Alternateur

ALTERNATEUR
Fonctionnement &Exploitation
TABLE DES MATIERES
PREMIERE PARTIE…………………………………………………………….. 04
I- GENERALITES :……………………………………………………………… 04
II- ALTERNATEUR MONOPHASE……………………………………………. 08
1- Angle électrique et coefficient de bobinage ………………………………….
1-1- Angle électrique ………………………………………………………………
1-2- Coefficient de bobinage………………………………………………………
2- Calcul de la f.e.m d’un alternateur …………………………………………..
3- Alternateur en charge réaction d’induit ………………………………………
3-1- Charge ohmique………………………………………………………………
3-2- Charge inductive………………………………………………………………
3-3- Charge capacitive…………………………………………………………….
08
08
11
12
15
15
18
19
III- REGLAGE EN CHARGE D’UN ALTERNATEUR ……………………..
1- Diagramme de fonctionnement ………………………………………………..
1-1- Paramètre influents…………………………………………………………..
1-2- Diagrammes……………………………………………………………………
2- Conclusion …………………………………………………………………….
20
22
22
23
24
DEUXIEME PARTIE : EXPLOITATION………………………………………
I- ALTERNATEUR TRIPHASE …………………………………………………
1- Généralités……………………………………………………………………...
2- Alternateur triphasé à plusieurs paires de pôles………………………………..
3- Puissances électriques…………………………………………………………..
4- Fonctionnement en charge d’un alternateur……………………………………
4-1- Débit sur un ou plusieurs récepteurs isolés…………………………………
4-2- Débit sur un réseau puissant comportant d’autres générateurs………….
25
25
25
26
28
29
29
30
II- EXCITATION DE L’ALTERNATEUR …………………………………….
1- Généralités……………………………………………………………………...
2- Différents modes d’excitation………………………………………………….
2-1- Excitation shunt (ou parallèle)……………………………………………..
2-2- Excitation séparée …………………………………………………….
2-3- Excitation indépendante……………………………………………………...
2-4- Excitation statique…………………………………………………………….
2-5- Excitation série………………………………………………………………..
32
32
33
33
34
35
37
39
3
III- COUPLAGE DES ALTERNATEURS SUR LE RESEAU :………………
1- La valeur efficace des tensions alternateur et réseau doit être la même………..
2- La fréquence et la période des tensions alternateur et réseau devront être les
mêmes …………………………………………………………………………
3- Les tensions de l’alternateur et du réseau doivent être en phase ………………
3-1- Expérience 1(comportement des lampes de phase)………………………
3-2- Expérience 2 …………………………………………………………………..
4- L’ordre de succession des phases des tensions alternateur et réseau doivent
être les mêmes …………………………………………………………………
5- Appareils nécessaires pour effectuer le couplage d’un alternateur sur réseau…
6- Opérations de couplage et mise en charge de l’alternateur…………………….
6-1- Opérations de couplage ……………………………………………………..
6-2- Mise en charge d’un alternateur couplé à un réseau…………………….
41
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47
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49
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53
53
54
IV- DIAGRAMME DE MARCHE D’UN ALTERNATEUR………………… 54
1- Diagramme de marche………………………………………………………… 54
2- Diagramme des puissances ……………………………………………………. 57
V- PERTES DANS LES TURBOALTERNATEURS…………………………..
1- Différentes pertes de l’alternateur……………………………………………...
1-1- Pertes Joule……………………………………………………………………
1-2- Les pertes Joule supplémentaires…………………………………………..
1-3- Les pertes par courant de Foucault………………………………………...
1-4- Pertes par hystérésis………………………………………………………….
1-5- Pertes par ventilation de l’alternateur……………………………………..
1-6- Pertes par frottement…………………………………………………………
1-7- Pertes supplémentaires………………………………………………………
2- Importance des pertes dans un alternateur de 125 MW……………………….
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58
58
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59
60
60
60
60
61
VI- REGULATION DE LA PUISSANCE ET DE LA FREQUENCE……….
1- Fonctionnement des réseaux……………………………………………….......
1-1- Equilibre entre la production et la consommation……………………….
1-2- Moyens de compensation de l’énergie réactive…………………………..
2- Domaine de fonctionnement de l’alternateur………………………………….
2-1- Puissances et couples synchronisants………………………………….
2-2- Fonctionnement en alternateur…………………………………………
2-3- Modifications des puissances…………………………………………..
2-4- Couple synchronisant- stabilité………………………………………...
2-5- Limite de fonctionnement d’un alternateur…………………………….
3- Système de régulation et de la commande………………………………………
3-1- Rôle de la régulation et de la commande………………………………….
3-2- Principe de fonctionnement d’un régulateur de vitesse………………..
3-3- Comportement des groupes couplés en parallèle………………………...
4- Réglage de la vitesse du turboalternateur……………………………………..
4-1- Régulateur de vitesse mécanique…………………………………………..
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76
4
4-2- Régulateur de vitesse hydraulique…………………………………………
5- Réglage de la tension …………………………………………………………
5-1- Le régulateur de tension…………………………………………………….
5-2- Réglage de la tension…………………………………………………………
5-3- Schéma type d’un circuit d’excitation composante……………………….
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80
80
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90
VII- LES DIFFERENTS ESSAIS DES ALTERNATEURS……………..
1- Essais en cours de montage……………………………………………………. 90
2- Essais de réception et essais spéciaux…………………………………………. 90
VIII- INCIDENTS TYPIQUES ALTERNATEUR……………………………...
91
5
PREMIERE PARTIE
I- GENERALITES :
L’alternateur est une machine tournante dont le rôle est la transformation de
l’énergie mécanique en énergie électrique.
L’alternateur est une machine « Génératrice de courant alternatif »
Les alternateurs peuvent être :
• Polyphasés
• Monophasés
On distingue parmi les alternateurs :
• Les alternateurs Basse Tension (220-380 V) utilisés principalement pour
groupes de secours
• Les alternateurs Haute tension dont les valeurs des tensions sont fonction
des puissances, utilisés dans les centrales électrique.
Exemple :
5,65 KV pour les puissances inférieures à 40 MW
10,3 KV pour les puissances de 40 MW à 80 MW
15,5 KV pour les puissances de 80MW à 125 MW
20 KV est la tension généralement adoptée pour les groupes de 250 MW-600 MW
et plus
- Les alternateurs de centrales hydrauliques entraînés par des turbines hydrauliques,
se caractérisent par l’appellation « d’alternateurs à pôles saillants »
- Les alternateurs des centrales thermiques entraînés par des turbines à vapeur ou à
gaz, se caractérisent par l’appellation : « d’alternateurs à pôles lisses ».
(turboalternateurs).
On peut aussi distinguer :
- Des alternateurs à axe horizontal
- Des alternateurs à axe vertical
Des alternateurs couplés à des turbines à vapeur, à gaz, diesel sont toujours à
axe horizontal.
Ceux qui sont couplés à des turbines hydrauliques peuvent être à axe horizontal
ou à axe vertical suivant les hauteurs des chutes d’eau.
6
La vitesse de rotation de ces alternateurs n’est pas choisie arbitrairement, elle
est imposée par la turbine qui entraîne l’alternateur. Pour les turbines à vapeur et à
gaz il faut les faire tourner le plus possible. Pour les turbines hydrauliques la vitesse
choisie est fonction de la hauteur de la chute et de la hauteur de la turbine, elle est
donc variable.
La vitesse de rotation est également fonction de la fréquence :
60 xF ( Hz )
P ( paires de pôles )
N (tr / mn) =
Le nombre de paires de pôles est toujours un nombre entier pair, la vitesse de
rotation est parfaitement définie et devra être pour :
Fréquence
50 Hz
60 Hz
3000 tr/mn
3600 tr/mn
Avec 1 paire de pôles
1500 tr/mn
1800 tr/mn
Avec 2 paires de pôles
1000 tr/mn
1200 tr/mn
Avec 3 paires de pôles
750 tr/mn
900 tr/mn
Avec 4 paires de pôles
………..
……………
…………………
75 tr/mn
90 tr/mn
Avec 40 paires de pôles
Les alternateurs de la production thermique ont une vitesse de rotation de 3000
tr/mn.
Pour ceux de la production thermique nucléaire, puissance unitaire supérieure à
660 MVA, elle sera de 1500 tr/mn.
• Constitution de l’alternateur :
L’alternateur se compose des éléments suivants :
-
Le rotor
Le stator
Les enroulements du stator
La carcasse
Le système d’excitation
Les systèmes auxiliaires
Le rotor (ou inducteur)
Le rotor est constitué d’un arbre en acier massif de haute caractéristique
mécanique (limite élastique élevée) et éventuellement d’empilage de tôles, dans
lequel sont logés les enroulements toriques alimentés en courant continu.
7
Des amortisseurs LEBLANC (barres de cuivre en court -circuit) sont logés
dans des encoches, tout autour du rotor. Le refroidissement est assuré par une
circulation d’un fluide (air, H2, eau).
Rotor à pôles lisses :
La vitesse des turbines à vapeur et des turbines à gaz est généralement grande
3000 tours par minute, le nombre de pôles est généralement 2. La grande vitesse
exige une économie d’espace, mais la force centrifuge intense exige que les pièces
polaires fassent partie intégrante du rotor. En effet, les conducteurs des enroulements
polaires sont solidement fixés dans des encoches taillées dans la masse même du
rotor, d’où le nom de rotor à pôles lisses.
Rotor à pôles saillants :
La vitesse des turbines hydrauliques étant faible, le nombre de pôles doit être
grand. Ce nombre de pôles exige beaucoup d’espace, mais par contre, les problèmes
de force centrifuge, en ce qui concerne la fixation des pièces polaires, sont éliminés.
Les pièces polaires individuelles que l’on fixe autour d’un noyau constituent ce que
l’on appelle le rotor à pôles saillants. Ces pièces polaires sont constituées d’un noyau
et d’un enroulement dans lequel circule le courant d’excitation.
Le stator (ou induit) :
Le stator est composé d’un empilage de plusieurs milliers de tôles magnétiques
spéciales, isolées entre elles et ayant une forme d’une couronne.
Les enroulements du stator :
Le champ magnétique tournant des alternateurs de grande puissance est établi
par la circulation d’un courant dans les enroulements des pièces polaires.
La densité du champ magnétique étant un des facteurs déterminants de la
valeur de la tension induite et sur lequel on peut agir, on s’en servira pour faire varier
la tension aux bornes de l’alternateur.
L’enroulement statique est généralement logé dans des encoches pratiquées
dans le stator. Ces encoches contiennent des barres composées d’un ensemble de
brins en cuivre transposés suivant le procédé Reubel(voir figure ci-après).
Les tensions de sortie comprises entre quelques KV et 20 KV conduisent à
prendre des précautions concernant l’isolation de l’enroulement stator.
Le niveau des puissances élevées de certaines machines entraîne des contraintes liées
aux efforts électrodynamiques.
Le système d’excitation et de régulation de tension :
Le courant continu exigé pour les électro-aimants ou pôles, provient
ordinairement de générateurs à courant continu, en passant par deux bagues
8
collectrices montées sur l’arbre de l’alternateur. Le circuit destiné à fournir ce courant
continu se nomme circuit d’excitation, et la tension employée est habituellement de
l’ordre de 200 à 500 volts cc.
Le système d’excitation permet d’alimenter le rotor en courant continu
d’excitation. Le contrôle de ce courant permet de réguler la tension de sortie de la
machine.
Les systèmes auxiliaires :
Ils assurent le bon fonctionnement de l’alternateur.
Sur les très grosses machines on trouve :
- Un système de réfrigération hydrogène : il assure le refroidissement de
l’hydrogène sous pression, indispensable à la réfrigération du rotor et du stator.
- Un système d’huile d’étanchéité : il a comme fonction d’assurer l’étanchéité
indispensable de la carcasse alternateur au niveau des liaisons entre les parties
fixes (carcasse) et la partie tournante (rotor). Cette étanchéité est indispensable du
fait de l’hydrogène sous pression.
- Un système de refroidissement eau stator : il permet l’évacuation des pertes des
barres stator par circulation d’eau directement dans le conducteur.
Sur les machines hydraulique et les petites machines en général, le
refroidissement est assuré par de l’air.
• Principe de fonctionnement :
Lorsque le rotor est excité par un courant continu, il produit un champ
tournant, qu’il entraîne avec lui. Ce champ tournant engendre une force
électromotrice dans chacune des phases de l’enroulement stator (phénomène
d’induction).
Si les phases sont connectées sur une charge (réseau), il apparaît des courants
triphasés dans les conducteurs des barres du stator.
L’ensemble de ces courants du stator produit un champ tournant dans le même
sens et à la même vitesse que le rotor (machine synchrone). Le champ tournant induit
( stator) se compose avec le champ de l’inducteur (rotor) et donne naissance à une
force électromotrice en charge.
Cette force électromotrice est décalée d’un angle (dit angle interne) par rapport à la
force électromotrice qui serait engendrée à vide par le courant inducteur seul.
L’alternateur des centrales nucléaire ou thermique classique est une machine
électrique tournant à une vitesse de synchronisme élevée : 3000 tr/min pour p =2 ou
1500 tr/min pour p = 4 pour une fréquence réseau de 50 Hz
9
II- ALTERNATEUR MONOPHASE
Si on fait tourner un aimant permanent devant
une bobine. Aux bornes de celle-ci apparaît une
f.e.m induite. Nous savons déjà que toute bobine
soumise à une variation de flux est le siège d’une
f.e.m induite( loi de FARADAY).
dφ
dt
N dφ
e = −
dt
mV
Pour une spire e = −
Pour N spires
N
S
Un tour complet de l’aimant correspond à une période de f.e.m induite.
