Générateur électrique

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Un générateur General Electric

Un générateur électrique est un dispositif permettant de produire de l'énergie électrique à partir d'une autre forme d'énergie. Par opposition, un appareil qui consomme de l'énergie électrique s'appelle un récepteur électrique.

Modélisation

Un générateur réel peut se modéliser, soit comme un générateur de tension avec une résistance en série, soit comme un générateur de courant avec une résistance montée en parallèle.

Générateur de tension

Symbole d'un générateur de tension dans un circuit

Le générateur de tension est un modèle théorique. C'est un dipôle capable d'imposer une tension constante quelle que soit la charge reliée à ses bornes. Il est également appelé source de tension.

• En circuit ouvert, la tension qui existe à ses bornes lorsqu'il ne débite aucun courant est la tension à vide. Le générateur de tension est donc un dipôle virtuel dont la tension à ses bornes est toujours égale à la tension à vide quelle que soit la valeur du courant débité.
• Le générateur de tension est obligatoirement un modèle théorique. En effet, en court-circuit, il devrait délivrer un courant infini et donc fournir une puissance également infinie.
• Un grand nombre de générateurs réels peuvent être simplement modélisés par l'association d'un générateur de tension et d'une résistance en série qui provoque une chute de tension aux bornes de l'ensemble lorsque le courant débité augmente. Un tel modèle s'appelle modèle de Thévenin d'un générateur réel.

• Il est impossible de placer en parallèle deux générateurs de tension de valeurs différentes, c'est pourquoi :
  • il est fortement déconseillé de mettre en parallèle une pile usagée et une pile neuve. Les tensions imposées étant différentes, la pile neuve débitera à travers la pile usagée jusqu'au moment où les deux piles seront déchargées.
  • un conducteur parfait de résistance nulle peut être modélisé par un générateur de tension nulle. Court-circuiter un dipôle par un conducteur parfait revient à imposer à ses bornes une tension nulle. C'est pourquoi il ne faut jamais court-circuiter un générateur de tension : cela revient à imposer simultanément deux tensions différentes.

• Un condensateur est un générateur de tension au sens transitoire : il interdit toute discontinuité de la tension à ses bornes.
  • Lorsqu'on court-circuite un condensateur, le transitoire de courant peut être très violent.
  • Lorsqu'un condensateur initialement déchargé est relié en parallèle avec le secteur, la tension de ce dernier est quelconque au moment de la connexion. Il est donc possible qu'elle soit très différente de zéro. Le transitoire de courant est alors très violent et peut produire une étincelle au niveau de l'interrupteur. Ce phénomène est parfois constaté lorsqu'on relie une alimentation à découpage au secteur d'alimentation.

Générateur de courant

Symbole d'un générateur de courant dans un circuit

Pour le générateur de courant parfait, c'est le courant qui est constant, quelle que soit la tension demandée. C'est également un modèle théorique car l'ouverture d'un circuit comportant un générateur de courant non nul devrait conduire à fournir une puissance infinie. Il est impossible de placer en série deux générateurs de courant de valeurs différentes.

• Les générateurs réels peuvent être simplement modélisés par l'association d'un générateur de courant et d'une résistance branchée en parallèle. Un tel modèle s'appelle modèle de Norton d'un générateur réel.
• Un circuit ouvert ou un interrupteur ouvert sont, quasiment de manière idéale, des générateurs de courant nul.
• Un dipôle inductif est un générateur de courant au sens transitoire : il interdit toute discontinuité de l'intensité du courant qui le traverse. Il est déconseillé d'ouvrir un circuit comportant un dipôle inductif traversé par un courant non nul.

Générateur électrochimique

Les accumulateurs électrochimiques sont des générateurs de tension continue, rechargeables, utilisés dans les applications électrotechniques et électroniques portatives.

Générateur électrostatique

La machine électrostatique est ainsi nommée parce qu'elle fait appel aux lois de l'électrostatique à la différence des machines dites électromagnétiques. Bien que des moteurs électrostatiques aient été imaginés (ils fonctionnent sur le principe de la réciprocité des générateurs électrostatiques)^[1], ils n'ont pas eu de succès (mais les nanotechnologies pourraient proposer de tels « nanomoteurs » électrostatiques) ; en revanche, en tant que générateurs de très haute tension, les machines électrostatiques connaissent leur principale application dans le domaine des accélérateurs d'ions ou d'électrons. Elles transforment l'énergie mécanique en énergie électrique dont les caractéristiques sont la très haute tension continue et le microampérage. La puissance des machines du XVIII^e siècle et du XIX^e siècle était en effet infime (quelques watts) et les frottements mécaniques ne leur laissaient qu'un très mauvais rendement. La raison en est que la densité maximale d'énergie du champ électrique dans l'air est très faible. Les machines électrostatiques ne peuvent être utilisables (de manière industrielle) que si elles fonctionnent dans un milieu où la densité d'énergie du champ électrique est assez élevée, c'est-à-dire pratiquement dans un gaz comprimé, qui est généralement l'hydrogène ou l'hexafluorure de soufre (SF₆), sous des pressions comprises entre 10 et 30 atmosphères^[2].

Machine tournante

Générateur électrique de 1920

Dynamo

Une génératrice de courant continu appelée populairement dynamo est comme beaucoup de générateurs électriques une machine tournante. Elle fut inventée par Zénobe Gramme.

Constitution

Cette machine est réversible et peut donc fonctionner en génératrice ou en moteur. La constitution de la machine est détaillée dans l'article Machine à courant continu.

