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1 - SPÉCIFICATIONS TECHNIQUES. COURBES CARACTÉRISTIQUES

2 - RELATIONS ENTRE LES BOBINAGES, LA FÉM ET LA RÉACTION D’INDUIT

Article de référence | Réf : D3550 v1

Relations entre les bobinages, la fém et la réaction d’induit
Alternateurs synchrones de grande puissance (partie 1)

Auteur(s) : François BERNOT

Relu et validé le 05 oct. 2018

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Auteur(s)

  • François BERNOT : Ingénieur Supélec - Professeur des universités - Consultant industriel

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INTRODUCTION

Nota :

Mise à jour des articles D 495 et D 496 de Jean-François HEUILLARD (Alsthom Atlantique)

Cet article concerne le dimensionnement des grands alternateurs synchrones, dédiés à la production d’énergie électrique. L’article original écrit en 1982 correspondait à la capitalisation du savoir-faire de plusieurs générations d’ingénieurs, qui avaient pu en quelques décennies pousser les puissances des alternateurs de la dizaine de mégawatts à presque deux gigawatts. Cette valeur aurait pu être dépassée en utilisant des conducteurs supraconducteurs, comme le laissaient espérer les essais réalisés en 1986 par Alstom Belfort. Mais aucune turbine à vapeur n’étant capable de fournir une telle puissance de façon économique, la course à la puissance s’est arrêtée à la décennie 80. Un autre facteur limitatif était la crainte de concentrer une part significative de la puissance dans un même équipement. Supposons à cet effet qu’un groupe générateur de 10 GW soit mis hors service. Il représenterait 14 % de la puissance électrique installée en France. Deux ou trois pannes simultanées sur des équipements similaires plongeraient immédiatement le pays dans le noir.

La conséquence de cet arrêt de la course à la performance brute fut dès 1985 la recherche d’une standardisation des alternateurs, afin de réduire les coûts et les délais. Le marché croissant des centrales de production d’électricité à turbine à gaz a conduit à appliquer alors le savoir-faire acquis à l’occasion du programme nucléaire français, à des alternateurs de puissance inférieure à 300 MW. On en arriva au concept de produit standard prêt à l’emploi, livrable dans un délai très court (18 mois). Il est présenté sous la forme d’un conteneur prêt à poser sur le chantier, avec tous ses accessoires de régulation, contrôle, refroidissement... Le déclin des programmes nucléaires fait que pour les alternateurs rapides (1 500 à 3 000 tr/min), ce type de produit forme maintenant l’essentiel du marché. Il faut y rajouter les alternateurs hydrauliques, dont la variété reste liée à celle des turbines.

La conception d’une machine tournante électrique passe toujours par une première optimisation, à l’aide de modèles analytiques. Cette étape conduit à un premier dimensionnement qui peut être très réaliste. Dans un deuxième temps, des simulations aux éléments finis sont utilisées pour affiner les calculs, et valider les résultats. Mais ils ne remplacent jamais la première étape. Nous avons donc conservé cet article original, dont l’auteur est maintenant décédé, en ne lui apportant que des modifications mineures, induites par l’évolution de la technologie. Basé sur une expérience vécue, il donne toutes les informations nécessaires à un dimensionnement correct d’un alternateur. Il contient des informations inédites, correspondant à un savoir-faire aujourd’hui disparu, introuvable dans les livres. Les formules et méthodes proposées sont applicables aux machines de plus petite puissance, qu’elles fonctionnent en mode moteur ou alternateur.

Nota :

Pour le lecteur intéressé, nous donnons ci-dessous les plus grandes puissances unitaires en exploitation ou en fabrication, connues à ce jour :

  • turboalternateur bipolaire : 1 200 MW ; 1 333 MVA ; 3 000 tr/ min, en ex-URSS ;

  • turboalternateur quadripolaire : 1 485 MW ; 1 650 MVA ; 1 500 tr/min, en France ;

  • alternateur hydraulique : 700 MW ; 824 MVA ; 90,9 tr/ min, au Paraguay ;

  • alternateur bulbe : 51,3 MW ; 54 MVA ; 85,7 tr/min, fabriqué en France pour les États-Unis.

