1. Couplage d’un alternateur
L’alternateur autonome est un cas particulier de fonctionnement. Les alternateurs de grande puissance (supérieure à 50 kVA) des centrales électriques sont tous interconnectés, c’est-à-dire couplés sur le même réseau de distribution. Ils reçoivent tous les jours, d’un organisme central appelé « dispatching », un programme qui prévoit et fixe pour les différentes heures l’énergie à fournir sur le Réseau National.
D’autre part, le rendement d’un alternateur est maximal aux environs de sa charge nominale. Dans ces conditions, pour obtenir le meilleur rendement global de la centrale, il faut mettre de nouvelles unités en service dans les périodes chargées de la journée et les mettre hors service durant les périodes creuses.
Pour que le couplage n’entraîne, au moment de la fermeture de l’interrupteur tripolaire disposé entre l’alternateur te le réseau, aucun échange brutal de courant et par suite aucun choc mécanique sur le rotor, il faut que (fig : Couplage d’un alternateur sur le réseau) :
• les 3 f.é.m. à vide e1, e2 et e3 de l’alternateur.
• les 3 tensions simples v1, v2 et v3 du réseau.
soient respectivement égales (les neutres de l’alternateur et du réseau sont supposés reliés entre eux, par exemple par « mise à la terre »).
Pour qu’il en soit ainsi, deux premières conditions doivent être satisfaites :
• égalité des fréquences.
• égalité des valeurs efficaces.
En agissant sur la turbine qui entraîne l’alternateur on amène la fréquence de rotation n à une valeur aussi voisine possible de ns = 3000 / p (en tr/mn).
Supposons que le double réglage précédent est réalisé. Les six vecteurs de même norme tourneraient exactement à la même vitesse (fig:Couplage d’un alternateur sur le réseau) si l’on avait rigoureusement n = ns. En fait, même si le réglage est fait avec précision, les vecteurs E1, E2, E3 tournent lentement mais inévitablement par rapport aux vecteurs V1, V2, V3. On ne peut pas réaliser en permanence l’égalité, mais il faut effectuer le couplage au moment où
C’est-à-dire à l’instant où l’étoile des f.é.m. coïncide avec celle des tensions.
Pour repérer l’instant où l’interrupteur tripolaire doit être fermé on peut connecter à ses bornes trois lampes L1, L2 et L3 (fig:Réalisation du couplage).
Si la succession des phases est la même (succession supposée directe dans le cas de la fig : Couplage d’un alternateur sur le réseau b) pour les f.é.m. e1, e2, e3 d’une part et pour les tensions v1, v2, v3 d’autre part, les 3 lampes battent simultanément soumises aux tensions représentées par les vecteurs en pointilles (fig : Couplage d’un alternateur sur le réseau b). Elles s’éteignent et passent par leur éclairement maximal en même temps. (Ces lampes doivent supporter 2 fois la tension simple).
A l’instant où les lampes sont éteintes, la condition d’égalité recherchée est réalisée.
Si la succession des phases n’est pas la même pour les f.é.m. et les tensions simples, par exemple si on la succession directe pour v1, v2, v3 et la succession inverse pour e1, e2, e3, les lampes s’allument et s’éteignent successivement :
quand la lampe L1 est éteinte, L2 et L3 sont allumées (fig : Réalisation du couplage b). Il suffit alors de croiser deux fils entre l’alternateur et l’interrupteur pour revenir au cas précédent.
Lorsque les 3 lampes battent simultanément, on augmente la période de battement en agissant sur la turbine et quand la durée de chaque extinction est de quelques secondes, on ferme l’interrupteur au moment d’une extinction : la machine synchrone est couplée sur le réseau, elle ne reçoit ni ne fournit aucune puissance.
Dans une centrale le repérage des bornes de l’alternateur et du réseau est fait une fois pour toute. On obtient le quasi-synchronisme à l’aide d’un appareil appelé synchronoscope et le couplage s’effectue automatiquement.
