Nous avons parlé déjà sur le complexe hydroélectrique qui contient les bassins, les conduites, maintenant on doit parler sur les équipements électromécaniques des centrales qui sont princi-palement la turbine et la génératrice.
1.4.1 La turbine :
La turbine transforme l'eau qui passe de la conduite en énergie de rotation. Les catégories d'installation hydroélectrique dans lesquelles les turbines sont employées sont les facteurs es-sentiels pour déterminer la forme et les caractéristiques de la turbine. Elle transforme l'énergie potentielle associée a une hauteur en énergie mécanique. Les turbines hydrauliques modernes sont le résultat de plusieurs années de développement progressif. La turbine contient des or-ganes xes, mobile, et de réglage. La partie xe et de réglage sont utilisés principalement pour diriger l'eau sur la roue dans les meilleures conditions. Concernant la partie mobile est utilisée pour produire un couple moteur sur l'arbre toute en transformant la puissance disponible en puissance mécanique.
1.4.1.1 Catégories des turbines :
Deux catégories principales de turbines se distinguent :
i Turbine à action : la turbine à action est reposée par le fait que l'énergie de l'aubage est totalement sous forme d'énergie cinétique. La pression reste constante entre l'eau et l'aubage (pression atmosphérique). La roue de la turbine est dénoyée et tourne dans l'air Un jet entraine les augets en exerçant une force pour les mettre en mouvement de rotation. Ce mouvement est transformé en couple et puissance mécanique sur l'arbre de la turbine. Comme la turbine Pelton, , et Banki.
ii Turbine à réaction : la turbine à réaction est une machine fermée. Elle utilise deux sources d'énergies ; une énergie cinétique qui est la vitesse de l'eau, et une deuxième énergie qui est la diérence de pression. Le principe de fonctionnement de ce type est basé sur :
Création d'un tourbillon au moyen d'une bâche, d'aubages directeurs, ou les deux à la fois.
Récupération du mouvement circulaire du tourbillon par les aubages d'une roue en rotation qui dévient les lets d'eau pour leur donner une direction parallèle a l'axe de rotation.
Comme la turbine Francis, et Kaplan.
1.4.1.2 Principaux types de turbine :
1. Turbine Pelton : Cette turbine est une turbine a action. Elle est utilisée pour des hauteurs de chute supérieures à 300m et des faibles débits. Sa roue est constituée d'augets en forme de double cuillère qui sont mise en mouvement par un jet d'eau provenant d'un injecteur, avec des échancrures médianes qui assurent une pénétration progressive optimale du jet dans l'auget. Le nombre d'augets varie en fonction de la hauteur de chute et de la vitesse spécique. Une turbine Pelton peut être équipée de plusieurs injecteurs, jusqu'à 6. Un pointeau mobile a l'intérieur de l'injecteur assure le réglage du débit, qui est déplacé par un servomoteur hydraulique ou électrique. Ce pointeau est asservi à la régulation de la turbine. La turbine Pelton comporte aussi dans la majorité des cas un déecteur qui se place rapidement entre l'injecteur et la roue pour dévier le jet, ceci pour éviter l'emballement de la turbine en cas de déclenchement brusque de la génératrice.
1.4. Les équipements électromécaniques d'une centrale hydroélectrique : 15
Figure 1.6: Turbine Pelton verticale à 6 jets [4]
2. Turbine a crossow :La turbine Crossow est une machine à action, l'eau passe deux fois par la roue. Le double passage de l'eau à travers la roue permet de limiter la sensibilité aux corps étrangers. Elle a une deuxième appellation turbine à ux traversant . Leur construction est simple, elle est composée principalement en trois parties :
- Une roue en forme de tambour, dotée d'aubes cylindriques prolées.
- Un injecteur qui contient une aube prolée rotative pour assurer le réglage du débit.
Cet injecteur est de section rectangulaire. Un contrepoids qui assure l'arrêt de la turbine sans énergie extérieure, et l'ouverture est assuré par un vérin hydraulique.
- Une bâche recouvrit la roue où les paliers de la turbine sont xés.
Figure 1.7: Turbine CrossFlow [5]
3. Turbine Francis : La turbine Francis est une machine à réaction, compacte, robuste.
Sa roue est immergée et elle exploite aussi bien la vitesse de l'eau (énergie cinétique) qu'une diérence de pression. La turbine Francis se présente fréquemment dans les micro-centrales anciennes. Elle est utilisée pour les moyennes et basses chutes (40m a 600m).
