Fonctionnement industriel

Réglage du courant débité

L’alternateur étant supposé accouplé à un réseau très puissant, la tension U à ses bornes est imposée par le réseau. Le réglage du flux φ par l’intermédiaire du courant d’excitation permet d’obtenir la condition E > U. La machine débite alors du courant. Cependant, ce courant traversant les enroulements d’induit crée, à l’intérieur même de la machine, une chute de tension due à la résistance de l’enroulement d’une part et à la diminution du flux résultant d’autre part (réaction d’induit). En première approximation, on peut admettre que l’induit de l’alternateur se comporte comme une bobine résistante. On peut alors calculer I, connaissant U et E, ou encore, lorsqu’on utilise un alternateur, régler E par l’intermédiaire du courant d’excitation afin d’obtenir un courant I donné. Cela permet d’adapter à la puissance du moteur d’entraînement la puissance électrique débitée.

Excitation de l’alternateur

Classiquement, une dynamo montée sur le même arbre que l’alternateur permettait d’obtenir le courant inducteur nécessaire à l’excitation. Une solution plus élégante consiste à remplacer la dynamo par un alternateur à induit tournant, dont le courant est redressé par des éléments semi-conducteurs également solidaires de l’arbre. L’inducteur de l’alternateur principal est ainsi alimenté directement, sans aucun contact glissant, donc sans pertes et surtout sans nécessiter un entretien mécanique fréquent et coûteux. Pour les petites unités, on peut même supprimer la machine excitatrice et redresser directement une partie du courant produit pour alimenter l’inducteur. Ce fonctionnement « shunt » est très semblable à celui d’une dynamo.

Performances des alternateurs actuels

Les alternateurs-volants ont des puissances de l’ordre de 100 000 kVA au maximum, car on ne module pas facilement la puissance fournie par une chute d’eau. On préfère fractionner la puissance totale fournie en trois ou quatre groupes distincts pour faciliter l’exploitation et la maintenance. Les vitesses de rotation se situent dans la gamme des 80 à 200 tr/mn, suivant le type de chute d’eau utilisé.

Les turbo-alternateurs voient leur puissance croître d’année en année. On installe actuellement des groupes de 600 000 kVA. Les problèmes posés par la construction et l’utilisation de telles puissances sont nombreux. L’évacuation de la puissance perdue en chaleur dans l’alternateur lui-même nécessite l’utilisation d’un circuit fermé d’hydrogène sous pression. La programmation du fonctionnement et la surveillance sont confiées à un ordinateur (centrale de Saint-Ouen).

Alternateur d’automobile

Le succès de cette machine est dû à un perfectionnement technologique récent. La dynamo se prête mal à une vitesse de rotation élevée, car son induit fragile risque d’être détruit par centrifugation. Pourtant, si l’on désire pouvoir recharger la batterie de bord à un régime assez lent du moteur, on doit adopter une transmission telle que la vitesse maximale atteinte à plein régime par la dynamo est trop grande. On a alors intérêt à remplacer la dynamo par un alternateur, dont l’inducteur peut être massif, donc beaucoup plus solide. Cependant, l’adoption définitive de l’alternateur est liée à l’apparition de deux nouveautés technologiques : les redresseurs semi-conducteurs au silicium, robustes et bon marché, l’inducteur à crabots, pour lequel l’enroulement est bobiné autour de l’axe de rotation. Chaque spire de l’enroulement est ainsi soumise à une force centrifuge, qui tend à augmenter son diamètre, au lieu d’être soumise à une force déformante capable d’arracher la spire de son support.

Principe de l’inducteur à crabots : les deux joues venues de fonderie possèdent des doigts qui s’imbriquent pour créer une succession de pôles nord et sud. On réalise ainsi un alternateur donnant une f. é. m. élevée, même à faible vitesse, et capable de tourner très vite. La machine est en général tri- ou hexaphasée. Elle débite directement un courant continu, car les redresseurs sont incorporés dans la carcasse, bénéficiant ainsi du flux d’air frais produit par le ventilateur. Le montage shunt permet l’auto-excitation. Le courant dans la batterie ne peut s’inverser, les redresseurs jouant un rôle de conjoncteur-disjoncteur. La puissance massique est nettement supérieure à celle d’une dynamo, la vitesse de rotation étant plus élevée. Un dispositif à transistors permet une régulation de tension économique et très satisfaisante.

P. J.

Les spécialistes des alternateurs

Joseph Bethenod,

électrotechnicien français (Lyon 1883 - Paris 1944). On lui doit une méthode pour l’étude des courants alternatifs ainsi qu’une théorie de l’auto-excitation des alternateurs et des inventions relatives à la radiotélégraphie, notamment celle d’un alternateur à haute fréquence. (Acad. des sc., 1942.)

André Blondel,

physicien français (Chaumont 1863 - Paris 1938). Ingénieur des Ponts et Chaussées, il fit toute sa carrière dans le service des phares et balises, bien qu’une cruelle maladie l’obligeât à garder la chambre durant vingt-sept ans. Il définit les grandeurs et unités photométriques, inventa en 1893 l’oscillographe électromagnétique, étudia le couplage des alternateurs, les moteurs à courants alternatifs et créa les premiers radiophares. (Acad. des sc., 1913.)

Nikola Tesla,

électrotechnicien yougoslave (Smiljan, Croatie, 1857 - New York 1943). De Budapest, il émigra à New York, où il forma en 1887 une société pour la construction d’alternateurs. Il réalisa le premier moteur à champ tournant, inventa les courants polyphasés, le montage en étoile, les commutatrices. En 1889, Nikola Tesla imagina le couplage des circuits haute fréquence par induction mutuelle.