L’aimant et la
alternateur élémentaire ;
bobine
constituent
un
- La bobine est l’induit (stator)
- L’aimant est l’inducteur (rotor)
Pratiquement afin d’obtenir un flux plus important, l’aimant permanant doit
être remplacé par deux bobines alimentées en courant continu.
L’inducteur a un nombre de paire des pôles défini, dont dépend la fréquence.
Donc la f.e.m induite (fHz) est :
- Proportionnelle à la fréquence de rotation en tours par seconde (ntr/s)
- Proportionnelle au nombre de paire de pôles (P)
fHz = ntr/s . P
1- Angle électrique et coefficient de bobinage :
1-1- Angle électrique :
L’induit d’un alternateur comporte toujours plusieurs bobines qui peuvent être
associées en série ou en parallèle. Ces bobines sont donc obligatoirement décalées
dans l’espace.
Les bobines étant décalées dans l’espace d’un angle α sont le siège de f.e.m
déphasées d’entre elles d’un angle θ (appelé angle électrique)
10
Exemple :
Soient deux inducteurs dans un stator avec deux bobines décalées de 90°
1er cas l’inducteur à une paire de pôles
2ème cas l’inducteur à 2 paires de pôles
1er cas :
α =90°
E1
E2
N
S
Il faut que l’inducteur parcoure 360° pour engendrer une période ; donc
90° correspond à :
α=
90° 1
= de période
360° 4
Soit vectoriellement φ = 90°
φ = 90° x 1 = 90°
11
+E
E2
t
E1
Φ=90°
E2
t
360°
2ème cas
N
S
S
N
Il faut que l’inducteur parcoure 180° pour engendrer une période ; donc
90° correspond à :
α=
90° 1
= de période
180° 2
Soit vectoriellement φ = 180°
φ = 90° x 1 = 180°
12
E2
+E
E1
180°
E1
E2
t
180°
Conclusion :
Φ=α.P
L’angle électrique dépend de l’importance du
décalage des bobines dans l’espace (angle α) ainsi que du
nombre de paires de pôles de l’inducteur.
1-2- Coefficient de bobinage :
Le coefficient de bobinage et coefficient qui tient compte de l’angle électrique lors du
calcul de la f.e.m d’un alternateur.
Exemple :
• Induit à 8 bobines en série –parallèle
• Inducteur à 1 paire de poles
13
Supposons que chaque bobine produise une f.e.m de 100V
Ce couplage comprend 2 groupes de bobines en série, les 2 groupes étant
branchés en parallèle.
Graphiquement : Et = 260V
Si les f.e.m étaient en phase, Et
serait égale à :
100 x 4 = 400V
En tenant compte de l’angle
électrique
Et = 100x4x K = 260V d’où
K=
260
= 0,65
100.4
« 0,65 est le coefficient de bobinage »
2- Calcul de la f.e.m d’un alternateur :
L’expression fondamentale de la f.e.m induite est donnée par l’expression :
E =
∆φ
.N
∆t
Il est préférable de donner un caractère plus pratique à cette expression en
considérant les facteurs déterminants de E.
14
La variation de flux (∆Ф)
∆Ф = Фmax - Фmini
Фmax
Фmini =0
V
V
N
S
S
N
E1
45°
E4
E2
E2
E3
E3
Et
E4
Quel que soit le nombre de pôle de l’inducteur, le flux dans l’induit varie de
Фmax à 0
Donc : ∆Ф = Фmax
Фmax étant le flux produit par 1 pôle de l’inducteur
Durée de la variation (∆t):
15
+Ф
Pour le calcul de E moyen, ∆t =
t
1
4
exprimons ∆t en fonction de n et P (n :
vitesse ; P nbre de paires de pôles)
∆t
La valeur d’une période de la f.e.m est égale :
T
s
=
1
f
;
or fHz = nt/s x P
Hz
Donc T s =
1
nt / s x P
Comme chaque période comprend 4 variations :
∆t =
1
4 x nt/s xP
Nombre de spires (N) :
Dans l’expression fondamentale E, N représente le nombre de spires. Pour un
alternateur il est plus pratique le nombre de conducteurs actifs.
Or une spire comprend 2 conducteurs actifs.
Donc N spires =
N conducteur s
2
En remplaçant dans la formule initiale
∆Ф, ∆t et N par leur valeur, nous obtenons :
16
Emoy = φ max . 4 . n . P .
N cond
2
Comme Eeff = 1,11 Emoy
Eeff = 2,22 . φ max . n . N cond .P
Ev = K . Фwb . nt/s . N x.P
Le coefficient de Kapp, comprend en plus des facteurs déjà considérés, le
coefficient de bobinage.
Mais le coefficient de bobinage est étant près de l’unité, le coefficient de Kapp
se situe généralement aux environs de 2,2
3- Alternateur en charge réaction d’induit :
L’alternateur ne peut fournir une énergie électrique, que dans la mesure où il
reçoit de l’énergie électrique. En effet, quand l’induit est le siège d’un courant, il
s’oppose par son action électromagnétique à la rotation de l’inducteur (loi de Lenz)
3-1- Charge ohmique
Dans ce ca I est pratiquement en phase avec E
+Ф+E
+E
Ф
E
R
t
N
S
Nous savons que E est déphasée de ¼ de période en arrière du flux inducteur.
17
+Ф
+E
Ф inducteur
E
Ф induit
t
Le flux engendré par l’induit est en phase avec I, donc avec E
18
Ф inducteur
Ф inducteur
0
R
N
N
R
0
R
S
N
S
Ф inducteur est max
Charge
3-2Ф induit
est nulinductive :
N
S
Ф inducteur diminue
Ф induit est dans le même
sens
Ф inducteur augmente
Ф induit diminue
En considérant
les polarités
en présence,
nous constatons
que le flux
induit de
Dans
ce cas l’intensité
est pratiquement
déphasée
de ¼ de période
en arrière
. s’oppose à la rotation de l’indicateur.
Il faut donc augmenter le couple moteur pour maintenir la vitesse constante
La réaction d’induit est dite alors transversale
(opposition à la rotation)
3-2-Charge inductive
Dans ce cas l’intensité est déphasée de ¼ de période en arrière de E.
Le flux induit, en phase avec l’intensité est donc en opposition avec le flux
inducteur.
Dans ce cas la réaction d’induit est dite « longitudinale soustractive ».
Elle a pour conséquence, la diminution du flux résultant sans opposition à
la rotation de l’inducteur
20
3-3- Charge capacitive
Dans ce cas l’intensité est pratiquement déphasée de ¼ de période en avant par
rapport à E
Le flux induit, en phase avec l’intensité, se trouve donc également en phase
avec le flux inducteur.
Dans ce cas la réaction d’induit est dite « longitudinale additive ».
Elle a pour conséquence, l’augmentation du flux résultant sans opposition à
la rotation de l’inducteur
21
4- Diagramme réel des flux :
Quand un alternateur fonctionne en charge 3 flux sont à considérer :
- Le flux produit par l’inducteur (ФJ)
- Le flux produit par courant traversant l’induit (ФI)
- Le flux résultant (ФR)
ФR = ФJ + ФI
ФI
ФR
Фj
Ech
ФI
I
Remarque :
Ech : représente la f.e.m en charge due aux flux inducteur et induit
Lorsque l’alternateur est à vide ФI= 0, E ne dépend plus de ФR. Comme ФJ est
différent de ФR (l’action magnétisante ou démagnétisante de ФI), E à vide est donc
différente de E en charge.
La différence entre E à vide et E en charge représente la chute de tension due à
la réaction magnétique de l’induit.
III- REGLAGE EN CHARGE D’UN ALTERNATEUR :
Conséquences d’une augmentation de puissance active débitée par l’alternateur :
a) Sur la fréquence :
Quand la charge d’un alternateur augmente, sa vitesse diminue.
Sachant que
f
=
n
.P
22
Si la vitesse diminue, la fréquence diminue dans les mêmes propositions
b) Sur la tension :
La diminution de la tension est causée par 3 paramètres :
- La vitesse
E
=
- La chute de tension
K.Ф.N
U
=
n
E-
.P
ZI
- La réactance d’induit qui diminue le flux inducteur
E
= K.
Ф
N.n.P
Comment doit-on tenir la tension et fréquence constantes ?
23
Pour maintenir la fréquence et la tension constante deux opérations simultanées
sont nécessaires :
- Augmentation de la vitesse par action sur la turbine.
f
=
n
.P
- Augmentation de l’intensité d’excitation par action sur le rhéostat de champ de
l’excitatrice.
E
= K.
Ф
N.n.P
Pratiquement ces 2 opérations peuvent être réalisées par l’intermédiaire d’un
régulateur de tension
1- Diagramme de fonctionnement :
1-1- Paramètres influents
24
Capacitif (cosφ = 0,7)
Ech
lωI
α
φ
- I déphasé en avant par rapport à Ech (α)
RI
DEUXIEME PARTIE : EXPLOITATION
I-
ALTERNATEUR TRIPHASE
1- Généralités :
On obtient avec un alternateur des courants triphasés par 3 bobines identiques,
décalées dans l’espace de 120°, produisant 3 f.e.m, de même valeur, de même
fréquence, mais déphasées entre elles de 1/3 période.
V3
V1
V2
27
Afin de mieux utiliser le stator, il est possible, comme dans le cas précédent, de
doubler le nombre de bobines.
Remarque :
L’induit d’un alternateur triphasé comprend généralement autant de bobines
par phase qu’il y a de paires de pôles (exception faite pour l’alternateur à 1 paire de
pôles).
Les bobines d’une même phase peuvent être associées en série ou en parallèle.
Les enroulements des phases peuvent être couplées en ∆ ou en //.
29
3- Puissances électriques :
Expression de la puissance efficace en monophasé
Par définition, on appelle :
- Puissance active, le produit P = U . I. cos φ exprimée en Watts (W)
- Puissance réactive, le produit Q = U . I sin φ exprimée en volt ampère réactif
(VAR)
- Puissance apparente, le produit S = U . I exprimée en volt ampère (VA)
Dans ces formules, les grandeurs U et I sont les valeurs de la tension et de
l’intensité, (c’est la valeur lue dans un instrument de mesure).
φ est l’angle de déphasage entre les vecteurs tension et intensité
I cos φ
U
φ
I sin φ
I
La puissance active est la puissance utile qui est transformée par les récepteurs
sous forme mécanique, calorifique, lumineuse.
La puissance réactive ne fournit pas de travail. On peut l’assimiler à une
circulation élastique des électrons dont l’énergie passe constamment de la forme
potentielle à la forme cinétique et inversement à chaque période, ce qui se produit aux
bornes d’un condensateur ou une bobine.
La puissance réactive est cependant mesurable, la connaissance de sa valeur est
importante pour l’exploitation car des récepteurs consommant trop de puissance
réactive demandent une intensité plus élevée et occasionnent donc plus de pertes dans
lignes de transport et les générateurs.
La puissance apparente est simplement un produit arithmétique qui est utile au
calcul de dimensionnement des machines. Elle caractérise en général la capacité
nominale d’un appareil ou d’une machine.
Le cos φ est appelé facteur de puissance, c’est le facteur par lequel il faut
multiplier la puissance apparente consommé par un récepteur pour obtenir la
puissance active qu’il est capable de transformer.
30
Expression de la puissance efficace en triphasé :
La production et l’utilisation des grosses puissances électriques s’effectue
toujours sous la forme triphasé qui comporte plusieurs avantages, en particulier sur
l’économie en construction des machines et l’intérêt de dispose de champ
magnétiques tournants pour les moteurs.
Le bobinage stator des alternateurs comprend pour cela trois enroulements
distincts décalés de 120° électriques, qui sont connectés généralement en étoile.
- Puissance active : P = 3 . V . I . cos φ ou P = √3 .U .I . sin φ
- Puissance réactive Q = √3 .U .I . sin φ
- Puissance apparente : S = √3 .U .I
4- Fonctionnement en charge d’un alternateur :
L’expression de la puissance d’un alternateur comporte les termes principaux
U et I, mais en exploitation industrielle la fourniture d’énergie est réalisée autant que
possible à tension constante. Il faut donc retenir que pour un cos φ donné, la valeur de
l’intensité seule suffit à représenter l’état de charge de la machine.
4-1- Débit sur un ou plusieurs récepteurs isolés :
Dans ce cas de fonctionnement (dit marche ilotée)
• Le générateur règle la fréquence et la tension.
• Le récepteur impose la puissance et le déphasage, donc l’intensité
Récepteur
Générateur
F
U
I
φ
- Quand le récepteur demande un accroissement de courant actif I. cos φ, donc la
puissance mécanique, la vitesse baisse, le régulateur de la turbine réagit en
augmentant l’arrivée du combustible de façon à maintenir la vitesse à la valeur de
consigne.
- Si le récepteur demande un accroissement de déphasage φ, donc de la puissance
réactive, la tension baise, le régulateur de l’alternateur réagit en augmentant
l’excitation de façon à maintenir la tension à la valeur de consigne.
31
Pour des raisons de stabilités de marche, le régulateur ne ramène pas la tension
exactement à la même valeur.
Un dispositif incorporé impose une loi de décroissance de la tension en
fonction de la puissance réactive débitée suivant la courbe ci- après.
Cette caractéristique est appelée « statisme en réactif du régulateur ».
