus souvent adoptée, le régulateur étant remplacé par un simple limiteur de puissance.

Il n'est pas toujours nécessaire que l'alternateur fournisse de l'énergie au réseau: l'alternateur peut être utilisé pour absorber les pics de consommation à certaines heures (certains consommateurs industriels doivent payer un supplément pour les pics de consommation). Dans ce cas le réseau et le générateur local fournissent chacun une partie de la puissance requise.

Les conditions de marche en parallèle isolé et en réseau infini sont assez identiques (les différences sont indiquées à chaque fois). Le comportement en parallèle isolé est la moyenne de fonctionnement de tous les générateurs (tension et fréquence).

Puissance active et puissance réactive

Un générateur produit une puissance active, qui est déterminée par l'énergie mécanique apportée à l'alternateur et une puissance réactive déterminée par le courant d'excitation.
  • Quand la génératrice est sous-excitée, sa force electro-motrice (fem) est plus basse que la tension du secteur et la génératrice absorbe de la puissance réactive, de la même manière qu'un transfo ou un moteur asynchrone absorbe de la puissance réactive pour créer son champ magnétique.

    Le courant est déphasé en arrière par rapport à la tension. Le courant est maximal quand la tension est déjà en train de diminuer, ce qui fait que la puissance maximale théorique ne peut pas être fournie. Le déphasage est indiqué par l'angle φ et le facteur de puissance est indiqué cosφ.

  • Quand la génératrice est sur-excitée, sa fem est plus élevée que la tension du secteur et elle produit de la puissance réactive. Le courant est déphasé en avant par rapport à la tension et ici aussi la puissance maximale de l'alternateur ne peut pas être obtenue.

Ce n'est que la génératrice est correctement excitée que le courant dans l'induit est le plus faible pour une puissance donnée. Le courant se compose de la puissance active et réactive, et la puissance réactive est minimale quand l'excitation est correcte.

Dans le schéma, la puissance réactive (en fait le courant, mais cela ne change rien au raisonnement), ce sont les lignes violettes. Le courant est nul quand l'excitation est correcte. A ce courant vient s'ajouter le courant effectivement envoyé dans le réseau et consommé par les utilisateurs.

La courbe verte indique un fonctionement optimal de l'alternateur. Il n'y a pas de déphasage, le facteur de puissance (cosφ) est donc de 1.. La courbe penche vers la droite: le courant d'excitation doit augmenter avec la charge (puissance active).

La partie à gauche, caractérisée par un courant d'excitation très faible indique une zone de fonctionnement instable où le champ magnétique n'est pas assez fort pour maintenir l'alternateur en synchronisme. L'alternateur décroche et ne tourne plus à sa vitesse synchrone. Un fort appel de courant peut se produire ce qui fait fonctionner les sécurités.

Pas du bobinage

Les générateurs ont un pas dans le branchement du bobinage du rotor. La plupart des alternateurs ont une roue polaire à 4 poles, l'alternateur tourne ainsi à 1500 tours pour une fréquence de 50Hz.

Le bobinage du stator n'englobe pas complètement le pole (90° = full pitch), mais un peu moins. On retrouve principalement deux systèmes de bobinages. Nous partons d'un alternateur avec 48 encoches, donc en théorie 12 encoches pour un bobinage:

  • 10 encoches (pas de 10/12 généralement indiqué pitch 5/6).
    Ce type de bobinage est utilisé principalement pour les groupes travaillant à haute tension (plus de 1000V). Il n'a pas de connection de neutre (le branchement interne est en triangle)

  • 8 encoches (pas de 8/12, indiqué pitch 2/3).
    Ce type de bobinage a un moins bon rendement (le bobinage n'englobe pas tout le champ magnétique d'un pole) mais permet une légère réduction de la quantité de cuivre nécessaire. Le branchement est généralement en triangle avec sortie du neutre.

Ces deux types de bobinages produisent une forme d'onde un peu différente. Cela ne pose normalement pas de problème dans la plupart des cas, les différences de tension (forme de la sinusoidale) sont limitées à quelques pourcents. Mais les conducteurs des alternateurs sont réalisés en très gros fil, et cela produit malgré tout des courants très importants (harmoniques).

On remarque qu'il y a une incompatibilité entre alternateurs s'il n'est jamais possible de réduire le courant de traverse à zéro, quel que soit l'excitation. Le courant de traverse est le courant qui circule d'un générateur à l'autre. Dans la plupart des cas, il est produit par une excitation différente des générateurs, et donc une tension de sortie différente, mais il peut également être produit par une différence dans le pas du bobinage statorique et donc la forme de la tension générée qui n'est pas parfaitement sinusoidale.

Cette incompatibilité de rend pas le fonctionnement en parallèle impossible, mais peut réduire la puissance totale disponible.

Il n'est en principe pas nécessaire d'avoir une connection de neutre pour les groupes connectés à un transformateur (c'est généralement le cas pour les alternateurs haute tension). Le neutre est produit au secondaire du transfo si nécessaire. Les générateurs produisant de l'énergie domestique (230/400V) doivent avoir une connection de neutre.

Sur la page suivante nous indiquons les conditions qu'un groupe doit remplir pour pouvoir fonctionner en parallèle.

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