Université Ferhat Abbas Sétif-1 Faculté de Technologie

Département d’Electrotechnique

Production de l’Energie Electrique

2ème année licence LMD

Code : LET46

Enseignant responsable : Dr. Abdelhak Dida

Année universitaire : 2019/2020

Programme

I. Introduction

II. Alternateurs électriques III. Centrales hydrauliques

IV. Centrales thermiques V. Centrales nucléaires

VI. Centrales à origines renouvelables

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Chapitre 1 : Introduction

De tout temps, l’homme a eu besoin de l’énergie pour se nourrir, se déplacer. Celle-ci

existe sous plusieurs formes. Aujourd’hui, la technologie permet d’en produire en grande

quantité, en utilisant toutes les ressources possibles (fossiles, eau, vent, soleil…). L’énergie

est un enjeu majeur, tant au niveau politique, économique, scientifique qu’environnemental…

1.1. L’énergie c’est quoi ? Energie vient du mot grec "energeia" qui veut dire force en action. Cela veut dire que

l’énergie produit une force qui met les objets en mouvement ou les transforme : faire

changer la position (le volume, la température, la forme …) d’un objet, … Presque toute notre énergie est créée par le soleil. On ne peut pas la créer nous-même.

Et quand on l’utilise elle ne disparaît pas, elle change juste de forme et de nom : quand une

énergie produit de la chaleur on l’appelle énergie thermique, quand elle produit un

mouvement c’est une énergie cinétique, quand elle est stockée et qu’on ne l’utilise pas on dit que c’est une énergie potentielle.

L’unité SI (système international d’unités) de d’énergie ou travail est le joule [J], 1 Joule

correspond au travail effectué par une force de 1N sur une distance de 1m.

1.2. Panorama historique des différentes énergies Force humaine : depuis l’origine… (quelques millions d’années) Force animale : depuis plusieurs millénaires (cheval, bœuf, chameau…)

Force du vent : depuis l’antiquité (voile, moulin à vent, éolienne)

Combustible : - bois : depuis 300 000 ans

- charbon : depuis le 18-19ème siècle - pétrole : découverte 19ème siècle, utilisation massive : milieu 20ème siècle

- gaz de ville (CO+H2) : 19ème siècle

- gaz naturel (CH4) : milieu 20ème siècle Énergie hydraulique : quelques millénaires

Énergie électrique : fin du 19ème siècle

Énergie nucléaire : milieu 20ème siècle Énergie solaire : milieu 20ème siècle (les combustibles fossiles et la biomasse… sont des

sous-produits de l’énergie solaire).

1.3. Principe fondamental de la conservation de l’énergie D’après la célèbre maxime de Lavoisier « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme », ça veut dire qu’on ne produit pas d’énergie, on la transforme ! et La quantité totale d’énergie

après n’importe quelle transformation demeure constante !

Exemple : moteur thermique à

explosion (moteur d’une voiture) pour la propulsion

d’une voiture

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La figure ci-dessous présente un aperçu sur le cycle de vie de l’énergie à la nature, on

peut constater que le soleil est la source primaire de toute l’énergie existant :

Figure. 1.1 Cycle de vie de l’énergie sue notre planète.

L’énergie peut être renouvelable ou non ?

L’énergie renouvelable, c’est une énergie qui provient de différents éléments de la nature. Elle ne s’épuise pas quand on l’utilise : le soleil, l’eau, le vent, les matières

organiques végétales et animales (résidus de l’agriculture, déchets ménagers, lisier…) ainsi

que la chaleur produite naturellement au centre de la terre. Cependant, L’énergie non renouvelable c’est une énergie qui se détruit quand on

l’utilise. On dit qu’elle est non renouvelable parce qu’il lui faut très longtemps pour se

reconstituer. Par exemple : les énergies fossiles (le charbon qui provient du bois, le pétrole

et le gaz naturel) et l’énergie nucléaire qui est produite à partir de l’uranium.

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1.4. Formes d’énergie

L’énergie exprime la force des phénomènes physiques, c’est une quantité mesurable.

On distingue différentes formes d’énergie :

1.4.1. Énergie mécanique (potentielle ou cinétique)

L’énergie potentielle (Ep) c’est l’énergie emmagasinée dans le corps, ou le système, et pourra être transformée en énergie cinétique lorsque le corps sera mis en mouvement, lors

d’une chute par exemple. L’énergie potentielle d’un corps dépend de son poids (la masse

notée m) et de sa hauteur (notée h). Ep = m.g.h (avec m en kg, g l’accélération de la pesanteur (9,81 m/s2 sur Terre) en newton

par mètre, h la différence d’altitude (altitude de départ - altitude d’arrivée) en mètre)

L’énergie cinétique (Ec) c’est l’énergie liée au mouvement d’un corps ou d’une particule. Cette énergie est proportionnelle au carré de la vitesse de déplacement : si le

corps est immobile, son énergie cinétique est nulle. Elle dépend aussi du poids du corps,

qui est responsable du mouvement de chute par exemple. Ec = 1/2.m.v2 (la masse m en kg, et la vitesse v en mètre par seconde (m/s))

L’énergie cinétique est proportionnelle au carré de la vitesse de l’objet. Cela signifie que

si on double la vitesse d’un objet, on multiplie son énergie cinétique par 4. On voit bien les

conséquences que cela peut avoir dans un accident de voiture : la gravité des dégâts et blessures occasionnés dépend de l’énergie cinétique du véhicule. Ainsi, une collision à 60

km/h entraînera des dégâts ou blessures 4 fois plus graves qu’une collision à 30 km/h.

