Tension aux bornes d'un alternateur

Machines à courant alternatif 1955

Excitation

L'excitation consiste à alimenter l'inducteur d'un alternateur avec du courant continu. Les pôles inducteurs ont alors une polarité définie.

Il faut toujours une source de courant continu pour l'excitation des alternateurs, sauf dans le cas de certains petits alternateurs de construction récente dont la puissance ne dépasse pas 30 kilovoltampères et dans lesquels les aimants permanents d'alnico servent de pôles inducteurs.

Comparé au débit de l'alternateur, le courant d'excitation est faible ; il règle la tension aux bornes de l'alternateur.

Modes

L'alternateur utilise le mode d'auto-excitation, d'excitation séparée ou d'excitation composée.

a) Auto-excitation. Un alternateur à auto-excitation fournit son propre courant d'excitation. Un collecteur redresse alors une partie du" courant de l'induit pour alimenter les pôles inducteurs. Ce mode d'excitation se rencontre dans les petits alternateurs à induit mobile.

b) Excitation séparée. L'excitation séparée est le mode d'excitation le plus en usage. Une dynamo, qu'on nomme excitatrice, fournit le courant d'excitation des inducteurs.

c) Excitation composée. On emploie rarement l'excitation composée. L'inducteur comprend deux enroulements alimentés l'un par une excitatrice et l'autre par une partie du courant de l'induit que redresse un collecteur redresseur.

Excitatrice (exciter)

L'excitatrice est une dynamo shunt ou compound d'une tension de 125 ou de 250 volts. Elle fournit le courant d'excitation de l'inducteur d'un alternateur.

Commande

Ordinairement montée au bout de l'arbre de l'alternateur, l'excitatrice est donc commandée directement; une courroie peut aussi la commander ou un moteur auxiliaire l'entraîner.

Une même excitatrice peut alimenter un seul alternateur ou des barres d'excitation communes à plusieurs alternateurs.

L'excitatrice à excitation indépendante permet un réglage plus rapide de la tension de l'alternateur et sur certaines machines à grande puissance on l'utilise avec avantage.

En plus des excitatrices, les centrales ont en réserve des accumulateurs maintenus en bon état de charge qui assurent l'excitation en cas de panne d'une excitatrice.

Caractéristiques. Les caractéristiques des petits alternateurs s'obtiennent en réglant la vitesse pour obtenir la fréquence requise, disons 60 cycles, qu'on maintient constante durant tout l'essai.

L'alternateur étant vide, on règle la tension à sa valeur nominale en variant l'excitation qu'on maintient ensuite constante.

On charge ensuite l'alternateur graduellement à raison de 10 ampères à la fois. A chaque augmentation de charge, on note la tension et on en trace les courbes.

En raison des difficultés de charge, on détermine les caractéristiques des grands alternateurs d'après des méthodes qu'on ne peut décrire ici. (RICKER AND TUCKER. Eleetrical Engineering Laborotory Expérimente, McGraw-Hill Book Company, New York and London, 1940.)

Les courbes (Fig. 21) qui représentent les caractéristiques d'un alternateur sont modifiées par le facteur de puissance. Lorsque le facteur de puissance est à l'unité ou arrière, la chute de tension en charge est due aux chutes de tension de la résistance et de la réactance RI et X_LI de l'enroulement ainsi qu'à la réaction de l'induit.

Fig. 21. — Caractéristiques d'un alternateur

La réaction de l'induit est l'effet du champ magnétique de l'induit à charge sur le champ inducteur. Cette réaction de
l'induit affaiblit le champ inducteur.

Lorsque le facteur de puissance est avant, la réaction de l'induit augmente la tension totale car une partie du champ magnétique de l'induit s'ajoute au champ inducteur qui, en s'intensifiant, élève la tension.

En résumé, la tension d'un alternateur est affectée par les chutes de tension RI et Xl/ dans l'enroulement de l'induit et par le facteur de puissance. On remarque que I est le courant de charge.

Vitesse

La vitesse d'un alternateur dépend de la vitesse du moteur qui l'entraîne. Elle doit être constante vu la fréquence constante qu'on doit avoir et que cette dernière dépend de la vitesse.

