Alternateurs

Principes descriptions

Machines à courant alternatif 1955

ALTERNATEUR (ALTERNATOR)

Un alternateur est une machine qui transforme l'énergie mécanique en énergie électrique sous forme de courant alternatif, pour la force motrice, le chauffage, l'éclairage, etc.

Comme plus de 98% de l'énergie électrique est produit dans le monde entier sous forme de courant alternatif, il est important de bien étudier l'alternateur qui le produit. L'énergie mécanique est fournie aux alternateurs par les moteurs à essence, à vapeur, diésels et hydrauliques.

Toutes les grandes centrales d'énergie électrique de la province de Québec, que la nature favorise de nombreux cours d'eau, utilisent l'énergie hydraulique.

Fig. 1a. — Schéma d'une centrale hydroélectrique

Toutefois, on rencontre plusieurs groupes de secours électrogènes à moteur diésel utilisés en cas de panne.

De plus, aux endroits trop éloignés des centrales où la consommation d'énergie ne justifie pas la dépense que représente la construction d'une longue ligne de transmission, on utilise les alternateurs de petite et de moyenne puissance entraînés par l'un des moteurs précédemment mentionnés.

Principe. Le fonctionnement de l'alternateur repose sur le principe suivant: lorsqu'un conducteur coupe des lignes de force ou subit des variations de flux magnétique, une force électromotrice (f .e.m.) s'induit "dans ce conducteur.

Pour illustrer le fonctionnement d'un alternateur, on prend un aimant permanent (l'inducteur), une bobine ou cadre (l'induit) et un millivoltmètre qui indique dans les deux sens et on fait cette expérience.

a) On passe la bobine de gauche à droite en face de la paire de pôles de l'aimant permanent.

Lorsque la bobine passe en face du pôle nord on voit l'aiguille du millivoltmètre s'incliner vers la droite jusqu'à environ 10 millivolts et revenir ensuite à* zéro.

Dès que la bobine dépasse la ligne neutre et passe en face du pôle sud, l'aiguille du millivoltmètre va vers la gauche jusqu'à 10 millivolts et revient ensuite à zéro. Cette bobine a alors produit un courant alternatif monophasé.

Lorsqu'une bobine passe en face d'une paire de pôles, il se produit dans cette bobine des variations complètes du courant dans les deux sens: on nomme ces variations cycle.

Cette bobine a aussi parcouru 360 degrés car la distance en face d'une paire de pôles est de 360 degrés (Fig. 1b).

Fig. 1b. — Introduction d'une force électromotrice alternative

b) On ajoute un autre aimant identique au premier et on répète l'essai. Le champ inducteur devient deux fois plus grand et on constate que les variations de tension sont deux fois plus grandes.

c) On prend une bobine dont le nombre de spires est le double de la première et on reprend l'essai. On constate alors que la tension induite est double.

d) On constate aussi qu'en doublant la vitesse la tension double. On passe l'aimant en face de la bobine et on obtient les mêmes résultats.

Cet essai élémentaire démontre que la tension induite dans une bobine ou dans l'induit d'un alternateur à plusieura bobines ou sections, dépend de l'intensité du champ inducteur, du nombre de conducteurs de l'induit et de la vitesse de rotation.

Un alternateur comprend essentiellement un inducteur et un induit. Suivant le mode de construction adopté, l'un ou l'autre peut être mobile.

L'inducteur produit un champ magnétique intense et les conducteurs de l'induit, lorsque la machine est en marche, subissent des variations magnétiques et produisent le courant alternatif.

On remplace la bobine de l'essai précédent par un cadre tournant (Fig. 2) de plusieurs spires: les fils de sortie sont reliés à deux bagues collectrices sur lesquelles frottent les balais.

On a alors un alternateur élémentaire à induit mobile (pôles inducteurs fixes) (Fig. 2).

Fig. 2. — Cadre tournant

Dans l'essai précédent on a constaté que la bobine pouvait être fixe et l'aimant mobile.

Si l'on place l'enroulement de l'induit sur le stator et l'aimant permanent sur l'arbre, on obtient alors un alternateur à inducteur mobile à aimant permanent tel que présentement fabriqué pour les petites puissances (Fig. 3).

Fig. 3. — Alternateur élémentaire à aimant permanent

Dans tous les alternateurs, à l'exception des précédents, les pôles inducteurs sont des électro-aimants qu'alimente un courant continu fourni par une dynamo (Fig. 4 et 5).

Fig. 4. — Alternateur élémentaire à induit mobile

Fig. 5 — Alternateur élémentaire à inducteur mobile

Fréquence

 La fréquence (frequency) est le nombre de cycles par seconde. Le fréquencemètre indique ce nombre de cycles et on calcule la fréquence au moyen de la formule:

f = PN / 120

P = pôles
N = révolutions par minute
f = fréquence.

D'après cette formule, il est évident que, pour une fréquence donnée, un alternateur à basse vitesse a un grand nombre de pôles tandis qu'un alternateur à haute vitesse en a seulement quelques-uns.

En Amérique du Nord, la fréquence la plus en usage est celle de 60 cycles. Il existe encore quelques alternateurs de 25 et de 40 cycles mais ils tendent à disparaître ; à l'étranger, on rencontre aussi la fréquence de 50 cycles.

La fréquence d'un alternateur donné dépend uniquement de sa vitesse de rotation car le nombre de ses pôles est fixe.