2. Fonctionnement en alternateur
Après le couplage la machine synchrone n’échange aucune puissance active avec le réseau. Si on néglige les pertes constantes le couple exercé sur l’arbre par la turbine est nul. Le diagramme de Behn – Eschenburg a l’allure représentée sur la fig :Marche à vide.
Le champ magnétique B0 est dû uniquement au courant inducteur J; le courant inducteur a une valeur J0 telle que E = V (généralement la tension V du réseau est égale à la tension nominale de l’alternateur Vn).
Lorsque J varie, la f.é.m. E cesse d’être égale à la tension V et un courant prend naissance dans chaque phase statorique; si on néglige les pertes par effet Joule dans le stator et si on suppose que le couple moteur exercé par la turbine est encore nul, la puissance électrique P = 3 V I cos ϕ fournie par l’alternateur au réseau est toujours égale à zéro :
P = 3 V I cos ϕ = 0 ⇒ cos ϕ = 0 ⇒ ϕ = ± π/2
Donc les courants statoriques sont purement réactifs.
A vide, l’augmentation du courant d’excitation J provoque la fourniture et ladiminution provoque une absorption de l’énergie réactive au réseau.
Le courant d’excitation, étant fixé à une valeur J, on augmente l’admission du moteur d’entraînement, le rotor tendant à accélérer, il en résulte un décalage θ en avant du champ rotorique BJ par rapport au champ résultant initial B0. (fig : Fonctionnement en charge).
Quand une machine synchrone fonctionne en génératrice (fournie de l’énergie active) E est en avance sur V (dans le sens tournant du champ).
Pour modifier le fonctionnement d’un alternateur relié à un réseau, on peut agir sur deux grandeurs :
• l’ouverture de la vanne d’admission de la turbine.
• le courant inducteur J.
Il en résulte que , si l’on ne fait varier que l’une de ces deux grandeurs, l’alternateur présente deux régimes de fonctionnement possibles.
a) Fonctionnement à J = Cte (risque de décrochage)
Au fur et à mesure que l’on ouvre la vanne d’admission, le couple Tmot appliqué par la turbine augmente : l’angle de décalage θ, (donné par l’équation T = T sin pθ = Tmot) croît également : le vecteur E fait avec le vecteur V un angle θe = pθ de plus en plusgrand (fig:Fonctionnement à J = Cte).
Lorsque le décalage augmente, le couple électromagnétique résistant diminue et le groupe « turbine – alternateur » accélère; il s’écarte de synchronisme. Le couple résistant moyen s’annule et la turbine s’emballe : c’est le phénomène de décrochage.
Cet incident risque d’autant moins de se produire que le rapport entre le couple électromagnétique résistant de l’alternateur T et le couple moteur de la turbine Tmot, appelé facteur de stabilité s, soit plus grand.
L’alternateur délivrant à un réseau une puissance active donnée, les pôles de son rotor (le champ rotorique BJ) sont en avance d’un angle électrique θe = pθ parfaitement déterminé par rapport aux pôles fictifs résultants (le champ résultant B0) du rotor et du stator. Si pour une cause externe (décharge brutale d’un alternateur du réseau …) le décalage géométrique θe augmente brusquement d’un angle α = dθ, il peut en résulter des oscillations de vitesse de l’alternateur, oscillations que l’on
désigne sous le nom de « pompage ».
Pour assurer une bonne stabilité de fonctionnement d’une machine synchrone aussi bien en régime permanent qu’en régime transitoire, on a intérêt à adopter pour couple nominal une valeur assez éloignée du couple maximal (soit un rapport Tm / Tn de 2 à 2,5). Par ailleurs, comme le couple maximal est proportionnel à la f.é.m. à vide (donc sensiblement au courant d’excitation J), il est toujours souhaitable d’exciter le plus possible la machine.
Pour une puissance donnée, la stabilité du groupe « turbine – alternateur » augmente avec le courant inducteur J.
Si le couple électromagnétique T est égal au couple moteur Tmot et reste constant, il en est de même de la puissance électrique P = T (2π ns). Par suite, la valeur du vecteur E = OC change de façon à ce que le point C se déplacer sur une droite parallèle à V, dite droite d’équipuissance (fig:Fonctionnement à P = Cte).