Si l'on ne peut régler la tension par la vitesse qu'on doit maintenir constante, celle-ci demeure quand même un facteur important dans le calcul de la tension d'un alternateur.

On fabrique des alternateurs de différentes vitesses pour convenir aux moteurs qui entraînent les alternateurs.

Charge

Lorsqu'une centrale ou un alternateur sont seuls à alimenter un réseau, leur charge dépend du nombre et de l'importance des appareils branchés un peu partout sur ce réseau et contrôlés par les consommateurs.

Mais, si l'alternateur est connecté en parallèle avec d'autres, on en règle la charge d'après la puissance du moteur qui l'entraîne: l'alternateur qui a le plus d'avance est celui qui débite le plus.

De même, lorsqu'on couple une centrale en parallèle avec une autre, on règle la charge de chaque alternateur; ceci déterminera la charge totale que la centrale fournira au réseau.

Puissance

La puissance d'un alternateur telle qu'indiquée en kilovoltampères sur sa plaque signalétique n'est que sa puissance apparente ou supposée.

Pour obtenir la puissance réelle ou efficace, il faut connaître le facteur de puissance de la charge ou en supposer un.

Le facteur de puissance total de la charge résulte des facteurs de puissance des divers appareils plus ou moins inductifs consommant du courant et branchés sur le réseau de distribution.

La puissance apparente en kilovoltampères multipliée par le facteur de puissance (F.P.) donne la puissance réelle ou efficace (kw).:

kw = kva x F.P.

La puissance d'un alternateur dépend de sa construction et sa dimension varie depuis les petites machines de quelques voltampères jusqu'aux machines à grande puissance de plusieurs milliers de kilovoltampères.

Facteur de puissance (power factor)

Le facteur de puissance (F.P.) est le facteur qui sert à multiplier la puissance apparente pour obtenir la puissance réelle.

 F.P. = w / EI (courant monophasé)

F.P. = w / 1. 7321 EI (courant triphasé)

Ce facteur, qu'indique le cosinus $ mètre (power factor meter), se calcule à l'aide des formules précédentes et varie selon l'induction de la charge.

Ainsi, une charge d'éclairage a un facteur de puissance qui approche de l'unité tandis qu'une charge de force motrice (moteurs) a un facteur de puissance qui varie de 0.6 à 0.8.

Ordinairement, on ne peut régler, à la centrale, le facteur de puissance car il dépend de la nature de la charge.

 Toutefois, la compagnie productrice de l'énergie peut installer des condensateurs ou des compensateurs synchrones sur son réseau de distribution et exiger des consommateurs, sous peine de payer une surcharge, qu'ils installent des condensateurs, afin d'améliorer le F.P. de leurs branchements.

Réglage de la tension

Les courbes de la figure 21 montrent la tension obtenue à excitation constante et on voit que la tension aux bornes d'un alternateur varie considérablement avec la charge et le facteur de puissance; alors le seul moyen pratique de régler la tension d'un alternateur consiste à varier le courant d'excitation.

Une augmentation de ce courant entraîne une augmentation de la tension aux bornes de l'alternateur et vice versa.

On règle la tension d'un alternateur en variant le courant d'excitation à l'aide de rhéostats tout en surveillant le voltmètre.

Pour les petits alternateurs, on utilise simplement un rhéostat en série avec le champ inducteur de l'alternateur, un rhéostat en série avec le champ de l'excitatrice ou même les deux rhéostats à la fois.

Lorsque la charge varie, on utilise, outre les rhéostats précédents, un régulateur automatique de tension qui maintient celle-ci rigoureusement constante et qu'on trouve sur tous les alternateurs de moyenne et de grande puissance.

Régulateur automatique de tension (automatic voltage-regulator)

Un régulateur de tension varie automatiquement le courant d'excitation selon la tension aux bornes de l'alternateur.

Si la tension de l'alternateur diminue à cause d'une augmentation de charge, le régulateur augmente le courant d'excitation et la tension augmente à la tension nominale.