C’est pour ça la distance de freinage augmente avec la vitesse du véhicule. D’où : Énergie mécanique (Em) = Ep + Ec

1.4.2. Énergie potentielle chimique

Lors d’une réaction chimique, de l’énergie est dégagée (ou absorbée suivant les réactions). Elle peut se présenter sous forme de chaleur, de lumière, d’agitation ou

d’explosion. Pour représenter la réaction chimique, on peut l’écrire sous forme d’équation

chimique, par exemple lors de la combustion du carbone : C+ 2O = CO2 La combustion est une manière de libérer l’énergie potentielle chimique, emmagasinée

dans un combustible (charbon, bois), en la transformant en chaleur (énergie thermique).

1.4.3. Énergie Electrique

L’électricité représente une forme intermédiaire d’énergie très intéressante par sa facilité de transport et de distribution, ceci aussi bien à l’échelle continentale qu’à

l’intérieur des appareils. Elle est produite presque à 100% dans des centrales, par une

conversion mécanique électrique au moyen d’alternateurs. Après la découverte des semi-conducteurs, l'électronique moderne a commencé de se

développer au début des années 50, après l'invention du transistor, et des circuits intégrés.

Cette véritable révolution technologique, nous donne des systèmes de communication et de control très efficaces et très flexibles soit analogique ou numérique, de faible consommation

énergétique et forte capacité de calcule après les systèmes de commande électromécanique

de forte consommation énergétique et faible capacité de calcule. L’énergie électrique est proportionnelle à la puissance moyenne mise en jeu et à la

durée considérée : E(t) = Pmoyen (t).∆t ([J] = [W].[s])

où Pmoyen(t) est la puissance en [W], et Δt est la durée en [s]. Le kilowattheure [kWh] est la

quantité d’énergie électrique absorbée pendant 1 heure par un appareil dont la puissance constante est de 1kW.

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1.4.4. Énergie Electromagnétique

L’énergie électromagnétique est l’énergie associée aux ondes électromagnétiques. La force électromagnétique est la combinaison de la force électrique (issue des interactions

entre charges électriques) et de la force magnétique (celle des aimants). Elle est véhiculée

par les photons. Le rayonnement électromagnétique est émis par les atomes ou leurs noyaux, et résulte de l’action à distance des particules électriquement chargées sur les

autres. L’onde se caractérise par une fréquence (nombre d’oscillations par seconde) et par

une longueur d’onde (distance parcourue pendant une période d’oscillation). Elle se

propage dans le vide à la vitesse de la lumière (3.108m/s), et presque aussi vite dans l’air. En fonction de la longueur d’onde et de la fréquence, on obtient soit :

Les ondes radio : dont la fréquence est inférieure à 300 GHz, soit une longueur

d'onde dans le vide supérieure à 1 millimètre. Adaptées au transport de signaux issus de

la voix et de l'image, les ondes radio permettent les radiocommunications (Talkie-

walkies, téléphone sans fil, téléphonie mobile...) et la radiodiffusion.

Les micro-ondes : utilisé dans le pour le chauffage, pour la diffusion des émissions

de télévision numérique terrestre, transmission sans fil pour réseaux locaux tels que Wi-

Fi, Bluetooth, DECT, le system GPS par satellite, pour La téléphonie mobile (plusieurs

bandes entre 700 mégahertz et 2,7 gigahertz), et pour les radars.

Les infra-rouges : utilisé pour la vision nocturne et à travers les murs, chauffage,

guidage de missiles, détecteurs d'intrusion, communication.

La lumière : La lumière est une onde qui se propage à la vitesse de la lumière ! Soit environ

3.108 m/s. Elle transporte de l’énergie depuis une source de lumière (étoile, lampe, flamme) jusqu’à un récepteur (oeil, plante, panneau solaire). La lumière est l’énergie de rayonnement des ondes électromagnétiques visibles à l’oeil nu. L’énergie lumineuse est portée par des particules

appelées photons. Un capteur solaire est un récepteur capable de capter l’énergie

lumineuse de la transformer en une autre forme d’énergie (l’électricité). A l’inverse, une source de lumière, comme une lampe, peut transformer l’énergie qui l’alimente

(l’électricité) en énergie lumineuse.

Les ultra-violets : pour l’imagerie médicale, science forensique, dépistage de drogues;

suivi de balises sur les produits (code-barres), détecteurs optiques pour l’automatisation.

Les rayons X : pour les radiographies à l’hôpital, et pour la surveillance aux frontières

et dans les aéroports, sur les objets et les véhicules. D'autres sont en test ou à l'étude concernant l'humain.

Les rayons gamma : pour les processus nucléaires et radioactivité, pour l’imagerie

médicale, le médecine nucléaire, la spectrométrie gamma, l’astronomie gamma.

1.4.5. Énergie Thermique L'énergie thermique (l'énergie calorique ou chaleur) est la manifestation de

l'énergie sous forme de chaleur. Dans tous les matériaux, les atomes qui

composent leurs molécules sont en mouvement continu, ou en vibration. Ce mouvement implique que les atomes ont une certaine énergie cinétique que nous

appelons énergie thermique ou chaleur. La calorie est une ancienne unité d'énergie.