Le régulateur de la turbine possède un système analogue de statisme de
vitesse en fonction de la puissance active, qui est mis hors service en marche
isochrone.
U
U0
P1
U1
0
Q1
Q
4-2- Débit sur un réseau puissant comportant d’autres générateurs :
Dans ce cas de fonctionnement (marche synchrone), les rôles sont inversés :
- Le régulateur règle l’intensité et le déphasage
- Le réseau impose la fréquence et la tension
Réseau
Générateur
I
φ
f
U
32
- La puissance active fournie par le groupe est réglée à la valeur désirée en agissant
sur le commutateur ± V de consigne de vitesse.
- La puissance réactive fournie par le groupe est réglée à la valeur désirée en
agissant sur le commutateur ± U de consigne de tension.
Le couplage de la machine au réseau s’effectue nécessairement à la tension
U0 égale à celle du réseau
Si on augmente la tension de consigne de U0 à U1, la caractéristique U/Q se
déplace parallèlement vers le haut. Comme la tension aux bornes reste égale à celle
du réseau, le point de fonctionnement P1 se trouvera à l’intersection de la
caractéristique et de la droite UR= constante, est définit ainsi la valeur Q1 de la
puissance réactive fournie.
U
U1
P1
Ur (réseau)
U0
P2
U2
Au couplage
-Q
Q2
Q1
+Q
On voit de même que si on diminue la tension de consigne en U2 au-dessous de
UR, le point de fonctionnement P2 se situe dans les valeurs négatives de Q. on dit que
le générateur absorbe de la puissance réactive, l’angle de déphasage φ et donc sin φ
ont changé de sens.
Ce fonctionnement est utile dans le cas de débit sur une ligne de grande longueur
(réseau capacitif)
33
II- EXCITATION DE L’ALTERNATEUR :
1- Généralités :
Nous avons vu que dans un alternateur, le rotor tourne à l’intérieur du stator et
que l’on ne recueille une f.e.m à ces bornes que si les bobines sont coupées
alternativement par un champ magnétique tournant du rotor. Ce champ tournant est
produit par un courant continu passant dans les enroulements du rotor. On dit que le
rotor est « excité ».
Ce courant continu qui traverse l’enroulement rotorique est produit par une
machine (génératrice de courant continu) appelée « excitatrice ».
Elle est entraînée, soit par le rotor de l’alternateur directement, soit par
l’intermédiaire d’un réducteur de vitesse, soit par un moteur à courant alternatif.
L’excitatrice est constituée :
- D’un circuit inducteur (partie fixe disposée autour du rotor)
- D’un induit (partie tournante)
Le circuit inducteur est parcouru par un courant continu provenant d’une source
extérieure. Ce courant engendre un autre courant continu dans l’induit, qui est
recueilli au niveau d’un collecteur par des balais en charbon. Ces balais, par
l’intermédiaire d’une connexion, alimentent le rotor de l’alternateur. (schémas)
Pour produire le flux inducteur que balaie l’induit on est obligé de faire
parcourir l’enroulement inducteur par un courant I déterminé. Ce courant est le
courant d’excitation de l’excitatrice.
Il existe différents modes de production de ce courant.
Le schéma précédent montre une excitatrice entraînée par le rotor de l’alternateur.
34
2- Différents modes d’excitation
2-1- Excitation shunt (ou parallèle)
Le courant d’excitation de l’excitatrice est obtenu en branchant l’enroulement
inducteur aux bornes même de l’excitatrice. Un rhéostat (Rh) est installé dans le
circuit pour modifier à volonté le courant d’excitation I’
It est le courant produit par la génératrice El
I est le courant d’excitation de l’excitatrice
I’ est le courant d’excitation du rotor de l’alternateur
Si l’interrupteur K est ouvert l’excitatrice produit un courant du à l’aimantation
qui subsiste dans les noyaux des pôles inducteur. Elle est appelée « aimantation
rémanente ».
Si le circuit inducteur est fermé, le courant du à l’aimantation rémanente fait
passer le courant I dans l’enroulement inducteur. Ce courant a pour but d’augmenter
le courant I’ passant dans le bobinage du rotor alternateur. Ce courant I’ peut être
réglé à volonté au moyen du rhéostat de champ Rh.
En faisant varier l’intensité du courant dans l’enroulement inducteur de
l’excitatrice par le rhéostat, on provoque une variation de tension aux bornes de
l’excitatrice. Donc, l’intensité du courant dans l’inducteur de l’alternateur varie. Cette
variation de courant, donnant lieu à une variation de l’intensité du champ
magnétique, apporte une variation de la tension aux bornes de l’lternateur.la variation
de la tension de l’excitatrice peut être de l’ordre de 20 Volts, tandis que la variation
de la tension de l’alternateur peut être de 100 Volts. On peut donc dire que la
variation a été amplifiée.
35
Le rhéostat Rh permet de faire varier l’intensité du courant inducteur et par
conséquent l’intensité dans le rotor d l’alternateur. Les variations de tension obtenues
en agissant sur le Rh sont suffisamment rapides pour cette excitatrice associée à des
dispositifs spéciaux soit utilisée dans l’excitation des alternateurs.
2-3- Excitation indépendante :
• Excitation indépendante (séparée) avec dispositif de surexcitation rapide :
Un système assez répandu consiste à employer une excitatrice principale et une
excitatrice primaire (pilote). Quand on fait varier le courant d’excitation à l’aide de
l’excitatrice primaire, il en résulte une plus grande amplification totale.
Le courant d’excitation de l’excitatrice principale E1 est fourni par une
génératrice à courant continu E2 à excitation shunt appelée excitatrice pilote.
Une résistance R1 est installée dans le circuit inducteur de l’excitatrice
principale. Elle peut être court-circuitée par un interrupteur K, qui est normalement
ouvert.
Le réglage de l’excitation de l’alternateur est obtenu en agissant sur le rhéostat
r de l’excitatrice pilote. Par la diminution de r, on augmente le courant d’excitation de
l’excitatrice.
Remarque :
L’interrupteur K est appelé disjoncteur de champ (ou d’excitation) peut être remplacé
par le contact d’un relais, qui sera actionné par la perturbation elle-même.
Dans ce système on constate que l’excitation principale à excitation séparée, tandis
que l’excitatrice primaire est à auto excitation. On peut dire que notre circuit
37
d’excitation possède deux étages. La variation minime de tension aux bornes de
l’excitation pilote entraîne une variation beaucoup plus grande aux bornes de
l’alternateur. On pourrait donc augmenter le facteur d’amplification par l’addition
d’étages supplémentaires
• Excitation indépendante avec un régulateur de tension :
E1 est l’excitatrice principale débitant dans le rotor de l’alternateur
E2 est l’excitatrice pilote.
La résistance de régulateur de tension est intercalée dans le circuit d’ l’excitation de
l’excitatrice principale.
Le curseur du régulateur se déplace à droite ou à gauche suivant la perturbation
de la tension aux bornes de l’alternateur. Donc la résistance R du rhéostat varie a ce
moment entraînant la variation du courant d’excitation du rotor rétablissant la tension
à sa valeur normale.
38
• Excitation indépendante à deux enroulements inducteurs pour l’excitatrice
principale :
Un enroulement N est normalement en service. Le courant dans cet
enroulement est réglé par un régulateur RT.
Un relais R ferme le circuit de l’inducteur secondaire S moins important que N,
lors de grandes variations de tension nécessitant une modification rapide du courant
d’excitation de l’alternateur. Cet enroulement peut supporter un courant élevé mais
pendant un temps limité.
2-4- Excitation statique :
Dans les différents procédés d’excitation précédents, le courant continu
est obtenu à partir de génératrice par interposition d’un organe appelé (collecteur).
Actuellement ce collecteur peut être remplacé par un pont redresseur ; composé de
diodes au silicium.
Cette excitation peut être placée directement en bout d’arbre du rotor, afin
d’obtenir ainsi une l’excitatrice à diodes tournantes. Les bornes positives et négatives
peuvent donc de fait être reliées directement à l’enroulement rotorique sans
nécessiter ni bagues ni balais.
Le réglage de l’excitation du rotor est effectué par action sur l’inducteur de
l’excitatrice alimentant les redresseurs (diodes).
L’excitation de cet inducteur peut être assuré par un dispositif à redresseurs,
alimentée et contrôlée par alternateur auxiliaire à aiment permanent, placé sur la ligne
d’arbre commune..
39
Le principal avantage de ce système d’excitation réside en la suppression totale
des contacts glissants, avec tous les problèmes de difficulté de commutation et
d’entretien qu’ils posaient (changement des balais, poussières de carbone,..). En plus
la fiabilité de ce système est excellente.
Par contre ce mode d’excitation entraine quelques difficultés supplémentaires
en raison de l’inaccessibilité du circuit d’excitation de l’alternateur principal. De
plus :
-
La mesure directe du courant rotorique est impossible.
-
Le manque de désexcitation rapide car il est impossible d’inverser la tension aux
bornes du circuit d’excitation.
-
La protection de masse habituelle ne peut être installée (cette protection relie
l’enroulement rotorique ainsi que l’induit de l’excitatrice à la terre en cas de
circuit.
Fonctionnement
A : Inducteur de l’alternateur auxiliaire à aimants permanents (tournants).
B : Induit de l’alternateur auxiliaire (fixe).
A’ : Inducteur de l’alternateur d’excitation (fixe).
B’ : Induit de l’alternateur d’excitation (mobile).
D : Redresseur à diodes tournantes.
R : bobinage du rotor.
S : stator de l’alternateur principal.
40
L’inducteur de l’alternateur à aimants permanents A est entraîné en rotation par
le rotor de l’alternateur. Donc son champ magnétique permanent va couper les
conducteurs B (qui sont fixes) de l’alternateur auxiliaire et va engendrer donc une
f.e.m dans cet induit. La f.e.m est injectée dans l’inducteur A’ (fixe) de l’alternateur
d’excitation à travers un régulateur de tension et va produira un champ magnétique
fixe que viennent couper les conducteurs B’ (entraînées par le rotor) de l’induit de
l’alternateur d’excitation. Une autre f.e.m sera donc engendrer dans cet induit. Cette
f.e.m alternative et redressée aux moyens de diodes tournantes des redresseurs avant
d’être injectée dans les enroulements du rotor de l’alternateur principal.
2-5- Excitation série :
Les systèmes d’excitation que nous venons de voir ne permettent pas d’obtenir
instantanément les variations du courant d’excitation désirables de l’alternateur en
régime perturbé. Le temps nécessaire à ces variations est de l’ordre de quelques
dixièmes de seconde.
L’excitation série permet d’obtenir le résultat recherché. Dans l’excitatrice
série l’enroulement inducteur e1 est branché en série avec l’induit de l’excitatrice. Il
est donc traversé par le courant débité par l’excitatrice, lui-même débité dans le rotor
de l’alternateur.
On a vu que quand l’intensité dans les phases du stator varie, il en résulte une
variation du champ résultant. Cette variation du champ donnera naissance à une f.e.m
induite e dans l’enroulement du rotor. La tension aux bornes du rotor sera à ce
moment égale à :
U = (R . i) + e
(1)
Avec :
R : la résistance du rotor
I : le courant d’excitation, l’excitatrice peut être conçue pour la tension U soit
proportionnelle au courant i et de plus ce coefficient soit précisément égal à la
résistance R du rotor.
41
On a donc dans ce cas :
U=R.i
(2) dans (1)
U= Ri + e ⇒ e = 0
(2)
Ceci veut dire que par suite d’une perturbation, le champ résultant restera le
même, la tension de l’alternateur sera inchangée. Un alternateur muni d’une telle
excitatrice parait assurer lui-même son autorégulation et pourrait se passer d’un
régulateur de tension. Pour plusieurs raisons il n’en est pas rigoureusement ainsi et
notamment la résistance du rotor de l’alternateur varie avec la température. Elle varie
sensiblement entre l’état chaud et l’état froid de la machine.
Il est également nécessaire de se réserver une action sur l’excitation de
l’alternateur afin de pouvoir régler la tension à une valeur choisie et faire varier ce
réglage à la demande de l‘exploitation.
La figure suivante donne le schémas d’une excitatrice série associée à un
régulateur de tension. Le régulateur employé agit par l’intermédiaire d’un
enroulement inducteur e2 superposant son champ à celui de l’inducteur série e1 de
l’excitatrice principale E1. Cet inducteur e2 alimenté par une petite excitatrice E2 à
tension pratiquement constante, en passant par un potentiomètre P le régulateur de
tension agit sur la position des contacts du potentiomètre P.
42
III- COUPLAGE DES ALTERNATEURS SUR LE RESEAU :
Les alternateurs utilisés pour la production de l’énergie électrique, débitent
dans un réseau commun (interconnexion).
La mise en fonctionnement d’un tel alternateur implique donc son couplage en
parallèle sur le réseau.
Pour coupler un alternateur sur le réseau, il faut que la courbe de la f.e.m qu’il
produit soit superposée à la courbe de la tension correspondante au réseau.
Or, pour que les deux sinusoïdes se superposent il faut :
- L’égalité de leurs valeurs maximales.
- L’égalité de leurs fréquences
- L’identité de leurs phases.
Le disjoncteur D par lequel s’effectue le couplage est ouvert. Il s’agit de réunir
simultanément et sans provoquer des accoups la phase A1 à la phase B1, la phase A2 à
la phase B2, la phase A3 à la phase B3 en fermant le disjoncteur D.
Avant la fermeture du disjoncteur D que les courbes donnant en fonction du
temps les variations des tensions.
