La gestion de l'énergie à bord d'un voilier est un pilier fondamental de l'autonomie en navigation. Parmi les équipements indispensables, l'alternateur occupe une place centrale. Comprendre son fonctionnement, ses déclinaisons techniques et les subtilités de son installation permet non seulement de fiabiliser son installation électrique, mais aussi d'optimiser la durée de vie de son parc de batteries.
Principes physiques et nature du courant électrique
Pour appréhender le rôle de l'alternateur, il est essentiel de distinguer les différents types de courants. Un « fluide » permet un transfert d’énergie transporté suivant des règles physiques proches des autres fluides (gaz, air, eau, huile, etc.).
Le courant continu est celui pour lequel le mouvement des électrons est toujours dans le même sens. La courbe de représentation graphique correspondante est la ligne droite. Il existe un pôle + et un pôle - qui sont permanents et définis une fois pour toute. On dit alors que ce courant est polarisé, donc le sens des branchements pourra être important pour le fonctionnement d’un appareil. C'est le courant utilisé pour charger les batteries.
Le courant alternatif est un courant pour lequel le sens des électrons change en permanence en s’inversant à une fréquence définie par le générateur, exprimée en Hertz. Il n’a pas de pôle + ni de pôle -, chaque pôle devient tour à tour + et -. Il est représenté géométriquement par une sinusoïde. Le sens des branchements ne sera jamais important, sauf pour certains appareils tournants tels que les moteurs en triphasé.
Le courant redressé est un « bâtard » entre l’alternatif et le continu. Le mouvement des électrons est bien toujours dans le même sens, mais ce mouvement est fait de pulsations. Sa représentation géométrique est constituée de tirets et c’est un courant polarisé ayant un pôle + et un pôle -. Il est obtenu en « filtrant » les parties du courant alternatif allant dans le bon sens et en éliminant les parties de sens contraire. Quand un circuit de courant redressé est raccordé à une batterie d’accumulateurs en parallèle, la tension obtenue devient continue, la batterie « emplissant les vides » du courant redressé.
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L'alternateur : au cœur de la production d'énergie
Une variation rapide de champs magnétique (aimant déplacé) convenablement placé à proximité d’une bobine de fil électrique provoque un courant électrique. Dans cet enroulement, le principe étant réversible, un courant électrique dans une bobine placée à proximité d’un champ magnétique provoque un déplacement de l’aimant.
L’alternateur est un appareil tournant entraîné produisant du courant alternatif. Il existe en marine sous la forme entraîné par un moteur thermique de propulsion ou de groupe électrogène avec une vitesse de rotation d’amorçage élevé, ou sous la forme entraîné par la ligne d’arbre, donc à faible régime de rotation. Nos alternateurs sont en fait des alternateurs produisant du courant alternatif, munis de système de redressement le transformant en courant redressé qui est celui débité par la sortie.
Pour faire un alternateur, il suffit d’avoir un arbre avec des bobinages faisant électro-aimant placés en couronne tout autour (le rotor) tournant dans une carcasse avec aussi des bobinages placés en couronne tout autour (le stator). Le rotor tourne dans le stator. Les alternateurs sont le plus souvent triphasés, ce qui veut dire qu’il existe 3 circuits de charge décalés et en parallèle. C’est pour ça que les ponts de diodes ont toujours 3 diodes, chacune traitant une phase.
En bout de rotor existe un plateau en matière isolante avec deux pistes raccordées aux bornes des bobines du rotor. Sur ces pistes viennent frotter deux balais en carbone qui assurent la liaison électrique des bobines du rotor avec le régulateur, permettant ainsi de faire varier le champ magnétique du rotor simplement en faisant varier le courant électrique qui l’alimente (l'excitation).
Maintenance et réparation simplifiée
L’alternateur étant une machine très simple, son entretien et ses réparations sont généralement simples et peu nombreux. Les composants principaux incluent les bobinages du stator, les roulements de portée du rotor, le support de balais ou le régulateur, et les plateaux porte-diodes.
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Il est toujours très facile de démonter un alternateur et de le remonter car aucun ressort ou autre pièce ne va sauter au visage et aucun outil spécial n’est nécessaire. Le démontage des quatre vis longues est suffisant. En cas de changement d'un porte-diodes, il suffit de tester les diodes au multimètre, de démonter le plateau défectueux et d'en remonter un autre. Un navigateur au long cours prévoyant devrait emporter en pièces de rechange des roulements, car ils grippent de temps en temps et leur coût est faible.
Critères de choix et puissance
Le meilleur alternateur est celui qui est monté sur votre moteur, car il a été choisi par le fabricant et il est déjà payé. Toutefois, pour le choix de la puissance, 75 à 90 A est courant à notre époque et suffisant pour la plupart des applications. Il est possible d'aller jusqu’à 150 A, sauf qu’il faut alors deux courroies, car les alternateurs requièrent différentes courroies selon leurs puissances (10 mm pour 70 A et 13 mm pour 100 A).
Il faut choisir entre un alternateur isolé de la masse, obligatoire sur les coques métalliques, et un alternateur non isolé. Il faut savoir qu’un alternateur marine est un alternateur normal dont les pièces ont été tropicalisées par enduction d’un vernis et les roulements sont théoriquement graissés à vie.
La régulation de charge : interne vs externe
La régulation de type à tension constante unique est le type habituel de régulation. L’alternateur charge très fort au début puis diminue très vite pour devenir très faible avant que la batterie soit bien chargée. On trouve ce type de régulation en standard en version interne.
À l’inverse, la régulation à 3 étapes, disponible sur les régulateurs séparés, permet de réduire environ 2 à 5 fois le temps de charge. Ce mode de régulation permet à l’alternateur de charger d’abord à courant constant, puis à tension élevée constante, jusqu’à ce que la batterie soit chargée, puis revient à une tension de maintien.
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Si les alternateurs à régulateur interne sont encore largement répandus, ils montrent vite leurs limites face aux besoins croissants en électricité des bateaux modernes. Les régulateurs externes modernes, comme ceux de Balmar ou Mastervolt, ajustent la tension et le courant en fonction du type de batterie et des conditions de température. Ils peuvent même communiquer directement avec les systèmes de gestion de batterie (BMS) pour les batteries lithium.
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