La stabilité exige que C se trouve à droite de Cd appelé point de décrochage : à chaque valeur de la puissance P correspond une valeur minimale Jd telle que :
Puisque P = Cte, la composante active de I est une constante. Le diagramme montre
que :
* pour J < Jm (sous-excitation) ⇒ ϕ < 0 (I est déphasé en avant de V).
* pour J = Jm (excitation optimale) ⇒ ϕ = 0 (I est en phase avec V).
* pour J > Jm (surexcitation) ⇒ ϕ > 0 (I est déphasé en arrière de V).
En conséquence, alors que l’alternateur fournit toujours la puissance active
P = √3 U I cos ϕ au réseau, il n’en est pas de même de la puissance réactive
Q = √3 U I sin ϕ.
* En surexcitation (J > Jm) ⇒ Q > 0 : l’alternateur fournit au réseau de la puissance réactive Q.
* En sous-excitation (J < Jm) ⇒ Q < 0 : l’alternateur demande au réseau la puissance réactive Q.
Les courbes représentant la fonction I = f(J) avec P = Cte portent le nom de courbes en V de Mordey (fig : Courbes en V).
Pour une puissance donnée, on aurait intérêt à choisir la valeur minimale de I (ce qui entraînerait des pertes par effet Joule minimales); en fait, pour améliorer la stabilité, on surexcite légèrement les alternateurs (jusqu’à ce que cos ϕ soit voisin de 0,9 par exemple).
On peut régler le point de fonctionnement de l’alternateur en agissant sur la turbine et sur le courant d’excitation.
Il faut noter que la théorie de Behn – Eschenburg n’est valable lorsque le circuit magnétique est saturé, mais elle permet de prévoir approximativement le fonctionnement.
L’alternateur autonome est un cas particulier de fonctionnement. Les alternateurs de grande puissance (supérieure à 50 kVA) des centrales électriques sont tous interconnectés, c’est-à-dire couplés sur le même réseau de distribution. Ils reçoivent tous les jours, d’un organisme central appelé « dispatching », un programme qui prévoit et fixe pour les différentes heures l’énergie à fournir sur le Réseau National.
D’autre part, le rendement d’un alternateur est maximal aux environs de sa charge nominale. Dans ces conditions, pour obtenir le meilleur rendement global de la centrale, il faut mettre de nouvelles unités en service dans les périodes chargées de la journée et les mettre hors service durant les périodes creuses.
1.1. Conditions de couplage
Pour que le couplage n’entraîne, au moment de la fermeture de l’interrupteur tripolaire disposé entre l’alternateur te le réseau, aucun échange brutal de courant et par suite aucun choc mécanique sur le rotor, il faut que (fig : Couplage d’un alternateur sur le réseau) :
• les 3 f.é.m. à vide e1, e2 et e3 de l’alternateur.
• les 3 tensions simples v1, v2 et v3 du réseau.
soient respectivement égales (les neutres de l’alternateur et du réseau sont supposés reliés entre eux, par exemple par « mise à la terre »).
Pour qu’il en soit ainsi, deux premières conditions doivent être satisfaites :
• égalité des fréquences.
• égalité des valeurs efficaces.
En agissant sur la turbine qui entraîne l’alternateur on amène la fréquence de rotation n à une valeur aussi voisine possible de ns = 3000 / p (en tr/mn).
Schéma électrique
Diagramme de Fresnel
En agissant sur le courant inducteur J on obtient l’égalité de la valeur efficace E des f.é.m. et de la valeur efficace V des tensions.Supposons que le double réglage précédent est réalisé. Les six vecteurs de même norme tourneraient exactement à la même vitesse (fig:Couplage d’un alternateur sur le réseau) si l’on avait rigoureusement n = ns. En fait, même si le réglage est fait avec précision, les vecteurs E1, E2, E3 tournent lentement mais inévitablement par rapport aux vecteurs V1, V2, V3. On ne peut pas réaliser en permanence l’égalité, mais il faut effectuer le couplage au moment où
E1 = E1, E2 = V2, E3 = V3
C’est-à-dire à l’instant où l’étoile des f.é.m. coïncide avec celle des tensions.
