Enroulement de l'induit d'un alternateur

Machines à courant alternatif 1955

On utilise rarement les alternateurs à courant monophasé à induit fixe mais il est bon de les étudier, étant donné qu'un enroulement à courant polyphasé en comprend deux ou trois.

Il est d'usage, lorsqu'on a besoin d'un alternateur à courant monophasé, de bobiner l'alternateur à courant triphasé en étoile et d'utiliser seulement deux des trois phases; il reste une phase de secours qu'on utilise en cas de panne.

1. Enroulement à courant monophasé

Un enroulement à courant monophasé comprend une série de bobines ou de groupes de bobines de polarité alternée (nord, sud, nord, sud) placés dans les encoches du stator (Fig. 33a, b et c).

Fig. 33. — Enroulement à courant monophasé représenté de trois manières

L'enroulement élémentaire (une encoche par pôle) ne s'avérerait pas pratique car on n'utiliserait pas la surface de l'induit de façon économique et l'onde de la tension induite n'aurait pas la bonne forme. Il est d'usage d'utiliser plusieurs bobines par pôle distribuées dans plusieurs encoches.

Toutes les bobines d'un même pôle ont la même polarité (Fig. 34).

Fig. 34. — Enroulement à courant monophasé bipolaire a) à tambour (bobines en losange), b) en spirale (bobines concentriques)

Polarité d'un enroulement à courant monophasé

Lorsqu'on relie les bobines d'un enroulement simple on commence par relier entre elles les bobines de chaque groupe. Ces bobines d'un groupe forment un pôle et elles ont toutes la même polarité; on les trouve ordinairement reliées en série (Fig. 34).

Pour simplifier cette assertion on dit qu'un groupe de bobines une fois relié peut se considérer comme une seule bobine.

On relie ensuite les groupes successifs afin de produire les polarités alternées (nord, sud, nord, sud). On croise donc les fils de sortie à tous les deux groupes. Les groupes de bobines ordinairement reliés en série peuvent parfois être reliés en parallèle ou mixtes.

Pôles conséquents {conséquent pôles or half coil winding)

La méthode des pôles conséquents consiste à relier la fin d'un groupe de bobines au commencement du suivant (Fig. 35).

Fig. 35. — Pôles conséquents, quatre pôles

On obtient, en les reliant de cette façon, le double du nombre de pôles. Ces enroulements sont à pas raccourci.
Pas polaire (full-pitch)

Une bobine a le pas polaire lorsque ses côtés sont espacés de 180° et placés dans des encoches situées au centre des pôles (Fig. 36).

Fig. 36. — Pas a) polaire b) raccourci

Les côtés des bobines d'une même phase reposent dans les mêmes encoches.

Pas raccourci (fractional-pitch)

Le pas raccourci est inférieur au pas polaire car la bobine est plus petite (Fig. 36).

On utilise beaucoup le pas raccourci car il économise le cuivre et la tension induite se rapproche plus de la forme sinusoïdale. Un enroulement à pas raccourci a des encoches qui contiennent des côtés de bobines de différentes phases.

Tension d'une phase d'un alternateur

La tension d'une phase d'un alternateur s'exprime et se calcule par

E = 4.44f T Φ Kd Kc / 10⁸

E = tension
Φ = flux magnétique d'un pôle
f = fréquence
T = Nombre de spires dans une phase
Kd = facteur de distribution
Kc = « chord factor »

Facteur de distribution Kd

La tension totale des bobines d'une phase reliées en série est inférieure à la tension d'une bobine multipliée par le nombre total de bobines. Les bobines sont plus ou moins déphasées les unes des autres et leurs tensions varient.

Le facteur de distribution Kd {distribution factor) est le facteur servant à multiplier la tension totale des bobines pour obtenir la tension réelle.

Facteur Kc

Lorsque le pas est raccourci, les tensions induites dans les côtés d'une bobine ne sont pas exactement en phase: on a alors une légère diminution de la tension. Pour obtenir la tension réelle on multiplie la tension totale par le facteur Kc (chord factor).

Les facteurs Kd et Kc se calculent ou s'obtiennent dans les tables de bobinage.

Enroulement à courant diphasé

Un enroulement à courant diphasé comprend deux enroulements à courant monophasé, espacés de 90° l'un de l'autre.

La figure 37 reproduit un enroulement à courant monophasé tétrapolaire avec plusieurs encoches vides. En plaçant dans ces encoches un autre enroulement identique, on obtient un enroulement à courant diphasé.

Fig. 37. — Enroulement à courant diphasé

3. Enroulement à courant triphasé (three-phase winding)

L'enroulement d'un induit à courant triphasé comprend trois enroulements à courant monophasé espacés de 120° l'un de l'autre, l'enroulement du milieu étant de polarité différente des deux autres.

On appelle ces trois enroulements à courant monophasé des phases ; ils donnent la phase 2, la phase 2 et la phase 3.

On peut relier en série, en parallèle ou mixtes les bobines ou sections de chaque phase.

La figure 38 reproduit un enroulement à courant monophasé tétrapolaire ainsi que deux groupes d'encoches vides, un groupe marqué X et l'autre 0.

Fig. 38. — Enroulement à courant triphasé tétrapolaire

Si on ajoute deux enroulements identiques au premier dans les encoches vides, on a un enroulement à courant triphasé. La figure 39 est un schéma complet de l'enroulement de la figure 38, l'enroulement étant relié en série-étoile.