43
U1-2 U2-3 U3-1de l’alternateur soient égales à U’1-2 U’2-3 U’3-1 réseau. Si cette
condition est remplie, il n’y a aucune différence de potentiel de part et d’autre du
disjoncteur.
Si on effectue le couplage au temps t1 les valeurs des tensions alternateur et
réseau seront à titre d’exemple :
U1-2 = U’1-2 = + 9863 V
U1-2 - U’1-2 = 0
U2-3 = U’2-3 = - 15147 V
U2-3 - U’2-3 = 0
U3-1 = U’3-1 = + 5636 V
U3-1 - U’3-1 = 0
Il n’existe donc aucune différence de potentiel entre les pôles (contacts du
disjoncteur D, A1B1, A2B2, A3B3)
44
Pour que le couplage se fasse correctement autrement dit pour que les courbes
représentatives des tensions alternateur et réseau soient identiques plusieurs
conditions sont nécessaire.
1- La valeur efficace des tensions alternateur et réseau doit être la même :
Si la valeur efficace des tensions alternateur et réseau n’est pas la même les
tensions alternateur U1-2, U2-3, U3-1 et les tensions réseaux U’1-2, U’2-3, U’3-1 des
tensions auront les variations suivantes (figure suivante)
45
On suppose que la valeur maximale des tensions alternateur est de 15500V et
celles des tensions réseau 14500 V.
Si nous effectuons le couplage au temps t2, les valeurs des tensions alternateur
et réseau seront les suivantes :
Tensions alternateur
Tension réseau
Différence des tensions
U1-2 = + 14925 V
U’1-2 = + 12629 V
TA-TB = + 2296 V
U2-3 = - 11481 V
U’2-3 = - 8611 V
TA-TB = - 2870 V
U3-1 = - 2296 V
U’3-1 = - 1435 V
TA-TB = - 861 V
Il existe donc une différence de potentiel entre les points A et B des pôles du
disjoncteur de couplage D.
Conséquence de la fermeture du disjoncteur à ce moment t2 des courants
importants seront échangés entre le stator de l’alternateur et le réseau.
2- La fréquence et la période des tensions alternateur et réseau devront être les
mêmes :
La fréquence des réseaux est unifiée à 50 Hz. La période est a donc une durée de
1
1
T =
=
= 0 , 02 s
F
50
Nos machines sont le plus souvent à une paire de pôles, elles doivent donc
tourner à 3000tr/min.
Supposons que le rotor de l’alternateur tourne à 2880 tr/min avec 1 paire de
pôle, la fréquence de ses tensions sera alors :
F=
1 × 2880
1
= 48 Hz et sa période sera : T =
s
48
60
Supposons que la valeur des tensions efficaces est la même
Représentation des courbes de variations des tensions alternateur et réseau.
46
La figure précédente représente les tensions TA et TB respectivement à 48 et 50Hz.
Si on effectue le couplage de l’alternateur avec le réseau au temps t3 les valeurs
des tensions alternateur et réseau seraient les suivantes :
Tensions alternateur TA
Tension réseau TB
Différence des tensions
U1-2 = - 14466 V
U’1-2 = - 15155 V
TA-TB = +689 V
U2-3 = 0 V
U’2-3 = + 4133 V
TA-TB = - 4133 V
U3-1 = + 13088 V
U’3-1 = + 10333 V
TA-TB = + 2755 V
Une différence de potentiel existe entre les polarités A et B du disjoncteur D. des
courants très importants seraient échangés entre le stator de l’alternateur et le réseau
si le couplage s’effectue en ce moment.
47
3- Les tensions de l’alternateur et du réseau doivent être en phase :
Pour que les tensions soient en phase il faut que les tensions U et U’ de chaque
phase doivent passer par la même valeur à chaque instant.
La figure suivante représente les variations des tensions réseau et alternateur.
Ces tensions ne sont pas en phase, leur déphasage correspond au temps t indiqué sur
la figure.
Si on effectue le couplage de l’alternateur avec le réseau au temps t4 les
valeurs des tensions respectives seraient les suivantes :
Tensions alternateur TA
Tension réseau TB
Différence des tensions
U1-2 = + 11625 V
U’1-2 = + 15147 V
TA-TB = - 3522 V
U2-3 = + 4579 V
U’2-3 = - 5988 V
TA-TB = + 10567 V
U3-1 = - 15500 V
U’3-1 = - 11625 V
TA-TB = - 3875 V
Même remarque que précédemment.
48
3-1- Expérience 1(comportement des lampes de phase)
Les tensions identiques mais les fréquences sont différentes
Exemple :
Pour le réseau f = 8 Hz ; pour l’alternateur f’ = 7 Hz
Considérant l’évolution de la tension aux bornes d’une lampe
1
Les tensions sont en phase, la lampe est éteinte.
2
Pour un tour du vecteur VR, le vecteur VA n’effectue que les
7
d’un tour, la
8
tension aux bornes de la lampe augmente.
3
Pour 2 tours du vecteur VR, le vecteur VA possède
2
de tour de retard, la tension
8
aux bornes de la lampe augmente encore.
4
Pour 3 tours du vecteur VR, le vecteur VA possède
3
de tour de retard, la tension
8
aux bornes de la lampe augmente encore.
5
Pour 4 tours du vecteur VR, le vecteur VA possède
4
de tour de retard, la tension
8
aux bornes de la lampe est maximale et égale à 2 V.
6
La tension aux bornes de la lampe diminue
7
La tension aux bornes de la lampe diminue
8
La tension aux bornes de la lampe diminue
9 Lorsque le vecteur VR effectue 8 tours, VA n’effectue que 7 tours, la tension aux
bores de la lampe est nulle. (VR et VA à nouveau en phase).
49
Pour une période de différence la lampe s’allume une fois.
La fréquence d’allumage des lampes est donc égale à la différence de fréquence des
tensions VR et VA
3-2- Expérience 2 :
Les différences de potentiels sont identiques, de même fréquence mais déphasées
entre elles.
Exemple :
VA est déphasée de 90° en avant de VR
Les caractéristiques :
Lorsque VR effectue 1 tour, VA effectue également 1 tour. Le décalage entre VR
et VA est donc constant ; la lampe de phase conserve à ses bornes une tension
constante et reste allumée en permanence.
Les phénomènes cités précédemment sont simultanés sur les 3 phases.
Le couplage n’est possible que si les fréquences sont identiques et les d.d.p
égales et en phase.
Lors de la première installation d’un alternateur il est possible que les phases
ne soient pas en concordance. Dans ce cas les « battements » des trois lampes ne sont
pas simultanés, le couplage n’est pas possible.
50
4- L’ordre de succession des phases des tensions alternateur et réseau doivent
être les mêmes :
Supposons que le raccordement correct (alternateur réseau) correspond à celui de
la figure ci-dessous (condition de couplage), puis on intervertit les liaisons qui
réunissent l’alternateur aux bornes A et B du disjoncteur (on inverse 2 phases de
l’alternateur)
1°) Branchement correct disjoncteur :
On a UA = U1 ; UB = U2 ; UC = U3 et
UA - UB = U1 - U2 = U1-2
UB – UC = U2 – U3 = U2-3
UC – UA = U3 – U1 = U3-1
2°) Raccordement interverti alternateur disjoncteur :
On aura donc
UA - UB = UA-B = U2 – U1 = U2-1
UB – UC = UB-C = U1 – U3 = U1-3
UC – UA = UC-A =U3 – U2 = U3-2
51
Raccordement correct
Raccordement interverdi
-UB-C
U3 = UC
-UB
-UC-A
-UA-B
U3 = UC
U2 = UB
-UA
-UC
U2 = UA
U1= UB
UB-C
-UC
UA-B
U1= UA
-UB
-UC-A
UA
3°) Conclusion :
UA-B = U1-2 → U2-1 = - UA-B = - U1-2
UB-C = U2-3 → U1-3 = - UC-A = - U3-1
UC-A = U3-1 → U3-2 = - UB-C = - U2-3
Donc la tension entre A et B devient - U1-2
Donc la tension entre B et C devient - U3-1
Donc la tension entre C et A devient - U2-3
La figure suivante représente les courbes des variations des tensions réseau
U’1- 2 ; U’2-3 et U’3-1 et les courbes des variations des tensions alternateur U1-2 ; U2-3 et
U3-1.
Pour la construction des courbes nous allons nous baser sur la figure qui
correspond à un couplage correct, et on reproduit les courbes des variations des
tensions réseau telles quelles sont sur cette figure (non interverties).
Pour les courbes des tensions alternateur on aura : - U1-2 à la place de + U1-2
(elle sera complètement opposée à celle du réseau).
La succession des phases des tensions de l’alternateur et du réseau n’est pas le
même dans les variations des tensions.
52
Tensions alternateur TA
Tension réseau TB
Différence des tensions
U1-2 = + 1425 V
U’1-2 = - 1488 V
TA-TB = +2913 V
U2-3 = - 434 V
U’2-3 = + 1054V
TA-TB = - 1488 V
U3-1 = - 1054 V
U’3-1 = + 372 V
TA-TB = - 1426 V
On peut voir que quelle que soit la valeur donnée au temps t (le moment du
couplage) ; les différences de tensions phases alternateur par rapport aux tensions des
phases réseau sont considérables. Si le disjoncteur D était fermé il s’en suivrait des
dégâts très graves pour le matériel. Il est donc absolument essentiel de vérifier la
concordance de succession des phases de l’alternateur avec les phases du réseau
avant la première mise en service d’un alternateur ou après une révision, pendant
laquelle la liaison de l’alternateur aux bornes du disjoncteur auraient pu être
modifiée.
53
Pour effectuer cette vérification, on pourra notamment opérer de la façon
suivante :
- On isole le jeu de barres sur lequel doit débiter l’alternateur (coupure de toutes
les arrivées d’alimentation et coupure de tous les départs).
- On envoie ensuite la tension de l’alternateur sur le jeu de barres libéré et on fait
tourner un moteur M qui reçoit son énergie du jeu de barres ; on note son sens
de rotation et on ouvre le disjoncteur D de l’alternateur.
- On remet le jeu de barres en service avec les alimentations normales ; on
redémarre le moteur M, il doit tourner dans le même sens sinon avant
d’effectuer le couplage, il faudrait inverser deux conducteurs de la liaison entre
l’alternateur et le jeu de barres (inverser deux phases de l’alternateur).
5- Appareils nécessaires pour effectuer le couplage d’un alternateur sur réseau :
Des appareils sont indispensables pour mesurer et suivre les variations des
paramètres entre les alternateurs et le réseau de manière à effectuer un couplage sans
risques pour les machines et les appareils.
Ces appareils sont les suivants :
1°) Voltmètre :
Il sert à mesurer la tension entre phases de l’alternateur et phases du réseau sur
lesquelles on doit coupler l’alternateur. Les tensions réseau et alternateur doivent être
égales avant couplage.
2°) Tachymètre :
Il sert à mesurer la vitesse de l’alternateur. Pour ramener cette vitesse à sa
valeur convenable, on agit sur le régulateur de vitesse de la turbine. Parfois on trouve
des fréquencemètres qui donnent les fréquences des tensions alternateur et réseau, qui
doivent être égales.
3°) Appareils de synchronisation :
- Les appareils utilisés sont : (couplage manuel) les lampes, les voltmètres de zéro,
des synchronoscopes.
- Les appareils automatiques : (couplage automatique) synchrocoupleur.
¾ Lampes de synchronisation :
Des lampes L sont connectées aux bornes du disjoncteur de couplage. Quand
les tensions composées U1-2, U2-3, U3-1 de l’alternateur ont respectivement à
chaque instant les mêmes valeurs que les tensions réseau U’1-2, U’2-3, U’3-1, il
n’existe aucune différence de potentiel entre les bornes du disjoncteur D. les
bornes sont A1 et B1 ; A2 et B2 ; A3 et B3. Les lampes ne s’allument pas.
54
• Si les lampes brillent :
- Faire varie la vitesse de rotation de l’alternateur jusqu’à atteindre
la vitesse de synchronisme en se basant sur le tachymètre donnant
la vitesse du turbo-groupe.
- Régler la tension de l’alternateur en agissant sur son excitation
jusqu’à ce que VA soit égale à VR (tension alternateur égale tension
réseau).
• Si les lampes s’allument et s’éteignent :
- On agira de nouveau sur la vitesse de rotation de l’alternateur jusqu’à ce
que les fréquences alternateur et réseau auront la même valeur de manière
à avoir les battements des lampes les plus lents possibles.
- On ferme le disjoncteur quand les lampes se s’éteignent.
¾ Voltmètre de zéro :
C’est un voltmètre différentiel qui indique l’écart entre les valeurs de la tension
du réseau et la tension de l’alternateur à coupler.
6- Opérations de couplage et mise en charge de l’alternateur :
6-1- Opérations de couplage :
55
- Mise en marche de la turbine ;
- Mise en vitesse de la turbine ;
- Mise sous tension de l’alternateur ;
- Mise en place des d.d.p ;
- Fermeture du disjoncteur de couplage lorsque les lampes de phase sont
éteintes.
6-2- Mise en charge d’un alternateur couplé à un réseau :
Lorsque les opérations de couplage sont terminées, l’alternateur ne débite
aucune puissance (ou une puissance relativement faible).
Réglage de la puissance active :
Pour que l’alternateur fournisse une puissance active, il faut augmenter le
couple moteur (action sur l’admission de fluide moteur dans la turbine).
Réglage de la puissance réactive :
Pour faire varier la puissance réactive, il faut agir sur les courants d’excitation de
l’inducteur.
