Générateur de Courant Alternatif : Introduction
Les générateurs synchrones de courant alternatif (CA) sont le type de générateur prédominant utilisé pour la production d'énergie électrique dans l'industrie du génie électrique. Plus de 95% de toute l'énergie électrique consommée aujourd'hui est produite par des générateurs électriques de courant alternatif triphasé (3~). Le principe de fonctionnement de tous les générateurs CA repose sur la loi de Faraday de l'induction électromagnétique.
Moteur Diesel Connecté à un Générateur CA
Loi de Faraday
Deux lois physiques déterminent le fonctionnement de presque toute l'industrie du génie électrique.
- Loi de Faraday – un champ magnétique changeant induira une tension dans tout conducteur présent dans ce champ.
- Loi d'Ampère – un courant électrique circulant dans un conducteur crée un champ magnétique autour de ce conducteur.
Loi d'Ampère - Champs Magnétiques Créés Autour des Conducteurs en Raison du Flux de Courant
Vous aimez cet article ? Alors n'hésitez pas à consulter nos Cours Vidéo d'Ingénierie ! Chaque cours comprend un quiz, un manuel, et vous recevrez un certificat à la fin du cours. Profitez-en !
Flux de Courant Conventionnel et Réel (Flux de Trous)
Lorsque le courant (mesuré en ampères) circule à travers un conducteur, un champ magnétique est créé autour de ce conducteur. La direction du champ magnétique dépend de la direction du flux de courant.
Règle de la Main Droite
La règle de la main droite montre la direction du champ magnétique en fonction du flux de courant conventionnel (positif à négatif). La règle de la main droite est ainsi nommée car si une main saisit un conducteur, le pouce indiquera la direction du flux de courant tandis que les doigts enroulés autour du conducteur indiqueront la direction du champ magnétique.
Règle de la Main Droite
Règle de la Main Gauche
La règle de la main gauche montre la direction du champ magnétique en fonction du flux de courant réel (négatif à positif). La plupart des industries du génie électrique utilisent le flux de courant conventionnel tandis que les industries électroniques préfèrent le flux de courant réel (également connu sous le nom de ‘flux de trous’). Pour la plupart des applications, la direction du flux de courant n'est pas importante, donc l'erreur historique faite en supposant que le courant circule du positif au négatif n'a jamais été corrigée.
Important – La plupart des publications utilisent la RÈGLE DE LA MAIN DROITE. Supposons un flux de courant conventionnel sauf indication contraire.
Règle de la Main Gauche
Règle de la Main Gauche de Fleming
Il est utile de connaître une autre règle de la main gauche qui est utilisée bien plus que la règle de la main gauche mentionnée précédemment ; cette règle de la main gauche est appelée ‘règle de la main gauche de Fleming’.
La règle de la main gauche de Fleming est utilisée pour déterminer la force exercée sur un conducteur sous tension (chargé électriquement) lorsqu'il est placé dans un champ magnétique. La règle de la main gauche de Fleming est souvent utilisée pour déterminer la direction de rotation des moteurs électriques.
Règle de la Main Gauche de Fleming
Loi de Faraday
La loi de Faraday sera maintenant discutée plus en détail car elle est directement liée à la façon dont l'électricité est générée (la loi d'Ampère sera discutée plus tard).
La loi de Faraday stipule que si un conducteur se déplace à travers un champ magnétique, une tension (différence de potentiel électrique) sera induite dans ce conducteur. De même, une tension sera induite dans un conducteur stationnaire s'il est situé dans un champ magnétique changeant. Aucune tension ne sera induite si le champ magnétique est statique (ne change pas).
Aimant avec Lignes de Champ Magnétique
Notez que la loi de Faraday est également appelée ‘loi de Faraday de l'induction électromagnétique’. Les termes ‘induction magnétique’ et ‘induction électromagnétique’ ont la même signification et sont utilisés de manière interchangeable.
Champs Magnétiques
Les champs magnétiques sont représentés en dessinant une série de lignes s'étendant d'une extrémité d'un aimant à l'autre.
- Les champs magnétiques plus forts sont représentés par des lignes de champ magnétique étroitement espacées.
- Les champs magnétiques plus faibles sont plus espacés les uns des autres.
La force du champ d'un aimant est proportionnelle à la distance de l'aimant, c'est-à-dire que la force du champ est plus forte à proximité de l'aimant et devient plus faible à mesure que la distance de l'aimant augmente.
Conducteurs
Un conducteur est toute substance qui permet le passage du courant (permet le passage des électrons). Certains conducteurs ont de meilleures propriétés de conductivité (capacité à conduire le courant) que d'autres. En génie électrique, le cuivre et l'aluminium sont des conducteurs populaires car ils ont une haute conductivité.