Précaution

Ce type de génératrice étant réversible, elle devient facilement un moteur électrique, ce qui implique que lors de son arrêt la dynamo doit être déconnectée de sa charge si celle-ci peut lui fournir un courant en retour : batterie d'accumulateurs, autre dynamo.

Cette dernière caractéristique a été utilisée dans les petites automobiles des années 1970, un système de relais connecte la batterie pour fournir un courant à la dynastar qui démarre le moteur à combustion interne et passe automatiquement en dynamo lorsque celui-ci atteint un certain régime^[3].

Alternateur

La découverte en 1831 par Faraday des phénomènes d'induction électromagnétique lui permet d'envisager de produire des tensions et des courants électriques alternatifs à l'aide d'aimants. Pixii, sur les indications d'Ampère construit la même année une première machine qui sera perfectionnée ensuite (1833 - 1834) par Sexton et Clarke^[4]. Un alternateur est une machine rotative qui convertit l'énergie mécanique fournie au rotor en énergie électrique à courant alternatif.

Plus de 95 % de l’énergie électrique est produite par des alternateurs : machines électromécaniques fournissant des tensions de fréquences proportionnelles à leur vitesse de rotation. Ces machines sont moins coûteuses et ont un meilleur rendement que les machines à courant continu (dynamos) qui délivrent des tensions continues (95 % au lieu de 85 %).

Principe de l'alternateur

Cette machine est constituée d'un rotor (partie tournante) et d'un stator (partie fixe).

• Le rotor est l'inducteur.
  • Il peut être constitué d'un aimant permanent (générant donc un champ constant), dans ce cas la tension délivrée par la machine n'est pas réglable (si on ne tient pas compte des pertes dans les conducteurs) et sa valeur efficace et sa fréquence varient avec la vitesse de rotation.
  • Plus couramment un électroaimant assure l'induction. Ce bobinage est alimenté en courant continu, soit à l'aide d'un collecteur à bague rotatif (une double bague avec balais) amenant une source extérieure, soit par un excitateur à diodes tournantes et sans balais. Un système de régulation permet l'ajustement de la tension et de la phase du courant produit.
• Le stator est l'induit. Il est constitué d'enroulements qui vont être le siège de courant électrique alternatif induit par la variation du flux du champ magnétique due au mouvement relatif de l'inducteur par rapport à l'induit.

Différents types de générateurs

Alternateurs industriels

Dans les alternateurs industriels, l'induit est constitué de trois enroulements disposés à 360°/3p (p : nombre de paires de pôle) soit 120° pour 1 paire de pôle et trois enroulements, qui fournissent un système de courants alternatifs triphasés.

• Dans les centrales électriques thermiques (nucléaires ou classiques), une turbine à vapeur ou une turbine à gaz tournant à grande vitesse est couplée à un turboalternateur. Ce type de générateur tourne généralement à 1 500 tours par minute (rotor à 4 pôles) ou à 3 000 tours par minute (rotor à 2 pôles), pour les réseaux de distribution à 50 Hz. La puissance électrique fournie par un des turboalternateurs d'une centrale nucléaire peut atteindre 1 600 mégawatts.
• Les centrales hydrauliques, dont les turbines tournent plus lentement, ont des rotors comportant un nombre important de pôles (14, 16 pôles). L'axe de rotation de l'arbre peut être vertical ou horizontal et le diamètre de cet arbre est grand.
• Les gros groupes électrogènes utilisent généralement un moteur Diesel lent. Dans ce cas, le rotor de l'alternateur ressemble beaucoup à celui d'un alternateur hydraulique, avec un nombre élevé de pôles, un grand diamètre et un grand moment d'inertie absorbant les variations de vitesse de rotation de l'arbre du moteur Diesel.

Alternateurs domestiques

Un alternateur de type « embarqué » (vue éclatée).

Dans les alternateurs domestiques (groupe électrogène monophasé), l'induit est constitué d'un seul enroulement.

Alternateurs embarqués

Les alternateurs embarqués, entre autres sur les véhicules automobiles, sont des alternateurs triphasés munis d'un système de redressement (à diodes), qui délivre un courant continu sous une tension d'environ 14 V pour les voitures et 28 V pour les camions, fournissant l'énergie électrique du véhicule et rechargeant sa batterie visant à fournir l'énergie lorsque le moteur sera à l'arrêt. Il doit être associé à un régulateur de tension protégeant la batterie d'une surcharge. Les mal nommées "dynamos" de bicyclettes sont elles-aussi des alternateurs, dont l´inducteur est constitué d´un ou plusieurs aimants permanents.

Génératrice asynchrone

Les machines asynchrones en fonctionnement hypersynchrone (fréquence de rotation supérieure à la fréquence de synchronisme) fournissent également de l'énergie au réseau alternatif auquel elles sont connectées. Elles ont le désavantage de ne pas pouvoir réguler la tension à la différence des machines synchrones qui peuvent assurer la stabilité des réseaux électriques. Cependant elles sont de plus en plus utilisées en génératrices de petites puissances comme les éoliennes et les micro-barrages grâce au progrès récent de l'électronique de puissance. Une application est la machine asynchrone à double alimentation.

Notes et références

Annexes

Articles connexes

• Machine électrique
• Dynamo
• Aérogénérateur
• Générateur thermoélectrique à radioisotope
• Générateur bêtavoltaïque

Liens externes

v · Nikola Tesla
Inventions	Courant alternatif • Moteur électrique asynchrone • Alternateur polyphasé • montage triphasé en étoile • Commutatrice • Bobine Tesla • Turbine de Tesla
Unité de son nom : le tesla

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