- Si l’inducteur est sous excité, l’alternateur absorbe une puissance réactive.
- Si l’inducteur est surexcité, l’alternateur fournit une puissance réactive.
IV- DIAGRAMME DE MARCHE D’UN ALTERNATEUR
1- Diagramme de marche :
Ce diagramme de marche est celui d’un alternateur couplé sur un réseau de
grande puissance par rapport à la sienne. (Figure suivante)
Prenons deux axes OX et OY. Sur l’axe OX nous portons les valeurs de la
puissance réactive de l’alternateur, sur l’axe OY nous portons les valeurs de la
puissance active.
1°) Marche à puissance active maximale Pm et cos φ = 1
Quand le cos φ est égal à 1 le courant débité par l’alternateur est en phase avec
la tension. L’alternateur ne reçoit pas et ne produit pas d’énergie réactive. Quelle que
soit sa puissance active son point de fonctionnement sera sur l’axe OY. Sin nous
56
supposons que l’alternateur est à sa puissance active maximal son point de
fonctionnement sera en D et OD mesurera la puissance active maximale Pm.
Dans cette marche les courants dans les enroulements du stator et le courant dans
l’enroulement du rotor seront inférieurs aux valeurs maximales.
2°) Marche à puissance active maximale, l’intensité du courant d’excitation étant à
sa valeur maximale :
L’intensité du courant d’excitation est limitée par l’échauffement du rotor et
également par l’intensité qu’il ne faut pas dépasser dans les phases du stator. Cette
marche est représentée par le point B.
3°) Marche à puissance active nulle, l’intensité du courant d’excitation étant à sa
valeur maximale :
Le point de fonctionnement A est sur l’axe OX. La longueur OA mesure la
puissance réactive de l’alternateur.
4°) Marches à excitation maximale pour des puissances actives variant de la
puissance maximale à la puissance nulle:
Ces marches sont représentées par des points situés sur la courbe AB.
57
5°) Marche à puissance maximale, l’intensité du courant d’excitation étant à sa
valeur minimale :
Nous appelons « intensité d’excitation minimale » celle qui peut être atteinte
sans risque de décrochage de l’alternateur.
La marche que nous envisageons est représentée par le point C. le segment DC
parallèle à OX et se trouve donc dans le prolongement de DB. Le segment DC
mesure la puissance réactive maximale que l’alternateur peut recevoir du réseau pour
la puissance active maximale.
6°) Marche à puissance active nulle, l’intensité du courant d’excitation étant à sa
valeur minimale :
Le point représentatif E de cette marche est situé sur l’axe OX.
L’intensité du courant d’excitation ne peut pas être nulle. Elle devra toujours
être supérieure à une certaine valeur si on veut éviter le décrochage de l’alternateur.
7°) Marches à excitation minimale pour des puissances actives variant de la
puissance maximale Pm jusqu’à la puissance nulle:
Les points de fonctionnement de ces marches sont situés sur la courbe CE.
8°) Autres points de fonctionnement
Tous les autres points de fonctionnement de l’alternateur sont situés à l’intérieur du
diagramme ABCD
La partie droite du diagramme comprend tous les points de fonctionnement d
l’alternateur avec sous excitation du rotor. L’alternateur reçoit de l’énergie réactive
du réseau.
Le diagramme montre que pour accroître la stabilité de fonctionnement, sous
une puissance active donnée, il faut augmenter le courant d’excitation.
Il montre aussi que, si on maintient la puissance active fournie par l’alternateur
à une valeur constante et si on modifie le courant d’excitation, le point de
fonctionnement se déplace sur une parallèle à l’axe X’OX des puissances réactives et
seule la puissance réactive de l’alternateur varie
Si on part de l’excitation minimale admissible, au fur à mesure que le courant
d’excitation augmente, la puissance réactive absorbée par la machine sous excitée
décroît et s’annule quand le point de fonctionnement est sur l’axe OY. Ensuite, la
puissance réactive est fournie au réseau par l’alternateur surexcité et elle croît jusqu’à
la valeur maximale correspondant au courant d’excitation maximal.
Les marches à cos φ constant auront leurs points de fonctionnement situés sur
la droite issue du point O et faisant avec OY un angle égal à φ. Nous avons tracé sur
58
le diagramme les droites correspondantes aux marches avec cos φ respectivement
égaux à :
0,95 – 0,80 – 0,70 – 0,60 en surexcitation
0,95 – 0,80 – 0,70 – 0,60 en sous excitation
2- Diagramme des puissances :
Cette courbe, basée sur le diagramme de Poitier, définit la zone de fonctionnement
possible de l’alternateur dans un système d’axes gradués en puissance, à la puissance
nominale.
A chaque régime de fonctionnement correspond un point M intérieur à la
courbe qui représente la puissance active en ordonnées, la puissance réactive en
abscisses, la puissance apparente par la distance OM, le déphasage de I sur U par
l’angle avec l’axe des ordonnées. L’image du courant d’excitation est également
donnée par le segment kM.
Les limites de fonctionnement sont :
- Le courant d’excitation
du rotor = arc a b
maximum
admissible
sans
suréchauffement
- La puissance mécanique maximum transmissible, horizontale b c
- La limite de la stabilité pratique en puissance réactive absorbée = droite inclinée c d
59
- Le courant d’excitation minimum délivré par l’excitateur = arc c e cercle d e
- L’axe OP représente le fonctionnement à cos φ =1
- L’axe –Q +Q représente le fonctionnement à cos φ =0 c'est-à-dire puissance
active = 0 (marche en compensateur synchrone).
V- PERTES DANS LES TURBOALTERNATEURS
1- Différentes pertes de l’alternateur :
Les pertes dans toute machine électrique se traduisent toujours par un
échauffement qui doit être limité si on ne veut pas détruire les matériaux constituant
les différentes parties de la machine
Les différentes pertes d’un alternateur sont :
- Les pertes Joule
- Les pertes par courant de Foucault
- Les pertes par Hystérésis
- Les pertes par ventilation de l’alternateur
- Les pertes par frottements
- Les pertes supplémentaires.
1-1- Pertes Joule :
Tout courant passant dans un fil conducteur provoque l’échauffement du
conducteur. Les courants passant dans les enroulements du stator et dans
l’enroulement du rotor produiront donc un échauffement des conducteurs.
La qualité de chaleur dégagée est proportionnelle :
- Au carré de l’intensité I qui circule dans le conducteur
- A la résistance électrique R du conducteur
- Au temps t de passage du courant dans le conducteur
Q = R . I² .t
Prenons par exemple le rotor d’un alternateur de résistance R = 0,8 Ω, Si le
courant d’excitation de l’alternateur est de 200A, la puissance correspondant aux
pertes joules dans le rotor sera
P = 0,8 x 200 x 200 = 32000 W ou 35 KW
On pourrait faire un calcul analogue pour calculer les pertes joule dans chaque
phase du stator en connaissant la résistance d’une phase et le courant circulant dans
chaque phase.
60
Il faut remarquer que les pertes Joule sont proportionnelles au carré du courant.
Si par exemple, le courant double dans les phases du stator les pertes Joule dans le
stator seront multipliées par 4, de même si le courant d’excitation de l’alternateur
double, les pertes Joule seront multipliées par 4.
Il va de soi que pour limiter les pertes par effet Joule, on devra employer des
conducteurs à section appropriée et de résistivité minimale. Un facteur important
pouvant influencer la résistance des conducteurs, c’est la température à laquelle
fonctionne l’alternateur ; on doit maintenir celle-ci à une valeur appropriée.
1-2- Les pertes Joule supplémentaires :
Ces pertes correspondent aux courants produits par les forces électromotrices
qui résultent d’une répartition inégale du champ magnétique. Particulièrement dans la
profondeur des encoches du stator. Ces courants produisent un échauffement par effet
Joule.
La répartition inégale du courant alternatif par effet pelliculaire (Skin effect) se
traduit par une résistance effective, augmentant les pertes Joule.
De plus, l’emploi d’encoches profondes dans l’empilement du stator entraîne
introduction différente dans chacun des brins. Il en résulte qu’une différence de
potentiel existe entre les conducteurs. Cette différence de potentiel provoquera des
courants de circulation dans les conducteurs laminés qui sont joints ensemble à leurs
extrémités.
Pour combattre ces phénomènes, on subdivise les conducteurs en lamelles
parallèles, isolées les unes des autres, et régulièrement transposées suivant une
disposition telle que chaque lamelle occupe successivement toutes les positions dans
l’encoche. Ce mode de transposition des conducteurs porte souvent le nom de
système « ROEBEL », du nom de son inventeur. On peut à l’aide de la transposition
Roebel, réduire les pertes supplémentaires à quelques 10 à 15 % de l’effet Joule
proprement dit.
1-3- Les pertes par courant de Foucault :
Les tôles du circuit magnétique stator sont balayées par le champ tournant, des
forces électromotrices sont engendrées à l’intérieur même des tôles, ces courants sont
appelés « courants de Foucault ». les courants de Foucault produisent un
échauffement des tôles par effet Joule.
Le circuit magnétique du stator est formé par un empilage de tôles minces,
isolées les unes des autres afin d’empêcher le passage du courant d’une tôle à l’autre.
On atténue davantage ces pertes en augmentant la résistivité de la tôle par l’addition
d’un faible pourcentage de silicium (3 à 4 %).
61
1-4- Pertes par hystérésis :
Les tôles du circuit magnétique son parcourues par un champ variable qui fait
varier l’alimentation des tôles. Cette variation de l’alimentation provoque un
échauffement supplémentaire des tôles.
Les pertes par hystérésis sont réduites par l’emploi de tôles de haute qualité, de
type à cristaux orientés. Cette tôle spéciale laminée à froid, présente des cristaux
orientés dans le sens du laminage. Elle est dite « tôle Hipersil » (elle fût mise au point
par Westinghouse).
En plus de réduire grandement les pertes par hystérésis, cette tôle permet une
diminution du volume de fer nécessaire.
1-5- Pertes par ventilation de l’alternateur :
Pour évacuer la chaleur produite par les pertes de l’alternateur, on fait circuler
un fluide (air ou hydrogène) dans les canaux de ventilation du stator et du rotor. La
circulation du fluide est produite au moyen de deux ventilateurs calés sur l’arbre du
rotor de part et d’autre des extrémités du stator. Une certaine puissance est nécessaire
pour vaincre toutes les forces de frottement du fluide sur les parties métalliques et des
enroulements qu’il rencontre sur son passage. On voit donc que l’énergie dépensée
pour faire tourner les ventilateurs se transforme en chaleur.
On constate que plus la puissance débitée par l’alternateur est grande, plus la
ventilation doit être énergique. Ces pertes sont donc proportionnelles à la puissance
débitée par l’alternateur et par la densité du fluide employé.
1-6- Pertes par frottement :
Dans les alternateurs, les pertes par frottement se traduisent principalement
dans les paliers avec un très léger supplément pour les frottements des balais sur les
bagues d’amenée du courant d’excitation.
La qualité de chaleur correspondant à ces pertes est évacuée par l’huile qui sert
de lubrification. L’hile s’échauffe au passage dans les paliers, elle est refroidie dans
un réfrigérant avant d’être envoyée à nouveau dans les paliers.
1-7- Pertes supplémentaires :
On peut classer parmi ces pertes, celles dues aux courants de paliers et
d’énergie requise pour la circulation du liquide réfrigérant dans les conducteurs du
stator.
L’énergie requise pour assurer la circulation du liquide réfrigérant dans les
enroulements statoriques dépend surtout de la viscosité du liquide ; un liquide de
faible viscosité exigera moins de travail de la part des pompes de circulation.
62
On a constaté dans certaines machines de grande puissance que des courants
assez intenses pouvaient prendre naissance dans le circuit fermé constitué par l’arbre,
les paliers et le bâti il est possible d’établir clairement un flux alternatif coupe ce
circuit fermé et y introduit une force électromotrice. Vu la faible valeur de la
résistance du circuit en question, un courant assez intense peut y circuler. On constate
que le film d’huile de lubrification n’est ordinairement pas assez homogène pour
constituer une couche isolante. C’est pourquoi on isole ordinairement un des paliers
du bâti de la machine.
Ces courants pourraient également produire de la corrosion nuisible.
2- Importance des pertes dans un alternateur de 125 MW
A titre d’exemple nous présentons, ci-après, un tableau donnant les pertes d’un
alternateur de 125 KW à refroidissement par hydrogène, pour différentes puissance er
des cos φ égaux à 0,8 ou 1.
Nous indiquons le rendement de l’alternateur pour chaque marche envisagée.
Nous rappelons que le rendement ρ est égal au quotient de la puissance utilisable Pu à
la puissance totale Pe nécessaire à l’entraînement de l’alternateur, on peut écrire :
ρ =
Pu
Pe
La puissance Pe nécessaire pour l’entraînement de l’alternateur est d’ailleurs
égale à la puissance utile augmentée des pertes. On peut donc dire que le rendement ρ
est égal au rapport de la puissance utile à la puissance utile augmentée des pertes P
nous pouvons écrire :
ρ=
Pu
Pu + P
Pour la marche à 125 MW (cos φ = 0,8) pression effective de l’hydrogène
égale à 28 lb/P0², nous avons :
Pu = 127 Mw = 127000 KW
P = 1539 KW
Le rendement ρ est
ρ=
127000
= 0,9878
127000 + 1539
Ou le rendement en % 98,78%
63
Tableau des pertes d’un alternateur de 125 KW
Valeurs
Puissance en MW
I-Caractéristiques
de marche
Cos φ
Pression effective
de l’hydrogène en
lb/Po²
125
115
100
50
0,8
1
0,8
1
0,8
1
0,8
1
28,4
5,0
14, 2
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
256
242
115
155
26
205
102
131
186
155
86
99
88
39
46
25
315
202
266
170
202
129
50
33
813
472
697
403
543
314
177
107
II- Pertes en KW
- Pertes par effet
Joule
Enroulement rotor
Enroulement stator
Joule
supplémentaires
Pertes Joule totales
- Pertes
par
hystérésis
et
courant
de
Foucault
- Pertes de vent
- Pertes par frott.
