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Département de physique
Faculté des Sciences Semlalia
Marrakech
Option : Electronique
Auteurs :
▪ - LAKHDARI AYOUB
▪ - IBNESSAGHYR ABDELKHALEK
Encadrant :
▪ - PR. ELASSALI
BP 23900 S15
8/2019 0524303601 fssm@uca.ac.ma
ETUDE D’UN ALTERNATEUR
Introduction Générale...........................................................................................................................3
I- PHÉNOMÈNE D’INDUCTION MAGNÉTIQUE ..............................................................................................4
I.1- FLUX MAGNÉTIQUE...................................................................................................................................4
I.1.a- Définition...............................................................................................................................................4
I.1.b- Variation de flux magnétique................................................................................................................4
I.2- FORCE ÉLÉCTROMOTRICE D’INDUCTION ..................................................................................................5
I.2.a- Expériences de base ..............................................................................................................................5
I.2.b- loi de Lenz .............................................................................................................................................6
I.2.c- La loi de Faraday .......................................................................................................................................6
II- ETUDE D’UN ALTERNATEUR .....................................................................................................................7
Introduction ..........................................................................................................................................7
II.2- Définition d’un alternateur .......................................................................................................................7
II.3- Historique de l’alternateur........................................................................................................................7
II.4- L’inducteur & l’induit ................................................................................................................................8
II.4.a- L’induit ..................................................................................................................................................8
II.4.b- L’inducteur ............................................................................................................................................8
II.5- Les constituants de l’alternateur ..............................................................................................................8
II.5.a- Stator.....................................................................................................................................................8
II.5.b- Rotor .....................................................................................................................................................9
II.5.c- Le redresseur...................................................................................................................................... 10
II.6- Principe de fonctionnement .................................................................................................................. 10
II.7- Paramètre intervenants ......................................................................................................................... 12
II.8- Le refroidissement de l’alternateur ....................................................................................................... 13
II.8.a- Refroidissement par hydrogène pour le rotor : ................................................................................. 13
II.8.b- Refroidissement du stator par l’eau : ................................................................................................ 14
II.8.c- Le refroidissement par un ventilateur ............................................................................................... 14
II.9- F.é.m. induite ......................................................................................................................................... 15
II.10- Bilan de puissance de l’alternateur .................................................................................................... 15
II.10.a- Puissance absorbée ............................................................................................................................ 15
II.10.b- Puissance utile.................................................................................................................................... 15
II.10.c- Les pertes ........................................................................................................................................... 15
II.10.d- Le rendement de l’alternateur ........................................................................................................... 16
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Introduction Générale
La découverte de l'énergie électrique a bien changé le monde. Cependant notre vie sans
électricité sera difficilement envisageable, elle occupe une place prépondérante dans
l’industrie et l’usage domestique. Cette énergie ne se trouve pas dans la nature sous forme
exploitable.
De nos jours la pollution de l’air est devenue un problème important de l’hygiène du milieu, et
affecte les pays développés aussi bien que les pays en voie de développement.
Des quantités croissantes des gaz à effet de serre et de particules potentiellement nuisibles
sont émises dans l’atmosphère et entraînent des dommages à la santé humaine et à
l’environnement.
Il faut alors trouver des sources d’énergies moins polluantes afin produire de l’électricité,
comme la géothermie, le nucléaire, l’hydraulique et enfin l’éolien…etc.
On a besoin donc d’un dispositif capable de convertir ces sources d’énergie en énergie
électrique.
Jusqu’au milieu du XIXe siècle, les piles et les batteries constituaient les seules sources de
courant. En 1871, le belge Zénobe Gramme (1826 –1901) invente la dynamo. Ce générateur,
de conception nouvelle, ouvre la voie vers les appareils de forte puissance que sont les
alternateurs. Ces derniers sont des dispositifs plus ou moins compliqués selon les avantages
et les services désirés basée sur l’exploitation du phénomène d’induction magnétique.
Depuis lors, on peut transporter de grandes quantités d’énergie électrique sur de longues
distances. Actuellement l’alternateur reste encore avec les moteurs thermiques la machine de
base de la vie industrielle.
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I.1.a- Définition
Le Flux magnétique est le nombre de lignes de champ qui traversent une surface S,
En le note ɸ.
Il est définit par la formule ɸ = ∬𝐵 ⃗⃗⃗
⃗ 𝑑𝑆 ( ɸ exprimé en weber ) .
⃗ est uniforme, le flux s’écrit : ɸ = BS cosθ
Si 𝐵 ⃗ et 𝑆 .
; θ est l’angle entre 𝐵
Si la surface S est disposée perpendiculairement aux lignes de champ, alors ɸ = BS.
Variation de l’aire
On pose un circuit dont le plan est perpendiculaire aux lignes du
champ.
Dans ce cas un grand nombre de lignes traversent le circuit.