C'est la quantité d'énergie nécessaire pour élever la température d’un gramme d'eau liquide de 14,5 à 15,5 °C, tel que 1calorie=4,1855 joules. L'énergie interne d'un

système thermodynamique peut être modifiée de deux manières: en effectuant

des travaux sur le système et en échangeant de la chaleur avec l'environnement.

L'énergie que le corps reçoit ou perd dans le processus d'échange de chaleur avec l'environnement est appelée quantité de chaleur.

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L'énergie thermique peut être transmise d'un corps à un autre selon les lois

de la thermodynamique de trois manières différentes:

Transmission par rayonnement : par exemple un système d’énergie solaire thermique ou photovoltaïque

Transmission par conduction : qui se produit lorsqu'un corps chaud est en

contact physique avec un autre corps plus froid, par exemple un système de chaudière

Transmission par convection : qui se produit lorsque des molécules chaudes

sont déplacées d'un côté à l'autre. C'est le cas du vent, capable de déplacer

des molécules avec une certaine énergie thermique d'un côté à l'autre.

1.4.5. Énergie nucléaire

Elle est produite à partir d’un minerai appelé uranium. La fission des atomes

d’uranium libère une très grande quantité d’énergie sous forme de chaleur dont on se sert pour chauffer de l’eau permettant de produire de l’électricité. Des 92 éléments qui

composent la Terre, l’uranium est celui qui possède les plus gros atomes, et c’est donc leur

noyau qui a le plus de chance de se fractionner.

D’après le graphe ci-dessous (Fig. 1.2), il est aisé de constater que l'énergie électrique

est directement ou indirectement reliée, et ce de façon réversible (sauf nucléaire), à

l'intégralité des énergies existantes. En bref, il est possible de générer de l'électricité à partir de toutes les sources d'énergie et inversement.

Figure 1.2 : L’énergie sous toutes ses formes et leurs processus de conversion.

L'électrotechnique est la science des applications domestiques et industrielles (production, transformation, transport, distribution et utilisation) de l'électricité. La Fig. 1.3

présente la participation de différente source d’énergie à la consommation mondiale en

2015. L’électricité est distribuée à l’échelle continentale par un réseau extrêmement dense de lignes aériennes et de câbles souterrains jusque vers les consommateurs (Fig. 1.4). Dans

les bâtiments, elle est distribuée plus finement encore vers les différents appareils et

machines. Au moment de sa consommation, l’énergie électrique est reconvertie en énergie mécanique, thermique, lumineuse ou chimique, ceci pour répondre à chaque besoin.

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Le principal inconvénient de l’énergie électrique est qu’elle ne peut pas être stockée

directement en grandes quantités. L’énergie produite doit être immédiatement consommée. Plus exactement, les producteurs d’électricité mettent à disposition exactement la quantité

d’énergie électrique nécessaire pour satisfaire la consommation à chaque instant.

Figure. 1.3 Structure de la production d’électricité à l’échelle mondiale, fin 2015, avec puissance globale de

7800 GW (REN21)

Figure 1.4 : De la centrale aux clients, l’électricité sert au transport de l’énergie

1.5. Principe de fonctionnement des réseaux électriques

1.5.1. Appel de puissance d'un réseau

La puissance demandée par l'ensemble des clients d'un réseau subit de grandes

fluctuations selon l'heure de la journée et selon les saisons. Le graphique de la Fig. 1.5 montre des variations quotidiennes et saisonnières typiques pour un réseau quelconque.

On constate sur ce graphique que l'appel de puissance maximal pendant l'hiver (15GW)

peut être plus du double de l'appel minimal pendant l'été (6GW).

Figure 1.5 : Fluctuations typiques de l'appel de puissance durant une année.

La Fig. 1.6 montre pour le même

réseau, la variation horaire de l'appel de

puissance pour une journée d'hiver et pour une journée d'été. On remarque dans cet

exemple que la pointe de 15GW en hiver se

produit vers 17h, car c'est à ce moment

que les lumières sont allumées dans toutes les maisons et que plusieurs usines sont

encore en marche. Par contre, le creux de

la demande arrive aux petites heures du matin.

Figure 1.6 : Fluctuation de l'appel de puissance

durant une journée.

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Si l'on ramène les appels de puissance journaliers à une base annuelle,

on obtient le graphique de la Fig. 1.7. Par

exemple, cette figure indique qu'un appel de puissance de 9GW existe pendant 70%

du temps, tandis qu'un appel de 12GW ne

se produit que 15% du temps. On

s'aperçoit qu'une puissance de base de 6GW est requise en tout temps, qu'une

puissance intermédiaire additionnelle de

6GW est requise pendant au moins 15% du temps et qu'une puissance de pointe de

3GW n'est requise que pendant une courte

période (<1%). Ces fluctuations de l'appel de puissance obligent les compagnies

d'électricité à prévoir trois classes de

centrales de génération :

Figure 1.7 : Appel de puissance en fonction de son temps d'utilisation annuel.

a) Centrales de base : de grande puissance qui débitent leur pleine capacité en tout temps. Les centrales nucléaires sont particulièrement capables à remplir ce rôle

b) Centrales intermédiaires : de puissance moyenne qui peuvent réagir rapidement aux

fluctuations de la demande. C'est le cas des centrales hydrauliques dont le débit est

facilement contrôlable c) Centrales de pointe : de puissance moyenne qui ne débitent leur pleine capacité que

pendant de courtes périodes, Les centrales de pointe doivent être mises en marche dans un

délai très court; elles utilisent donc des moteurs diesel, des turbines à gaz, des moteurs à air compressé ou des turbines hydrauliques à réserve pompée. Remarquons que la période

de démarrage est de quatre à huit heures pour les centrales thermiques et de quelques

jours pour les centrales nucléaires. Il n'est donc pas économique d'utiliser ces centrales pour fournir la puissance de pointe.

