Question 1 - Lycée Don Bosco Marseille

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1. DESCRIPTION
L’appareil le plus courant pour produire du courant alternatif monophasé est :
l’alternateur. Ce dernier fait partie des machines synchrones.
Cet appareil transforme de l’énergie mécanique en énergie électrique. Il est donc
nécessaire de le coupler soit à :
Un moteur à combustion (essence ou diesel).
Une turbine.
Une éolienne.
Mais nous savons que pour obtenir une tension aux bornes d’un bobinage il faut que celui-
ci soit soumis en plus d’une rotation (d’un mouvement) à un champ magnétique.
Un alternateur est donc constitué :
D’un rotor qui joue le rôle de l’inducteur. Il est donc bobiné et alimenté en courant
continu afin de produire un champ magnétique.
D’un stator qui joue le rôle de l’induit. Il est lui aussi bobiné et, sous l’action du champ
magnétique associé à la rotation, il va être porteur de la force électromotrice induite.
Pour obtenir le champ magnétique du rotor il existe deux solutions :
L’alternateur autoexcité : le courant alternatif qui sort de l’induit est récupéré en
partie pour alimentée l’inducteur après être passé par un dispositif de redressement
(pont de diodes).

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L’alternateur avec excitation externe : la source d’alimentation continue est
indépendante et séparée du courant produit par l’induit de l’alternateur.
2. FORCE ELECTROMOTRICE D’UN ALTERNATEUR
La force électromotrice (f.é.m.) est exprimée par la relation suivante :
E = 2,22 N f
Avec E : valeur efficace de la force électromotrice en Volt (V)
2,22 : coefficient de Kapp correspondant aux imperfections de la machine.
N : nombre de conducteurs du stator.
f : fréquence de la f.é.m. en Hertz (Hz).
: flux magnétique maximum dans une spire en Weber (Wb).
Transformation :
N = E (2,22 n ) f = E (2,22 N ) = E (2,22 N f)
3. FREQUENCE ET VITESSE
Nous savons que l’inducteur tourne au milieu de l’induit.
Le flux maximum qui correspond à l’alignement du vecteur champ magnétique avec
l’axe du solénoïde « induit », va donc traverser le bobinage de l’induit à chaque fois
que l’induit fait un tour.
La forme du signal de la force électromotrice va être un signal sinusoïdal dont la
fréquence est directement liée à la vitesse.
Pour une vitesse donnée si on veut obtenir une fréquence supérieure, il suffit d’augmenter
le nombre de solénoïdes traversés par le flux magnétique.
f = p n
Avec f : fréquence de la force électromotrice en Hertz (Hz).
p : nombre de paires de pôles.
n : vitesse ou fréquence de rotation en tours par seconde (tr.s-1).

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Transformation :
p = f n n = f p
Remarque : on peut donc exprimer la force électromotrice en fonction de la vitesse de
rotation : E = 2,22 N p n
4. VITESSE ET VITESSE ANGULAIRE
La vitesse ou fréquence de rotation s’exprime généralement en tours par minute
(tr.min-1) mais dans les formules il faut la convertir en tours par seconde (tr.s-1) en
divisant la valeur par 60.
L’autre manière d’exprimer la vitesse est la vitesse angulaire :
= 2 n
Avec : vitesse de rotation angulaire en radian par seconde (rad.s-1).
n : vitesse ou fréquence de rotation en tours par seconde (tr.s-1).
Transformation :
n = (2 )
5. VARIATION DE LA FORCE ELECTROMOTRICE
Pour un même courant d’excitation (Ie = constante), la force électromotrice fournit par le
stator est proportionnelle à la vitesse de rotation.
E1 E2 = n1 n2
6. EXERCICES
Exercice 1 : L’alternateur d’un camion fonctionne sous un régime constant et tourne à
3000 tr.min-1. Sachant que le flux imposé par l’inducteur sur un enroulement est de 0,2
Wb et que le nombre de conducteurs est de 12, calculer la force électromotrice induite.
f = p n = 1 (3000 60) = 50 Hz
E = 2,22 N f = 2,22 12 50 0,2 = 266 V
Exercice 2 : Le nombre de pôles d’un alternateur est de 4 et sa vitesse de rotation est de
3000 tr.min-1. Calculer sa fréquence et sa vitesse angulaire.
p = 2
f = p n = 2 (3000 60) = 100 Hz
= 2 n = 2 50 = 314 rad.s-1

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Exercice 3 : L’alternateur bipolaire d’une voiture fournit 12 V en pleine charge pour une
vitesse de 6000 tr.min-1. Calculer le flux magnétique créé sachant que le stator est
constitué de 20 conducteurs. Que devient la tension si la vitesse passe à 6400 tr.min-1.
p = 1
E = 12 V
n = 6000 tr.min-1 = 100 tr.s-1
N = 20
f = p n = 1 100 = 100 Hz
= E (2,22 N f) = 12 (2,22 20 100) = 2,7 mWb.
E1 E2 = n1 n2 d’où E2 = n2 E1 n1 = 6400 12 6000 = 12,8 V
C1 C2 C3