Cette turbine est alimentée par une bâche attachée à une conduite forcée. Une série d'avant directrices se trouve à la n de la bâche pour guider l'eau vers le distributeur.
Le distributeur sert à régler le débit, il fait varier le débit de zéro a la valeur maximale par la turbine et orienter l'eau vers la roue avec un angle à cause de diminuer les pertes.
La roue de la turbine est placé à l'intérieur du distributeur, elle est composée par des aubes prolées, le nombre d'aubes dépend de la puissance de la turbine (8 à 16 aubes).
La roue est attachée avec la génératrice avec l'intermédiaire d'un arbre. Cette dernière est guidée par le palier principal de la turbine. La turbine Francis est à injection totale parce que la roue est alimentée sur toute sa périphérie.
1.4. Les équipements électromécaniques d'une centrale hydroélectrique : 17
Figure 1.8: Turbine Francis
4. Turbine Kaplan et hélice : Les turbines Kaplan et hélice sont des machines à réaction.
Elles sont utilisées dans la basse chutes (inferieure a 50m) et vitesse spécique élevée.
L'alimentation en eau est similaire à une turbine Francis. La roue de la turbine sous forme d'une hélice. La turbine Kaplan est adaptée pour les très grands débits (70 à 800m3/s), et de faibles chutes. Le diamètre varie de 2 à 11 mètres avec une plage de rotation entre 50 et 250 tr/min L'avantage de la turbine Kaplan par rapport à hélice c'est que ses pales sont orientables, tel que le pas varie pendant le fonctionnement, qui permet à la turbine Kaplan d'augmenter le rendement (90% à 95%) pour des débits variables. La turbine Kaplan est un développement technique de longue durée de la turbine Francis.
Cette évolution permet le fonctionnement de la turbine Kaplan (production de l'énergie) quand la turbine Francis ne pourrait pas être utilisée.
Figure 1.9: Turbine Kaplan [6]
1.4.2 Pompes :
Les pompes transforment l'énergie mécanique en énergie hydraulique, elles sont appelées aussi générateurs de débit. Le choix de la pompe dans une centrale repose sur les caractéristiques hydrauliques du site (débit, et hauteur de chute). Pour cela il existe deux types de pompes :
- Pompes centrifuges qui sont modelé pour des hauteurs limites, et des débits moyens et élevés.
- Pompes volumétriques pour les grandes hauteurs et faibles débits.
Les groupes de pompage-turbinage utilisés actuellement sont tous à vitesse constante. Mais les performances de la même machine à vitesse variable donne plus d'avantages ; régulation de la puissance active de la pompe, une large gamme de fonctionnement en mode turbinage, et la stabilité du système. Le choix de type de pompe dans une installation dépend des conditions du uide. Si on veut augmenter le débit on utilisera les pompes centrifuges, par contre si on veut augmenter la pression on utilisera les pompes volumétriques
1.4.2.1 Pompes centrifuges :
1. Dénition : la construction d'une pompe centrifuge est très simple. Cette pompe est constituée d'une pièce en rotation, le rotor tourne dans un carter (corps de pompe). A la sortie grâce a un divergent, l'énergie cinétique se transforme en pression motrice. Les
1.4. Les équipements électromécaniques d'une centrale hydroélectrique : 19
éléments de construction de cette pompe sont alors :
un distributeur
l'ouïe d'aspiration
le corps de la pompe ou volute
le refoulement qui va s'élargir
l'ouïe de refoulement
2. Principe de fonctionnement : Le principe de fonctionnement d'une pompe centrifuge est divisé en deux étapes :
L'aspiration :le distributeur fait aspirer le liquide qui se trouve dans les conduites jusqu'à la section d'entrée du rotor. Maintenant la pompe est pleine de liquide, donc à l'intérieur de la pompe et au niveau de la roue la vitesse de liquide augmente, et la pression dans l'ouïe diminue ainsi une aspiration et maintient l'amorçage.
L'accélération :après l'étape de l'aspiration. Le rôle du rotor est de transformer l'énergie mécanique a l'arbre de machine en énergie cinétique. A la sortie du rotor, le uide se trouve projeté dans la volute dont le but est de collecter le uide et de le ramener dans la section de sortie. La section oerte au liquide étant de plus en plus grande, son énergie cinétique se transforme en énergie de pression.