Quant aux considérations énergétiques, la Fig. 1.7 montre que les centrales de base de

6 GW fournissent 58 % de l'énergie annuelle du réseau. Par contre, les centrales de pointe de 3 GW donnent seulement 1,3 % de l'énergie totale. L'énergie provenant des centrales de

pointe coûte donc beaucoup plus cher que celle des centrales de base, c'est pourquoi les

compagnies d'électricité encouragent les clients à limiter leur charge de pointe.

1.5.2. Emplacement des centrales et transport de l'énergie primaire

L'emplacement des centrales de génération, des lignes de transport et des postes de

transformation demande toujours une analyse détaillée pour arriver à une solution

acceptable et économique. Parfois, on peut placer une centrale à côté de la source d'énergie primaire et utiliser des lignes pour transporter l'énergie électrique. Quand cela n'est pas

pratique ou économique, on doit transporter la matière première (charbon, mazout, gaz

naturel, uranium) par bateau, train, pipe-line, etc .., jusqu'à la centrale. Les centrales

peuvent donc être plus ou moins éloignées de l'usager (Fig. 1.8).

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Dans cette figure, les symboles GH,

GN, GT signifient respectivement

centrale hydraulique,

centrale nucléaire et centrale thermique

Figure 1.8 : Extraction, transport et transformation de l'énergie primaire en énergie électrique. Les lignes de transport, reliant les centrales de production G aux usagers, doivent contourner divers

obstacles.

1.5.3. Commande de la puissance et de la fréquence (cas d'une centrale isolée)

La puissance consommée par un réseau doit être fournie instantanément par

les alternateurs, car on ne peut pas

emmagasiner l'énergie électrique. Afin de comprendre les éléments essentiels de la

commande de la puissance, considérons

une centrale hydraulique unique alimentant une charge R1 (Fig. 1.9). L'eau disponible

derrière un barrage fait tourner une turbine

qui entraîne un alternateur.

La puissance PT développée par la turbine dépend essentiellement de

l'ouverture des vannes; plus l'ouverture est

grande, plus la puissance développée est grande. Cette puissance est transmise

intégralement au rotor de l'alternateur.

Figure 1.9 : Deux réseaux indépendants

D'autre part, la puissance PC débitée par l'alternateur dépend exclusivement de l'appel

de puissance imposé par la charge. Lorsque la puissance mécanique PT fournie au rotor est égale à la puissance électrique PC débitée par le stator, l'alternateur est en équilibre et sa

vitesse demeure constante. On dit alors que le réseau est stable.

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Cependant, on a vu que l'appel de puissance varie continuellement, de sorte que PC est

tantôt plus grande, tantôt plus petite que PT. Si PC est plus grande que PT, la vitesse du groupe électrogène (turbine et alternateur) commence à diminuer. Par contre, si PC est

inférieure à PT, la vitesse commence à augmenter et, si l'écart entre les deux puissances est

grand, le groupe électrogène risque même de s'emballer.

Le changement de la vitesse du groupe électrogène est donc un excellent indicateur de

l'équilibre entre PT et PC et, dès lors, de la stabilité du réseau. Lorsque la vitesse diminue,

on doit ouvrir les vannes encore et lorsque la vitesse augmente, on doit réduire l'ouverture,

toujours afin de maintenir l'équilibre entre PT et PC. L'ouverture des vannes est contrôlée automatiquement par un régulateur de vitesse qui utilise l'indication fournie par un

tachymètre (capteur de vitesse).

Ces régulateurs de vitesse sont extrêmement sensibles ; ils peuvent détecter des variations de vitesse de seulement 0,02%. Par exemple, lorsque la vitesse passe de 1800

r/min à 1799,64 r/min, ces régulateurs commencent à agir sur le mécanisme des vannes.

Lorsque la charge augmente brusquement, la vitesse diminue momentanément, mais le régulateur ramène aussitôt la vitesse à sa valeur originale. Il en est de même lorsque l'appel

de puissance diminue subitement; la vitesse augmente brièvement, pour revenir à sa valeur

normale. Évidemment, toute variation de la vitesse de rotation provoque la même variation de la

fréquence du réseau. La variation de fréquence, tout comme la variation de vitesse, est

donc un excellent indicateur de la stabilité d'un réseau. Le réseau est stable lorsque sa

fréquence demeure constante. Les régulateurs de vitesse des centrales thermiques et nucléaires (Fig. 1.8)

fonctionnent de la même manière sauf que l'ouverture et la fermeture des soupapes à

vapeur doivent être accompagnées par une variation correspondante du taux de combustion. Ainsi, dans une chaudière à charbon, on doit réduire le feu lorsque l'on ferme

les soupapes, autrement on risque de faire éclater les chaudières.

1.5.4. Commande de la puissance et de la fréquence (plusieurs centrales reliées)

Considérons les deux centrales

de la Fig. 1.9. Elles peuvent

évidemment alimenter leurs réseaux respectifs RI et R2. Les fréquences

peuvent alors être différentes et une

perturbation sur un réseau n'affecte

pas les autres. Cependant, on a avantage à relier les réseaux par des

lignes d'interconnexion (Fig. 1.10) et

ceci pour répondre aux trois exigences suivantes :

a. la stabilité du réseau

b. la continuité du service c. l’économie

Figure 1.10 : Trois réseaux reliés par des lignes

d'interconnexion.

