GÉNÉRATEURS D’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE

GÉNÉRATEURS D’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE

Le générateur d’énergie électrique représente la machine de base de la vie industrielle moderne. L’énergie se présente et se consomme sous des formes diverses: thermique, mécanique, chimique, hydraulique, électrique, nucléaire, etc.; bien qu’il soit techniquement possible de passer d’une forme aux autres, l’énergie électrique est seule universellement distribuée. En effet, les machines et équipements modernes l’utilisent directement, son transport s’effectue facilement, avec un rendement acceptable, et sa transformation en toute autre forme d’énergie s’accompagne de rendements très élevés.

Sur le plan technique, on distingue deux modes essentiels de production de l’énergie électrique. Le plus souvent, elle est créée dans de grandes centrales thermiques ou hydrauliques utilisant soit des combustibles fossiles (charbon, hydrocarbures, uranium), soit l’énergie hydraulique (« houille blanche »). Des générateurs, appelés alors alternateurs , y produisent de l’électricité sous forme alternative. La puissance unitaire de ces groupes est considérable, celle des dernières unités en service atteignant en France 1 450 mégawatts (cf. ÉLECTRI- CITÉ - Électrotechnique). Cette énergie est transportée vers les centres industriels et urbains grâce à des réseaux de transport et de distribution. Mais lorsque l’énergie doit être créée sur place (endroits d’accès difficile tels que déserts, balises marines, ou à bord de véhicules), on a recours à d’autres modes de production: groupes de petite puissance à courant continu ou alternatif, convertisseurs photovoltaïques...

Parfois l’utilisation de l’électricité sous forme alternative est peu pratique, voire impossible.

On la produit alors sous forme continue, soit à partir du réseau alternatif à l’aide de convertisseurs statiques – ce type a supplanté les convertisseurs électroniques –, qui ont bénéficié des progrès des composants électroniques de puissance (cf. ÉLECTRICITÉ - Convertisseurs et variateurs). Il existe par ailleurs des générateurs chimiques ^{[cf. PILES ET ACCUMULATEURS]}, thermoélectriques, photovoltaïques ^{[cf. PHOTOPILES SOLAIRES]} et thermo-ioniques.

1. Les générateurs de courant alternatif

Sur les bases des lois de Faraday (1831), le premier système de génération de courant alternatif fut mis en œuvre en 1885 simultanément en Europe, par L. Gaulard et James Gibbs, et aux États-Unis, par Wendell Stanley. La découverte en 1888, par Nikola Tesla, du moteur d’induction et les avantages de la distribution d’énergie électrique à partir de courants triphasés contribuèrent beaucoup au développement de ce type de générateurs. Ces derniers, entraînés par une machine à vapeur, étaient alors du type synchrone hétéropolaire.

Générateur synchrone hétéropolaire

Un générateur synchrone hétéropolaire, ou alternateur hétéropolaire, se compose d’un organe primaire ou inducteur constitué par des bobines à courant continu ou des aimants donnant une alternance de pôles Nord et Sud et d’un organe secondaire ou induit constitué par un enroulement monophasé ou polyphasé. Ces enroulements bobinés sur des carcasses magnétiques concentriques séparées par un entrefer sont en mouvement de rotation relatif, l’inducteur étant fixe ou tournant. On distingue également, selon la forme de la carcasse magnétique inductrice, les générateurs à pôles lisses des générateurs à pôles saillants. La figure 1 donne les schémas de principe de deux types d’alternateurs triphasés, l’un bipolaire à pôles lisses, l’autre tétrapolaire à pôles saillants. Le mouvement relatif de l’inducteur par rapport aux enroulements d’induit soumet ceux-ci à des flux inducteurs alternés 淋ⁱ décalés dans le temps. Ainsi, d’aprés les lois de Faraday, chaque enroulement est le siège d’une force électromotrice e ⁱ = 漣 (d 淋ⁱ /dt ) de fréquence f = p N, où p est le nombre de paires de pôles de l’inducteur et N la fréquence de rotation. Dans le système international d’unités S.I., e ⁱ s’exprime en volts, N en tours par seconde et 淋 en webers (Wb).

