IV.2.2. Choix selon le type d'entrainement et la vitesse de
rotation
Nous avons eu à parcourir quelques types de centrale
dans notre premier
chapitre :
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- Centrale thermique - Centrale nucléaire
|
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Turbo-alternateur
|
|
|
- Centrale hydraulique
|
Hydro-alternateur
|
Etant donné ce qui précède notre
alternateur hydraulique et ces types d'alternateur n'excédent pas une
vitesse de 500 tr/min à cause de l'emballement (sauf pour la Pelton) :
suivant la puissance de la turbine et la charge d'eau la vitesse de rotation
des alternateurs hydrauliques varie dans les limites de 50 à 600 tr/min.
les valeurs plus grandes de
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72
la vitesse de rotation sont relatives aux usines de haute
chute équipées des turbines de faible puissance et les valeurs
plus faibles aux usines de basse chute utilisant les grosses turbines.
Par contre les turbo-alternateurs sont d'une manière
générale construit pour la vitesse de 3000 tr/min et donc leur
nombre de période p=1. Pour le cas des centrales nucléaires
(Atomique) ou parfois les paramètres de la vapeur disponibles ne
permettent pas d'avoir une vitesse de rotation de la turbine supérieure
à 1500 tr/min ou construit des turboalternateurs de p=2 (paires de
pôles).
Le nombre de périodes ou plus couramment la
fréquence donne la fabrication
possible :
????* ??
?? = (4.26)
??
Avec p : nombre de paire des pôles Et, n
: vitesse de rotation en tr/min.
|
Pour notre cas : p=
|
???? *????
|
= ?? ?????????? ????
??ô??????
|
|
??????,??????
|
Notre turbine tourne à la vitesse de ?????? ?? ??
????/?????? les différentes vitesses en fonction de paire de pôles
se trouve dans le tableau 4.9.
Tableau4.10 vitesse de rotation en fonction du
nombre de pôles.
|
Vitesse (tr/min)
|
3000
|
1500
|
1000
|
750
|
600
|
500
|
428,6
|
375
|
333,3
|
300
|
272,7
|
|
Nombre de pôles
|
2
|
4
|
6
|
8
|
10
|
12
|
14
|
16
|
18
|
20
|
22
|
|
Nombre de pair de
pôles
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
Le plus souvent le rotor de turbo-alternateur est du type
rotor à pôles lisses et pour l'alternateur hydraulique est du type
rotor à pôles saillants. Les types de ces deux pôles
dépendent de la vitesse imposée au rotor.
IV.2.3. Caractéristiques essentielles de
l'alternateur
La puissance mécanique qui sera fournit à
l'alternateur est de 56 MW, pour les rendements supérieurs et
considérons le facteur de puissance 0,94 (plage de fonctionnement).
Daniel Kubelwa Page |
73
La puissance apparente est de
Sn = Po * ri
(4.27)
cos (po
Ou pn, : est la puissance de la
turbine
S = 56x0,96 =60 MVA
Sn
??,9
D: rendement de l'ordre de : 0,95 à 0,97. a)
Choix de la tension
Un ordre de grandeur approché de la tension optimale
Uopt(en kv) d'un alternateur hydraulique est
donné par la formule :
Uopt = I%S (4.28)
Ou, S est la puissance apparente
Nous trouvons la tension optimale Uopt= 7,746
kv
Dans la plupart des normes, le choix de la tension se fait
suivant des plages de puissances et ainsi éviter d'avoir des conducteurs
de dimensions énormes :
- 10<x<30 MVA - ---
3,3 à 6,6
kv
- 30<x<100 MVA - ---
10 à 15 kv
- 100 < x < 500 MVA - ---
20 à 40 kv
- Etc.
Nous nous retrouvons dans la plage de 30 < x <
100 MVA comme à Nseke la tension est
de 10,500 KV, nous serons aussi contraint de choisir
cette tension pour des multiples avantages techniques.
3??
Alors le courant statorique est donné par :
I?? = v3*????,5 = 3300 A et son
couplage du stator évidemment) est «
étoile ».
b) Choix de la classe thermique ou
d'isolement.
Daniel K u b e l w a Page |
74
La classe thermique fixe la température maximale
admissible de l'isolation choisie pour celle-ci doit être comptée
à partir d'une température ambiante.
Tableau 4.11. Classe thermique en fonction de
classe d'isolation
|
Classe d'isolation
|
Température de classe
|
??? par rapport à la température
ambiante
|
|
A
|
105°
|
65°
|
|
E
|
120°
|
80°
|
|
B
|
130°
|
90°
|
|
F
|
155°
|
115°
|
|
H
|
180°
|
140°
|
Les classes thermiques sont groupées dans le tableau
4.10 pour une température ambiante de 40°C.