Câblage en Cuivre (Brins de Conducteur en Cuivre)
Comment Fonctionnent les Générateurs CA
La loi de Faraday stipule qu'une tension est induite dans tout conducteur placé dans un champ magnétique changeant ; ce processus d'induction est connu sous le nom d'‘induction électromagnétique’. Pour générer une tension de courant alternatif (CA), nous devons donc soit :
- Déplacer constamment un conducteur à travers un champ magnétique stationnaire.
- Déplacer constamment un champ magnétique à travers un conducteur stationnaire.
Les installations de production d'énergie à grande échelle produisent de l'électricité en utilisant l'option ‘déplacer constamment un champ magnétique à travers un conducteur stationnaire’. Les centrales électriques ne sont pas des constructions simples, mais les principes fondamentaux de la façon dont l'électricité est générée par plus de 95% des centrales sont illustrés ci-dessous.
Conducteur Se Déplaçant à Travers un Champ Magnétique Stationnaire
Notez que l'image ci-dessus montre un conducteur en rotation, mais les centrales électriques ont des conducteurs stationnaires et des aimants en rotation (inverse de la configuration montrée sur l'image).
Pour générer de l'énergie, un aimant est nécessaire ainsi qu'un moyen de déplacer cet aimant en continu afin que le champ magnétique change constamment. Il est possible de déplacer l'aimant d'avant en arrière linéairement (en ligne droite), mais cela serait légèrement impraticable et inefficace. La manière la plus économique de garder les lignes de champ magnétique en mouvement constant est de faire tourner/tourner l'aimant. Cela peut être facilement réalisé en attachant l'aimant à une machine dont la sortie est un mouvement rotatif. Par exemple, en attachant un arbre de sortie aux machines ci-dessous, puis en couplant un aimant à l'arbre de sortie, nous pouvons transférer le mouvement rotatif de la machine (puissance mécanique) à l'aimant :
- Moteur diesel.
- Turbine à vapeur.
- Turbine à combustion.
- Turbine hydroélectrique (Kaplan, Francis, Pelton).
- Éolienne.
Dans le monde réel, les machines ci-dessus sont appelées ‘moteurs principaux’ car elles transfèrent la puissance mécanique nécessaire à un générateur pour produire de l'énergie électrique. Il est important de réaliser que les ‘générateurs’ ne ‘génèrent’ pas d'énergie électrique. Il est seulement possible de transférer l'énergie d'une forme à une autre.
L'énergie ne peut pas être détruite ou créée/générée (Première loi de la thermodynamique)
Les moteurs principaux transfèrent l'énergie mécanique aux générateurs via un arbre et/ou une boîte de vitesses. Les générateurs convertissent l'énergie mécanique en énergie électrique.
Exemple de Production d'Énergie de Base
La vidéo ci-dessous est un extrait de notre Cours Vidéo en Ligne sur le Génie Mécanique et Électrique.
Pour simuler un moteur principal, nous pouvons attacher physiquement un aimant à l'arbre de sortie d'une roue à eau (turbine hydro). L'eau passe sur la roue à eau, ce qui la fait tourner et, par conséquent, l'aimant tourne. Si l'approvisionnement en eau est continu, la roue à eau tourne en continu, tout comme l'aimant. Maintenant qu'un moyen de changer continuellement le champ magnétique a été trouvé, un conducteur doit être placé dans le champ magnétique changeant afin qu'une tension puisse être induite.
Configuration de Base de Production d'Énergie CA
Placer un seul conducteur dans le champ magnétique n'induira pas beaucoup de tension dans ce conducteur, mais si le conducteur est enroulé en forme de bobine, il est possible d'induire beaucoup plus de tension. Pour rendre l'induction de tension encore plus efficace, le conducteur peut être installé aussi près de l'aimant que possible. De plus, ajouter plus de boucles à la bobine induira plus de tension, tandis que retirer des boucles de la bobine induira moins de tension.
Lorsque l'aimant tourne et qu'un conducteur a été placé dans le champ magnétique, une tension sera induite dans le conducteur. Si le conducteur est connecté à un circuit électrique fermé, un courant alternatif circulera. L'électricité peut maintenant être livrée/distribuée aux consommateurs pour être utilisée !
Exemple de Production d'Énergie CA de Base
Rotor de Générateur
Les générateurs industriels s'appuient sur des composants plus complexes que de simples aimants et bobines, mais les principes de fonctionnement de la production d'énergie restent les mêmes. L'aimant tournant d'un générateur est appelé ‘rotor’ tandis que la bobine est appelée ‘stator’. Il est possible que le stator agisse comme l'aimant et que le rotor agisse comme la bobine, mais cette configuration ne sera pas discutée pour le moment.