Comme la fréquence doit être constante, il faut maintenir rigoureusement constante aussi la vitesse du moteur (turbine, etc.) qui entraîne l'alternateur. À cette fin, un régulateur de vitesse rapide et très précis agit sur le moteur relié à chaque alternateur.

Les régulateurs de vitesse sont compliqués en raison de leur construction et de leur fonctionnement variés. C'est pourquoi l'électricien qui travaille dans une centrale doit étudier le type de régulateur employé à cet endroit et suivre les instructions du manuel fourni par le fabricant.

PRINCIPES ET DESCRIPTIONS

Problème (1). Quelle est la vitesse d'un alternateur bipolaire pour une fréquence de 60 cycles ?

N = 120f / p = 120 x 60 / 2 = 3600 r.p.m.

Problème (2). Quel est le nombre de pôles d'un alternateur de 60 cycles dont la vitesse est de 75 r.p.m. ?

P = 120f / N = 120x60 / 75 = 96 pôles

Vitesse des alternateurs

1. Alternateur à courant monophasé (single-phase altemator)

L'induit d'un alternateur à courant monophasé comprend un enroulement simple que, pour fin d'explications, on remplace par une bobine ou par un cadre reliés à un millivoltmètre (Fig. 6a).

Fig. 6. — Principe de l'alternateur à courant monophasé

Tel qu'expliqué précédemment, lorsqu'on passe cette bobine en face de la paire de pôles, une force électromotrice alternative s'induit dans cette bobine. On place cette dernière sur une roue (Fig. 6b) et on la relie au millivoltmètre à l'aide de deux bagues et de deux balais.

En tournant la roue, la bobine passe en face d'une paire de pôles et il s'induit dans cette bobine une force électromotrice alternative ou cycle.

L'alternateur à courant monophasé est donc celui qui produit une seule force électromotrice.

Ordinairement de faible puissance, l'alternateur à courant monophasé sert à alimenter les circuits d'éclairage et de force motrice pour les petites installations ou encore à des applications spéciales comme les alternateurs pour chemins de fer électrifiés, etc.

L'alternateur à courant monophasé est souvent du type à induit mobile et à auto-excitation (le collecteur et les balais à l'extrémité de l'induit fournissent le courant d'excitation et remplacent l'excitatrice).

Depuis quelques années, on fabrique des petits alternateurs à courant monophasé avec aimants permanents.

2. Alternateur à courant diphasé (two-phase alternator)

Un alternateur à courant diphasé dont l'induit comprend deux enroulements à courant monophasé espacés de 90°, produit deux forces électromotrices égales et de même fréquence mais déphasées de 90°.

Pour expliquer le principe de cet alternateur, on place sur une planche deux bobines ou cadres, chacune reliée à un millivoltmètre et espacée de 90°—le quart de la distance qu'il y a en face d'une paire de pôles—(Fig. 7a).

En passant les deux bobines en face des pôles, il s'induit dans chacune d'elles une tension alternative, mais la tension de la deuxième est en retard ou déphasée de 90°.

On peut placer les deux bobines espacées de 90° sur une roue et les relier à l'aide de bagues et de balais aux millivoltmètres ; on obtient alors les mêmes résultats (Fig. 7b).

Rarement utilisé, cet alternateur tend à disparaître complètement en Amérique du Nord.

Fig. 7 — Principe de l'alternateur à courant diphasé

3. Alternateur à courant triphasé (three-phase alternator)

Un alternateur à courant triphasé produit trois forces électromotrices égales et de même fréquence mais déphasées l'une de l'autre de 120°.

On place sur une planche (Fig. 8a) trois bobines ou cadres avec leurs millivoltmètres et on les espace de 120° (le tiers de la distance en face d'une paire de pôles).

En passant les bobines en face des pôles, une tension s'induit dans chacune mais les bobines étant espacées de 120°, il en résulte un retard ou déphasage de 120° entre les tensions induites d'une phase à la suivante.

En tournant une roue sur laquelle seraient placées les trois bobines et leurs millivoltmètres (Fig. 8b) on obtiendrait les mêmes résultats. Pour simplifier, on omet ici les bagues collectrices et les balais.

Fig. 8. — Principe de l'alternateur à courant triphasé

Usages

L'alternateur à courant triphasé est très en usage pour les grandes puissances.

a) II fournit le courant triphasé nécessaire pour produire le champ tournant dans les stators des moteurs à courant triphasé.

b) II donne un courant plus régulier.

c) II produit un courant tel que sa distribution requiert seulement les trois quarts du cuivre qu'utiliserait le courant monophasé pour une même puissance.

d) Toutes proportions gardées, il est plus puissant que l'alternateur à courant monophasé. En effet, la puissance d'une génératrice ou d'un moteur augmente avec le nombre de phases.

Ainsi, en prenant une génératrice à courant monophasé de 100 kilovoltampères et en le rebobinant pour un courant triphasé on obtient environ 148 kilovoltampères.

Le courant monophasé ne produit pas de champ tournant par lui-même lorsqu'il est appliqué à l'enroulement simple d'un stator à courant monophasé.

Le courant monophasé à deux fils vient d'une ligne à courant triphasé où l'on emploie seulement deux des trois fils.

Pour obtenir du courant monophasé à trois fils (120/240 volts), on utilise un transformateur à courant monophasé avec deux fils au primaire reliés au courant triphasé et trois fils au secondaire (Fig. 9).

Note. En pratique, les trois phases doivent autant que possible être également chargées.

Fig. 9. — Façon d'obtenir du courant monophasé d'une ligne à courant triphasé