Description des alternateurs (2)

Jusqu'à présent, nous nous sommes penchés sur les alternateurs munis de deux pôles, un pôle nord et un pôle sud.

Pour produire un cycle de tension alternative, la bobine doit effectuer une rotation complète (360°).

La figure suivante illustre les deux pôles de ce type d'alternateur et indique le parcours que doit effectuer la bobine pour générer un cycle ou une période de tension.

Alternateur à deux pôles :

Si l'on ajoute deux pôles à l'alternateur, comme le montre la figure suivante, une demi-rotation de la bobine suffira à produire un cycle de tension.

Une rotation complète de la bobine produira donc deux cycles ou deux périodes.

Alternateur à quatre pôles :

De même, si l'on munit l'alternateur de six pôles, on obtiendra trois périodes de tension par rotation complète de la bobine. La figure suivante illustre cette situation.

Alternateur à six pôles :

De ce qui précède, on peut déduire que le nombre de périodes de tension produites par un alternateur monophasé à chaque rotation de la bobine est égal au nombre de pôles divisé par deux ou encore au nombre de paires de pôles. Une paire de pôles étant constituée d'un pôle nord et d'un pôle sud qui se suivent et se note p.

Ainsi, chaque rotation de la bobine d'un alternateur de 24 pôles, soit p = 12 paires de pôles, produira 12 cycles de tension. De plus, en multipliant le nombre de pôles, le temps de passage sous un pôle sera d'autant plus court. C'est comme si l'on avait augmenté la vitesse de rotation dans les mêmes proportions et la f.é.m. est donc augmentée d'autant.

La formule de la f.é.m. induite de vient donc :

.

Avec K, N, n,  définis précédemment et p le nombre de paires de pôles.

Problème 1 :

Calculer le coefficient de K d'un alternateur monophasé ayant 264 conducteurs actifs, 2 paires de pôles, un flux de 9mWb par pôle et produisant une f.é.m. de 220 V en tournant à la vitesse de 1 500 min^-1.

Solution :

A partir de la formule donnant la f.é.m. E, on peut écrire la formule donnant K :

.

D'où :

.

Avec :

E = 220 V ;

N = 264 conducteurs actifs ;

p = 2 paires de pôles ;

 ;

;

.

Le cœfficient de Kapp de la machine est égal à 2,02.

La fréquence de la tension, soit le nombre de périodes par seconde, dépendra quant à elle du nombre de pôles que compte l'alternateur et de la vitesse de rotation de la bobine. Ainsi, la fréquence de la tension est égale au nombre de paires de pôles, multiplié par la vitesse de rotation de la bobine en tours par seconde.

On peut écrire cet énoncé sous la forme de l'équation suivante :

- .

Dans laquelle :

- f = fréquence de la tension, en hertz (Hz) ;

- n = vitesse de rotation de la bobine, en tours par seconde s^-1 ;

- p = nombre de paires de pôles de l'alternateur.

Voyons un exemple d'application de cette équation.

Problème 2 :

Calculez la fréquence de la tension de sortie d'un alternateur tournant à 750 min^-1 et possédant 4 paires de pôles.

Solution

Appliquons la formule de calcul de la fréquence et substituons-y les valeurs que nous connaissons :

.

.

f = 50 Hz.

La fréquence de la tension produite est de 50 Hertz.

Le fonctionnement des alternateurs triphasés repose lui aussi sur le principe de l'induction d'une force électromotrice dans un conducteur.

Cependant, les alternateurs triphasés possèdent trois enroulements distincts, disposés à 120° les uns des autres.

Cette disposition permet de produire trois tensions :

• de même valeur ;
• de même fréquence ;
• mais déphasées de 120° les unes par rapport aux autres.

Applications :

Les alternateurs triphasés sont avantageusement mis à contribution dans les centrales hydroélectriques pour produire les grandes quantités de courant nécessaires à l'alimentation du réseau de distribution d'électricité.