1.2. Réalisation du couplage
Pour repérer l’instant où l’interrupteur tripolaire doit être fermé on peut connecter à ses bornes trois lampes L1, L2 et L3 (fig:Réalisation du couplage).
a) Schéma électrique
b) Diagramme de Fresnel
Si la succession des phases est la même (succession supposée directe dans le cas de la fig : Couplage d’un alternateur sur le réseau b) pour les f.é.m. e1, e2, e3 d’une part et pour les tensions v1, v2, v3 d’autre part, les 3 lampes battent simultanément soumises aux tensions représentées par les vecteurs en pointilles (fig : Couplage d’un alternateur sur le réseau b). Elles s’éteignent et passent par leur éclairement maximal en même temps. (Ces lampes doivent supporter 2 fois la tension simple).
A l’instant où les lampes sont éteintes, la condition d’égalité recherchée est réalisée.
Si la succession des phases n’est pas la même pour les f.é.m. et les tensions simples, par exemple si on la succession directe pour v1, v2, v3 et la succession inverse pour e1, e2, e3, les lampes s’allument et s’éteignent successivement :
quand la lampe L1 est éteinte, L2 et L3 sont allumées (fig : Réalisation du couplage b). Il suffit alors de croiser deux fils entre l’alternateur et l’interrupteur pour revenir au cas précédent.
Lorsque les 3 lampes battent simultanément, on augmente la période de battement en agissant sur la turbine et quand la durée de chaque extinction est de quelques secondes, on ferme l’interrupteur au moment d’une extinction : la machine synchrone est couplée sur le réseau, elle ne reçoit ni ne fournit aucune puissance.
Dans une centrale le repérage des bornes de l’alternateur et du réseau est fait une fois pour toute. On obtient le quasi-synchronisme à l’aide d’un appareil appelé synchronoscope et le couplage s’effectue automatiquement.
2. Fonctionnement en alternateur
2.1. Fonctionnement à vide
Après le couplage la machine synchrone n’échange aucune puissance active avec le réseau. Si on néglige les pertes constantes le couple exercé sur l’arbre par la turbine est nul. Le diagramme de Behn – Eschenburg a l’allure représentée sur la fig :Marche à vide.
Marche à vide
Le champ magnétique B0 est dû uniquement au courant inducteur J; le courant inducteur a une valeur J0 telle que E = V (généralement la tension V du réseau est égale à la tension nominale de l’alternateur Vn).
Lorsque J varie, la f.é.m. E cesse d’être égale à la tension V et un courant prend naissance dans chaque phase statorique; si on néglige les pertes par effet Joule dans le stator et si on suppose que le couple moteur exercé par la turbine est encore nul, la puissance électrique P = 3 V I cos ϕ fournie par l’alternateur au réseau est toujours égale à zéro :
P = 3 V I cos ϕ = 0 ⇒ cos ϕ = 0 ⇒ ϕ = ± π/2
Donc les courants statoriques sont purement réactifs.
A vide, l’augmentation du courant d’excitation J provoque la fourniture et ladiminution provoque une absorption de l’énergie réactive au réseau.
2.2. Fonctionnement en charge
Le courant d’excitation, étant fixé à une valeur J, on augmente l’admission du moteur d’entraînement, le rotor tendant à accélérer, il en résulte un décalage θ en avant du champ rotorique BJ par rapport au champ résultant initial B0. (fig : Fonctionnement en charge).
Fonctionnement en charge
Quand une machine synchrone fonctionne en génératrice (fournie de l’énergie active) E est en avance sur V (dans le sens tournant du champ).
Pour modifier le fonctionnement d’un alternateur relié à un réseau, on peut agir sur deux grandeurs :
• l’ouverture de la vanne d’admission de la turbine.
• le courant inducteur J.
