Limites de chauffage du stator

Les pertes par le stator sont surtout des pertes dans le cuivre (Ia2R).

Cependant, si l’excitation est très forte ou très faible, il se produit des pertes dans le noyau. Lorsque l’excitation est très forte (facteur de puissance en retard), les pertes sont du même type que celles indiquées pour le rotor. Lorsque l’excitation est trop faible, les extrémités du noyau du stator surchauffent à cause des formes étirées du flux magnétique.

Si l’alternateur ne subit aucune perte, la totalité de sa puissance de sortie peut être représentée par un cercle (figure 33). La partie gauche

P MW Active Power Lead

Q MVAR = Mégavoltampères Q Reactive Power = Puissance réactive Lag = Retard Motoring = Fonctionnement comme un moteur Lead = Avance (circle) = (cercle) U MVA = Mégavolts U Total Power = Puissance totale Generating = Production d’électricité P MW = Mégawatts P Active Power = Puissance active

Figure 35

Diagramme Q-P élémentaire

La figure 35 nous montre que la partie de la puissance de sortie de l’alternateur nommée puissance apparente comprend les éléments de puissance active et réactive indiqués ci-dessous :

U²NOMINAL = P² + Q² OU

MVA² = MW² + MVAR²

Nous pouvons facilement indiquer l’effet de la chaleur sur les limites de sortie d’un alternateur par superposition sur la figure 35, ce qui donne la figure 36 ci-dessous.

Notes: C-D Stator Core End Heating = Chauffage de l’extrémité du noyau du stator. C à D

Figure 36

Diagramme Q-P avec limites de chauffage

Le chauffage de l’enroulement du stator est une perte dans le cuivre qui est constante si la tension est constante, comme nous l’avons vu : Pchaleur = I² R = V² /R

La chaleur de l’enroulement du stator est la limite principale voisine du facteur de puissance unité lorsque le courant réactif est faible. Cela est indiqué dans la région B-C du diagramme.

• Dans la région du facteur de puissance en retard (A-B), l’alternateur est surexcité. Il est souhaitable de se reporter à la figure 20 pour examiner la courbe V et voir l’effet du facteur de puissance sur le courant d’excitation. Un chauffage I²R important se produit aux enroulements de champ du rotor et un important flux magnétique circule dans le noyau du rotor et du stator. En conséquence, le chauffage produit dans les

conducteurs du rotor et dans le noyau du rotor et du stator constituent un facteur de limite dans la région du facteur de puissance en retard.

l’étirement. Si l’alternateur subit une forte perturbation quand l’angle de charge est impotant, il peut se désynchroniser totalement, avec le glissement de pôle que cela entraîne. La portée de la limite de stabilité dans la région d’excitation dépend de certains facteurs, comme la réponse de l’excitatrice et l’agencement du réseau de distribution électrique associé à l’alternateur. Cette limite est indiquée en superposition sur le diagramme de la figure 37 ci-dessous.

U² = P² + Q² Limite with Fast AVR = Limite avec stabilisateur automatique de tension en mode rapide

Figure 37

Diagramme Q-P indiquant la stabilité

Les limites de stabilité avec ou sans intervention rapide du stabilisateur automatique de tension sont montrées à la figure 35. Comme nous l’avons vu à la rubrique précédente sur le transfert de puissance, lorsque l’angle du facteur de charge est en avance, le champ doit pouvoir être renforcé en fonction de l’étirement du flux magnétique du rotor. Le stabilisateur automatique de tension neutralise toute chute de tension due à la charge et renforce le champ.

Notes:

Notes 4.16.4 Refroidissement du rotor et du stator des alternateurs

Sans vouloir trop compliquer le problème des limites de puissance de sortie associées aux alternateurs, nous devons examiner la question du niveau de refroidissement du stator et du rotor.

L’enroulement du stator est refroidi par circulation d’eau à travers les conducteurs en cuivre creux. Le rotor est refroidi par circulation forcée d’hydrogène (H2) à travers le compartiment étanche du rotor et du stator (figure 39). L’hydrogène circule à travers des fentes spéciales aménagées dans le noyau du rotor et à travers l’espace séparant le rotor du stator. Le refroidissement se fait évidemment par expansion de l’hydrogène. Son efficacité est donc proportionnelle à la diminution de la pression de l’hydrogène. Chaque tranche de diminution de pression de 7 kPa se traduit par un gain de 1 % à la sortie de l’alternateur. Les lignes de pression d’hydrogène sont indiquées à la figure 38, ce qui donne un diagramme QP plus complet, bien qu’un peu encombré.

GAS FLOW throught G.E.C. DIRECT-COOLED ALTERNATOR

= CIRCULATION DU GAZ À TRAVERS UN ALTERNATEUR G.E.C. À REFROIDISSEMENT DIRECT

Figure 39

Coupe transversale d’un alternateur

L’hydrogène est utilisé comme moyen de refroidissement pour deux raisons principales :

• Sa conductivité thermique est élevées (six fois celle de l’air), ce qui lui permet d’effectuer de très rapides échanges de chaleur.

• Sa densité est faible (un quatorzième de celle de l’air) et donc l’effet de tourbillonnement ou de freinage qu’il oppose au rotor en rotation est faible.

L’hydrogène offre un avantage supplémentaire du fait qu’il doit être utilisé dans un espace clos et étanche à l’épreuve de la crasse et de l’humidité, ce qui contribue à diminuer l’usure de la machine et donc à amoindrir les opérations d’entretien et de dépannage.

L’hydrogène a pour inconvénient d’être explosif s’il est mélangé à l’air dans un rapport de 4 % à 74 %. Cela ne pose aucun problème en temps normal, tant que la pureté de l’hydrogène est maintenue à un pourcentage égal ou supérieur à 95 %. Pendant les interventions, du dioxyde de carbone (CO2) est utilisé comme tampon pour chasser l’hydrogène du boîtier de l’alternateur, puis de l’air est utilisé pour

Notes:

Notes chasser le CO2. L’opération est effectuée en sens inverse pour

réintroduire l’hydrogène : le CO2 est injecté en premier puis il est chassé par l’hydrogène.

Des précautions doivent être prises pour assurer la pureté de l’hydrogène, pour plusieurs raisons :

• L’air diminue les capacités de refroidissement et augmente la friction (par tourbillonement), comme nous l’avons vu. Mais en plus de l’augmentation de la température, n’oublions pas qu’un mélange hydrogène/air à 74 % d’hydrogène est explosif.

• L’humidité diminue par ailleurs les capacités de refroidissment et augmente les pertes par effet de tourbillonnement. Elle a un effet encore plus dangereux du fait qu’elle diminue les

capacités d’isolation entre les enroulements électriques et le noyau du rotor et du stator. Cela peut provoquer des pannes d’enroulement ou endommager l’alternateur.