Marine Zeebrugge
amplificateurs magnétiques
Amplificateurs
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Avant l'arrivée d'amplificateurs pouvant commander une puissance élevée, il fallait "faire avec" les différentes sortes d'amplificateurs magnétiques. C'est en fait un hommage à Ernst Alexanderson qui a inventé la plupart des applications décrites sur ces pages.

Les alternateurs sont des générateurs de courant alternatif. Un champ magnétique tournant produit une tension alternative dans les bobines fixes (stator). Le champ magnétique tournant peut être produit par un aimant permanent (la dynamo de vélo est en fait un alternateur), mais on peut également produire le champ magnétique par un bobinage rotatif.

Le courant nécessaire dans le rotor est faible en comparaison du courant produit dans le stator. Un facteur d'amplification de 100× est tout à fait normal pour une excitation simple. L'énergie mécanique est transformée en énergie électrique. On peut donc utiliser un alternateur (ou une dynamo) comme amplificateur. L'alternateur classique ne répond que lentement aux variations du champ magnétique (à cause de la self-induction du bobinage d'excitation) et les applications sont limitées.

Le fonctionnement d'un alternateur est décrit ici (mais lisez également les autres pages du répertoire).

Alternateur d'Alexanderson

Avant l'arrivée des tubes électroniques, on ne disposait que d'alternateurs pour produire un signal alternatif. Les alternateurs ont continué à être utilisés jusqu'à la seconde guerre mondiale, car il permettaient des puissances plus élevées que les tubes de radio. Les fréquences nécessaires pour les émissions de radio étaient bien plus élevées que les fréquences des alternateurs classiques (50, 60 et plus tard 400Hz). Il fallait aussi bien augmenter le nombre de pôles que le la vitesse de rotation.

Une valeur normale pour un petit générateur était une vitesse de rotation de 20.000 tours/minute (333 tours/seconde) et 300 pôles produisant une fréquence de 100kHz. Même actuellement, c'est une vitesse très élevée! Les limites sont 150kHz (pour de petits générateurs) et 500kW (pour les plus grands générateurs produisant une fréquence plus basse, par exemple 15kHz). Les plus gros générateurs étaient utilisés pour transmettre du morse d'un continent à un autre, tandis que les générateurs plus petits étaient utilisés pour la radio (modulation d'amplitude). Il s'agissait des premières émissions de radio.

De par leur taille, ces générateurs n'étaient pas utilisés à bord de bateaux (bien que les Etats Unis ont fait des tests avec des navires).

Le générateur d'Alexanderson a perdu de son utilité avec l'arrivée des tubes électroniques dans les années 1930, mais a continué à être utilisé pour les communications à longue distance et les communications avec les sous-marins qui nécessitent une puissance très élevée, et ce jusque pendant la seconde guerre mondiale.

Il n'y a pas de rotor classique, car il n'est pas possible d'utiliser des contacts électriques suffisamment fiables à une telle vitesse. Il n'est de plus pas possible de maintenir le bobinage du rotor en place à cause de la force centrifuge.

Le rotor se compose d'un disque en fer feuilleté avec des découpes à sa circonférence, voir image ci-dessous. Le stator a également des découpes. Les découpes sont remplies d'un matériau non-magnétique pour limiter le freinage par l'air. Ces pôles modifient constamment la résistance magnétique (réluctance) du circuit chaque fois qu'ils passent devant l'entrefer. Le fonctionnement est identique au pick-up d'une guitare électrique. L'alternateur d'Alexanderson est en fait une sorte de transformateur rotatif, avec primaire et secondaire montés sur le stator.

Nous avons un gros bobinage primaire parcouru par un courant continu (indiqué en bleu) qui produit un champ magnétique fixe entre rotor et stator. Le champ va du rotor, passe par l'entrefer et retourne au stator.

Il y a le double de poles au stator qu'au rotor. Chaque pôle du stator a un bobinage secondaire (indiqué en vert sur les deux découpes, il n'y a que 4 bobinages dessinés sur la découpe à droite).