Pour des détails théoriques ou constructifs, le lecteur pourra se reporter aux articles du présent traité :

  • Machines synchrones [D 3 520] et [D 3 522]

  • Turboalternateurs [D 3 530]

  • Alternateurs hydrauliques et compensateurs [D 3 540]

et consulter les ouvrages généraux cités dans les références bibliographiques de la fiche documentaire [Doc. D 3 553].

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d3550


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2. Relations entre les bobinages, la fém et la réaction d’induit

2.1 Composition vectorielle des forces magnétomotrices de l’induit et de l’inducteur

Il est utile de rappeler cette composition, car elle est en relation directe avec le diagramme de Potier d’un alternateur à entrefer constant, non saturé. Ce diagramme est également utilisé pour les machines à pôles saillants (§ 4.3 de [Alternateurs synchrones de grande puissance (partie 2)]). lorsqu’on ne cherche à déterminer que le courant d’excitation.

Les relations qui suivent [D 3 520] donnent les termes fondamentaux des forces magnétomotrices (fmm) créées par l’inducteur (indice f ) et par l’induit (indice I ) en charge équilibrée :

( 2 )

( 3 )

ξ = ϕ + δ + (π / 2) – p α0

avec :

2p
 : 
nombre de pôles
ns
 : 
nombre de spires...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BARRET (P.) -   Électrotechnique générale. Tome III : Machines tournantes à courant alternatif. Tome IV : Régimes transitoires des machines tournantes  -  . Cours de l’École supérieure d’électricité.

  • (2) - CONCORDIA (C.) -   Synchronous machines – Theory and performance  -  . John Wiley and Sons, Chapman and Hall Ltd (1951).

  • (3) - RICHTER (R.) -   Elektrische Maschinen. 2. Band : Synchronmaschinen und Einankerumformer  -  . 2 Auflage, Birkhäuser Verlag (1953).

  • (4) - SCHUISKY (W.) -   Berechnung elektischer Maschinen  -  . Springer Verlag (1960).

  • (5) - ADKINS (B.) -   The general theory of electrical machines  -  . Chapman and Hall Ltd (1964).

  • (6) - SEQUENZ (H.) -   Elektrische Maschinen  -  . 8, Auflage, Springer Verlag (1971).

  • ...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

  • Alliage fer-silicium

  • Bobinage des machines tournantes à courant alternatif

  • Pertes dans les machines tournantes

  • Refroidissement des machines électriques tournantes

  • Machines synchrones

  • Turboalternateurs

  • ...

NORMES

  • Machines électriques tournantes - Partie 1 : Caractéristiques assignées et caractéristiques de fonctionnement. Remplace : NF C 51-111. - NF EN 60034-1 - mars 2001

  • Machines électriques tournantes - Méthodes pour la détermination des pertes et du rendement des machines électriques tournantes à partir d’essais. - NF C 51-112 - nov. 1975

  • Machines électriques tournantes - Partie 2 : Méthodes pour la détermination des pertes et du rendement des machines électriques tournantes à partir d’essais. - Pr NF EN 60034-2 - mai 1996

  • American National Standard Requirements for Combustion Gas Turbine Driven Cylindrical Rotor Synchronous Generators. - ANSI C50.14 - 1977

  • American National Standard Requirements for Cylindrical-Rotor Synchronous Generators. - ANSI C50.13 - 1977

  • Machines électriques tournantes. Partie 1 : Caractéristiques assignées et caractéristiques de fonctionnement. - CEI 60034-1 - août 1998

  • Machines électriques...

ANNEXES

  1. 1 Organismes

    1 Organismes

    Commission électrotechnique internationale (CEI)

    http://www.iec.ch

    Union technique de l’électricité et de la communication (UTE)

    http://www.ute-fr.com

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