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a. Stabilité : Les réseaux interconnectés forment un ensemble qui est plus puissant que

les réseaux individuels. Il s'ensuit que ce grand réseau peut mieux supporter les perturbations qu'une centrale seule; donc, il est plus stable. Par exemple, si la charge

augmente subitement sur le réseau R1, un transfert d'énergie se produit immédiatement

sur les lignes d'interconnexion de sorte que l’augmentation de la charge est supportée par les trois centrales au lieu d'une seule.

b. Continuité de service : De la même manière, si une centrale tombe en panne, ou si l'on

doit la débrancher pour y faire de l'entretien, sa clientèle peut être alimentée

temporairement par les deux autres centrales. L'énergie ainsi transportée sur les lignes d'interconnexion est facturée, s'il y a lieu, à la région qui en bénéficie.

c. Economie : Lorsque les réseaux sont reliés, on peut répartir la charge entre les trois

centrales afin que le coût de fonctionnement global soit minimal. Par exemple, durant la nuit, au lieu de faire fonctionner toutes les centrales à 30% de leur capacité, on peut

arrêter une centrale complètement et permettre aux autres de porter toute la charge. De

cette manière, on réduit à « zéro » le coût de fonctionnement d'une des centrales et on augmente le rendement des deux autres, car elles débitent alors une puissance voisine de

leur puissance nominale.

Les compagnies d'électricité ont donc tout avantage à grouper leurs ressources à l'aide de lignes d'interconnexion. Le centre de conduite du réseau répartit la charge totale entre

les diverses centrales et compagnies, souvent à l'aide d'un ordinateur. Ce bureau est

également chargé de prévoir les variations de la demande quotidienne et saisonnière et de

veiller continuellement à la bonne marche et à la stabilité de l'ensemble du réseau (Fig.

1.11).

Bien que les réseaux ainsi reliés doivent nécessairement fonctionner à la

même fréquence, on peut quand même

répartir la charge entre les centrales selon un programme déterminé. Par exemple, si

une centrale doit porter une charge accrue,

il suffit d'agir sur son régulateur de vitesse afin que les vannes s'ouvrent davantage. La

surcharge ainsi fournie par une centrale

diminue d'autant la puissance totale

débitée par les autres centrales.

Figure 1.11 : Le centre de conduite de la

firme en Allemagne.

1.5.6. Conditions lors d'une panne

Une panne majeure sur un réseau crée un état d'urgence et on doit réagir aussitôt afin

que la perturbation n'atteigne pas d'autres réseaux. La perte d'une grosse charge, la perte

d'une grosse génératrice et l'ouverture brusque d'une ligne d'interconnexion constituent

des pannes majeures.

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Lorsque l'on perd une charge importante, la vitesse des turbines augmente et la

fréquence croît partout sur le réseau. De la même façon, lorsque l'on perd une génératrice, la vitesse des turbines et la fréquence du réseau diminuent très vite, parfois à un rythme de

5 Hz par seconde. Dans ces circonstances, il n'y a pas de temps à perdre et si les moyens

conventionnels ne suffisent pas à ramener la fréquence à 60 Hz, on doit immédiatement délester le réseau d'une ou de plusieurs grosses charges. Ainsi, des relais sensibles à la

fréquence ouvrent des lignes prédéterminées à mesure que la fréquence diminue.

Par exemple, on peut débrancher 15 % de la charge du réseau lorsque la fréquence

baisse à 59,3Hz, en débrancher encore 15 % lorsque la fréquence atteint 58,9Hz et, enfin, couper une dernière tranche de 30 % lorsque la fréquence tombe à 58 Hz. Ce délestage doit

se faire en moins d'une seconde pour permettre de sauver les charges jugées les plus

importantes. Quant aux clients débranchés, le problème est grave, car une remise en service prend du temps et crée des problèmes sérieux dans tous les secteurs : ascenseurs

arrêtés à mi-chemin, fours à arc qui se refroidissent, papier en production qui se déchire,

feux de signalisation qui s'éteignent, etc. Pour ces raisons, on a tout intérêt à maintenir un service ininterrompu.

On s'est aperçu que la majorité des défauts sont due à des courts-circuits de courte

durée. Ils sont souvent causés par la foudre, la pluie ou les surtensions aléatoires créées par l'ouverture et la fermeture des disjoncteurs.

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Chapitre 2 : Alternateurs Electriques

2.1. Définitions

Les alternateurs triphasés sont la source primaire de toute l'énergie électrique que nous consommons. Ces machines constituent les plus gros convertisseurs d'énergie au

monde. Elles transforment l'énergie mécanique en énergie électrique avec des puissances

allant jusqu'à 1500MW.

2.2. Principe des alternateurs de grande puissance

Les alternateurs commerciaux sont construits avec un inducteur fixe ou un inducteur

rotatif. L'inducteur est composé de deux ou de plusieurs pôles produisant un champ magnétique constant.

Un alternateur à inducteur fixe a la même apparence extérieure qu'une génératrice à

courant continu. Les pôles saillants produisent le champ magnétique qui est coupé par les conducteurs situés sur l'induit. L'induit porte un enroulement triphasé dont les bornes

sont connectées à trois bagues montées sur l'arbre. Un groupe de balais fixes recueille la

tension triphasée qui est appliquée à la charge. L'induit est entraîné par un moteur à explosion ou toute autre source de force motrice.