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Si en fait varier la position de la barre le nombre de lignes de champ qui lui traversent
⃗ s’écrit :
Puisque le flux d’un champ magnétique uniforme 𝐵
ɸ = BS cosθ ; si on fait varier l’angle θ le flux varie
𝜋
Remarque : L’angle θ = 2
donne un flux magnétique nul.
Figure 3 : variation de l'angle
Chaque fois le nombre de lignes de champ qui traversent la surface délimitée par le circuit
varie dans le temps il y a une apparition d’un courant induit.
Si C2 est fixe et C1 mobile, le galvanomètre est parcouru par un courant dont le sens change
selon que l’on approche ou on éloigne C1.
2eme expérience :
Considérons un circuit fermé par une barre conductrice mobile placé dans un champ uniforme
perpendiculaire au circuit.
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Conclusion :
Le courant qui apparaît dans le circuit C2 est appelé le courant induit ; il est dû à la variation
⃗ crée par le courant I qui circule dans C1 implique une création d’une force électro-
de flux de 𝐵
motrice induite.
Ceci montre qu’il nous faut une loi qui exprime ce f.é.m. ; c’est la loi de Faraday.
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Introduction
Dans la vie quotidienne il y a plusieurs application du phénomène d’induction qui relie entre
l’électricité et le mouvement .Dans les années soixante, l’apparition de nouveaux appareils
électriques montre les limites du dynamo, ce qui ouvre la porte à la naissance des dispositifs
plus performants et plus efficaces : ce sont les alternateurs qui exploitent le phénomène
d’induction magnétique pour produire de l’énergie électrique à partit des différentes sources
d’énergie.
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II.4.a- L’induit
L’induit est constitué de l’ensemble des enroulements dans lesquels la tension est induite.
II.4.b- L’inducteur
L’inducteur à pour rôle de produire le champ magnétique il est donc constitué d’aimants
disposés de manière à créer alternativement des pôles Nord et Sud.
Souvent l’inducteur de la majorité des alternateurs est mobile ; par contre l’induit constitué la
partie fixe de la machine.
II.5.a-Stator
Le stator est l’élément fixe de l’alternateur, il s’agit le plus souvent de l’induit, se compose
d’un noyau en tôle d’acier muni d’encoches destinés à recevoir les conducteurs formants les
enroulements du cuivres ; toutes les spires de ce bobinages sont séparées entre eux dans
lesquelles une tension est induite par le champ magnétique en rotation.
La majorité des alternateurs sont constitués de trois enroulements pour générer le courant
induit ; soit configurés en disposition triangulaire, soit prennent la forme en Y. ces derniers
sont dédiés pour fournir des courants très élevés.
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Figure 6 : stator
II.5.b- Rotor
C’est la partie mobile des machines électriques tournantes constitué par des aimants placés
de façon qu’on obtient des pôles nord et des autres sud qui lors de leurs rotations créent une
variation de flux de champ magnétique dans les conducteurs statoriques.
On distingue deux types de rotor : les rotors à pôles saillants et les rotors à pôles lisses.
On utilise les rotors à pôles saillants lorsque l’alternateur tourne à basse vitesse. Ce type des
alternateurs équipent la plupart des centres hydrauliques.
Les rotors à pôles lisses sont conçus pour les petits alternateurs tournants à haute vitesse ; ils
sont appelés des « turbo-alternateurs », du fait que leurs vitesses de rotation élevées, ils
équipent la plupart des centrales nucléaires et thermiques classiques.
Figure 7 : rotor
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II.5.c- Le redresseur
Le redresseur est constitué d’un pont de diodes et une capacité, son rôle se limite à
transformer le courant alternatif en courant continu par un redressement double alternance.
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Ce signal prend une forme sinusoïdale que l’on obtient à l’aide d’un oscilloscope branché aux
bornes de bobinage statorique.
Toutefois ; pour un alternateur triphasé qui regroupe trois enroulements statoriques, ils
génèrent trois ondes sinusoïdales déphasées entre eux ; d’où le nom tension triphasé.
Pour puisse profiter de ce courant induit , il doit être converti et redressé en courant continu
via l’utilisation des diodes en exploitant le fait que la diode ne permet de passer le courant que
dans un seul sens.
Lorsque le courant alternatif induit traverse une diode les impulsions négatives sont bloquées
pour produire une forme caractéristique.
Si on inverse la diode , elle bloque cette fois les impulsions positives et laisse plutôt celles
négatives ; on parle alors d’un redressement simple alternance , cette action ne donne pas un
courant continu .On doit alors ajouter plus de diode plus de diodes pour redresser à la fois les
impulsions positives et négatives pour obtenir un redressement double alternance.
Pour l’accomplir il faut utiliser un circuit de six diodes ; deux diodes sont reliées à chaque
enroulement des trois statoriques. Ce processus est valable dans le cas de configuration
triangulaire et celle de la forme en Y. Cependant un alternateur à configuration triangulaire
offre plus de puissance car les chemins parallèles assure plus de courant à travers les diodes.
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induction.exe
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Figure 14 : un ventilateur de
refroidissement des diodes.