On les emploie également comme source d'énergie auxiliaire lors de pannes d'électricité dans les hôpitaux ou locaux recevant du public.

Production et valeur de la tension :

La figure suivante montre la disposition des trois enroulements d'un alternateur triphasé à pôles fixes, de même que la courbe des tensions produites lors de la rotation des enroulements dans le champ magnétique.

Les trois enroulements se comportant comme trois alternateurs monophasés indépendants dont les tensions sont décalées dans le temps. Comme vous pouvez le constater, les trois tensions produites sont identiques, mais déphasées de 120° ou  radians.

Alternateur triphasé :

Les trois tensions obtenues constituent un système de tensions triphasées.

Alternateurs à pôles mobiles :

Dans les machines que nous venons d'étudier, les pôles sont fixes et ce sont les enroulements qui tournent.

Cette conception est utilisée uniquement pour les applications de petite puissance.

La construction des alternateurs de plus grande puissance est différente :

les enroulements sont fixes, tandis que les pôles sont mobiles.

Ce mécanisme permet d'alimenter le circuit externe tout en diminuant les dimensions des bagues collectrices. De plus, l'isolation des enroulements est plus facile à réaliser, puisque ceux-ci ne sont pas soumis à la force centrifuge.

La figure suivante montre la représentation simplifiée d'un alternateur triphasé à pôles mobiles.

Alternateur triphasé à pôles mobiles :

Fréquence de la tension :

Comme dans le cas des alternateurs monophasés, la fréquence de la tension produite par les alternateurs triphasés dépend du nombre de pôles et de leur vitesse de rotation.

On peut donc calculer la valeur de la fréquence de la tension à l'aide de la même équation, soit :

f = p. n.

Dans laquelle :

- f = fréquence de la tension ;

- p = nombre de paires de pôles de l'alternateur ;

- n = vitesse de rotation des pôles en s^econde-1.

Comme la fréquence du courant en usage en Europe est de 50 hertz, il peut être intéressant de connaître la relation entre le nombre de pôles d'un alternateur et la vitesse de rotation nécessaire pour générer cette fréquence.

Le tableau de la figure suivante présente quelques-unes de ces valeurs.

Relation vitesse/pôles pour produire une fréquence de 50 Hz :

Par exemple, à l'aide de la figure ci-dessus, on peut déterminer qu'un alternateur possédant 8 pôles devra tourner à 750 min^-1 pour produire une tension d'une fréquence de 50 Hz.

Force électromotrice :

Chacune des trois forces électromotrices produite par un alternateur triphasé a une valeur efficace égale à la f.é.m. de l'alternateur monophasé correspondant soit :

;

Après avoir parcouru cette étude, vous devriez retenir particulièrement les points suivants :

• Le fonctionnement des alternateurs repose sur le principe de l'induction magnétique dans un conducteur.

• Une tension est induite dans un conducteur lorsque celui-ci coupe les lignes d'un champ magnétique.

• La polarité de la tension induite dans un conducteur dépend du sens du champ magnétique et du sens de déplacement du conducteur.

• Le mouvement d'une bobine dans un champ magnétique génère une tension alternative dont la courbe est de forme sinusoïdale.

• Un cycle de tension correspond à une alternance positive et une alternance négative de la tension et s'appelle une période.

• La fréquence est définie comme le nombre de cycles par seconde.

• Les alternateurs monophasés possèdent un seul enroulement.

• Les alternateurs triphasés possèdent trois enroulements disposés à 120° ou  radians les uns des autres.

• Quatre facteurs déterminent la valeur de la tension produite par tous les alternateurs :

- le nombre de conducteurs actifs de chaque enroulement N ;

- la vitesse de rotation de la partie mobile ;

- le flux du champ magnétique  ;

- le cœfficient de Kapp dépendant de la construction de la machine K.

• La fréquence de la tension produite par les alternateurs correspond à l'équation suivante : .

• La force électromotrice induite dans une bobine vaut : .

• Les alternateurs triphasés de grande puissance possèdent des pôles mobiles et des enroulements fixes.