Si la machine à pôles lisses possède un circuit magnétique non saturé ^{[cf. MAGNÉTISME]}, la considération d’une impédance interne inductive, ou impédance synchrone, suffit pour rendre compte des propriétés du générateur. Mais dans les cas des machines saturées ou à pôles saillants, il faut utiliser soit les résultats de la théorie d’Alfred Potier, soit ceux de la théorie de la double réaction d’André Blondel. Dans le cas particulier des machines à pôles saillants existe le phénomène d’auto-amorçage: le générateur peut fournir une certaine énergie à une charge capacitive alors que son courant inducteur d’excitation est nul.

Du point de vue de l’utilisation, on doit distinguer les gros alternateurs triphasés, qui équipent les centrales thermiques ou hydrauliques et qui fournissent les courants industriels à 50 Hz ou 60 Hz, de ceux de taille plus modeste qui équipent les groupes électrogènes et la majorité des véhicules pourvus d’une installation électrique autonome.

Les alternateurs des centrales thermiques, ou turbo-alternateurs, sont en général entraînés, en Europe, à 50 t/s par des turbines à vapeur. Ils sont du type bipolaire à pôles lisses. Ils fournissent un système de tensions triphasé de valeur efficace 15 000 volts et sont reliés au réseau haute tension par l’intermédiaire d’un transformateur. Leur puissance unitaire est passée de 250 mégawatts en 1961 à 1 450 mégawatts en 1991 (cf. ÉLECTRI- CITÉ - Électrotechnique). Les problèmes posés par la construction de ces machines sont d’ordre mécanique (rotor de très grandes dimension et masse) et thermique (6 MW de pertes à évacuer pour un alternateur de 600 MW, par exemple). Ce dernier problème est résolu en faisant circuler un gaz non conducteur de la chaleur (hydrogène) dans l’entrefer et les conducteurs du rotor, et de l’eau dans les conducteurs du stator. La diminution des pertes peut être obtenue par l’utilisation à basse température de conducteurs en métaux purs, puis par l’emploi des matériaux supraconducteurs.

Les alternateurs des centrales hydrauliques sont du type à pôles saillants à axe vertical. La faible vitesse des turbines hydrauliques nécessite un grand nombre de pôles (12 à 120). La puissance de ces machines ne dépasse pas en général quelques centaines de mégawatts. Aussi sont-elles refroidies par une simple ventilation d’air. Il faut signaler toutefois qu’il existe en Russie des alternateurs hydrauliques de 500 mégawatts (centrale de Krasnoïarsk) refroidis par circulation d’eau.

Les alternateurs de puissance plus modeste, généralement inférieure à 1 mégawatt, équipent les groupes électrogènes. Souvent entraînés par moteur Diesel, ils assurent soit un service permanent, soit un service de secours.

Enfin, les alternateurs de faible puissance constituent la source d’énergie électrique des véhicules: bicyclettes, automobiles, avions.

Alternateur homopolaire

La figure 2 représente le schéma de principe d’un alternateur homopolaire. La machine est excitée par un courant continu alimentant la bobine centrale. Lorsque la roue dentée tourne, le flux dans les bobines d’induit varie en intensité, mais sans changer de signe, ce qui induit des courants à la frèquence p N où p est le nombre de dents du rotor. Ainsi on a pu construire des générateurs dont la fréquence atteignait 50 kHz. Vers 1920, la station de radiodiffusion de Saint-Assise en France était équipée avec de tels émetteurs d’une puissance de 500 kW. Toutefois, avec l’essor de l’électronique de puissance, ces générateurs sont tombés dans l’oubli et n’ont plus d’intérêt que pour le « chauffage par induction » ou la soudure à l’arc.

