Excitation (machine électrique)

L'excitation d'une machine électrique est nécessaire pour générer un champ magnétique dans un noyaux de fer doux. Ce champ magnétique doit être tournant dans le stator pour une machine synchrone afin qu'il puisse induire un champ tournant dans le rotor.

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Génération du champ magnétique

Les électroaimants ont besoin d’un courant continu pour générer un champ magnétique[1].

Ce courant peut être fourni par différents systèmes qui peuvent être partagés en deux grands groupes : les systèmes statiques et les systèmes dynamiques.

Dans les systèmes statiques le courant est pris à la sortie de la machine (ou directement du réseau), rectifié par un pont de diodes de courant alternatif en un courant continu et transféré à travers un système de balais qui relie la source au circuit du rotor. Le système dynamique utilise une deuxième machine plus petite pour générer le courant nécessaire.

L’excitation est très importante dans la machine quand la machine travaille comme générateur parce que le système peut régler la quantité de puissance réactive cédée ou absorbée par le générateur. Dans le cas où la machine travaille comme moteur, le champ magnétique doit être constant et son réglage n’est pas nécessaire.

Systèmes statiques
Système d'excitation statique

Toutes les machines, de basse et moyenne puissance, utilisent ce type d’excitation parce qu’il est moins cher que l’autre car il n’utilise aucune machine additionnelle.

La source de courant continu est constituée par un transformateur branché à la sortie du générateur, un redresseur qui convertit le courant alternatif en courant continu et un système de balais et collecteurs tournants qui transmettent le courant de la source à la bobine du rotor. Le contrôle de la tension s’effectue dans le pont de diodes qui peut régler l’amplitude de la tension de sortie.

Le démarrage de la machine peut être un problème car au début la machine ne génère pas d’électricité et donc la bobine du rotor ne peut pas avoir de courant pour créer le champ magnétique nécessaire dans la conversion électromécanique. Parfois le champ rémanent (le champ dû à la saturation du noyau qui reste même s’il n’y a pas de courant circulant dans la bobine) est nécessaire pour commencer à créer électricité mais s’il n’est pas suffisant, il faut ajouter un système auxiliaire qui travaille pendant le démarrage de la machine.

Un autre problème peut être la possibilité d’un court-circuit. Si l’inducteur (l’excitation) est branché au réseau sans interrupteur de groupe (interrupteur pour protéger un groupe de composants, dans ce cas-ci le transformateur, le pont de diodes et la bobine du rotor) et s’il arrive un court-circuit, le courant d’excitation tombe à zéro et les protections n’agissent pas. Une solution possible est d'implanter en parallèle une deuxième source de courant isolée du réseau.

Systèmes dynamiques

Les systèmes dynamiques utilisent au moins une deuxième machine plus petite que la machine principale pour générer le courant d’excitation. La machine secondaire est normalement fixée au même arbre que la machine principale pour profiter de la puissance mécanique de la turbine. Il y a différents types d’excitation selon que la machine est à courant continu ou à courant alternatif.

Systèmes avec machine à courant continu

Le système d’excitation avec la machine à courant continu est le premier système installé dans des groupes hydroélectriques (groupes qui tournent à basse vitesse). La machine à courant continu de haute puissance est de moins en moins utilisée à cause de l’amélioration des machines à courant alternatif et de l’électronique de puissance.

L’avantage d’utiliser la machine à courant continu est qu’on n’a pas besoin de redresseur et qu’on réduit les pertes d’énergie correspondantes. La machine peut avoir un système d’auto-excitation (dévidage inducteur branché au dévidage induit) ou un système indépendant fourni par une troisième machine plus petite que la dernière. Dans ce dernier cas la première machine s’appelle excitatrice principale, et la deuxième excitatrice auxiliaire. Tous les cas de machine à courant continu ont besoin d’un système de balais pour brancher l’excitatrice au rotor.

Systèmes avec machine à courant alternatif

Le système d’excitation avec la machine à courant alternatif utilise une deuxième (parfois aussi une troisième) machine synchrone plus petite que la machine principale. Comme il génère un courant alternatif, il faut un redresseur entre l’excitatrice et la machine principale. Selon que le redresseur est statique ou tournant il y a deux systèmes différents, mais le contrôle de la tension est toujours fait par le redresseur principal.

Redresseur statique

L’excitatrice génère un système d’excitation triphasé dans le stator qui est rectifié et fourni au rotor à travers un système de balais. Le rotor de la machine auxiliaire peut être fourni grâce à un transformateur et un redresseur qui prennent le courant de la sortie de la machine principale. Ce système est une solution au problème de court-circuit du système statique où les protections peuvent agir parce que l’excitation est isolée.

Excitatrice à diodes tournantes
Représentation d'une machine brushless. La partie en mouvement est dessinée par points

L’excitatrice à diodes tournantes est aussi connue comme excitatrice brushless (sans balais) et c’est le système le plus sophistiqué qui a pour but d’enlever les balais car ils forment partie du groupe la plus instable et qui a besoin de plus de maintenance. C’est possible parce que la machine secondaire est fabriquée à l’inverse, c’est-à-dire que l’inducteur (la partie qui génère le champ magnétique) se situe au stator et l’induit (la partie où on génère le courant) au rotor.

La partie en mouvement est constituée par le rotor de la machine principale, les diodes (le redresseur) et le rotor de la machine secondaire. De l’autre côté, l’inducteur de la machine secondaire peut être fourni par un transformateur et un redresseur depuis la sortie de la machine principale ou par une troisième machine synchrone à aimants permanents qui génère un système triphasé équilibrée redressé avant l’inducteur de la deuxième machine.

Notes références
  1. Conversion de l’énergie électrique, techniques-ingenieur.fr, consulté le 14 octobre 2020

Annexes

Bibliographie
  • Ángel M. Alonso, Francisco Blázquez, Jaime Rodríguez et Carlos Veganzones Carlos, Máquinas síncronas y máquinas de corriente conitinua, 1re édition, Madrid: Publicaciones E.T.S.I.I, 2015.
  • Janusz W. Bilake, James R. Bumby et Jan Machowski, Power System Dynamics: Stability and Control, 2e édition, Chichester, John Wiley and Sons Ltd, 2008.

Liens externes
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