La valeur de la tension triphasée dépend de la vitesse de rotation et de l'intensité du

champ magnétique (E = 4,44.f.N.Φmax). La fréquence dépend de la vitesse et du nombre de pôles de l'inducteur. Les alternateurs à inducteur fixe sont utilisés pour des puissances

inférieures à 5kVA. Pour des puissances plus importantes, il est plus économique, plus

sécuritaire et plus pratique d'employer un inducteur tournant.

Un alternateur à inducteur tournant possède un induit fixe, appelé stator. Cette construction est plus avantageuse car elle permet d'alimenter directement le circuit

d'extérieur sans passer par les bagues de fortes dimensions qui seraient requises avec un

induit tournant. De plus, l'isolement des bobinages du stator est grandement simplifié du fait qu'ils ne sont soumis à aucune force centrifuge.

Une génératrice à courant continu, appelée excitatrice, habituellement montée sur le

même arbre que l'alternateur pour fournit le courant d'excitation aux circuits inducteurs.

La Fig. 2.1 montre les parties principales d'un alternateur à inducteur tournant. Noter

que pour alimenter le circuit d’excitation au moyen du courant Ix, les balais frottant sur le

collecteur de l'excitatrice doivent être raccordés à un deuxième groupe de balais qui glissent sur deux bagues. Nous verrons plus loin que dans les systèmes modernes, on remplace

l'excitatrice à courant continue par un générateur à courant alternatif et un redresseur

monté sur l'arbre.

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Figure 2.1 : Vue en coupe d'un alternateur de 500MW avec son excitation principale de 2400kW. Le

courant d'excitation Ix de 6000A doit passer par un collecteur et deux bagues. Le courant de commande Ic provenant de l'excitatrice pilote permet de faire varier le champ de

l'excitatrice et par la suite, le courant Ix.

2.3. Nombre de pôles

Le nombre de pôles d'un alternateur est imposé par la vitesse du rotor et par la fréquence du courant à produire. Ainsi, considérons un conducteur de l'induit devant

lequel se déplacent les pôles nord et les pôles sud du rotor. Si la tension induite dans ce

conducteur prend une série de valeurs positives pendant le passage d'un pôle nord, elle

prendra une série de valeurs égales, mais négatives, pendant le passage d'un pôle sud. Chaque fois qu'une paire de pôles se déplace devant un conducteur, la tension induite

décrit donc un cycle complet. On en déduit que la fréquence est donnée par l'équation :

f = p*N/60

Où : f = fréquence de la tension induite [Hz]

p = nombre de pair de pôles du rotor N = vitesse du rotor [tr/min]

Exemple : Une turbine hydraulique tournant à une vitesse de 200tr/min entraîne un

alternateur. Si la fréquence de la tension induite est de 60Hz, combien de pôles le rotor

comporte-t-il ? p = 60*60/200 = 18 pair de pôle.

2.4. Stator Du point de vue électrique, le stator d'un alternateur est identique à celui d'un moteur

asynchrone triphasé. Il se compose d'un noyau feuilleté ayant la forme d'un cylindre vide et

comportant des encoches dans lesquelles sont logés les conducteurs d'un enroulement

triphasé (Fig. 2.2). L'enroulement est toujours raccordé en étoile et le neutre est accessible pour permettre sa mise à la terre. On préfère la connexion en étoile à celle en triangle pour

les raisons suivantes :

La tension par phase étant seulement 1/√3, ou 58 % de celle entre les lignes, on peut

réduire l'épaisseur de l'isolant dans les encoches. Cela permet de grossir la section des conducteurs et, par conséquent, la puissance de la machine

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.Lorsque l'alternateur est en charge, la

tension induite par phase se déforme de sorte

que la forme d'onde n'est plus tout à fait sinusoïdale. Cette distorsion est due

principalement à la présence des tensions de

troisième harmonique qui se superposent à la tension fondamentale. Avec une connexion en

étoile, les troisièmes harmoniques

n'apparaissent pas entre les fils de ligne, car elles s'annulent. Par contre, si l'on utilise une

connexion en triangle, ces tensions

s'additionnent et provoquent la circulation d'un courant dans le triangle et, par

conséquent, occasionnent des pertes Joule

supplémentaires.

La tension nominale (ligne à ligne) d'un alternateur varie selon sa puissance en kVA.

En général, plus la capacité de la machine est

grande, plus sa tension est élevée. Cependant, la tension nominale d'un

alternateur dépasse rarement 25 kV, car

autrement le volume de l'isolation des conducteurs dans les encoches deviendrait

prohibitif.

Figure 2.2 : Segment d'une lamination du

stator et d'une lamination des pôles saillants du rotor. Chaque segment de tôle du stator

est recouvert d'un vernis isolant pour limiter les courants de Foucault. Les encoches ont

une largeur de 22,3 mm et une profondeur de 169 mm. Les plaques d'acier utilisées dans la

construction des pôles saillants sont beaucoup plus épaisses (2 mm vs 0,5 mm) et

elles ne sont pas isolées car elles sont traversées par un flux constant. La largeur

maximale du pôle est de 600 mm et l'entrefer a une longueur de 33 mm. Les huit petits

trous dans la face du pôle servent à loger les barres de cuivre formant la cage

d'amortissement. Les gros trous servent à boulonner les plaques ensemble.