Fig. 39. — Schéma complet de l'enroulement à courant triphasé tétrapolaire

a) Montage en étoile ou en Y

Pour relier les trois phases en étoile (star-connection), on raccorde les trois commencements des phases aux trois fils de ligne Ll, L2 et L3 et les trois fins de phases ensemble, ceux-ci devenant le point commun centre ou neutre de l'enroulement (Fig. 40).

On tient compte de la polarité de chaque phase.

Fig. 40. — Enroulement à courant triphasé bipolaire, à six bobines, relié en série-étoile

On indique la tension et l'intensité d'une génératrice à courant triphasé reliée en étoiles par

E ligne = E phase x 1.7321
E phase = E ligne x 0.5774
I phase = I ligne

b) Montage en triangle ou delta

La connexion triangle s'obtient en reliant la fin de la phase 1 au commencement de la phase 2, la fin de la phase 2 au commencement de la phase 3, la fin de la phase 3 au commencement de la phase 1 (Fig. 41).

On tient compte de la polarité de chaque phase.

Fig. 41. — Enroulement à courant bipolaire, à six bobines, relié en série-triangle

On indique la tension et l'intensité d'une génératrice à courant triphasé reliée en triangle par:

E phase = E ligne
I ligne = I phase x 1.7321
I phase = I ligne x 0.5774

II existe une génératrice à courant triphasé spéciale permettant de relier les enroulements de différentes manières et de vérifier les tensions obtenues selon le genre de connexion en employant les formules précédentes.

L'induit de cette génératrice comprend 54 bobines divisées en six groupes de 9 bobines reliées en série (Fig. 42 et 43).

Fig. 42. — Schéma de l'induit d'un alternateur à courant triphasé de laboratoire

Fig. 43. — Diagramme de l'enroulement de l'induit d'un alternateur à courant triphasé de laboratoire

Pour les essais, on règle l'excitation de façon que chaque groupe produise 69.3 volts (le voltmètre est relié aux bornes de chaque groupe). Comme on trouve 9 bobines en série dans un groupe, chacune produit donc 7.7 volts (on néglige ici les facteurs Kd et Kc).

On trouve 12 bornes au tableau de la génératrice.

On interconnecte d'abord ces bornes afin de relier les deux groupes de bobines de chaque phase, soit en parallèle avec 69.3 volts par phase, soit en série avec 69.3 x 2 = 138.6 volts par phase.

On relie ensuite les trois phases en étoile ou en triangle, un voltmètre, aux bornes de lignes, et on vérifie les tensions obtenues.

Lorsque deux groupes dans une phase sont en parallèle on a en réalité une connexion mixte car on a déjà en série les 9 bobines de chaque groupe.

En réalité, relier l'enroulement de deux parallèles-étoile ou de deux parallèles-triangle signifie deux groupes de bobines en série parallèle dans chaque phase.

Exemple (1).

Quelle est la tension aux bornes de la génératrice décrite précédemment si l'enroulement est relié en série-étoile (Fig. 42a) ?

La tension d'une phase deux groupes en série, est E phase = 69.3 volts x 2

69.3 x 2 = 138.6 volts
E ligne = E phase x 1.7321

138.6 x 1.7321 = 240 volts

Exemple (2).

Quelle est la tension aux bornes de la génératrice si l'enroulement est relié deux parallèles-étoile (Fig. 426) ?

Les deux groupes 69.3 volts étant en parallèle E phase = 69.3 volts

E ligne = E phase x 1.7321
69.3xl.7321 =120 volts

Exemple (3).

L'ampérage de la ligne de la génératrice précédente est de 24 ampères, quel est l'ampérage d'une phase ?

I phase = I ligne
I ligne = 24 ampères

Exemple (4).

Quelle est la tension aux bornes de la génératrice précédente si l'enroulement est relié en série-triangle (Fig. 42c) ?

La tension d'une phase, lorsqu'il y a deux groupes de 69.3 volts en série, est

E phase =69.3 volts x 2
69.3 x 2 = 138.6 volts
E phase = E ligne
E ligne = 138.6 volts

Exemple (5).

Quelle est la tension aux bornes de la génératrice si l'enroulement est relié deux parallèles-triangle (Fig. 42a7) ?

Les deux groupes de 69.3 volts étant en parallèle E phase = 69.3 volts

E phase = E ligne
E ligne = 69.3 volts

Exemple (6).

L'ampérage de la ligne de la génératrice précédente est de 24 ampères, quel est l'ampérage de chaque phase ?

I phase = ligne x 0.5774
I ligne = 24 ampères
24 x 0.5774 = 13.86 ampères

Sortes d'enroulements à courant triphasé

a) Enroulement en tambour (drum-winding)

L'enroulement en tambour comprend plusieurs bobines en losanges fabriquées à l'avance et placées les unes à la suite des autres dans les encoches du stator (Fig. 44).

Fig. 44. — Enroulement à tambour

Les bobines de chaque phase tracées différemment sont reliées en série, mais non les groupes entre eux. Pour le schéma complet de cet enroulement on réfère à la figure 39.

On remarque que cet enroulement est à deux encoches et qu'il y a deux côtés de bobines par encoche. L'enroulement en tambour est à peu près le seul utilisé dans les alternateurs en Amérique du Nord.

b) Enroulement à chaîne

L'enroulement à chaîne comprend plusieurs bobines concentriques et de formes différentes. On l'étudiera au chapitre du bobinage des stators à courant triphasé.

Fig. 45. — Enroulement à chaîne