Générateur asynchrone

Le générateur asynchrone (fig. 3) est également constitué par deux carcasses magnétiques concentriques séparées par un entrefer. Le primaire est constitué par un bobinage triphasé porté par la carcasse magnétique fixe. Le secondaire est réalisé à l’aide de simples conducteurs disposés selon les génératrices du rotor et mis ensemble en court-circuit à chacune de leurs extrémités. La machine se comporte à l’arrêt comme un transformateur statique dont le secondaire est en court-circuit. Le paramètre important est le glissement:

où p est le nombre de paires de pôles, 行 la pulsation de rotation et 諸 la pulsation des courants du stator.

Si g est positif, on a un moteur d’induction à cage d’écureuil ^{[cf. MOTEURS ÉLECTRIQUES]}. Si g est négatif, il se produit une amplification asynchrone, une résistance négative apparaissant dans le circuit équivalent de la machine qui peut alors fournir de la puissance. Ainsi branchée dans un réseau à tension constante, elle apporte un appoint de puissance active tandis que l’énergie réactive qu’elle consomme est compensée à l’aide d’une batterie de condensateurs.

Cette génératrice de construction très simple, robuste, ne nécessitant pas d’entretien, équipe les groupes bulbes des microcentrales utilisant l’énergie des très basses chutes sur les petites rivières de plaine. L’ensemble génératrice-turbine, à pales orientables le cas échéant, est placé dans un conduit en forme de siphon qui canalise l’eau motrice. De tels groupes bulbes ont des puissances variant de 50 à 2 000 kW.

2. Les générateurs de courant continu

Les machines hétéropolaires

Les génératrices tournantes à courant continu transforment l’énergie mécanique d’un moteur d’entraînement en énergie électrique continue. C’est probablement l’abbé Nollet, professeur à l’École militaire de Bruxelles, qui réalisa, au milieu du XVIII^e siècle, la première de ces machines en entraînant un système de bobines à l’intérieur d’une carcasse portant des aimants permanents. Plus tard, le courant alternatif produit sera redressé à l’aide d’un commutateur imaginé par Ampère. Perfectionné et commercialisé par la société L’Alliance sous le nom de Machine de L’Alliance, cet engin fut utilisé à partir de 1859 pour l’éclairage à l’arc. Les deux phares de La Heve notamment en furent équipés. Néanmoins, le développement de ce type de machine fut limité et le véritable essor de génératrices à courant continu date de 1865. C’est à cette époque qu’un ouvrier menuisier belge, Zènobe Gramme, imagina un bobinage en anneau fermé sur lui-même ainsi qu’un dispositif redresseur. La dynamo était née. L’induit en tambour et le collecteur des machines modernes dérivent directement des dispositifs conçus par Gramme.

Lors de l’exposition internationale d’électricité de 1873 à Vienne, deux dynamos Gramme à l’arrêt furent par erreur branchées en parallèle. L’ingénieur H. Fontaine, mettant en marche le moteur d’entraînement de l’une d’entre elles, vit l’autre démarrer également... Il venait de découvrir la réversibilité de ce type de machine. Ce caractère de réversibilité résulte directement de la loi de Laplace. Un conducteur de volume V placé dans un champ d’induction ち est le siège d’un champ électrique つ^m = 廬 ち quand il est animé d’une vitesse (fonctionnement en génératrice); il est soumis à une force de Laplace:

s’il est traversé par un courant de densité ど (fonctionnement en moteur).