- Pertes totales
406
406
406
406
406
406
406
406
150
170
1539
53
170
1101
101
170
1374
53
170
1032
53
170
1172
53
170
943
53
170
806
53
170
733
Puissance
alter.
essais en MW
127
126
116
116
101
101
51
51
98,79
99,13
98,82
99,11
98,84
99,07
98,41
98,55
Rendement
en %
alter.
L’analyse des valeurs dans le tableau suivant nous permet les constatations
suivantes :
- Les pertes par hystérésis et courants de Foucault (fer du stator) sont fixes. A 125
KW, elles représentent environ 26% des pertes totales, tandis qu’à 100 MW, elles
représentent environ 35 % de celles-ci.
- Les pertes par ventilation, c’est-à-dire les pertes engendrées par l’énergie
nécessaire pour assurer la circulation de l’hydrogène augmentent avec la pression
de celle-ci. Elles représentent environ 8 % des pertes totales aux pressions
considérées.
64
- Les pertes par frottement sont fixes. A 125 MW, elles représentent environ 12 %
des pertes totales, tandis qu’à 100 KW, elles représentent environ 17 % de cellesci
- Les pertes Joule totales sont les plus importantes et représentent environ 50 % des
pertes totales.
VI- REGULATION
FREQUENCE :
DE
LA
PUISSANCE
ET
DE
LA
1- Fonctionnement des réseaux :
La conduite et le fonctionnement des réseaux sont très complexes. Au niveau
de l’ensemble, le total de la production doit être égal au totale de la consommation,
(elle inclut avec elle les pertes).
Donc dans le domaine de l’énergie électrique, qui n’est pas stockable, dès que
l’énergie produite ne peut pas être fournie, cela peut conduire à une perte de
synchronismes entre les différents alternateurs, et la mise hors service d’un ouvrage.
Pour éviter ce genre de cassure un ensemble d’automates, de régulateurs et de
système de surveillance et contrôle veillent à la bonne marche de l’ensemble.
Le rôle du réseau est le transport de l’énergie produite aux clients directement
raccordés THT, aux postes, et aux sources de transformation de tension, qui
desservent les clients HT et BT
1-1- Equilibre entre la production et la consommation :
Cet équilibre doit être réalisé à tout instant car les écarts ont des répercussions sur la
valeur de la fréquence et de la puissance. Cet équilibre n’est pas facile à réaliser et à
conserver la tension nominale Un.
1°) Des fluctuations instantanées de la consommation des clients
2°) Des incertitudes concernant l’évolution de cette demande
3°) Des indisponibilités des groupes de production
Pour résoudre ce problème complexe, l’exploitant dispose d’un système de
régulation qui surveille la fréquence et l’écart de puissance entre demande et
consommation.
• Le réglage primaire contre les variations de la demande et compense au mieux
pendant quelques secondes la partie accidentelle d’un groupe. Ce sont les
régulateurs de vitesse des groupes qui assurent cette fonction à caractère
temporaire.
65
• Le réglage secondaire intervient lorsqu’il subsiste un écart durable sur le niveau
de la puissance échangée. Ce réglage sollicite alors à la hausse ou à la baisse un
certains nombre de groupes en télé-réglage afin de diminuer cet écart en quelques
minutes, lorsque les systèmes de régulation ont remplis leurs tâches.
Il faut revenir à une situation normale en particulier supprimer tout déséquilibre
persistant. Pour cela l’exploitation dispose d’une réserve tournante composée de
groupes fonctionnant à puissance réduite et dont il peut demander la montée de
charge, la baisse et même l’arrêt suivant le signe du déséquilibre.
1-2- Moyens de compensation de l’énergie réactive :
Le premier consiste à suivre les fluctuations périodiques (batteries de condensateurs
et les inductances installées sur le réseau).
1°) Condensateurs :
- Batteries condensateurs HT
- Batteries condensateurs MT
2°) Inductances :
- Elles sont utilisées pour compenser l’énergie réactive fournie en heures
creuses par des lignes haute tension.
- Elles sont soit directement raccordées au réseau, soit branchées sur des
tertiaires des autotransformateurs.
3°) Les groupes thermiques ou hydrauliques :
- Ils jouent un rôle important dans le contrôle et la compensation de
l’énergie réactive.
66
2- Domaine de fonctionnement de l’alternateur :
0<ϕ <
−
π
2
π
2
L’alternateur fournit de la puissance active
< ϕ < 0 L’alternateur absorbe de la puissance réactive
Faire face aux variations brusques et réaliser l’équilibre offre demande. Cela
nécessite la mise en œuvre des moyens dont le temps de réponse est très court
(groupes de production, les compensateurs synchrones et statiques).
- Ce sont ces machines tournantes qui peuvent absorber de la puissance
réactive sans mettre en jeu la puissance active (206 à 60 MVAR)
- Compensateurs statiques : ensemble de condensateurs et d’inductances
commandés par thyristors.
2-1- Puissances et couples synchronisants :
On adopte un modèle simplifié correspondant à la machine synchrone. Nous
supposons que la résistance R est négligeable par rapport à la réactance Xd. Le
diagramme vectoriel correspond à l’équation :
E = V + j Xd I
Dans ces conditions l’alternateur fournit au réseau une puissance active et une
puissance réactive.
P = 3 V I cos φ
Q = 3 V I sin φ
67
De la première expression de la mesure algébrique
AP1 = Xd . I . cos φ = E . sin δ on déduit alors
En remplaçant AP1 par sa première valeur on a :
P = AP 1 .
3V
Xd
En remplaçant AP1 par sa valeur deuxième, nous aurons :
P =
3 . E .V
. sin δ
Xd
Il apparaît donc la corrélation entre l’angle δ et la puissance active débitée,
c'est-à-dire transformée depuis la forme mécanique (entraînement du rotor) à la forme
électrique.
2-2- Fonctionnement en alternateur :
Une machine synchrone, utilisée en alternateur, est destinée à fonctionner soit
en parallèle avec d’autres alternateurs dans un réseau interconnecté, soit en
générateur autonome destiné à alimenter une charge séparée.
¾ Réglage de la puissance active et réactive
L’alternateur est raccordé au réseau, pendant le couplage, il ne débite aucun
courant. Le courant échangé est donc nul, puisque la f.e.m E est égale à V et que la
turbine ne fournit pas de puissance : P = 0 ; δ = 0 donc E et V sont confondues.
Pour faire débiter l’alternateur il faut deux conditions :
1°) Augmenter la puissance motrice (par admission de fluide moteur dans la turbine) ;
2°) Augmenter le courant d’excitation.
68
2-3- Modifications des puissances :
¾ Modification des puissances actives et réactives par action sur le couple moteur
Si l’on agit seulement sur la puissance mécanique en laissant If constant, la
longueur OM = E proportionnelle à If reste constante, le point M doit se déplacer sur
un cercle de centre O et sa hauteur s’ajuste de façon que la puissance électrique soit
égale à la puissance mécanique. Le passage du point de fonctionnement M1 à M2
correspond à une augmentation de puissance active (AP2 > AP1) à excitation
constante (OM1 = OM2). Dans le même temps le courant I1 et devenu I2 et la
puissance réactive fournie a diminué Q2 < Q1.
¾ Modifications de la puissance réactive par action sur courant d’excitation :
Si on agit sur le courant d’excitation If la puissance active ne varie pas, donc le
point M se déplace horizontalement. Le passage de M1 à M2 a été obtenu par
augmentation du courant d’excitation (figure II) donc OM2 > OM1 (f.e.m). La
puissance active mesurée par AP n’a pas changé.
Comme Q2 > Q1 la puissance réactive a donc augmenté. En conséquence pour
un alternateur couplé sur réseau la variation de la puissance active est obtenue par
action sur la puissance mécanique de la turbine, et la puissance réactive est ajustée
par action sur le courant d’excitation.
69
2-4- Couple synchronisant- stabilité :
Le couple électromagnétique résistant Ce s’obtient en divisant la puissance
active P par ω/ρ (ρ coefficient)
Ce =
3.ρ .E.V
. sin δ
ω. Xd
Ce en régime normal est en fonction non de la vitesse, mais de δ
70
0<δ <
Le fonctionnement en alternateur correspond à
π
2
. Le point de
fonctionnement s’établit à l’intersection de la courbe Ce avec l’horizontale Cm (figure
précédente). Des deux points A et B seul A est stable, c’est-à-dire une augmentation
de δ conduit à un excès de C2 sur Cm, c’est-à-dire un effet ralentisseur provoquant le
retour à l’équilibre initial.
La stabilité correspond donc à la condition :
La quantité C S =
dC e
> 0
dδ
dC e
s’appelle « le couple synchronisant »
dδ
Dans les calculs simplifiés il a pour valeur :
stabilité correspond à δ = +
π
3.ρ .E.V
. cosδ La limite de
ω.Xd
2
Si l’on observe la figure I on voit qu’une augmentation de puissance active à If
= constante conduit à une augmentation de δ donc à une diminution du couple
synchronisant. Si on augmente P de façon que M vient sur ML avec δ =
π
2
, la limite
de stabilité est atteinte.une augmentation de la puissance mécanique ne peut être
compensée par une augmentation de la puissance électrique, la machine dans ce cas
accélère : on dit que « la machine décroche ou s’emballe ». Le même résultat serait
obtenu (figure II) si on diminuait le courant d’excitation à la puissance mécanique
constante jusqu’à atteindre le point ML
2-5- Limite de fonctionnement d’un alternateur :
Le fonctionnement nominal d’un alternateur est caractérisé par :
- La tension nominale U n = Vn 3
- Le courant nominal I n =
Sn
Un . 3
- Le facteur de puissance cos ϕ
L’alternateur est dimensionné de telle sorte que l’échauffement toléré serait
atteint ou près de l’être lorsque :
I = In et If = Ifn
On ne peut pas dépasser ses valeurs de façon durable.
71
Dans la figure IV :
1
Le cercle de centre O et de rayon OM correspond à If = Ifn
2
Le cercle de centre A et de rayon AM correspond à I = In
3
L’horizontale menée de M caractérise la puissance P c'est-à-dire la puissance
maximale que peut délivrer la turbine.
4
La verticale menée de O correspond à δ = + π
2
Le domaine de fonctionnement possible est limité par les courbes suivantes :
(figure IV)
1
Limite du courant rotorique
2
Limite du courant statorique
3
Limite de la puissance de la turbine
4
Limite de la stabilité
Les points de fonctionnement possibles se situent à l’intérieur du contour
OLMNRO.
72
3- Système de régulation et de la commande :
3-1- Rôle de la régulation et de la commande
La production de l’énergie électrique doit être égale à tout instant à la
consommation. C’est pour cela que la turbine doit avoir des organes et des
mécanismes qui lui permettent de faire varier sa puissance suivant la consommation
c'est-à-dire que la turbine doit avoir un mécanisme de commande.
Par exemple une qualité de vapeur G admise dans la turbine donne naissance à
un moment de rotation qui agit sur l’arbre de la turbine MT.
Si on fixe G (G = constant), l’augmentation de la vitesse de rotation se traduit
par une diminution du moment de rotation de la turbine MT. Cette relation MT(n) est
la caractéristique du moment de la turbine. Pour un autre débit de vapeur G’<G la
caractéristique M’T(n) sera inférieure. L’alternateur de la turbine lui aussi possède sa
caractéristique, qui est une relation du moment de rotation MA, développer par la
force électromagnétique, avec la fréquence correspondante à n, pour une charge
constante PC. Si PC diminue alors la caractéristique M’A diminue.
Caractéristiques des moments de la turbine et de l’alternateur.
Si MT ≠ MA, la rotation n le nombre de tours de la turbine n’est pas stable. Si
MT > MA, la vitesse de rotation augmente. L’inverse si MT < MA. La stabilité se
réalise quand MT = MA point d’intersection des deux caractéristiques.
Supposons que la turbine ne possède pas de système de régulation, soit G le
débit de vapeur, Pe la puissance électrique de l’alternateur et sa fréquence n est
constante. A un moment donné Pe diminue à P’e suite à un déclenchement d’un
73
départ ou la mise hors service d’un ou de plusieurs consommateurs, alors la
caractéristique MA diminue. Puisque le débit du fluide moteur ne va pas varier, le
point de fonctionnement a devient b. le groupe prend alors une vitesse de rotation n’
> n. Si le diapason de variation de fréquence n’avait aucune importance, l’installation
du système de régulation n’aurait aucun sens. Comme les consommateurs, les
auxiliaires des groupes, les systèmes de contrôle exigent le maintient d’une fréquence
stable. Pour cela, il est indispensable de maintenir l’égalité entre la consommation et
la production de l’énergie électrique, tout en variant le débit du fluide moteur
nécessaire pour la turbine.