Si la tension augmente à cause d'une diminution de charge, le régulateur diminue le courant d'excitation et la tension revient à sa valeur nominale.

Les alternateurs comptent plusieurs sortes de régulateurs automatiques de tension. Il serait trop long de les décrire tous, mais voici, comme exemple, la description et le fonctionnement d'un régulateur de la compagnie General Electric.

Pour les autres, il est très important que l'électricien étudie bien et suive exactement, à chaque application, les instructions fournies par le fabricant concernant leur fonctionnement, leur installation et leur réglage.

Régulateur automatique de tension type GAD 2 General Electric

Le régulateur, que représente schématiquement la figure 22, est essentiellement constitué d'un système moteur composé d'un puissant électro-aimant (3,4) relié, à travers un redresseur, aux bornes de l'alternateur et d'une armature mobile (8) ; celle-ci est montée sur un arbre (13) auquel sont fixés le système de leviers (7,10), le dashpot (6) et le ressort en spirale (9).

Fig. 22. — Schéma d'un régulateur automatique de tension de type GAD2

Sous l'influence d'une variation de tension, l'armature de ce système actionne directement le rhéostat en série avec le champ de l'excitatrice.

Le rhéostat se compose de deux piles verticales et de minces plaques rectangulaires de graphite ou de charbon.

Des petites bandes métalliques minces et étroites séparent le centre des plaques et leur permettent de pivoter en leur milieu ; la partie avant ou antérieure de chaque plaque est munie d'un contact d'argent.

La disposition est telle que, si le levier (10) du système moteur applique une pression par-dessus les plaques et à leur extrémité extérieure, les piles pivotent et s'inclinent légèrement en avant, ce qui sépare graduellement les bouts arrière des plaques et joint ensemble, un à un, les bouts avant munis de contacts d'argent.

Ces derniers établissent un circuit de faible résistance.

Si on enlève la pression sur la partie avant des piles, celles-ci s'inclinent en arrière, le circuit à travers les contacts d'argent se rompt graduellement et le courant d'excitation doit passer à travers les plaques de charbon ou de graphite ; la résistance du rhéostat atteint alors le maximum (Fig. 23).

Fig. 23. Fonctionnement du rhéostat a) résistance maximum, b) résistance médium, c) résistance minimum

Ce rhéostat a une grande influence: sa construction permet d'obtenir un changement rapide et régulier de la résistance maximum à la résistance minimum et de bien régler le courant d'excitation et la tension de l'alternateur.
Fonctionnement.

Comme l'électro-aimant du système moteur est relié à travers le redresseur aux bornes de l'alternateur, toute variation de tension de l'alternateur entraîne une variation d'électromagnétisme correspondante et produite par l'électro-aimant.

Ainsi, une augmentation de la tension de l'alternateur augmente l'électromagnétisme de l'électro-aimant et l'armature s'incline vers la gauche, fait monter le levier qui bascule le rhéostat en arrière et augmente la résistance en série avec le champ de l'excitatrice.

Cette augmentation de résistance réduit la tension ainsi que l'intensité du champ inducteur de l'alternateur. Une baisse de tension de l'alternateur produit l'inverse c'est-à-dire que l'électromagnétisme traversant l'armature diminue.

Alors, le ressort (P) la déplace vers la droite et le levier descend et incline le rhéostat en avant, ce qui diminue la résistance en série avec le champ inducteur de l'excitatrice et augmente sa tension ainsi que le courant inducteur et la tension de l'alternateur.

Ce processus se répète pour chaque variation de la tension de l'alternateur et produit une suite d'augmentations et de diminutions de l'excitation dont l'effet moyen donne une tension constante aux bornes de l'alternateur.

Le rhéostat de réglage (1), en variant la tension appliquée à l'électro-aimant, permet de régler la tension de 110 volts à 125 volts.

La tension du ressort en spirale affecte aussi la tension de l'alternateur; augmenter la tension du ressort en tournant vers la droite de la boîte qui le contient augmente également la tension de l'alternateur, et vice versa.

Le dashpot agit comme amortisseur et stabilisateur. Le transformateur abaisseur de tension n'est pas utilisé à 125 volts.