3. Avantages et inconvénients :
- Un mauvais fonctionnement du circuit de refoulement, la pompe ne subit aucun dommage
Inconvénients :
- En cas de uide trop visqueux, la pompe ne fonctionne pas - la nécessite des dispositifs d'équilibrage
- cette pompe n'est pas auto-amorçant
1.4.2.2 Pompe volumétrique :
Les pompes volumétriques se divisent en deux types, alternatives et rotatives
1. Pompes alternatives (à piston) : Ce type de pompe est classé parmi les anciennes pompes. La pompe à piston utilise les variations de volumes occasionnées par le dépla-cement d'un piston dans un cylindre. Ce type de pompe nécessite un jeu de soupapes ou de clapets comme son nom l'indique pour obtenir l'aspiration dans le cylindre Les dié-rents types de pompe à piston sont : pompe à simple eet, à double eet, et à plusieurs pistons déphasés
2. Pompes rotatives : Les pompes rotatives nécessitent deux rotors. Ces deux rotors tournent en roulant l'un sur l'autre sans glisser pour ne pas tomber dans le piège de frottement et déplacent un volume de uide.
Avantages :
- Machine robuste - Rendement élevé
- Fonctionnement normale en cas de liquide trop visqueux - Amorçage automatique
Inconvénients : - Machine coûteuse
- Très lourde et plus encombrante
- Demande plus d'entretien donc les frais augmentent - Impossibilité d'obtenir de gros débits sous faible pression
1.4.2.3 Couplage des pompes :
Pour améliorer les caractéristiques de la centrale, exactement la pompe, on doit augmenter la hauteur et le débit. Pour cela il existe deux possibilités ; couplage en série, couplage en parallèle.
1.4. Les équipements électromécaniques d'une centrale hydroélectrique : 21
1. Couplage en série :Soit une pompe P1 fournit une hauteur H1, et P2 fournit une hauteur H2. Les deux pompes refoulent le même débit Q.
Figure 1.10: Coplage en serie des deux pompes
Le couplage des deux pompes en série fournit une hauteur (H1+H2) et le débit reste constant Q, La gure 1.10 représente les caractéristiques de couplage en série[7].
Figure 1.11: Les caractéristiques de couplage en série
2. Couplage en parallèle : Soit une pompe P1 refoule un débit partiel Q1, une pompe P2 refoule un débit partiel Q2.
Figure 1.12: Coplage en parallèle des deux pompes
Le couplage en parallèle de ces deux pompes nous fournit un débit (Q1+Q2), La gure 1.12 représente les caractéristiques de couplage en parallèle [7].
Figure 1.13: Les caractéristiques de couplage en parallèle
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1.4.3 Alternateur :
Un alternateur transforme l'énergie mécanique de la turbine en énergie électrique, ils sont des machines très puissantes en service dans les centrales hydrauliques. Qui produisant un courant alternatif. Il est appelé aussi un générateur de courant alternatif. Un alternateur est composé de deux parties, une partie xe appelée stator, et une partie mobile appelée rotor. La paroi externe du rotor contient d'électroaimants, alors que la paroi interne du stator consiste en un enroulement de barres de cuivre. Lors de fonctionnement c'est-à-dire lorsque le rotor tourne dans le stator, le mouvement des électrons consiste à créer un courant électrique.
1.4.3.1 Les diérents types d'alternateur :
Les principaux alternateurs utilisés dans les centrales hydrauliques (choix de l'alternateur) : 1. Les machines synchrones à aimants permanents ou à rotor bobiné : Ce type de génératrice est le plus utilisé pour créer une tension alternative sinusoïdale. Pour avoir une fréquence constante à la sortie de cette machine. Il faut que le débit soit constant, à cause de cette condition il est obligatoire de faire un système de régulation de débit. Le rendement hydraulique global est diminué à cause des pertes de charge introduites par la vanne de régulation.
2. Les machines synchrones à cage débitant sur un réseau ou sur charge isolée : L'utilisation de ce type de génératrice est très limitée. Mais pour des raisons de coût Les machines asynchrones sont relativement faibles comparées aux machines synchrones, donc il devrait se développer rapidement. En fonctionnement autonome, la génératrice asynchrone pose des problèmes importants de stabilité en tension et en fréquence .Il faut des capacités d'auto excitation pour magnétiser la machine, et le fonctionnement ne peut se faire qu'avec une plage de vitesse restreinte.