Les moteurs à courant continu sont devenus d’un emploi plus courant que les génératrices, auxquelles se sont substitués les redresseurs à semi-conducteurs. Aussi le principe de ces machines est-il exposé dans l’article MOTEURS ÉLECTRIQUES. Il suffit de rappeler ici qu’une dynamo est constituée essentiellement d’une carcasse magnétique portant un certain nombre de pôles alternativement Nord et Sud (stator), à l’intérieur de laquelle tourne le rotor cylindrique en acier feuilleté, sur lequel est bobiné un circuit électrique fermé sur lui-même. Les courants alternatifs qui apparaissent dans ce bobinage sont redressés à l’aide d’un organe, le collecteur, constitué de lames de cuivre isolées entre elles, sur lesquelles frottent des balais. Ces derniers sont reliés aux bornes de la machine. Quand les bobines du stator sont parcourues par le courant d’excitation et que le rotor est entraîné mécaniquement, une tension continue apparaît aux bornes de la machine. Celle-ci peut alors débiter un courant dans une résistance.

La tension qui apparaît entre les bornes d’une dynamo isolée, ou force électromotrice à vide d’une dynamo, est donnée par la relation E = (p /a )Nn 淋, où l’on désigne par 2 p le nombre de pôles, 2 a le nombre de voies d’enroulement, N la vitesse d’entraînement de l’induit, n le nombre de conducteurs de l’induit, 淋 le flux par pôle ou flux inducteur.

Quand la génératrice débite un courant I, sa force électromotrice en charge E est au plus égale à sa force électromotrice à vide E. En effet, le flux utile 淋 (flux en charge ou flux résultant) est inférieur au flux inducteur si certaines parties du circuit magnétique de la machine sont saturées ^{[cf. MAGNÉTISME]}. La différence E = E 漣 E est appelée chute de tension par réaction d’induit. R désignant la résistance de l’induit, la tension U en charge est égale à: U = E 漣 E 漣 RI.

Le couple électromagnétique, en newtonmètre (N.m), lié à la puissance électromagnétique mise en jeu, s’exprime par la relation:

On présente les propriétés des génératrices à courant continu à l’aide de courbes dites caractéristiques. Les plus usuelles sont la caractéristique interne (« à vide ») qui lie la force électromotrice à vide au courant d’excitation, la caractéristique externe (« en charge ») où apparaissent les variations de la tension aux bornes de la machine en fonction du courant débité, le courant d’excitation étant constant, et enfin la caractéristique de régulation (« de réglage ») où figurent en abscisse le courant d’excitation, en ordonnée le courant d’induit, la tension de sortie étant maintenue constante. L’emploi de telles courbes se justifie par la non-linéarité des phénomènes ferromagnétiques et par la difficulté de représenter correctement un cycle d’hystérésis par une expression mathématique.

Les modes d’excitation des génératrices à courant continu sont les mêmes que ceux des moteurs ^{[cf. MOTEURS ÉLECTRIQUES]}. Les génératrices à excitation indépendante, dont la tension peut varier de façon continue dans un large domaine, sont utilisées pour l’alimentation de moteurs dont l’état de charge peut évoluer notablement (moteurs d’entraînement de trains de laminoirs ou de cages d’extraction). La caractéristique externe des génératrices à excitation shunt est très faiblement tombante; aussi l’emploi de ces machines ne se justifie-t-il que si l’on souhaite alimenter un réseau sous tension constante. La génératrice à excitation série est de moins en moins utilisée; le moteur « série », qui est le moteur de traction par excellence, devient génératrice « série » pendant un freinage « électrique ». Les génératrices « série » sont également associées à des génératrices « shunt » pour constituer des groupes survolteur-dévolteur. Enfin, la génératrice à excitation « compound », dont la tension de sortie est pratiquement invariable (machine « autorégulée »), quel que soit le courant débité, sert à l’alimentation de réseaux à tension constante soumis à de fortes variations de charges.