Dans l’exemple précédent, après la diminution de Pe à P’e et l’augmentation de
n à n’, avec la fermeture des vannes d’admission du fluide moteur jusqu’à G’, alors le
point de fonctionnement a sera en c, et la nouvelle fréquence du groupe n’’ sera
voisine de la fréquence initiale n. l’opérateur des machines (chef de bloc) ne sera pas
en mesure de faire varier indéfiniment le débit G et avec une grande précision. C’est
pour cela qu’on attribue cette fonction aux systèmes de régulation.
3-2- Principe de fonctionnement d’un régulateur de vitesse.
74
L’arbre du régulateur est entraîné par l’arbre de la turbine à travers un
ensemble d’engrenages. La position normale pour nn (vitesse de rotation nominale)
est déterminée par l’égalité entre la force centrifuge des masselottes et la force des
ressorts.
Si la fréquence augmente (vitesse de rotation) les masselottes s’écartent, et
l’inverse si la fréquence diminue. Si la charge de la turbine augmente, sa vitesse de
rotation augmente, la face centrifuge des masselottes diminue, le manchon 4
est
poussé vers la droite, entraînant l’ouverture de la soupape 7
d’admission du fluide moteur pour augmenter la charge de la turbine.
La relation entre la puissance de la turbine et la fréquence est la caractéristique
statique suivante.
Soit nx fréquence de la turbine à vide
Soit nm fréquence de la turbine à charge maximale.
La différence des deux fréquences rapportées à la fréquence moyenne s’appelle
le « degré d’irrégularité (δ)»
δ =
n nn − n m
n0
δ varie de 4,5 ± 0,5 %
75
C'est-à-dire si δ = 5% et n0 = 50 Hz, une variation de la charge de la marche à
vide jusqu’à la charge maximale, implique une variation de fréquence entre 48,75 ÷
51,25Hz.
Nmax =(1,18 à 1,20) n0 , mais la protection fonctionne et ferme les vannes
d’amission du fluide moteur pour (1,10 ÷ 1,12) n0
La caractéristique statique et le degré d’irrégularité déterminent la réaction de
la turbine lors d’une variation de fréquence du réseau.
Si la fréquence du réseau varie de 0,1 Hz c'est-à-dire de 20% de la fréquence
nominale, et le degré d’irrégularité δ = 5% alors la variation de charge sera de :
∆P =
P ∆f 0,2
=
=
= 0,04 ⇒ 4%
5
P0
δ
Pour une turbine de 800 MW cela nécessite 32 MW. Sur les figures (V) et (VI)
la position de travail normale est déterminée par le point A sur la figure (VI), si la
charge augmente n diminue et les vannes d’admission s’ouvrent, mais les soupapes
ne s’ouvrent pas instantanément, parce que la force centrifuge des masselottes doit
atteindre une valeur capable de vaincre les forces de frottement du mécanisme et la
force du ressort. C’est pour cela que le début d’ouverture commence en point A’ et
non en point A. l’inverse si la charge diminue, la fermeture commence en point A’’
La relation ξ =
∆n
est le « degré d’insensibilité de la régulation »
n0
Aussi bien ξ est petit, la qualité de la régulation est grande. Pour les turbines
dont la charge est > 50 MW, ξ ne doit pas dépasser 0,3%. En général
ξ = 0,1 ÷ 0,15% ; ∆ P =
ξ
. P0
δ
Pour une turbine de 800 MW, si δ = 4%, la variation de charge :
0 ,3
ξ
. P0 =
∆P =
. 800 = 60 MW
4
δ
3-3- Comportement des groupes couplés en parallèle :
Etudions le comportement de trois groupes sur un réseau lors d’un déclenchement
d’un groupe.
Groupe 1
P1 = 800 MW
δ1 = 5%
Groupe 2
P2 = 800 MW
δ2 = 4%
Groupe 3
P3 = 300 MW
δ3 = 4%
no = 50 Hz
76
Supposons qu’un groupe de 200 MW a déclenché. A cause de la perte
d’équilibre production consommation, les fréquences des groupes 1, 2, 3 augmentent,
les puissances diminuent pour revenir à l’équilibre normal.
∆P
∆n 1
.
=
P
n0 δ
Donc ∆ P =
∆n
=
P1
n0
δ1
+
∆P
P2
δ2
∆ n P2
∆ n P3
∆ n P1
.
+
.
=
.
n0 δ 1
n0 δ 2
n0 δ 3
+
P3
=
δ3
200
800
800
300
+
+
0 , 05
0 , 04
0 , 04
∆n
= 0 , 0046 ⇒ ∆ n = 0 , 0046 . 50 = 0 , 23 HZ
n0
La fréquence à changé de 0,23 Hz : elle est devenue donc 50,23 Hz
La puissance de chaque groupe a baissé de :
Groupe 1 : ∆ P = 0 , 0046 . 800 = 73 , 5 MW
0 , 05
Groupe 2 : ∆ P = 0 , 0046 . 800 = 92 MW
0 , 04
Groupe 3 : ∆ P = 0 , 0046 . 300 = 34 , 5 MW
0 , 04
Chaque variation de charge du réseau, qui fait varier sa fréquence,
automatiquement les puissances des groupes de ce réseau changent en fonction de
leurs caractéristiques
77
4- Réglage de la vitesse du turboalternateur :
4-1- Régulateur de vitesse mécanique :
78
4 forment un différentiel. Sur le tiroir 1 agit la somme
Ensemble 3 et
de deux impulsions en fonction de l’accélération (montée de A). Sur le tiroir
agit la somme
1 des impulsions en fonction de la vitesse ‘déplacement de A) et en
fonction de l’accélération (déplacement du piston du tiroir différentiel). Le
différentiel augmente le temps de réponse de la régulation
79
4-2- Régulateur de vitesse hydraulique :
80
Au lieu du régulateur mécanique, on utilise une pompe centrifuge attelée
sur l’arbre de la turbine. La pression d’huile dans la chambre 4
constante par la soupape
7 . L’huile délivrée par la pompe
deux flux. Le premier passe dans la chambre
régulateur de pression passe à la chambre
soupape
7
et regagne la chambre
5
4
est maintenue
est partagée en
1
et à travers l’orifice du
. Le deuxième passe par la
4 . L’huile de la chambre
maintenue en pression grâce à la soupape de réglage
est
4
8 qui déverse le surplus
d’huile dans la cuve.
Si la charge augmente, la fréquence diminue, la vitesse de la pompe
diminue donc sa pression diminue. La pression dans la chambre 5
que la pression dans la chambre
chambre
5
4
servomoteur
3
chute, tandis
est maintenue constante. Le piston de la
monte et entraîne avec lui le piston du tiroir
libéré l’huile provenant de la pompe
1
2
6
ainsi l’orifice
passe dans la partie supérieure du
. Le piston du servomoteur descend et provoque l’ouverture de
la vanne d’admission fluide moteur vers la turbine. L’inverse se produira si la
charge baisse.
1
Pompe du régulateur hydraulique
2
Pompe principale
3
.
Servomoteur
4
Chambre du régulateur
5
Chambre munie d’un piston
6
Tiroir de distribution
7
Soupape de maintien de pression
8
Soupape de décharge
9
Soupape d’admission fluide moteur
81
5- Réglage de la tension :
5-1- Le régulateur de tension :
La nature et la grandeur de la charge imposée à l’alternateur peuvent varier. En
plus d’entraîner des variations de vitesse, ces variations de charge peuvent
occasionner des variations de la tension de l’alternateur. Pour parer à cet
inconvénient, on utilise un régulateur de tension.
La tâche confiée au régulateur de tension est triple :
- Assurer une tension constante
- Réaliser une bonne répartition de la puissance réactive entre les
machines et les centrales fonctionnant en parallèle.
- Adapter l’excitation de manière adéquate dans le cas de certains défauts,
ce afin d’assurer une meilleure stabilité du réseau.
Le régulateur de tension agit ordinairement sur le champ de l’excitation
principale ou l’excitation pilote, selon le cas, afin de faire varier la tension aux bornes
de celle-ci
Il accomplit son action régulatrice en intercalant une valeur de résistance plus
ou moins grande en série avec l’enroulement inducteur. La tension et le courant de
référence qu’utilise le régulateur de tension proviennent de transformateurs de
tension et de courant raccordés aux bornes de l’alternateur.
Le régulateur de tension « analyse » la valeur de la tension aux bornes de
l’alternateur à l’aide de transformateurs de tension tandis que les transformateurs de
courant eux permettent de déterminer la nature de la charge. Si les valeurs ne sont pas
celles du point de consigne, le régulateur de tension apportera la correction requise.
Fonctionnement du régulateur de tension (figure VII)
Dans le régulateur de tension, l’élément détecteur consiste en un système
Ferraris (M-C) (figure VII) fournissant un couple moteur proportionnel à la tension et
au courant, aux bornes de l’alternateur. Un ressort fournit un couple résistant à celui
du moteur couple. Le déplacement du moteur couple entraîne également le
déplacement de contacts « flottants » ou roulant sur un segment de « collecteur » relié
aux divers points d’une résistance.
Cette résistance est raccordée en série dans le circuit inducteur de l’excitatrice ;
une variation de sa valeur entraîne donc une variation du courant inducteur (Ie), se
traduit par une modification de la tension aux bornes de l’excitatrice.
La valeur de la tension provenant du circuit de référence au moteur couple est
déterminée par l’ajustement de la résistance variable du point de consigne.
82
Afin de produire une tension aux bornes de l’alternateur se relevant légèrement
avec la charge, on fait intervenir dans le réglage, le courant débité.
On obtient ce courant à l’aide d’un transformateur de courant et l’on peut faire
varier le coefficient ou degré de compoundage à l’aide d’un rhéostat de
compensation.
Lorsque le régulateur est hors service (manuel), on peut régler la tension à
l’aide du rhéostat d’ajustement grossier.
Disjoncteur de champ ou d’excitation :
Le disjoncteur de champ permet d’isoler le rotor de l’alternateur. Il est
habituellement ouvert quand l’alternateur est arrêté. Cependant, le but principal du
disjoncteur d’excitation est de s’ouvrir sous l’action d’un relais, quand un défaut
arrive sur l’alternateur ou sur des appareils reliés à l’alternateur.
Si possible, le disjoncteur de champ ne devrait pas être ouvert lorsqu’il y a du
courant dans le circuit. Si le disjoncteur est ouvert en charge, l’interruption soudaine
du courant dans l’enroulement inducteur provoque une surtension induite, ce qui peut
endommager les isolants du rotor de l’alternateur. On évite cet incident en court
circuitant l’enroulement du rotor sur des résistances de décharge et l’énergie
emmagasinée dans l’enroulement inducteur est dissipée dans ces résistances.
Une fraction de seconde avant l’ouverture complète du disjoncteur de champ,
l’interrupteur auxiliaire se ferme, plaçant la résistance de décharge en parallèle avec
l’inducteur, permettant ainsi la dissipation de l’énergie emmagasinée et éliminant
l’arc à l’ouverture du circuit inductif.
Une autre méthode employée pour limiter la surtension induite consiste à
employer des résistances au « thyrite » branchées en permanence dans le circuit de
l’inducteur. Ces résistances remplacent la résistance de décharge conventionnelle et
n’exigent pas de contact auxiliaire (interrupteur auxiliaire).
Autres modes d’excitation et de réglage automatique de la tension :
L’emploi de l’amplidyne et de l’amplificateur magnétique, associé ou non aux
circuits d’excitation conventionnels à excitatrice principale permet d’obtenir la
correction rapide d’un écart de tension nécessitant une amplification de
celui-ci
Les développements techniques dans le domaine du redressement, en
particulier la mise au point de redresseurs électroniques et à semi-conducteurs, ont
permis de modifier profondément le mode d’excitation des alternateurs. De plus, ces
différents modes d’excitation s’adaptent parfaitement au réglage automatique de la
tension. Les redresseurs employés dans ces circuits d’excitation dits « statique » sont
ordinairement des redresseurs au silicium, des lampes à vapeur de mercure (ignitrons)
ou des thyristors.
83
D’autres schémas d’excitation visent la surpression des contacts frottants en
utilisant des redresseurs montés sur l’arbre de l’alternateur et tournant avec celui-ci
(diodes tournantes).
84
5-2- Réglage de la tension
Tension aux bornes de l’alternateur :
Le champ tournant dû au rotor produit dans les enroulements triphasés des
f.e.m triphasés. Si les enroulements ne sont parcourus par aucun courant la tension
entre les bornes de l’alternateur sera égale à la force électromotrice Ev, dite force
électromotrice à vide, développée dans les enroulements.
Si le stator de l’alternateur débite sur le réseau, le champ tournant produit par
le courant I du stator se combinera au champ tournant produit par le rotor pour
donner un champ tournant résultant. La tension V aux bornes de l’alternateur sera
égale à la f.e.m développée par le champ tournant
Nous savons que ma modification de la tension aux bornes de l’alternateur due
au champ tournant du stator s’appelle la réaction d’induit.
La réaction d’induit dépend de deux facteurs :
- Du décalage du courant I sur la tension V caractérisé par le facteur de puissance
cosinus ϕ (cos ϕ). Ce facteur de puissance dépend du réseau sur lequel débite
l’alternateur.
- De l’intensité du courant I qui dépend également du réseau d’utilisation.