La classe d'isolation pour notre stator est F : 155°C
parce que la plupart des machines donne un mauvais rendement quand elle
chauffe.
c) Estimation du poids de
l'alternateur
Un alternateur hydraulique de grande puissance pèse
plus que celui de faible puissance cela veut dire plus la plus puissance
augmente plus. Pour l'alternateur synchrone pour produire 10 MW, il pèse
20.000 Kg donc 500 W/Kg. Pour 56 MW, il pèsera environ 112 tonnes.
d) Choix du système
d'excitation
Le rotor de l'alternateur doit être alimenté par
un courant continu réglable. Pour une forte puissance ce courant I2 peut
atteindre plusieurs centaines d'ampères ; comme il est peut commander
directement un courant d'une telle intensité, l'excitation est obtenue
à partir de deux ou plusieurs étages.
1°. Utilisation d'une
excitatrice
Le dispositif le plus fréquemment utilisé est
une génératrice à courant continu, appelée
excitatrice montée sur l'arbre de la machine synchrone. L'induit de la
machine est relié aux balais frottant sur l'alimentation du rotor de la
machine synchrone.
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75
Pour les machines de puissance moyenne, l'excitatrice est
montée en excitation en dérivation, de courant d'excitation
Ie et est réglé par le rhéostat d'excitation de
l'excitatrice et leur utilisation est comprise dans le plage d'énergie
de 100 KW à 1 MW (capacité de la résistance).
Pour les machines de plus forte puissance, on utilise
d'excitatrices montées en dérivation, L'excitatrice principale
?????? alimente le rotor de la machine synchrone et sa propre excitation
provient de l'induit de l'excitatrice secondaire ?????? le reglage du courant
Ie se fait par le circuit d'excitation secondaire, les organes de
réglage travaillent sous une faible puissance,
2°. Excitations par
« diodes tournantes »
Pour les fortes puissances (50 -1500 MW), la fourniture d'un
courant élevé par les balais et les bagues, est délicat
à réaliser il est possible d'améliorer le dispositif de
diode tournant (figure 4.11).
Figure 4.11 schéma de principe de diodes
tournantes
Les parties essentielles des machines sont
représentés en hachuré et les inducteurs en
quadrillés.
L'excitatrice secondaire ?????? est un alternateur
triphasé excité par des aimants permanent au rotor. L'excitatrice
principale ?????? est un autre alternateur triphasé dont le stator est
l'inducteur. Son excitation réglée par le redresseur à
thyristor placé entre?? ???? et ??????.
Lorsque la machine est excitée par une ou des
excitatrices sur l'arbre, les pertes d'excitation sont comprises dans les
pertes mécaniques.
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76
L'induit de Ex, alimente un
redresseur à diodes PD3 solidaire du
rotor de la machine synchrone, d'où le nom de diodes tournantes
donné à ce dispositif qui permet d'éviter l'utilisation de
bagues et de balais.
Pour des raisons économiques et techniques nous faisons
le choix de diodes tournantes afin d'éviter chaque fois l'utilisation
des balais à changer à chaque entretien.
3°. Détermination de caractéristiques
de l'excitatrice
Pour déterminer les caractéristiques de
l'excitatrice (tensions, courants et puissances, ...) nous allons tenir compte
des hypothèses en procédant par calcul du rendement de la machine
(alternateur +turbine +exc.) où le courant (puissance) de l'excitation
entre en jeu. Et, nous savons que la puissance active est produite par le rotor
et que la puissance réactive est générée par
l'excitatrice. Ce pourquoi nous remarquerons que les caractéristiques
telles que tension et courant du rotor sont identiques à celles de
l'excitatrice principale
Tableau 4.13 Choix de la puissance d'excitation
en fonction de la puissance nominale
|
Puissance
Nominale en KVA
|
Rendement %
|
Puissance
d'excitation en kw
|
|
Puissance totale
|
3/ Puissance ??
|
|
1000
|
92,5
|
-
|
11
|
|
3000
|
94,5
|
-
|
25
|
|
5000
|
95,0
|
-
|
32
|
|
10.000
|
95,1
|
95,0
|
56
|
|
15.000
|
95,4
|
95,0
|
74
|
|
20.000
|
95,4
|
95,0
|
94
|
|
30.000
|
95,7
|
95,3
|
120
|
|
40.000
|
95,9
|
95,5
|
180
|
|
50.000
|
96,4
|
96,0
|
220
|
|
60.000
|
96,4
|
96,0
|
250
|
|
13
_ Puissance electrique fournie
Puissance
mécanique+Puissance d'excitation
|
(4.29)
|
Daniel K u b e l w a Page |
77
Comme nous le remarquons, sous cosö = 0,9 la courbe de la
figure3.6 nous donne l'évolution de puissance d'excitation Pex en
fonction du rendement ? ; pour le bon fonctionnement du système la
puissance d'excitation doit être compris entre
0,4
Pex
0,3
0,2
0,1
0
0,959 0,96 0,961 0,962 0,963 0,964 0,965 0,966 0,967 0,968 0,969
0,97
-0,1
-0,2
-0,3
-0,4
?