Tous les bobinages secondaires sont montés en série, mais connectés alternativement dans un sens et dans l'autre, je vous explique pourquoi: A un moment donné, le champ magnétique est maximal au pôle "A" (lettre bleue, découpe à droite), tandis qu'il est minimal au pôle "B" (entrefer maximal).

Quand le rotor tourne, le champ magnétique augmente aux pôles pairs et diminue aux pôles impairs et puis nous avons l'effet inverse.

Les bobinages secondaires, branchés alternativement captent ainsi les variations du champ magnétique. La tension obtenue est envoyée directement à l'antenne. Pour moduler le signal, on place une inductance saturable sur la ligne d'antenne (modulation d'amplitude, l'inductance fonctionne comme une résistance variable).

On modifie la fréquence de l'émetteur en variant la vitesse de rotation du générateur. La fréquence d'émission n'est donc pas très stable. Elle change également avec la modulation qui produit une modification du couple mécanique.

Il y a encore un alternateur d'Alexanderson actif au monde. Il se situe à Grimeton (en Suède). L'émetteur est utilisé une fois par an le 24 décembre (Alexanderson Day). Il émet alors traditionnellement un message de noêl en morse.


Groupe Ward Leonard
Amplidyne et métadyne
L'amplidyne et le métadyne sont deux formes d'amplificateurs magnétiques mécaniques. Ils sont fabriqués sur base d'une dynamo modifiée et produisent du continu. Ils se comportent en amplificateur (amplifiant le courant inducteur environ 10.000 fois) mais peuvent également être utilisés comme transformateur à courant continu, transformant une tension continue en une autre.

Groupe Ward Leonard
Le groupe Ward Leonard permet de régler la puissance fournie à un moteur. Il était utilisé avant l'apparition des modules électroniques.

Schéma concret d'un groupe Ward Leonard utilisé dans les remorqueurs de la marine belge.
Schéma d'un groupe Ward Leonard utilisé dans les ascenseurs.

Amplificateur à inductance saturable
Et puis, nous sommes passés aux amplificateurs "statiques" c.à.d. ne comprenant pas de pièces mobiles. Ces circuits n'utilisent pas encore des composants électroniques comme les tubes et les transistors, car ils n'étaient pas en mesure de fournir la puissance nécessaire et n'avaient pas la fiabilité nécessaire pour certaines applications militaires. Ces amplificateurs se comportent comme résistance variable, mais n'ont pas les pertes d'une résistance classique (il s'agit d'une inductance variable).
Et puis finalement nous sommes passés aux circuits électroniques, utilisant d'abord des thyristors et des ignitrons. Ces tubes pouvaient commander des faibles charges (commandes d'ampoules, de petits moteurs) mais également des charges de plusieurs milliers d'ampères (processus industriels).

Bien qu'inventés avant la seconde guerre mondiale, ces tubes ont surtout été utilisés après la guerre (par exemple commande d'ascenseurs à la place d'un groupe Ward Leonard). Ces tubes permettent de moduler la puissance en modifiant l'angle de conduction d'un courant alternatif.

Et puis les tubes ont été remplacés par des thyristors ou des triacs (voir photo), sauf pour les applications très haute puissance ou voltage. La mise en conduction s'effectue par une impulsion sur la gachette (gate), mais on utilise également une commande isolée par opto-coupleur (la lumière d'une del intégrée dans le boitier commande le triac). Il s'agit de relais solid state.

Finalement on utilise aussi des transistors de type MOSFET qui sont commandés en tension et permettent de hacher le courant en entrée. Un thyristor une fois en conduction ne peut plus être éteint sauf appareillage spécial. Ces transistors sont utilisés dans les commandes de moteurs où ils permettent le fonctionnement le plus efficace possible des moteurs asynchrones en jouant sur la fréquence et la tension. Plus de détails sur la page des variateurs électroniques de vitesse.

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