Influence du facteur de puissance sur la tension aux bornes de l’alternateur :
On démontre que, pour une même valeur du courant I dans les enroulements du
stator, la réaction d’induit ne dépend que du déphasage du courant sur la tension. Le
courant conservant la même valeur :
a) Si l’alternateur débite sur un réseau inductif, c'est-à-dire sur un réseau qui
demande puissance réactive, le courant est déphasé en arrière sur la tension. Si
le déphasage augmente la puissance réactive augmente, le facteur de puissance
diminue, le champ du stator affaiblit le champ du rotor, la tension aux bornes
de l’alternateur baisse, la chute de tension due à la réaction d’induit a
augmenté.
b) Si l’alternateur débite sur un réseau capacitif, le courant est déphasé en avant
sur la tension, le réseau produit une puissance réactive. Lorsque le déphasage
en avant augmente, le champ du stator augmente le champ du rotor, la tension
aux bornes de l’alternateur augmente et peut même prendre une valeur
supérieure à la f.e.m à vide
85
Influence du courant débité par le stator sur la tension aux bornes de l’alternateur :
La rédaction d’induit dépend également de l’intensité du courant dans les
enroulements du stator. A l’exception du cas ou l’alternateur débite sur un réseau
capacitif, pour une même valeur du facteur de puissance, la réaction d’induit
augmentera et la tension aux bornes de l’alternateur diminuera.
Exemple numérique :
Les courbes de la figure VII donnent des valeurs de la tension aux bornes de
l’alternateur, pour différentes valeurs du facteur de puissance, quand on fait varier
l’intensité du courant dans les enroulements du stator.
La tension à vide aux bornes de l’alternateur est Ev= 6000 volts.
a) voyons d’abord l’influence du facteur de puissance sur la tension de
l’alternateur.
Supposons que l’alternateur débite son courant nominal In= 10 000 A avec un
cos ϕ =0. La tension aux bornes de l’alternateur est représentée par C1 E1 ou
O E2 qui correspond à 3700 volts, la chute de tension par rapport à la tension
de l’alternateur à vide est :
6000-3700 = volts
On pourrait même déterminer successivement les tensions aux bornes de
l’alternateur pour le même courant In = 10 000 volts et pour de cos ϕ égaux à
0,6,1 et 0,8 (déphasage avant). Les résultats que l’on obtiendrait sont donnés
dans le tableau suivant :
Cos ϕ
I stator (en A)
U stator (en V)
Chute de U (en V)
0
6000 (Ev)
0
Cos ϕ = 0
10 000
3 700
2 300
Cos ϕ = 0,6
10 000
4 600
1 400
Cos ϕ = 1
10 000
5 100
900
10 000
6 300
- 300
A vide
Cos ϕ = 0,8
(déphasage
avant)
86
Tension aux bornes alternateur
On remarque que la tension aux bornes de l’alternateur diminue quand le facteur
de puissance diminue, elle passe de 5 100 à 3 700 volts quand on passe de cos ϕ
=1 à cos ϕ =0
Par contre, la tension aux bornes de l’alternateur est de 6 300 volts quand
l’alternateur débite dans un réseau capacitif avec un déphasage avant
correspondant à un cos ϕ =0,8
87
Cette tension dépasse de 300 volts la tension aux bornes de l’alternateur à vide.
b) voyons maintenant une fluence, sur la tension aux bornes de l’alternateur, du
courant I débité par le stator.
Supposons que l’alternateur débite un courant I égale à 5000 Ampères
Le tableau suivant donne la valeur de la tension pour les intensités de 5000A à
10 000 A pour différentes valeurs du facteur de puissance.
C2E2 ; C2D2 ; C2F2 ; C2G2 donnent les valeurs de la tension pour 1 = 5000 A et
les facteurs de puissance respectifs 0 ; 0,6 ; 1 et 0,8 (déphasage avant)
Facteur de
puissance
Cos ϕ = 0
Tension aux bornes
alternateur (volts)
I = 10000 A
I = 5000 A
3700
4800
Chute de tension
(volts)
I = 10000 A
I = 5000 A
2300
1200
Cos ϕ = 0,6
4600
5600
1400
400
Cos ϕ = 1
5100
5800
900
200
Cos ϕ = 0,8
6300
6400
+300
+400
(> Ev)
(> Ev)
(Déphasage
avant)
Tension à vide (I = 0) Ev = 6000volts
Le tableau montre, par exemple, que pour un cos ϕ = 1 la tension passe de
5800 à 5100 volts quand l’intensité dans le stator passe de 5000 à 10000 Ampères.
Réglage de la tension aux bornes de l’alternateur :
En exploitation la tension d’un alternateur alimentant un réseau séparé doit être
maintenue constante quels que soient le facteur de puissance et l’intensité du courant
débité par le stator.
Pour arriver à ce résultat on augmente la f.e.m Ev en agissant sur le courant
dans le rotor de l’alternateur (courant d’excitation). Si on augmente ce courant, le
champ produit par le rotor augmentera, il en résulte une augmentation de Ev et la
tension aux bornes de l’alternateur. On obtient le résultat inverse en diminuant le
courant d’excitation.
Dans les centrales ce réglage est obtenu automatiquement à l’aide du régulateur
de tension.
La figure VIII et les différents tableaux que nous avons donnés montrent, par
exemple, que si pour le courant nominal In on veut maintenir la tension nominale Vn
88
il faut augmenter d’autant plus le courant d’excitation que le facteur de puissance
(cos ϕ) est plus faible.
Si le facteur de puissance devient trop faible on ne pourra plus maintenir la
tension Vn pour le courant In sans dépasser l’intensité maximale admissible dans les
enroulements du rotor.Si on franchit cette limite il peut en resulter des échauffements
exagérés préjudiciables à la bonne tenue des isolants du rotor.
La plaque signalétique de l’alternateur donne le cos ϕ minimal qui peut être
maintenu, pour la tension nominale Vn et le courant nominal In.
5-3- Réglage de la fréquence :
Facteurs dont dépend la fréquence
La fréquence est liée à la vitesse du turboalternateur par la relation
f
=
P .N
60
f : en cycles par seconde (Hz)
P : nombre de pôles du rotor
N : vitesse en tours par minute
La fréquence étant proportionnelle à la vitesse, un réglage de fréquence conduit
toujours à un réglage de vitesse. Ce réglage est obtenu par action sur la turbine
d’entraînement de l’alternateur par l’intermédiaire d’un régulateur.
Donc, pour l’étude de réglage de la fréquence, nous étudierons le groupe
constitué par l’alternateur et sa turbine d’entraînement.
La puissance du turboalternateur d’une centrale thermique, pour une pression
et une température constantes du fluide moteur à l’admission de la turbine, dépend de
l’ouverture de la soupape d’admission c'est-à-dire le débit du fluide moteur.
5-4- Schéma type d’un circuit d’excitation composante :
Composants
L’énergie à courant alternatif nécessaire pour l’excitation peut provenir d’un
groupe moteur- générateur, d’une excitation C.A entrainée par le même arbre que
l’alternateur ou par une excitatrice indépendante, et finalement par un transformateur
d’excitation raccordé au service auxiliaire ou directement aux bornes de l’alternateur,
la méthode la plus répandue est celle du transformateur d’excitation raccordé
89
directement sur l’alternateur : c’est l’arrangement choisi pour schéma type qui
apparaît dans la figure IX.
L’énergie requise pour l’alimentation du régulateur de tension et du circuit de
contrôle des portes provient du transformateur de commande qui peut servir
également à d’autres fonctions, telles que l’alimentation des ventilateurs des
thyristors, le mesurage et la protection. Ce transformateur est ordinairement alimenté
par service auxiliaire.
Chaque groupe de thyristors est protégé par un jeu de fusibles ou autres
dispositifs de protection, Suivant le courant et la tension d’excitation requise, les
thyristors peuvent être groupés en série ou en parallèle de façon à respecter les
caractéristiques de chacun d’eux.
Le magnétisme rémanent de la machine est en général insuffisant pour amorcer
l’excitation. Cette fonction est réalisée par une source auxiliaire ;
Dans le cas de la figure IX, cette énergie provient du service auxiliaire en passant par
le bloc de redressement. Au besoin, cette énergie est peut également être fournie par
la batterie d’accumulateurs de la centrale.
Le régulateur de contrôle des portes comprend plusieurs dispositifs dont les
générateurs et les amplificateurs d’impulsions pour chaque groupe de thyristors. Il
répond aux signaux provenant du régulateur de tension et règle le décalage
impulsions de commande en conséquence.
Le régulateur de tension joue son rôle en « analysant » la tension et le courant
aux bornes de l’alternateur ; suivant le point de consigne, il transmettra une
information au circuit de contrôle des portes afin d’augmenter ou diminuer le
décalage des impulsions de commande.
Fonctionnement général :
Lorsque la tribune qui entraine l’alternateur atteint environ 95% de sa vitesse
nominale, la fermeture du disjoncteur de champ est accomplie.
Puisque le magnétisme rémanent est insuffisant pour assurer la montée en
tension de l’alternateur, on a recours à source d’énergie à c.c séparée.
90
Pour l’amorçage en fermant le disjoncteur d’amorçage. Lorsque la tension à la
sortie de l’alternateur atteint environ 50% e sa valeur nominale, le disjoncteur
91
d’amorçage s’ouvre automatiquement et les thyristors prennent la relève. On
remarque la boucle fermée que constitue cet arrangement et qui assure l’autonomie
du circuit d’excitation ; cet avantage marqué est l’une des principales raisons pour
laquelle ce schéma est le plus utilisé.
VII- LES DIFERENTS ESSAIS DES ALTERNATEURS :
Il y a plusieurs essais qui se font sur les alternateurs :
- Des essais encours de montage
- Des essais de réception et essais spéciaux
1- Essais en cours de montage :
Tout au long de la réalisation de l’alternateur, les parties principales, sont bien
entendu, vérifiées et essayées.
Parmi les principaux essais nous pouvons citer :
- Les essais hydrostatiques de la carcasse :
Ces essais sont destinés à contrôler les allongements quand l’enceinte
est mise sous pression et à vérifier l’absence de déformation permanente
après un retour à zéro de la pression.
Cet essai effectué en remplissant d’eau la carcasse, permet une première
vérification d’étanchéité ensuite complété par un autre essai à l’air sous
pression.
- Les essais lors de la fabrication des enroulements :
Pendant la fabrication, toutes les barres des enroulements subissent
des contrôles de l’isolation entre fils élémentaire, des contrôles
dimensionnels, la vérification des pertes de charge de chaque conducteur
avant et après tressage et lorsque la barre est terminée.
- Les essais mécaniques et électriques :
Essais mécanique : équilibrage du rotor
Essais électrique : contrôle des enroulements inducteur.
2- Essais de réception et essais spéciaux :
Les essais de réception stipulés au courant de vente sont généralement
conformes aux normes internationales.
92
Avant ces essais, il est effectué le lignage et les raccordements hydrauliques
(huile, gaz, eau) entre la machine et les installations auxiliaires du stand en usine.
- Les premiers essais consistent à la vérification de la bonne tenue
mécanique de la ligne d’arbres (machine dans un premier temps, entrainée
à 1500 tr/mn.
- Le remplissage de hydrogène est ensuite effectué, machine a l’arrêt. Sa
dureté dépend évidemment du volume de l’alternateur (exemple pour un
alternateur d’environ 400 MVA : 2 h 30 en balayage CO2 et 3 h en
remplissage H2).
- La pression nominale d’hydrogène étant atteinte, la machine est alors mise
en virage (exemple 90 tr/mn) afin de redresser la ligne d’arbres.
Les essais proprement dits de la machine :
- Les vitesses critiques : vibrations des paliers ou de l’arbre sont alors
enregistrées.
- Les essais à vide, machine non excitée : relèves des débits et
échauffements des fluides réfrigérants (eau de refroidissement, huile,
hydrogène), relèves des températures des éléments de la machine (tôlerie,
rotor, coussinets) .
- Essais à vide, machine excitée : relevé de la caractéristique à vide
(mesure des pertes fer).
- Essais en court-circuit : (mesure des pertes supplémentaires).
VIII- INCIDENTS TYPIQUES ALTERNATEUR :
Type d’incident
Causes probables
Conséquences possibles
STATOR
Court- circuit entre spires
d’une même phase
- Défaut de l’isolement
- Détérioration des isolants
des spires voisines
Court- circuit entre phase
- Détérioration lente de
- Détérioration du circuit
l’isolement par vibrations
magnétique du stator
- Echauffement des cales
d’encoche du rotor.
- Défaut de l’isolement
-Echauffement de la mase
rotor
93
Court-circuit entre une
phase et la masse
- Défaut de l’isolement
- Vibrations
- Déplacement des barres
dans les encoches
Rupture d’une phase
- Vibrations
- Ouverture accidentelle
sur une phase d’un
appareil de coupure d’un
circuit.
-Détérioration des isolants et
du cuivre des conducteurs.
-Détérioration du circuit
magnétique stator
-Déformation des bobinages
- Détérioration des isolants et
du cuivre des conducteurs
- Détérioration du circuit
magnétique stator
- Echauffement des cales
d’encoche du rotor
ROTOR :
Une seule masse sur le
circuit
Deux masses sur le circuit
-Détérioration isolation
Aucun dégât
-Poussières de balais sur
les bagues
Coupure de circuit
-Comme ci-dessus
- Vibration dangereuses
- Echauffement anomal du
cuivre et fer roto
- Décrochage
- Comme ci-dessus
Décrochage alternateur
-Rupture d’un conducteur
- Vibrations dangereuses
- Echauffement anormal du
cuivre et fer rotor
- Décrochage
- Faux rond collecteur
- Qualité des balais
- Pression non uniforme
sur les balais
- Détérioration du collecteur
EXCITATION :
Mauvaise commutation
94