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On constate que les pertes constantes et celles dans le stator sont faibles devant la puissance
absorbée par l’alternateur ; donc le rendement sera très grand ƞ ≈ 1
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Le courant continu est souhaitable car la plupart de nos appareils ont besoin d'une
alimentation directe pour fonctionner. Tout ce qui a trait aux semi-conducteurs, qui comprend
presque tous les appareils électriques, nécessite un courant continu. Bien que nous ayons
besoin de courant continu, la puissance qui nous est fournie par notre réseau est le courant
alternatif fourni par les alternateurs. En effet, il est plus facile et plus efficace de transmettre la
puissance par courant alternatif. La conversion de la tension alternative en milliers de volts
pour la transmission, puis réduite à des niveaux utilisables, peut être facilement obtenue par
l'intermédiaire de transformateurs. Il en va de même pour le courant continu. Le courant
alternatif est ensuite facilement converti en courant continu à l'aide d’un redresseur à semi-
conducteurs.
La production d'électricité par alternateurs est une pratique largement acceptée dans le
monde entier. Même les véhicules comme les bateaux, les voitures et les motocyclettes
utilisent des alternateurs pour charger leurs batteries et alimenter les accessoires. D'autre
part, les dynamos sont rarement utilisées pour produire de la puissance. Les appareils qui
utilisent des moteurs mais qui utilisent des batteries pour l'alimentation électrique utilisent des
dynamos, car ils peuvent être alimentés en courant continu.
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Cette méthode est similaire à celle des centrales thermique ; s’appuie de la combustion.
L'énergie nucléaire est une source qui dépend d'un combustible fissile, l'uranium, dont
l’énergie dégagée lors de sa combustion est très grand. Le minerai radioactif est contenu
dans le sous-sol de la Terre.
Elle permet de produire de l'électricité, dans les centrales thermiques nucléaires, appelées
centrales électronucléaires, grâce à la chaleur dégagée par la fission d'atomes d'uranium.
Une centrale nucléaire se compose de 4 parties principales :
▪ Le bâtiment contenant le réacteur dans lequel a lieu la fission ;
▪ La salle des machines où est produite l'électricité ;
▪ Les départs de lignes électriques qui évacuent et transportent l'électricité ;
▪ Des tours de refroidissement uniquement en bord de rivière.
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Une centrale hydroélectrique est une installation qui utilise l'énergie de l'eau d'un barrage
pour produire de l'électricité. L'énergie de l'eau est transformée en énergie mécanique par une
turbine hydraulique qui la transmet à une machine : l’alternateur qui produira de l'électricité.
L'eau stockée doit être amenée de la retenue vers l'usine. L'eau passe à travers des grilles, à
travers des vannes, puis est amenée vers la turbine grâce à un canal puis une conduite. Par
l'effet de la pesanteur (le poids de l'eau), plus on descend plus la pression augmente dans la
conduite. Cela renforcer la vitesse de rotation de la turbine. Plus la hauteur de chute est
grande plus la pression et la puissance de l'installation sera importante. La puissance dépend
aussi du débit turbine; ce qui permet à l’alternateur de produire des grandes quantités
d’électricité. Ces centrales sont très souvent présentent en montagne
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Une éolienne produit de l’électricité grâce au vent qui met en mouvement un rotor, permettant
sa transformation en énergie mécanique. La vitesse de rotation de l’arbre entraîné par le
mouvement des pales est accélérée par un multiplicateur. Cette énergie mécanique est
ensuite transmise à l’alternateur.
Un transformateur situé à l’intérieur du mât élève la tension du courant électrique produit par
l’alternateur, pour qu’il puisse être plus facilement transporté dans les lignes à moyenne
tension du réseau électrique.
Un parc éolien est constitué de plusieurs éoliennes espacées de plusieurs centaines de
mètres et connectées entre elles par un réseau interne souterrain et raccordées au réseau
public par l’intermédiaire d’un poste de livraison.
Pour pouvoir démarrer, une éolienne nécessite une vitesse de vent minimale d’environ 10 à
15 km/h. Pour des questions de sécurité, l’éolienne s’arrête automatiquement de fonctionner
lorsque le vent dépasse 90 km/h. La vitesse optimale est de 50 km/h.
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Bibliographie
https://fr.vikidia.org/wiki/Centrale_hydroélectrique
https://www.etudier.com/dissertations/Les-Différents-Types-De-Centrales-
Électriques/101703.html
https://www.energieplus-lesite.be/index.php?id=19643#c21009393+c21009383+c21009373
www.physagreg.fr/animations/animation-groupe-turboalternateur.swf
www.physagreg.fr/animations/animation-groupe-turboalternateur.swf
http://blog.seatronic.fr/fichespratiques/energie/production/alternateur/principe/#et-main-area
http://www.ifrance.com/alternateur-olym
http://.wikipedia.org/wiki/alternateur
E.Ech-chamikh, A. &. (2015). cours électricité 2 .
Y.MOREL. (s.d.). Flux magnétique et induction électromagnétique.
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