Il en résulte que , si l’on ne fait varier que l’une de ces deux grandeurs, l’alternateur présente deux régimes de fonctionnement possibles.
a) Fonctionnement à J = Cte (risque de décrochage)
Au fur et à mesure que l’on ouvre la vanne d’admission, le couple Tmot appliqué par la turbine augmente : l’angle de décalage θ, (donné par l’équation T = T sin pθ = Tmot) croît également : le vecteur E fait avec le vecteur V un angle θe = pθ de plus en plusgrand (fig:Fonctionnement à J = Cte).
Fonctionnement à J = Cte
Lorsque le décalage augmente, le couple électromagnétique résistant diminue et le groupe « turbine – alternateur » accélère; il s’écarte de synchronisme. Le couple résistant moyen s’annule et la turbine s’emballe : c’est le phénomène de décrochage.
Cet incident risque d’autant moins de se produire que le rapport entre le couple électromagnétique résistant de l’alternateur T et le couple moteur de la turbine Tmot, appelé facteur de stabilité s, soit plus grand.
L’alternateur délivrant à un réseau une puissance active donnée, les pôles de son rotor (le champ rotorique BJ) sont en avance d’un angle électrique θe = pθ parfaitement déterminé par rapport aux pôles fictifs résultants (le champ résultant B0) du rotor et du stator. Si pour une cause externe (décharge brutale d’un alternateur du réseau …) le décalage géométrique θe augmente brusquement d’un angle α = dθ, il peut en résulter des oscillations de vitesse de l’alternateur, oscillations que l’on
désigne sous le nom de « pompage ».
Pour assurer une bonne stabilité de fonctionnement d’une machine synchrone aussi bien en régime permanent qu’en régime transitoire, on a intérêt à adopter pour couple nominal une valeur assez éloignée du couple maximal (soit un rapport Tm / Tn de 2 à 2,5). Par ailleurs, comme le couple maximal est proportionnel à la f.é.m. à vide (donc sensiblement au courant d’excitation J), il est toujours souhaitable d’exciter le plus possible la machine.
Pour une puissance donnée, la stabilité du groupe « turbine – alternateur » augmente avec le courant inducteur J.
b) Fonctionnement à P = Cte : courbes en V
Fonctionnement à P = Cte
La stabilité exige que C se trouve à droite de Cd appelé point de décrochage : à chaque valeur de la puissance P correspond une valeur minimale Jd telle que :
pour J = Jd ⇒ E = OCd.
Puisque P = Cte, la composante active de I est une constante. Le diagramme montre
que :
* pour J < Jm (sous-excitation) ⇒ ϕ < 0 (I est déphasé en avant de V).
* pour J = Jm (excitation optimale) ⇒ ϕ = 0 (I est en phase avec V).
* pour J > Jm (surexcitation) ⇒ ϕ > 0 (I est déphasé en arrière de V).
En conséquence, alors que l’alternateur fournit toujours la puissance active
P = √3 U I cos ϕ au réseau, il n’en est pas de même de la puissance réactive
Q = √3 U I sin ϕ.
* En surexcitation (J > Jm) ⇒ Q > 0 : l’alternateur fournit au réseau de la puissance réactive Q.
* En sous-excitation (J < Jm) ⇒ Q < 0 : l’alternateur demande au réseau la puissance réactive Q.
Les courbes représentant la fonction I = f(J) avec P = Cte portent le nom de courbes en V de Mordey (fig : Courbes en V).
Courbes en V
Pour une puissance donnée, on aurait intérêt à choisir la valeur minimale de I (ce qui entraînerait des pertes par effet Joule minimales); en fait, pour améliorer la stabilité, on surexcite légèrement les alternateurs (jusqu’à ce que cos ϕ soit voisin de 0,9 par exemple).
On peut régler le point de fonctionnement de l’alternateur en agissant sur la turbine et sur le courant d’excitation.
Il faut noter que la théorie de Behn – Eschenburg n’est valable lorsque le circuit magnétique est saturé, mais elle permet de prévoir approximativement le fonctionnement.
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