Générateur synchrone

Un moteur synchrone fonctionnant comme une génératrice. Il s'agit d'une génératrice de courant alternatif couramment utilisée. Dans l'industrie énergétique moderne, elle est largement employée pour la production d'énergie hydroélectrique, thermique, nucléaire et par moteurs diesel. Les génératrices synchrones utilisant généralement une excitation en courant continu, lorsqu'elles fonctionnent de manière autonome, le courant d'excitation peut être ajusté pour réguler facilement la tension de la génératrice. En revanche, lorsqu'elles sont raccordées au réseau électrique, la tension étant déterminée par celui-ci et ne pouvant être modifiée, le réglage du courant d'excitation permet de réguler le facteur de puissance et la puissance réactive du moteur.

La structure du stator et du rotor d'une génératrice synchrone est identique à celle d'un moteur synchrone. Généralement, elles sont triphasées, sauf pour certaines génératrices synchrones de petite taille dont l'enroulement d'induit est monophasé.

Caractéristiques de fonctionnement

Les principales caractéristiques de performance d'un générateur synchrone sont ses caractéristiques à vide et ses caractéristiques en charge. Ces caractéristiques constituent des références importantes pour les utilisateurs lors du choix d'un générateur.

caractéristiques à vide

Lorsque le générateur n'est pas connecté à une charge, le courant d'induit est nul ; on parle alors de fonctionnement à vide. Dans ce cas, les enroulements triphasés du stator du moteur ne génèrent que la force électromotrice à vide E₀ (triphasée symétrique) sous l'effet du courant d'excitation If, et son amplitude augmente avec If. Cependant, en raison du phénomène de saturation du noyau magnétique du moteur, la force électromotrice à vide E₀ et le courant d'excitation If ne sont pas directement proportionnels. La courbe représentant cette relation est appelée caractéristique à vide du générateur synchrone.

réaction d'armature

Lorsqu'un générateur est connecté à une charge symétrique, le courant triphasé dans l'enroulement d'induit génère un champ magnétique tournant supplémentaire, appelé champ magnétique de réaction d'induit. Sa vitesse de rotation est identique à celle du rotor, et les deux tournent de manière synchrone.

Le champ magnétique de réaction d'induit du générateur synchrone et le champ magnétique d'excitation du rotor peuvent être approximativement considérés comme distribués selon une loi sinusoïdale. Le déphasage spatial entre eux dépend du déphasage temporel entre la force électromotrice à vide E₀ et le courant d'induit I. Le champ magnétique de réaction d'induit est également lié à la charge. Lorsque la charge du générateur est inductive, le champ magnétique de réaction d'induit a un effet démagnétisant, ce qui entraîne une diminution de la tension du générateur ; lorsque la charge est capacitive, le champ magnétique de réaction d'induit a un effet magnétisant, ce qui entraîne une augmentation de la tension de sortie du générateur.

caractéristiques de fonctionnement de la charge

Il convient de se référer principalement aux caractéristiques externes et aux caractéristiques de réglage. Les caractéristiques externes correspondent à la relation entre la tension aux bornes du générateur U et le courant de charge I lorsque la vitesse est nominale, le courant d'excitation et le facteur de puissance de la charge étant constants. Les caractéristiques de réglage correspondent à la relation entre le courant d'excitation If et le courant de charge I lorsque la vitesse et la tension aux bornes sont nominales et que le facteur de puissance de la charge est constant, comme illustré sur la figure 3. La figure 2 présente également les cas de charges résistives, capacitives et inductives. En raison des différents effets du champ magnétique de réaction d'induit, les courbes obtenues diffèrent pour chacun de ces types de charges. Dans les caractéristiques externes, la variation de tension entre la marche à vide et la charge nominale est appelée taux de variation de tension △U et est généralement exprimée en pourcentage.

Le taux de variation de tension d'un générateur synchrone est d'environ 20 à 40 %. Les charges industrielles et domestiques nécessitent généralement une tension stable. Par conséquent, lorsque le courant de charge augmente, le courant d'excitation doit être ajusté en conséquence. Il existe trois types de caractéristiques d'ajustement, adaptées aux différentes propriétés de la charge. Bien que l'évolution de ces caractéristiques soit inverse à celle des caractéristiques externes, le courant d'ajustement augmente pour les charges inductives et purement résistives, tandis qu'il diminue généralement pour les charges capacitives.

Structure et classification

La structure d'un générateur synchrone se divise en deux catégories selon sa vitesse de rotation : les générateurs à grande vitesse et les générateurs à vitesse moyenne. Les premiers sont principalement utilisés dans les centrales thermiques et nucléaires, tandis que les seconds sont généralement associés à des turbines hydrauliques ou à des moteurs diesel. Du point de vue de leur structure, les générateurs synchrones à grande vitesse utilisent majoritairement des rotors à pôles cachés, tandis que les générateurs synchrones à vitesse moyenne utilisent majoritairement des rotors à pôles convexes.

Générateur synchrone à grande vitesse

La plupart des générateurs étant couplés coaxialement à la machine d'entraînement, les centrales thermiques utilisent des turbines à vapeur à grande vitesse comme moteurs d'entraînement. Les générateurs à turbine à vapeur sont donc généralement équipés de moteurs bipolaires à grande vitesse, atteignant 3 000 tours par minute (3 600 tours par minute à une fréquence de réseau de 60 Hz). Les centrales nucléaires utilisent majoritairement des moteurs quadripolaires, avec une vitesse de 1 500 tours par minute (1 800 tours par minute à une fréquence de réseau de 60 Hz). Pour répondre aux exigences de vitesse et de puissance élevées, le générateur synchrone à grande vitesse présente les caractéristiques structurelles suivantes : il utilise un rotor shunt et est équipé d'un système de refroidissement dédié.

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