Construction et caractéristiques des alternateurs

Vous savez maintenant que le fonctionnement des alternateurs repose sur le principe de l'induction magnétique.

Dans cette étude, vous verrez quels sont :

• les principaux composants des alternateurs ;
• leurs caractéristiques particulières.

Du point de vue électrique, les alternateurs se composent de deux éléments distincts : l'inducteur et l'induit.

L'inducteur a pour rôle de produire le champ magnétique. Il est donc constitué d'électro-aimants disposés de manière à créer alternativement des pôles nord et sud.

L'induit est constitué de l'ensemble des enroulements dans lesquels la tension est induite.

Comme vous l'avez appris précédemment, l'inducteur de la majorité des alternateurs est mobile, tandis que l'induit constitue la partie fixe de la machine.

La figure suivante montre l'induit et l'inducteur d'un alternateur.

Alternateur à inducteur mobile :

Du point de vue mécanique, les deux principaux composants d'un alternateur sont le rotor et le stator.

Stator :

Comme son nom l'indique, le stator constitue la partie fixe ou statique, de l'alternateur. Il s'agit donc le plus souvent de l'induit.

Le stator se compose alors d'un noyau en tôle d'acier muni d'encoches destinées à recevoir les conducteurs formant les enroulements de l'induit.

Les enroulements du stator sont fabriqués en fils de cuivre. Chaque spire de fil est isolée des autres spires. Dans le cas des alternateurs monophasés, les enroulements sont reliés en série.

Dans le cas des alternateurs triphasés, les enroulements du stator sont divisés en trois enroulements distincts, disposés à 120° les uns des autres.

Rotor :

Le rotor constitue l'élément mobile de l'alternateur. Il renferme les pièces polaires qui constituent l'inducteur de la machine, c'est pourquoi on l'appelle aussi "roue polaire".

On distingue deux types de rotors : les rotors à pôles saillants et les rotors à pôles lisses.

On utilise le rotor à pôles saillants lorsque l'alternateur tourne à basse vitesse. Des bobines d'excitation, fabriquées de fils ou de barres de cuivre, sont fixées directement sur les pièces polaires. Ces bobines sont reliées en série, de façon à créer des polarités contraires entre deux pôles voisins.

Ce type d'alternateur, dont la puissance varie de 1 000 kVA à 250 MVA équipe la plupart des centrales hydrauliques, les groupes de secours des administrations et les navires.

Les rotors à pôles lisses, comme celui apparaissant à la figure suivante, sont conçus pour les petits alternateurs tournant à haute vitesse.

Comme vous pouvez le constater sur la figure suivante, leur forme est cylindrique ; les bobines d'excitation s'insèrent dans les entailles usinées à cette fin.

Cette machine est appelée "turbo-alternateur" du fait de sa vitesse de rotation élevée. Leur puissance peut atteindre 1,5 GVA et ils équipent la plupart des centrales thermiques classiques et nucléaires.

Rotor à pôles lisses :

Les bagues collectrices sont montées sur l'arbre du rotor et branchées aux extrémités de l'enroulement inducteur.

Des balais en carbone sont maintenus en contact avec la surface des bagues à l'aide de ressorts.

Ce mécanisme permet de brancher l'enroulement inducteur à une source d'énergie extérieure, responsable de son alimentation.

Pour que l'ensemble bagues/balais fonctionne bien, il importe de maintenir une pression constante sur les balais.

Le ressort doit donc remplir efficacement cette fonction pendant toute la durée de vie des balais.

La figure suivante illustre l'action du ressort sur les balais neufs et usés.

Action du ressort sur les balais :

Vous avez vu que l'on doit faire appel à une source d'énergie externe pour faire fonctionner les alternateurs. L'excitatrice remplit cette fonction. Il s'agit en fait d'une petite génératrice de courant continu, qui alimente les enroulements inducteurs de l'alternateur.

La tension produite grâce à l'excitatrice est acheminée aux enroulements inducteurs par l'entremise des balais et des bagues collectrices.

On regroupe les excitatrices en deux catégories :

- les excitatrices mobiles ;

- les excitatrices statiques.

Excitatrice mobile :

L'excitatrice mobile est montée directement sur l'arbre de l'alternateur. En réglant le courant d'excitation de la génératrice, on règle le courant dans le rotor de l'alternateur.