Les machines homopolaires

Les machines à courant continu homopolaires (ou unipolaires) sont dérivées de la roue de Peter Barlow. Elles se composent essentiellement (fig. 4) d’un rotor cylindrique massif en matériau magnétique et conducteur tournant autour de son axe dans un flux d’induction magnétique dont la répartition est symétrique par rapport à cet axe; la direction des lignes de forces est radiale dans la partie médiane du rotor et axiale de part et d’autre de cette région. Ce flux est produit par deux bobines concentriques au rotor, alimentées en courant continu et placées sur le stator de la machine. Celui-ci est massif et constitué d’un matériau magnétique. Il comporte les conducteurs de sortie de la machine reliés aux dispositifs de contacts. Ces derniers assurent la collection du courant sur la surface de deux cylindres directeurs du rotor situés de part et d’autre de la région où la direction de flux est radiale. Ils peuvent être constitués de deux anneaux d’alliage métallique liquide. Ainsi, la totalité de la masse conductrice de la machine est offerte au passage du courant sans autre solution de continuité que celle des contacts liquides.

On a imaginé bon nombre de solutions pour améliorer le fonctionnement de ces machines et en accroître les performances. Ainsi, le principe du remplissage total fut mis en œuvre en 1960 par les Français P. Aigrain, R. Bonnefille et leur élève J. Poulain; il consiste à emplir d’alliage métallique liquide tout le volume offert par les entrefers de la machine. On a pu mettre en série plusieurs cellules (machines à disques multiples) et également employer des bobines inductrices supraconductrices.

La tension de sortie des génératrices homopolaires dépasse rarement quelques volts. Par contre, le courant peut atteindre plusieurs dizaines de milliers d’ampères.

Ces machines, d’un fonctionnement incertain du fait des instabilités dues à l’alliage liquide, pourraient voir leur emploi se développer en électrométallurgie. Certains laboratoires ont mis en œuvre dans le cadre des recherches sur la fusion thermonucléaire des génératrices homopolaires impulsionnelles destinées à libérer une énergie considérable pendant un court intervalle de temps.

3. Les convertisseurs électroniques

La conquête de l’espace a favorisé le développement d’une nouvelle classe de générateurs d’énergie électrique, les convertisseurs électroniques. Leur principe repose sur des effets connus, mais dont l’application pratique avait été négligée, ou limitée à des systèmes mettant en jeu de faibles quantités d’énergie (circuits de mesure).

Il existe trois types principaux de convertisseurs électroniques associés respectivement aux effets thermoélectrique, photovoltaïque et thermoionique.

Les convertisseurs thermoélectriques

Un convertisseur thermoélectrique est constitué de deux barreaux en matériaux semi-conducteurs, l’un de type p , l’autre de type n (fig. 5). Les barreaux sont reliés à l’une de leurs extrémités par un pont métallique porté à une température élevée T^e et à l’autre par une résistance de charge. Deux jonctions métalliques insérées entre chacun des barreaux et la résistance sont maintenues à une température T^f inférieure à T^c . La chaleur apportée au système pour maintenir les jonctions respectivement à T^c et T^f est convertie en énergie électrique. Un courant circule dans la résistance de charge.

L’étude théorique du fonctionnement d’un tel convertisseur est complexe et fait appel à la thermodynamique des processus irréversibles (Onsager, 1931; cf. IRRÉVERSIBILITÉ) et à la physique de l’état solide.

Le premier convertisseur thermoélectrique fut probablement construit en 1930 avec le couple PbS-ZnSb. Vers 1953, à l’aide du couple ZnSb, (p ) – BiSb, (n ), on atteignit un rendement de 3,55 p. 100. En 1956, M. Ioffé mit au point des thermo-éléments de performances plus élevées à partir de PbTe-PbSe. Les convertisseurs les plus récents utilisent PbTe, (n )-BiTe, (p ) ou PbTe, (n )-SbTe, (p ); on devrait parvenir à un rendement supérieur à 10 p. 100.

Les convertisseurs thermoélectriques sont généralement employés sous forme de générateurs autonomes de faible puissance (de 1 W à 1 kW). La source de chaleur est conventionnelle (gaz, hydrocarbure) ou nucléaire (radio-isotopes). Ils équipent des stations météorologiques, certains satellites artificiels ou du matériel militaire.

