Description des alternateurs (1)

C'est un physicien anglais, Michael Faraday (1791-1867), qui découvrit le principe à la base du fonctionnement des génératrices : l'induction magnétique.

Ce grand savant mit aussi au point la première génératrice de courant continu de l'histoire.

Avec le temps, la construction des génératrices s'est perfectionnée. Cependant, leur fonctionnement repose toujours sur le principe découvert par Faraday.

Dans cette étude, vous étudierez :

• le principe de l'induction électromagnétique ;
• son application au fonctionnement des alternateurs monophasés et triphasés.

Le fonctionnement de tous les alternateurs repose sur le principe suivant :

1) lorsqu'il y a mouvement d'un conducteur dans un champ magnétique, une force électromotrice (f.é.m.) est induite dans ce conducteur.

2) La tension ainsi induite provoque à son tour la circulation d'un courant électrique lorsque le circuit est fermé.

 
Dans certaines applications, l'induction électromagnétique provient plutôt d'une variation de l'intensité du champ magnétique ; le conducteur demeure immobile. Cependant, le principe de fonctionnement reste le même.

Le sens conventionnel du courant ainsi induit dans le conducteur (+  -) peut être facilement déterminé à l'aide de la règle de Fleming, qu'on appelle aussi "règle de la main droite".

La figure suivante montre comment appliquer cette règle :

1) avec l'index de la main droite, on pointe dans le sens du champ magnétique (N  S) ;

2) le pouce pointant dans le sens du déplacement du conducteur ;

3) le majeur indique la direction de la f.é.m. induite dans le conducteur.

Règle de Fleming :

Tension induite dans une bobine mobile :

Dans un alternateur élémentaire, comme celui de la figure suivante, les conducteurs sont regroupés sous la forme d'un cadre ou d'une spire, qu'on appelle aussi bobine ou enroulement. Cette bobine tourne dans un champ magnétique.

Alternateur élémentaire :

Le champ magnétique est produit grâce à un aimant permanent. Une bobine simple est reliée à deux bagues collectrices. Une source externe de puissance mécanique assure la rotation de la bobine.

La polarité de la tension induite dans le conducteur change (alterne) à chaque demi-rotation de la bobine. En effet, le conducteur coupe le champ magnétique vers le haut durant 180° et vers le bas durant 180°.

L'angle auquel le conducteur coupe le champ magnétique définit la valeur de la tension induite.

A l'instant où le mouvement du conducteur est parallèle aux lignes magnétiques, la tension induite est nulle. Par contre, lorsque le mouvement du conducteur est perpendiculaire aux lignes magnétiques, la tension induite atteint sa valeur maximale. De fait, c'est à cet instant précis que le conducteur coupe le plus grand nombre de lignes magnétiques.

La bobine peut être divisée en deux conducteurs, identifiés par les lettres AB et CD sur la figure ci-dessus.

Lorsque le conducteur AB coupe le champ magnétique vers le haut, le conducteur CD coupe le même champ magnétique vers le bas. Cela entraîne l'induction de tensions de polarité inverse, qui s'additionnent de la même manière que deux piles branchées en série pour donner la tension totale induite dans la bobine.

La figure suivante illustre la courbe de la tension générée par le mouvement d'une bobine dans un champ magnétique.

Tension générée par le mouvement d'une bobine dans un champ magnétique :

Analysons la figure ci-dessus.

- A la position 0° (position A), la bobine est parallèle aux lignes magnétiques : la tension induite est donc nulle.

Le graphique de la figure 2.3 possède une forme sinusoïdale, car la tension induite varie en fonction de la valeur du sinus de l'angle de déplacement.

- Si la bobine se déplace dans le sens des aiguilles d'une montre, la tension commence à croître pour atteindre sa valeur maximale à la position 90° (position B). En effet, c'est à cet instant que la bobine coupe le nombre maximal de lignes magnétiques par seconde.

- Ensuite, la tension commence à diminuer, pour redevenir nulle à la position 180° (position C). Les conducteurs AB et CD sont inversés par rapport à leur position en A.

- Les mêmes phénomènes se reproduisent de la position 180° à la position 360°. Cependant, la tension induite change de polarité, puisque les lignes magnétiques sont alors coupées dans le sens contraire à celui de la première demi-rotation de la bobine. La tension atteint sa valeur minimale (-1) à la position 270° (position D). Les conducteurs AB et CD sont inversés par rapport à leur position en B.

Une rotation complète de la bobine correspond à un cycle ou une période, c'est-à-dire à une alternance positive et une alternance négative de la tension. Le nombre de périodes se produisant en une seconde définit la fréquence de la tension, exprimée en hertz (Hz).

Par exemple, le courant alternatif utilisé dans les circuits électriques des habitations accomplit 50 périodes par seconde ; on dit donc qu'il a une fréquence de 50 hertz.

Les alternateurs dont il a été question jusqu'à maintenant sont des alternateurs monophasés.

En effet, puisque ces machines possèdent un enroulement unique, elles génèrent une seule tension alternative.

Applications :

Les alternateurs monophasés possèdent habituellement une puissance peu élevée. On les utilise donc surtout pour alimenter :

• des circuits d'éclairage ;
• des circuits de moteurs.

dans les endroits où l'alimentation en électricité à partir du réseau de distribution n'est pas possible.

Les alternateurs sont alors entraînés par une source motrice externe, comme un moteur diesel ou un moteur à essence.

Valeur de la force électromotrice :

Vous avez vu que lorsqu'une bobine tourne dans un champ magnétique, la f.é.m. induite dans la bobine est proportionnelle aux lignes de champ magnétique que celle-ci coupe en une seconde.

De façon spécifique, trois facteurs déterminent la valeur de la f.é.m. produite par un alternateur monophasé :

1) Le nombre de conducteurs actifs de la bobine N : Par exemple, si la tension induite dans une spire (1 spire = 2 conducteurs actifs) de fil est égale à 1 volt, la tension induite dans une bobine comptant 30 spires de fil sera égale à 30 volts (30  1 V) ;

2) La vitesse de rotation de la bobine (n) : Si l'on double la vitesse de rotation de la bobine, celle-ci coupera les lignes de champ magnétique deux fois plus rapidement. Par conséquent, la valeur de la tension induite doublera elle aussi ;

3) Le flux magnétique () : Plus les lignes magnétiques seront nombreuses, plus la tension induite sera élevée.

La f.é.m. induite vaut donc :

.

Avec :

- K : un coefficient dit de Kapp dont la valeur est comprise entre 1,9 et 2,6 suivant la conception de la machine ;

- N : nombre de conducteurs actifs ;

- n : fréquence de rotation en s^-1 ;

-  : flux maximal sous un pôle en Wb.