Excitatrice statique :

L'excitatrice statique est une machine plus récente que la précédente. Elle se compose d'une source d'alimentation électrique munie de redresseurs à semi-conducteurs. L'avantage de ce type d'excitatrice réside dans l'absence de pièces mobiles et de balais, ce qui diminue les coûts d'entretien de la machine.

La figure suivante vous montre les symboles utilisés pour représenter les machines synchrones.

Symboles d'une machine synchrone :

A VIDE :

Pour décrire le comportement des alternateurs, on utilise des graphiques qui permettent d'illustrer la relation entre deux ou plusieurs variables électriques et mécaniques.

Il existe deux conditions essentielles pour qu'un alternateur puisse générer une tension :

1. L'alternateur doit tourner à sa vitesse synchrone, c'est-à-dire à la vitesse qui lui est nécessaire pour produire une tension d'une fréquence de 50 Hz.

2. L'inducteur doit être excité à l'aide d'une source externe de courant continu.

La figure suivante montre le schéma de raccordement d'un alternateur triphasé tournant à vide, c'est-à-dire n'alimentant aucun appareil.

Schéma d'un alternateur triphasé tournant à vide :

Voyons, à l'aide d'un exemple, comment calculer la vitesse synchrone d'un tel alternateur.

Problème :

Un alternateur possède quatre pôles. Calculez sa vitesse synchrone à 50 Hz.

Solution :

Sachant que la vitesse synchrone représente la vitesse de rotation nécessaire pour produire une tension d'une fréquence de 50 Hz, il est possible de calculer la vitesse synchrone de l'alternateur en transformant l'équation du calcul de la fréquence. On a donc :

.

Qui devient : .

Avec :

- n en s^-1 ;
- f en Hz ;
- p en nombre de paires de pôles.

Il ne reste plus qu'à appliquer cette dernière équation en y substituant les valeurs que nous connaissons, soit :

.

Ou encore : . D'où n = 1 500 min^-1.

La vitesse synchrone de l'alternateur est donc de 1 500 min^-1.

Si l'on augmente graduellement le courant d'excitation de l'alternateur triphasé (3 Ø) tout en maintenant sa vitesse synchrone, on obtient la caractéristique à vide apparaissant à la figure suivante.

Courbe de saturation à vide d'un alternateur triphasé :

Analysons cette courbe :

- Lorsque le courant d'excitation est nul (0 mA), aucune tension n'apparaît à la sortie de l'alternateur, puisque le champ magnétique est lui aussi nul.

- Lorsqu'on augmente graduellement le courant d'excitation, on remarque une augmentation proportionnelle de la tension de sortie jusqu'à atteindre une valeur de 180 V.

- Ensuite, l'augmentation de la tension est plus lente malgré l'augmentation du courant d'excitation. Ce phénomène est causé par la saturation magnétique de l'acier qui constitue le noyau de l'inducteur.

- Lorsque le courant d'excitation atteint 100 milliampères (100 mA), la tension de sortie atteint la valeur nominale de 240 V. Si l'on double le courant d'excitation à 200 mA, on obtient une tension de sortie de 300 V, soit une augmentation beaucoup plus faible que précédemment.

Dans la pratique toutefois, l'alternateur est branché à une charge et ne tourne pas à vide. Pour comprendre son comportement dans une telle situation, on doit analyser sa caractéristique en charge.

Caractéristique en charge des alternateurs :

La tension de sortie d'un alternateur n'est pas constante; elle varie en fonction de la charge qui lui est imposée. C'est pourquoi on régularise la tension de sortie en exerçant un contrôle sur le courant d'excitation. Cette action est réalisée en agissant sur le rhéostat de champ.

Pour obtenir les caractéristiques en charge d'un alternateur, on règle la tension à sa valeur nominale (240 V) en augmentant le courant d'excitation, qu'on garde constant par la suite. On charge graduellement l'alternateur jusqu'à ce que l'on atteigne 120 % de sa puissance maximale.

La figure suivante montre les caractéristiques en charge d'un alternateur dans trois situations possibles :

1. Facteur de puissance unitaire.

2. Facteur de puissance arrière 0,8.

3. Facteur de puissance avant 0,8.

Courbes de régulation d'un alternateur triphasé :

Le facteur de puissance unitaire correspond à une charge purement résistive ; le facteur de puissance arrière correspond à une charge inductive ; enfin, le facteur de puissance avant correspond à une charge capacitive.

En observant la figure suivante, on peut conclure que le facteur de puissance (cos ) modifie les caractéristiques électriques d'un alternateur.