2.5. Rotor Si l'on fait tourner le rotor, les lignes de flux produites par les pôles inducteurs

balaient les trois enroulements du stator et induisent dans ceux-ci des tensions triphasées. Les rotors sont à pôles saillants ou à pôles lisses selon qu'ils sont entraînés à basse vitesse

par des turbines hydrauliques ou à haute vitesse par des turbines à vapeur.

a) Rotor à pôles saillants : Afin d'extraire la

puissance maximale de la chute d'eau, les turbines hydrauliques des centrales à basse et à moyenne

chutes d'eau tournent toujours à basse vitesse :

entre 50 et 300tr/min. Comme les alternateurs sont raccordés directement aux turbines et

puisqu'une fréquence de 60Hz (ou 50Hz) est

imposée, on doit placer un grand nombre de pôles sur le rotor. Les alternateurs à basse vitesse ont

donc toujours un grand diamètre, de façon à

donner l'espace nécessaire pour loger le nombre de pôles requis. Dans ces machines, le rotor est

constitué d'une roue en acier montée sur un arbre

vertical et sur laquelle sont fixées les pièces polaires

(Fig. 2.3).

Figure 2.3 : Rotor à 36 pôles prêt à être placé à l'intérieur d’un stator; masse: 600t ; moment d'inertie : 4140t.m2;

entrefer : 33mm. L’excitation de 2400 A sous une tension continue de 330 V est assurée par un redresseur électronique.

Stator

Rotor

Entrefer

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Les bobinages d'excitation placés sur les pièces polaires sont constitués de barres de

cuivre ordinairement nues, mais isolées entre elles par des bandes de mica. L'emploi de conducteurs nus favorise leur refroidissement. Les bobines sont reliées en série de façon

que deux pôles voisins soient de polarités contraires.

En plus de l'enroulement à courant continu, on installe une cage d'écureuil dans la face des pôles. En régime permanent, cet enroulement ne porte aucun courant, car le rotor

tourne à la vitesse synchrone. Lorsque la charge de l'alternateur change brusquement, il en

résulte une oscillation mécanique du rotor de part et d'autre de la vitesse synchrone et un

courant induit se met à circuler transitoirement dans la cage. Ce courant réagit avec le champ et amortit les oscillations du rotor; pour cette raison, cette cage d'écureuil est

appelée enroulement amortisseur.

Lorsque la charge triphasée n'est pas équilibrée, l'enroulement amortisseur tend également à combattre le

déséquilibre des tensions induites dans le stator et à

maintenir une forme d'onde sinusoïdale à ses bornes.

b) Rotor à pôles lisses. Les turbines à vapeur tournent toujours à haute vitesse :

3600tr/min ou 1800tr/min sur les réseaux à 60Hz, et 3000 ou 1500tr/min sur ceux à

50Hz. Par conséquent, les alternateurs qu'elles entraînent comportent 2 ou 4 pôles seulement ; on les désigne sous le nom de turbo-alternateurs. Leur rotor a une forme

cylindrique, car les pôles sont formés en plaçant des bobines dans des encoches taillées

dans la masse même du rotor. Les forces centrifuges intenses dues à la haute vitesse de

rotation imposent une limite au diamètre du rotor ; comme d'autre part, les grandes puissances (500MW à 1500MW) nécessitent un gros rotor, on est obligé de lui donner une

forme très allongée (Fig. 2.4).

Figure 2.4 : Rotor d'un turbo-alternateur triphasé de 1530MVA, 1500tr/min, 27kV, 50 Hz, en cours

d'usinage. Les quarante encoches destinées à loger l'enroulement à C.C. sont taillées directement dans

le cylindre d'acier coulé d'un bloc. Longueur effective : 7490mm ; diamètre : 1800mm

(gracieuseté d'Attis Chalmers Power Systems, Inc. West Allis, Wisconsin).

2.6. Excitatrice L'excitation d'un alternateur puissant constitue un de ses éléments les plus

importants. En effet, le champ doit non seulement induire une tension appropriée, mais il

doit aussi pouvoir varier rapidement lorsque la charge varie brusquement. La vitesse de

réponse est un facteur important pour le maintien de la stabilité du réseau auquel l'alternateur est branché. Afin d'obtenir une réponse rapide on utilise deux excitatrices :

une excitatrice principale et une excitatrice pilote.

L'excitatrice principale fournit le courant d'excitation de l'inducteur, habituellement par l'intermédiaire de balais et de bagues. En régime normal, la tension générée est

comprise entre 125V et 600V. On peut la régler manuellement ou automatiquement en

faisant varier l'intensité du champ inducteur, c'est-à-dire en agissant sur le courant d'excitation Ic, provenant de l'excitatrice pilote (Fig. 2.1).

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La puissance nominale de l'excitatrice principale dépend surtout de la capacité et de la

vitesse de l'alternateur qu'elle alimente. Par exemple, la puissance fournie par une excitatrice à un alternateur de 1000kVA peut être de l'ordre de 25kW (soit 2,5 % de la

puissance), alors que celle fournie à un alternateur de même vitesse, mais d'une puissance

de 500MW, est d'environ 2500kW (soit seulement 0,5% de la puissance de l'alternateur). En régime normal, l'excitation est commandée automatiquement; elle varie suivant les

fluctuations de la charge pour garder la tension constante ou, encore, pour changer la

puissance réactive débitée par l'alternateur. Une perturbation grave sur un réseau peut

occasionner une baisse subite de la tension aux bornes de l'alternateur. L'excitatrice doit alors répondre très rapidement pour soutenir la tension. Par exemple, la tension

d'excitation peut doubler par rapport à sa valeur nominale en 300 ou 400ms, ce qui

représente une réaction extrêmement rapide, si l'on considère que la puissance des excitatrices est de quelques milliers de kilowatts.