Figure4.12 courbe de la puissance d'excitation en
fonction du rendement
e) Choix du système de
protection
Ce tableau ci-dessous, extrait des documents ABB8
présente l'application normale des systèmes de protection
des alternateurs.
La protection d'un alternateur a pour but d'empêcher ou
de réduire à une valeur acceptable les dangers provenant des
causes externes ou internes pourront mettre en danger ou affecter la
machine.
Ce but peut être atteint grâce à une
série de dispositifs tels que :
? Système de détection électrique à
relais ? Dispositifs de désexcitation
? Parafoudres
? Bobines d'excitation
8 Asea Broun Boveri une firme
Helvétique-Suédoise spécialisé dans le domaine de
protection électrique.
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78
|
Puissance alternateur MVA
|
|
0 4
|
4 15
|
15 50
|
50 200
|
Turbo
|
|
Surveillance des diodes du dispositif statique d'excitation
|
4
|
|
4
|
|
4
|
|
4
|
|
|
Surcharge rotor
|
|
|
|
|
|
|
|
Terre rotor
|
|
|
|
|
|
|
Court circuit entre spires
|
|
6
|
|
6
|
|
6
|
|
Différentiel alternateur
|
|
|
|
|
|
Différentiel couplage bloc alternateur + Transformateur
|
|
|
|
|
|
Minimum de fréquence
|
|
|
|
3
|
|
3
|
3
|
|
Minimum de tension
|
|
2
|
|
2
|
|
2
|
|
2
|
2
|
|
Maximum de tension
|
|
|
|
|
|
|
Terre stator (défaut à la masse)
|
|
|
|
|
|
Rupture d'excitation
|
|
|
|
|
|
Marche asynchrone
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Auto-excitation
|
|
Retour d'énergie
|
|
1
|
|
5
|
|
5
|
5
|
|
Minimum d'impédance
|
|
|
|
|
|
Distance
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Charge dissymétrique
|
|
Maximum d'intensité
|
RST
|
RT(
RT(S)
|
RT(S
RT(S)
|
RT(S RS
RT(S) RST
|
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79
|
Surcharge
|
RS
RST
|
(R)S(T
(R)S(T)
|
(R)S(T
(R)S(T)
|
(R)S(T
(R)S(T)
|
RS
RST
|
Tableau 5.11.Application des systèmes de
protection selon la puissance selon ABB1
|
|
|
Nécessaire
Pas nécessaire
Selon son désir
|
|
|
|
|
2
4
3
5
1
R(T)
Symbole représenté dans le tableau 3.1
(Légende)
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80
Nécessaire dans certains cas
Uniquement pour la machine à vapeur ou diesel
Uniquement pour excitation thyristor aux bornes de la machine
Uniquement pour centrales de pompages
Uniquement avec diodes tournantes
Inutile avec les turbines Pelton
Uniquement s'il y a plusieurs conducteurs de la même phase
par encoche
Uniquement pour les phases R et T
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81
Afin de satisfaire aux exigences requises le système de
protection électrique doivent être sensible et précis,
rapide voire très rapide, sélectif et fiables.
a. La sensibilité
La sensibilité dépend dans une large mesure de
l'amplitude des perturbations. Dans certains cas il est nécessaire de
prévoir soit un filtrage des perturbations, soit une amplification de la
grandeur mesurée, afin d'obtenir une différence sensible entre
celle-ci et les perturbations.
b. La rapidité
La rapidité est déterminée par la
vitesse de déclenchement du disjoncteur ou de l'organe de protection, le
temps de commande au relais de protection des constances de temps
magnétiques et électriques, les autres éléments de
la chaîne.
Il faut noter de nos jours, les relais électroniques
permis, dans une très large mesure, une augmentation de la
rapidité de déclenchement.
c. La sélectivité
La sélectivité d'un système de
protection, c'est l'aptitude de ce système à ne mettre hors
service que la partie de l'installation concernée par défaut
d'où l'importance, pour la qualité du service d'avoir une
excellente sélectivité des systèmes de protection.
d. La fiabilité
La fiabilité du système comprend non seulement les
organes de protection mais bien toutes ces chaines, c'est-à-dire la
mesure le câblage, l'appareillage auxiliaire y compris les sources de
courant continu, les relais et leur réglage, les disjoncteurs. 4 choix
des transformateurs de puissance
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82
| 