Les convertisseurs photovoltaïques

Les convertisseurs photovoltaïques transforment l’énergie d’une radiation lumineuse en énergie électrique. Le Soleil constitue la source lumineuse la plus couramment utilisée; ce qui justifie l’appellation usuelle « cellules solaires » de ce type de convertisseur.

Une cellule élémentaire comporte essentiellement une jonction semiconductrice n-p , dont l’une des régions est soumise à l’action du flux lumineux. Du point de vue technologique, le matériau constitutif sera par exemple un disque de silicium du type n . On y fait diffuser du bore de façon qu’il se forme sur l’une des faces une couche de type p de quelques micromètres d’épaisseur. On dépose enfin par galvanoplastie deux pellicules de nickel aux endroits où doivent être raccordés les contacts de façon à pouvoir les souder. La face p est destinée à recevoir le flux lumineux.

Le silicium est le matériau constitutif de base des cellules solaires réalisées industriellement. De telles celules sont capables de produire une densité de puissance de 12 mW.cm^-2 avec un rendement de 12 p. 100. Les premières cellules au silicium furent expérimentées vers 1954 (Bell Telephone Laboratories). Elles furent utilisées sur le satellite artificiel de la marine américaine Vanguard-1 (avril 1958). Il faut signaler aussi l’emploi courant de corps tels que l’arseniure de gallium, le tellurure de cadmium et le sulfure de cadmium ainsi que des matériaux nouveaux supraconducteurs. Les applications des cellules solaires couvrent un assez vaste domaine de puissance, entre quelques dixièmes de milliwatts (alimentation de dispositifs à usage médical implantés dans le corps humain) jusqu’à plusieurs kilowatts (sources de puissance pour satellites, sondes spatiales et stations orbitales).

Les convertisseurs thermoioniques

Un métal ou un semi-conducteur chauffé émet un flux d’électrons. Aux températures usuelles, une barrière de potentiel de quelques électrons-volts rend le phénomène négligeable. En élevant la température, on communique à une fraction croissante des électrons du métal l’énergie suffisante pour franchir cette barrière. L’émission thermo-ionique devient appréciable aux alentours de 1 500 K (fig. 6).

Un convertisseur thermoionique comprend deux électrodes, l’émetteur porté à haute température (T^c ) et le collecteur (T^f ). Les électrons libérés par l’émetteur migrent vers le collecteur où ils abandonnent une fraction de leur énergie, la fraction restante leur permettant de circuler dans la charge extérieure.

Il faut, pour compléter ce schéma simple, tenir compte du phénomène bien connu de charge d’espace qui limite le courant émis. Deux méthodes sont possibles pour diminuer cet effet gênant. Ou bien l’espace interélectrodes, vide en l’absence d’émission thermo-ionique, reste inférieur à quelques centièmes de millimètres; ou bien de la vapeur d’un métal alcalin (césium) est introduite entre les deux électrodes libérant ainsi des ions qui neutralisent la charge d’espace électronique.

Parmi les premières réalisations, on peut citer des convertisseurs à vide dont émetteur et collecteur sont en tungstène recouvert respectivement d’oxydes de strontium et calcium et d’oxydes de strontium et baryum. Pour des températures T^c et T^f de 1 423 K et 900 K, et un espace interélectrodes de 8 猪m, la puissance spécifique est de l’ordre de 0,3 W. cm^-2, le rendement de 4,5 p. 100, la durée de vie de 50 heures. Les convertisseurs à vapeur de césium sont intéressants car certains ont atteint une puissance spécifique de 10 W. cm ^-2 avec un rendement de 10 p. 100. Les convertisseurs magnétohydrodynamiques (M.H.D.) utilisent une propriété des gaz qui deviennent conducteurs sous une température très élevée.

Encyclopédie Universelle. 2012.