Un rotor se compose normalement d'une série d'aimants montés sur un noyau laminé de plaques d'acier minces ; les plaques d'acier laminées minces sont appelées ‘laminations’. Les laminations influencent la forme du champ magnétique car l'acier contient du fer, qui est magnétique (capable d'agir comme un aimant ou d'être attiré par un aimant). De plus, les laminations focalisent le champ magnétique de sorte que le plus grand nombre possible de lignes magnétiques intersectent le conducteur. Focaliser le champ magnétique améliore l'efficacité d'un générateur car la tension induite dans un conducteur augmente à mesure que le nombre de lignes de champ magnétique intersectant le conducteur augmente.
Pour les applications du monde réel, l'exemple de base ‘aimant tournant près d'une bobine’ décrit précédemment ne nous permettrait pas de répondre aux besoins en énergie électrique de notre civilisation. Les aimants permanents ne sont pas pratiques à utiliser (difficiles à transporter, présentent des risques pour la sécurité, etc.) et sont chers. Une forme alternative d'aimant est nécessaire, cette exigence est satisfaite par les électroaimants.
Astuce : Un aimant permanent est celui dont les pôles Nord et Sud sont fixes et ne changent pas. Les aimants permanents sont également connus sous le nom de ‘ferromagnets’.
Aimants Permanents
Qu'est-ce que la loi d'Ampère ?
Avant de discuter des électroaimants, il est nécessaire de comprendre la loi d'Ampère.
La loi d'Ampère stipule que le courant électrique circulant dans un conducteur crée un champ magnétique autour de ce conducteur. La force du champ magnétique créé est proportionnelle à la quantité de courant circulant. Le courant continu circule dans une direction et la taille du champ magnétique résultant et sa polarité sont constants. Le courant alternatif circule dans deux directions et les résultats sont :
- La taille du champ magnétique augmente et diminue.
- La force du champ magnétique augmente et diminue.
- La polarité du champ magnétique s'inverse (Nord à Sud puis Sud à Nord).
Les résultats ci-dessus se produisent en synchro avec la direction changeante du courant électrique. Une onde sinusoïdale est utilisée pour indiquer la force du champ magnétique au fil du temps et sa polarité (Nord est positif, Sud est négatif).
Onde Sinusoïdale Changeant au Fil du Temps
Qu'est-ce que la polarité ?
Les aimants permanents ont un pôle Nord et un pôle Sud. Si les pôles Sud et Nord de l'aimant inversent leurs positions (de sorte que le Nord devienne Sud et le Sud devienne Nord), la polarité est dite ‘inversée’.
Électroaimants
Comme mentionné précédemment, la loi d'Ampère stipule que ‘le courant électrique circulant dans un conducteur crée un champ magnétique autour de ce conducteur’.
Si un courant continu (CC) circule dans un conducteur, le champ magnétique sera constant.
Si un courant alternatif (CA) circule dans un conducteur, le champ magnétique variera (se dilatera et se contractera).
La force d'un champ magnétique entourant un conducteur est proportionnelle à la quantité de courant circulant dans le conducteur.
Il est possible de créer un champ magnétique focalisé en enroulant un conducteur en forme de bobine. Si le courant circule à travers la bobine, un pôle Nord et Sud à chaque extrémité de la bobine sera effectivement créé.
Champ Magnétique dû au Courant Circulant à Travers une Bobine
Un électroaimant est créé lorsque le courant circule à travers une bobine et qu'un pôle magnétique Nord et Sud en résulte. Notez que la position du Nord et du Sud peut être inversée en inversant la direction du flux de courant. Un courant continu créerait un pôle Nord et Sud fixe car le flux de courant est dans une seule direction. Un courant alternatif créerait des pôles Nord et Sud variables car le flux de courant est dans deux directions (aller-retour).
Si des bobines sont installées sur un rotor de générateur, il est possible d'appliquer un courant électrique à ces bobines pour créer un électroaimant. L'installation de plusieurs bobines sur le rotor permet de créer plusieurs pôles magnétiques Nord et Sud. Créer le champ magnétique d'un générateur en utilisant des électroaimants présente plusieurs avantages significatifs par rapport à l'utilisation d'aimants permanents :
- Contrôler le courant alimenté aux électroaimants permet de contrôler la force du champ magnétique, il est donc possible de contrôler la quantité de tension induite dans les enroulements du stator (bobines conductrices).
