4. Etude de l'alternateur - phtelec

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|Cours d'électrotechnique |
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|PARTIE N°2 : |
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1. Principe de fonctionnement 3
1.1. Principe de base 3
1.2. Création d'une tension alternative triphasée 4
1.3. Génération d'une tension utilisable 6
1.4. Conclusion 7
2. La force électromotrice 7
2.1. La FEM à vide 7
2.1.1. Pour un conducteur 7
2.1.2. Pour N conducteurs 8
2.1.3. Les modifications 8
2.1.3.1. Le facteur de forme 8
2.1.3.2. Le facteur de bobinage 8
2.1.3.3. Le coefficient de KAPP 8
2.2. La FEM en charge 9
2.2.1. La résistance 9
2.2.2. Le circuit magnétique 9
2.2.3. La FCEM d'auto induction 10
2.2.4. La réaction d'induit 10
2.2.4.1. Cas d'une charge résistive 10
2.2.4.2. Cas d'une charge selfique 11
2.2.4.3. Cas d'une charge capacitive 12
2.2.4.4. Cas d'une charge quelconque 13
3. La fréquence 14
4. Etude de l'alternateur 16
4.1. Caractéristique interne ou essai à vide 16
4.1.1. Schéma de câblage 16
4.1.2. Mode opératoire 16
4.1.3. Courbe 17
4.1.4. Explication physique 17
4.2. Caractéristique externe 18
4.2.1. Schéma de câblage 18
4.2.2. Mode opératoire 18
4.2.3. Courbe 19
4.2.4. Explication physique 19
4.2.4.1. Sur charge Résistive 19
4.2.4.2. Sur charge selfique 20
4.2.4.3. Sur charge capacitive 20
4.3. Courbe de réglage 21
4.3.1. Schéma de câblage 21
4.3.2. Mode opératoire 21
4.3.3. Courbe 22
4.3.4. Explication physique 22
4.3.4.1. Sur charge Résisitive 22
4.3.4.2. Sur charge selfique 22
4.3.4.3. Sur charge capacitive 23
4.4. Essai en court-circuit 23
4.4.1. Schéma de câblage 23
4.4.2. Mode opératoire 24
4.4.3. Courbe 24
4.4.4. Explication physique 24
5. Le diagramme de FRESNEL 25
6. Le bilan énergétique 26
6.1. La puissance utile 26
6.2. Les pertes constantes 26
6.3. Les pertes par effet joule 26
6.4. Les pertes supplémentaires 26
6.5. Le rendement 26
7. Le schéma équivalent de l'alternateur 27
8. L'équation de fonctionnement de l'alternateur 27
9. Détermination de la réactance synchrone 27
10. L'alternateur dans l'hypothèse de FRESNEL 28
10.1. Hypothèse 28
10.2. Comment évolue U si I augmente et i = constant ? 28
10.3. Comment évolue Ev si I augmente et U = constant ? 28
10.4. Comment fournir une tension à puissance active constante ? 29
11. L'alternateur dans l'hypothèse de BEHN-ESCHENBURG 31
11.1. Hypothèse 31
11.2. Comment évolue U pour i et ? constants ? 31
12. La taille des alternateurs 32
13. Mise en parallèle d'alternateur 33
13.1. Généralités 33
13.2. Conditions de couplage 33
13.2.1. La même fréquence 33
13.2.2. La même tension 33
13.2.3. La même succession des phases 34
13.3. En pratique 35
13.3.1. Les feux clignotants 35
13.3.2. Les feux tournants 36
14. Exercices 39 Principe de fonctionnement 1 Principe de base
La chose à ne pas perdre de vue est que la seule chose que nous
attendons d'un alternateur c'est qu'il produise une tension
triphasée alternative constante et symétrique. A cela doit être
lié la constance de la fréquence de cette tension. Nous savons
déjà que la fréquence sera fonction de la vitesse de variation du
flux au droit des enroulements statoriques. Cette vitesse est
fonction d'une part de la vitesse de rotation du rotor et d'autre
part du nombre de paire de pôle au stator et au rotor.
Il existe deux manières de construire un alternateur, soit
l'inducteur est tournant soit l'inducteur est fixe.
[pic][pic]
Deux conditions sont nécessaires pour qu'un alternateur débite une
tension.
. Premièrement : la mise en rotation du rotor qui se fait par
l'intermédiaire d'un autre organe dit moteur. Ce dernier peut
être un moteur d'entraînement électrique, un moteur à explosion
ou une turbine alimentée en eau ou en vapeur. Dans tous les cas,
la vitesse sera régulée par réglage du débit d'un fluide.
. Deuxièmement : la polarisation des pôles du rotor qui sera
obtenue en injectant une tension continue dans le rotor (balais
et bagues) et qui aura pour effet de permettre la circulation
d'un courant dans les enroulements inducteurs suite à la
résistance propre de ces derniers. Le sens de la polarisation
des bobines sera donc fonction du sens de bobinage des
enroulements. Un pôle nord doit suivre un pôle sud et précéder
un pôle sud.
Je peux donc dire que si les deux conditions ci-dessus sont
respectées, les enroulements du stator vont voir un champs tournant.
Ils vont donc être soumis à une variation de flux. Les conducteurs
soumis à une variation de flux sont donc le siège d'une FEM, je peux
conclure que mon alternateur débite une tension.
2 Création d'une tension alternative triphasée
Afin de vérifier que notre alternateur débite bien une tension
alternative sinusoïdale et triphasée, réalisons une analyse pas à
pas.
Supposons dans un premier temps un conducteurs représentant une bobine
placée au stator et un aimant caractérisant le rotor. Ce dernier étant
mis en rotation, vérifions l'allure de la FEM induite aux bornes de
notre conducteur. Le conducteur sera placé de telle sorte qu'il soit
perpendiculaire au flux inducteur.
[pic]
Nous savons que la FEM sera l'image du flux inducteur et que dès lors
les allures seront identiques aux pertes près.
[pic]
Plaçons un second conducteur à 180° du premier de sorte qu'il soit
aussi soumis au flux inducteur. Il sera placé perpendiculairement
au flux afin d'être lui aussi induit et être le siège de la
génération d'une FEM. Analysons l'allure entre les deux tensions
ainsi générées. [pic]
[pic]
Nous savons que les tensions délivrées par un système triphasé
doivent être déphasées d'un angle fixe et fixé à 120°. L'essai
réalisé ci-dessus nous montre qu'un déphasage de 180° mécanique
correspond à un déphasage électrique de 180°. Je peux donc par
projection déduire que si je souhaite un déphasage de
120°électrique entre mes deux tensions je dois décaler mes deux
conducteurs de 120° mécanique. Vérifions ce que l'on obtiens.
[pic]
[pic]
Nous voici en présence d'une source de tension biphasée dont les
tensions sont déphasée de 120°. Il me suffit donc pour obtenir un
réseau triphasé de placer un troisième conducteur lui même déphasé
de 120° par rapport aux deux autres. Vérifions le résultat.
[pic] [pic] 3 Génération d'une tension utilisable
Nous venons de construire ensemble le bobinage de notre stator, nous
avons sur base des résultats obtenu au droit de chacun de mes
conducteurs une tension « e » avec lesquelles je ne pourrais rien
faire. Pour réaliser la génération d'une tension utilisable, il me
suffit donc d'amplifier le nombre de FEM « e ». Pour parvenir à cela,
nous devons simplement augmenter le nombre de conducteur au stator. En
lieu et place d'un seul conducteur comme représenté sur notre dessin
ci-dessus, nous aurons X cond