2.7. Excitation sans balais À cause de l'usure des balais et de la poussière conductrice qu'ils dégagent, il faut

effectuer une maintenance constante des bagues et du collecteur, sinon on risque des

courts-circuits. Pour éviter ce problème, on utilise de nos jours les systèmes d'excitation

sans balais dans lesquels un alternateur-excitateur et un groupe de redresseurs fournissent le courant continu à l'alternateur principal (Fig. 2.5). Si on compare le système

d'excitation de cette figure avec celui de la Fig. 2.1, on constate qu'ils sont identiques, sauf

que le redresseur remplace le collecteur, les bagues et les balais. Le courant de commande II provenant de l'excitatrice pilote régularise Ix, comme dans le cas d'une excitatrice à

courant continu conventionnelle.

Figure 2.5 : Schéma montrant le principe d'une excitation sans balais. L’excitatrice pilote est un

convertisseur électronique alimenté par une source triphasée. Le courant continu de commande le fait varier l'intensité du champ de l'inducteur. L’excitatrice principale est un alternateur triphasé à inducteur fixe. La tension triphasée induite dans le rotor est redressée par des diodes, permettant

de fournir le courant d'excitation IX à l'alternateur.

L'alternateur-excitateur et les redresseurs sont montés en bout d'arbre et tournent

ensemble avec l'alternateur principal. L'alternateur-excitateur triphasé possède

habituellement un nombre de pôles tel que sa fréquence soit 2 ou 3 fois celle du réseau.

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2.8. Facteurs affectant la grosseur des alternateurs

La quantité énorme d'énergie électrique générée par les compagnies d'électricité les a

rendues très sensibles à l'importance du rendement de leurs alternateurs ; chaque

augmentation de 1% représente, pour chaque alternateur, des économies de plusieurs milliers de dollars par jour. Or, une analyse effectuée dans ce point a démontré que son

rendement augmente à mesure que sa puissance croît. Par exemple, si un alternateur de

1kW possède un rendement de 73%, un alternateur de 10MW de forme identique mais de beaucoup plus grande taille aura inévitablement un rendement voisin de 90%. Les

alternateurs de 1000MW et plus possèdent un rendement de l'ordre de 99%.

D'autre part, plus la puissance d'une machine augmente, plus la puissance débitée

par kilogramme augmente. En se référant de nouveau à notre exemple, si l'alternateur de

1kW pèse 20kg (50W/kg), celui de 10MW ne pèsera que 20000kg, ce qui donne 500W/kg. Une machine de grande puissance pèse donc relativement moins qu'une machine de faible

puissance, de sorte que la première coûte relativement moins cher que la seconde.

Tout semble donc favoriser les grosses machines. Cependant, ce dernier avantage

provoque des problèmes de refroidissement. En effet, les dimensions devenant relativement

plus petites, les pertes par unité de surface augmentent, de sorte que les grosses machines

tendent à s'échauffer davantage. Pour prévenir une augmentation inacceptable de la température, on doit donc assurer un refroidissement de plus en plus efficace à mesure que

la puissance augmente. Par exemple, pour des turbo-alternateurs de puissance inférieure à

50MW, un refroidissement à l'air suffit, mais entre 50MW et 300MW on utilise un refroidissement à l'hydrogène.

Enfin, pour les machines encore plus puissantes, on a recours à des conducteurs

creux dans lesquels on fait circuler de l'eau froide. Finalement, on arrive à un point où le

coût élevé du système de refroidissement dépasse les économies faites ailleurs. C'est à ce

stade qu'on doit forcément cesser de grossir les machines davantage.

En somme, l'évolution des alternateurs de grosse puissance a été imposée, dans une

large mesure, par les techniques de refroidissement. D'autres innovations technologiques, telles que des nouveaux matériaux et des nouveaux bobinages, ont joué un rôle important

dans l'évolution des machines d'autrefois.

En ce qui concerne les alternateurs à basse vitesse, nous avons montré qu'ils sont

toujours plus gros que ceux de même puissance tournant à haute vitesse. Leur grosseur

facilite le problème de refroidissement et ils sont généralement refroidis à l'air. Il suffit

d'une bonne aération, complétée au besoin par un échangeur de chaleur à l'eau froide. Par exemple, les alternateurs de 500MVA, 200 tr/min, installés à Churchill Falls, sont refroidis

à l'air tandis qu'un alternateur plus petit, mais plus rapide de 275MVA, 1800tr/min,

installé à Lubbock, Texas, est refroidi à l'hydrogène.

2.9. Synchronisation des alternateurs Pour brancher un alternateur sur le réseau ou le coupler avec un autre alternateur, il

faut respecter les conditions de synchronisation suivantes :

la tension de l'alternateur doit être égale à celle du réseau et en phase avec lui, c’est le

rôle de l’excitatrice.

la fréquence de l'alternateur doit être la même que celle du réseau, c’est le rôle de la

turbine.

la séquence des phases de l'alternateur (a, b, c) doit être la même que celle du réseau.