3. Les machines asynchrones à double alimentation (MADA) : La machine asyn-chrone à double alimentation MADA est utilisée dans les systèmes hydroélectriques ou dans les éoliennes. Elle peut utiliser dans les applications a vitesse variable. La machine asynchrone a double alimentation a rotor bobiné contient un stator semblable aux autre machines triphasé, mais le rotor est composé de trois bobinage monté en étoile ensuite il est relié à trois bagues sur lesquelles viennent glisser les balais en mode fonctionnement.
La MADA est alimentée par deux sources d'énergie de diérentes fréquences et
ten-sions. La MADA permet d'atténuer aux problèmes précédents de stabilité de la machine asynchrone à cage et autorise réellement un fonctionnement à vitesse variable.
Dans notre étude nous allons nous intéresser à une centrale hydraulique utilisant une génératrice synchrone a aimant permanent GSAP. Nous avons choisi ce type d'alterna-teur grâce à ces avantages technologiques et économiques comparée aux autres types de machines. La génératrice synchrone a aimant permanent est la championne dans le domaine de l'hydroélectricité, car elle donne un rendement de conversion satisfai-sant. Notre intérêt va plus particulièrement vers cette dernière catégorie, en eet avec l'apparition d'aimants permanents de plus en plus performants (faible désaimantation, énergie maximale stockée plus grande, induction de saturation et champ coercitif plus élevé).La machine synchrone à aimant permanent est devenue compétitive par rapport à la machine asynchrone, même dans le domaine de la moyenne puissance. L'utilisation des aimants comme inducteur dans la MSAP ore, par rapport aux autres types de machines, beaucoup d'avantages, entre autres [8] :
Une plus grande robustesse par rapport au moteur à courant continu.
Une puissance et couple massique élevée.
Une absence de pertes résistives au rotor.
Une possibilité d'obtenir une excitation sans pertes à eet joule.
Un facteur de puissance et un rendement élevés.
1.4.3.2 Description de la machine synchrone à aimant permanent :
Lorsqu'on dit une machine synchrone alors on regroupe toutes les machines ayant la vitesse de rotation du rotor est égale a la vitesse du champ tournant du stator. Il existe deux méthodes pour générer le champ magnétique rotorique soit par des aimants, soit par un circuit d'excita-tion. La vitesse de rotation du champ tournant est proportionnelle au nombre de pôles de la machine et à la pulsation des courants statoriques sous l'équation :
ωr = ω p
1.4.3.3 Caractéristiques de la machine synchrone à aimant permanent : La machine synchrone est composée de deux éléments essentiels : un rotor et un stator
1.4. Les équipements électromécaniques d'une centrale hydroélectrique : 25
Stator : c'est la partie xe de la machine synchrone constituée d'enroulements reliés à une source alternative. Il est constitué de trois (3) bobines déphasées mécaniquement de 120° l'une par rapport à l'autre.
Rotor : : c'est la partie mobile de la machine synchrone composée d'un électroaimant ou bien d'un aimant permanent. Dans notre cas (MSAP) le rotor est constitué d'aimant qui peut prendre plusieurs congurations :
- Aimants en surface.
- Aimants insérés.
- Aimants enterrés.
- Aimants à concentration de ux.
1.4.4 Transformateur :
Un transformateur permet de transférer l'énergie d'une source à une charge, en modiant la tension. Cette dernière peut être augmentée, comme elle peut être diminuée selon l'utilisation voulue. Ce changement (augmentation, diminution) se fait par l'eet d'un champ magnétique.
Il existe deux types de transformateur l'un est de type cuirassé qui utilise un circuit magné-tique a trois branches et les enroulements sont autour de la branche centrale. L'autre est de type a colonnes, il utilise un circuit magnétique à deux colonnes. Le transformateur est constitué de deux enroulements ou plus. Le coté de la source est le primaire, le coté de la charge est le secondaire, tel que n'existe aucune connexion entre le primaire et le secondaire, le couplage existé entre les enroulements est magnétique.
Lorsqu'on applique une tension alternative à la source, ceci crée un ux alternatif dans le noyau magnétique. Selon la loi de Faraday, ce ux crée des forces électromotrices dans les bobines. La force électromotrice induite est proportionnelle au nombre de tours dans la bobine et au taux de variation du ux. Selon le rapport du nombre de tours entre le primaire et le secondaire, le secondaire alimente la charge avec une tension diérente de celle de la source.
Figure 1.14: Transformateur