Lorsque l'alternateur est branché à une charge, un courant circule dans les enroulements de l'induit, ce qui provoque des chutes de tension RI et XLI. Ces chutes de tension proviennent de la résistance du fil et de la réactance inductive des enroulements.

Si la charge est inductive (cos  arrière), la réaction de l'induit affaiblit le champ inducteur, ce qui provoque une baisse de la tension de sortie.

Si la charge est capacitive (cos  avant), la réaction de l'induit augmente, car une partie de son champ magnétique s'ajoute au champ magnétique de l'inducteur. Ce phénomène entraîne l'augmentation de la tension de sortie.

Caractéristique de réglage des alternateurs :

Si l'on veut obtenir une tension constante en sortie de l'alternateur malgré les variations de la charge, il faut en permanence, pour chaque point de fonctionnement, régler le courant d'excitation.

On peut tracer la caractéristique qui nous donne la valeur du courant d'excitation J pour chaque valeur de la charge de façon à obtenir une tension de sortie constante, c'est la caractéristique de réglage.

Pour obtenir cette caractéristique, on règle le courant d'excitation pour obtenir la tension de sortie nominale (240 V).

On charge ensuite graduellement l'alternateur jusqu'à ce que l'on atteigne 120 % de sa puissance maximale en relevant la valeur du courant d'excitation J permettant de conserver la tension de sortie nominale.

La figure suivante montre les caractéristiques de réglage d'un alternateur dans les trois mêmes situations que précédemment.

Caractéristiques de réglage d'un alternateur triphasé :

Pourcentage de régulation des alternateurs :

Le pourcentage de régulation d'un alternateur représente le taux de variation entre sa tension de sortie à vide et sa tension en pleine charge.

Le pourcentage de régulation témoigne donc de la capacité d'un alternateur de maintenir une tension de sortie constante lors d'une variation de charge.

On calcule le pourcentage de régulation en appliquant l'équation suivante :

.

Dans laquelle :

- E_v = tension à vide ;
- E_pc = tension en pleine charge.

Voyons un exemple d'application de cette équation :

Problème :

En vous reportant à la figure ci-dessus, calculez le pourcentage de régulation de l'alternateur :

a) pour un facteur de puissance avant ;
b) pour un facteur de puissance unitaire ;
c) pour un facteur de puissance arrière.

1. Facteur de puissance avant

Sur la figure, on peut voir que la tension à vide de l'alternateur est de 240 V et que, pour la courbe du facteur de puissance avant, la tension en pleine charge s'élève à 264 V. On pose donc l'équation suivante :

.

.

% régulation = - 9,09 %.

Un pourcentage de régulation négatif signifie que, pour maintenir une tension constante, il faudra diminuer le courant d'excitation.

2. Facteur de puissance unitaire

Pour un facteur de puissance unitaire, la figure indique une tension à vide de 240 V et une tension en pleine charge de 216 V. On effectue donc le calcul qui suit :

.

.

% régulation = 11,1 %.

3. Facteur de puissance arrière

Toujours sur la figure, on peut déterminer que la tension nominale est de 240 V et que la tension en pleine charge pour un facteur de puissance arrière s'élève à 180 V. On pose donc de nouveau l'équation suivante :

.

.

% régulation = 33,3 %.

Dans plusieurs applications, la charge branchée à l'alternateur varie, ce qui entraîne une variation de la tension de sortie.

Pour remédier à ce problème, on utilise des régulateurs électroniques qui maintiennent la tension de sortie constante en faisant varier le courant d'excitation.

Résumé sur la construction et caractéristiques des alternateurs :

Suite à cette étude, vous devriez retenir particulièrement les points suivants :

- Le rôle de l'inducteur est de produire le champ magnétique.

- Le terme "induit" désigne l'ensemble des enroulements dans lesquels la tension est induite.

- Le stator est la partie fixe d'un alternateur.

- Le rotor est la partie mobile d'un alternateur.

- L'excitatrice fournit le courant d'excitation nécessaire aux enroulements inducteurs.

- La tension induite dans un alternateur varie en fonction du courant d'excitation.

- La tension de sortie d'un alternateur varie avec la charge.

- Le pourcentage de régulation d'un alternateur représente le taux de variation entre la tension à vide et la tension en pleine charge de la machine. On calcule le pourcentage de régulation à l'aide de l'équation suivante :

.