- Varier le nombre de bobines utilisées par un électroaimant détermine la force potentielle du champ magnétique qu'un électroaimant peut créer ; c'est une caractéristique importante et utile lors du processus de conception.
- Les matériaux des bobines sont généralement beaucoup plus faciles à obtenir, entretenir, et/ou remplacer que les grands aimants permanents.
- Les électroaimants sont moins chers que les grands aimants permanents.
- Les électroaimants sont plus faciles à manipuler que les grands aimants permanents.
Qu'est-ce que les ‘pôles de rotor de générateur’ ?
Les rotors de générateur sont parfois appelés ayant ‘2 pôles’, ou, ‘4 pôles’, etc. Les ‘pôles’ se réfèrent au pôle Nord ou Sud d'un aimant. Un rotor à 2 pôles a un pôle Sud et un pôle Nord. Un rotor à 4 pôles a deux pôles Nord et deux pôles Sud, etc.
Stator de Générateur Électrique
Les bobines conductrices entourant un rotor sont collectivement appelées ‘stator’. Entourer le rotor d'une bobine, ou d'une série de bobines, garantit que les lignes de champ magnétique produites par le rotor intersectent une grande surface des bobines, ce qui génère plus de tension induite.
Un stator avec une seule bobine induirait une tension monophasée (1~). L'installation de plus de bobines produit des phases supplémentaires. Une ‘phase’ est le potentiel de tension mesuré à travers un seul conducteur. Induire une tension dans 3 bobines distinctes en même temps ne serait pas pratique car le système électrique oscillerait fortement entre une tension positive et négative, et il ne serait pas possible d'installer les bobines exactement au même endroit physique. Installer trois bobines à 120 degrés d'écart permet d'induire une tension dans trois bobines distinctes de manière plus équilibrée. Les centrales électriques produisent une tension CA triphasée.
Tension CA Triphasée
Puissance Électrique (P=VI)
La puissance électrique est représentée par l'équation :
P = V I
Puissance = Tension x Courant
On peut en déduire à partir de l'équation ci-dessus que la puissance sera toujours 0 si la valeur de la tension est 0, ou si la valeur du courant est 0. Un circuit ouvert n'a pas de flux de courant, mais si le circuit est fermé, le courant circulera (si le courant est présent). Bien qu'il soit possible d'avoir une tension sans courant, il n'est pas possible d'avoir un courant sans tension. Pour produire de l'énergie électrique, nous devons donc avoir à la fois une tension et un circuit fermé pour le flux de courant.
Comment les Centrales Électriques Génèrent de l'Électricité
Indépendamment du type de centrale électrique (centrale) considéré, plus de 95% d'entre elles utilisent le principe fondamental de ‘déplacer constamment un champ magnétique à travers un conducteur stationnaire’ pour générer de l'énergie électrique. Par exemple :
- Centrale électrique au charbon (et toute centrale électrique alimentée par des combustibles fossiles) – brûle du carburant pour libérer son énergie chimique sous forme de chaleur, qui est ensuite utilisée pour transformer l'eau en vapeur. La vapeur est alimentée à une turbine à vapeur, ce qui fait tourner la turbine. La puissance mécanique résultante de la turbine est transférée à un générateur via un arbre (et généralement une boîte de vitesses).
- Éolienne – le vent passe sur les pales du rotor d'une éolienne, ce qui fait tourner les pales. Le mouvement rotatif (énergie cinétique) des pales est alimenté à un générateur.
- Centrale nucléaire – génère de la chaleur (énergie thermique) pour élever la température de l'eau ; l'eau est ensuite alimentée à un échangeur de chaleur. L'eau du côté coque de l'échangeur de chaleur à tubes et calandre se transforme en vapeur lorsqu'elle est chauffée ; cette vapeur est ensuite alimentée à une turbine à vapeur qui est connectée à un générateur.
- Centrale hydroélectrique (barrage, stockage par pompage, courant de marée, barrage de marée, au fil de l'eau) – l'eau est alimentée à un roue de turbine, ce qui fait tourner la roue. La roue est connectée sur un arbre à un générateur.
Roue de Turbine Hydroélectrique et Générateur
- Four solaire – les ondes électromagnétiques du soleil sont concentrées sur un point spécifique (four solaire) afin de générer une grande quantité de chaleur à ce point. Un fluide thermique (souvent du sel fondu) absorbe la chaleur et la transfère à l'eau via un échangeur de chaleur. L'eau change de phase pour devenir vapeur et la vapeur est alimentée à une turbine à vapeur, qui est connectée à un générateur.
Ressources Supplémentaires
https://en.wikipedia.org/wiki/Electricity_generation
https://www.eia.gov/energyexplained/electricity/how-electricity-is-generated.php