Générateur électrique

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 de deux manières différentes :

• un générateur idéal de tension avec une résistance en série ;
• un générateur idéal de courant avec une résistance montée en parallèle.

Générateur idéal de tension

Symbole d'un générateur idéal de tension dans un circuit.

Le générateur idéal 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 ne peut être qu'un modèle théorique, car mis en court-circuit, il devrait délivrer un courant infini et donc fournir une puissance également infinie ce qui est irréalisable.

• Un grand nombre de générateurs peuvent être modélisés par l'association d'un générateur idéal 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 ;
  • 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 chargé, 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 ; dans ce cas 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 idéal de courant

Symbole d'un générateur idéal de courant dans un circuit

Pour le générateur idéal de courant, le courant produit est constant, quelle que soit la tension demandée et la charge à alimenter. Il est également appelé source de courant.

C'est également un modèle théorique car l'ouverture d'un circuit comportant un générateur de courant non nul devrait conduire à fournir une tension infinie. Il est impossible de placer en série deux générateurs de courant de valeurs différentes car, cela revient à imposer deux courants différents dans un même fil.

• Les générateurs réels peuvent être simplement modélisés par l'association d'un générateur idéal de courant et d'une résistance branchée en parallèle. Un tel modèle s'appelle modèle de Norton.

• Un dipôle inductif est un générateur de courant au sens transitoire qui s'oppose à toute variation de l'intensité du courant qui le traverse. Lors de l'ouverture d'un circuit comportant un dipôle inductif traversé par un courant non nul une haute tension peut apparaître pouvant créer un arc électrique au niveau de l’interrupteur (cet arc peut être atténué par un condensateur), comme cela se passe au niveau du rupteur dans les anciens circuits d'allumage des automobiles à essence.

Machine tournante

La très grande majorité des générateurs électriques sont des machines tournantes, c'est-à-dire des systèmes ayant une partie fixe, et une partie mobile tournant dans (ou autour de) la partie fixe. Cependant, la variété de machines tournantes créées au cours des siècles implique des différences importantes dans les différentes technologies et techniques utilisées pour produire le courant, d'une part, et dans les systèmes 'annexes' (onduleurs, électronique de puissance, etc.) éventuellement nécessaires pour leur bon fonctionnement.

Générateur électrostatique

Machine de Wimshurst.

Le générateur électrostatique n'est pas une machine tournante bien qu'elle fasse appel à la rotation d'un disque frottant sur les balais. Cependant ce concept est à l'origine de la conception des machines tournantes.

La machine électrostatique 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), 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.

Dynamo

Une génératrice de courant continu appelée populairement « dynamo », est, comme beaucoup de générateurs électriques, une machine tournante. Elle fut inventée en 1861 par le Hongrois Ányos Jedlik et améliorée en 1871 par le Belge Zénobe Gramme.

Cette machine étant réversible, elle peut fonctionner aussi bien en génératrice qu'en moteur. 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 caractéristique a été utilisée dans les petites automobiles des années 1970. Un système de relais y connectait la batterie pour fournir un courant à la dynastar qui faisait démarrer le moteur à combustion interne et passait automatiquement en dynamo lorsque celui-ci atteignait un certain régime.

Alternateur

Générateur électrique de 1920

La découverte en 1832 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. 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 alternatives de fréquence proportionnelle à leur vitesse de rotation. Ces machines sont moins coûteuses et ont un meilleur rendement, de l'ordre de 95 %, que les dynamos, machines qui délivrent des tensions continues et dont le rendement est de l'ordre de 85 %.

Principe de l'alternateur

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

Le rotor

le circuit inducteur 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 ou de la phasedu courant produit.

Le stator

l'induit, 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 d'alternateurs

Alternateurs industriels

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

Augmenter le nombre de paires de pôle permet de faire baisser la vitesse de rotation de la machine. La fréquence du réseau étant de 50 Hz (50 cycles par seconde, soit 3 000 cycles par minute), les machines synchrones doivent suivre ce rythme pour alimenter le réseau. Augmenter le nombre de pôles permet de réaliser plus de cycles pour un seul tour et comme la fréquence est fixe, on doit ralentir la vitesse de rotation pour respecter les 3 000 cycles à la minute (en 50 Hz).

• 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/min (rotor à quatre pôles) ou à 3 000 tours/min (rotor à deux pôles), pour les réseaux de distribution à 50 Hz. La puissance électrique fournie par un des turboalternateurs d'une centrale nucléaire peut atteindre 1 800 mégawatts.
• Les centrales hydrauliques, dont les turbines tournent plus lentement, ont des rotors comportant un nombre important de pôles (14 à 16 pôles). L'axe de rotation de l'arbre peut être vertical ou horizontal et le diamètre de cet arbre est important.
• 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 délivrent 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. L’alternateur 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.

Éolienne

Dans certains cas, par exemple sur certaines éoliennes, le rotor est externe et le stator, fixe, est disposé au centre de la génératrice. Les pales de l'éolienne sont directement reliées au rotor. L'éolienne est un alternateur.

Génératrice asynchrone

Les machines asynchrones en fonctionnement hypersynchrone (fréquence de rotation supérieure à la fréquence de synchronisme) fournissent également de l'énergie au réseau électrique auquel elles sont connectées. Elles ont le désavantage de ne pas pouvoir réguler la tension^{[réf. nécessaire]}, 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, et moyennes, puissances comme sur les éoliennes et les micro-barrages grâce au progrès récent de l'électronique de puissance. Une des applications est la machine asynchrone à double alimentation.

Générateur non tournant

Il existe des générateurs électriques ne nécessitant pas de machine tournante, tels que :

• générateur électrochimique :Les accumulateurs électrochimiques sont des générateurs de tension continue, éventuellement rechargeables, utilisés dans les applications électrotechniques et électroniques portatives. Une pile électrique ou une batterie automobile sont de bons exemples d'accumulateurs électrochimiques ;
• générateur photovoltaïque :Les panneaux solaires utilisent l'énergie solaire pour produire de l'électricité. Ils sont souvent adossés à des onduleurs solaires afin de transformer le courant continu, des panneaux, en courant alternatif du réseau électrique ;
• générateur utilisant la radioactivité :Le générateur thermoélectrique à radioisotope utilise la chaleur dégagée par la radioactivité (désintégration de particules radioactives) d'un isotope pour la transformer en électricité. Ce type de générateur est principalement utilisé pour des applications spatiales (pour alimenter en électricité un satellite ou une sonde spatiale par exemple).

Générateur en développement

D'autres technologies de générateurs sont en développement sans avoir encore d'application industrielle à grande échelle :

• générateur utilisant la radioactivité : Le générateur bêtavoltaïque est un prototype utilisant la désintégration de particules radioactives. La différence avec les générateurs conventionnels nucléaires ou à isotope est qu'ils n'utilisent pas la chaleur générée, mais directement les électrons émis par la désintégration de la particule ;
• générateur utilisant l'énergie marine : Des expérimentations sont en cours pour concevoir et valider industriellement des générateurs utilisant l'énergie marine ;
• générateur thermomagnétique destiné à la récupération de la chaleur :Ces générateurs utilisent la convection thermomagnétique (en), c'est-à-dire la variation d'aimantation en fonction de la température. On réalise ainsi des cycles thermodynamiques pour convertir la variation de température en variation d’aimantation. Cette variation est ensuite convertie en énergie mécanique et enfin en énergie électrique.

Annexes

Articles connexes

• Aérogénérateur
• Alternateur
• Centrale électrique
• Dynamo
• Entraînement à vitesse constante
• Générateur homopolaire
• Machine électrique