Générateur de courant

1. Principe général

Le générateur de courant d'une PCH convertit l'énergie mécanique de rotation fourni par la turbine en énergie électrique. Il est constitué de deux parties, le stator, partie fixe et le rotor, partie tournante. 

Le fonctionnement d'un générateur de courant se base sur l'induction magnétique. Quand un circuit électrique est soumis à une variation de champ magnétique ou balayé par un champ magnétique (par exemple un aimant qui tourne devant une bobine), cela induit une tension alternative.

        Figure 1. Principe de fonctionnement d'un générateur de courant. Source : [3]

Pour une centrale hydroélectrique, on utilisera une machine générant un courant alternatif triphasé. Pour une même puissance, elle sera moins lourde et moins volumineuse qu'un générateur monophasé.

On retrouve alors deux types de générateurs :

  • la génératrice synchrone, ou alternateur
  • la génératrice asynchrone

 

2. La génératrice synchrone, dit "alternateur"

Le rotor de la machine ou inducteur, crée un champ magnétique grâce à l'alimentation de son bobinage par un courant continu ou alors grâce à des aimants permanents.

Le stator ou induit, est composé de 3 bobinages décalés les uns par rapport aux autres de 120°.

Ainsi, lorsque le rotor est entrainé par la turbine, son champ magnétique balaye successivement les 3 bobinages du stator, ce qui induit une tension alternative triphasée dont la fréquence est proportionnel à la vitesse de rotation.

  • fréquence des tensions induites : $f=p\times n=p\frac{N}{60}$

p = nombre de paires de pôles ; n = vitesse de rotation [tr/s] ; N = vitesse de rotation [tr/min]

Par exemple, pour générer une fréquence de 50 Hz (fréquence du courant sur le réseau français), un alternateur à 2 paires de pôles doit tourner à la vitesse de 1500 tr/min.

Les génératrices synchrones présentent de très bon rendements, y compris lorsqu'elles sont utilisées en charge partielle.
 

3. La génératrice asynchrone

La différence majeure avec l'alternateur, est que le rotor n'est raccordé à aucune source d'énergie.

Le rotor présente la forme d'une cage d'écureuil et est composé d'un ensemble de barres en aluminium ou en cuivre. Il ne comporte donc aucun bobinage, ce qui le rend robuste et plus économique.

Le stator est similaire à celui d'un alternateur.


Figure 2. Vue éclatée d'une génératrice asynchrone. Source : [4].

Les enroulements statoriques d'une machine asynchrone sont alimentés par des courants alternatifs triphasés (couplage au réseau). Ils génèrent ainsi un champ magnétique tournant statorique de vitesse Ns (vitesse de synchronisme) :

$$N_{S}=60\frac{f}{p}$$

Ns [tr/min] ; f = fréquence du réseau d'alimentation ; p = nombre de paire de pôles

Pour fournir de l'énergie électrique, le rotor doit être entrainé par la turbine à une vitesse supérieure à la vitesse de synchronisme. Ses conducteurs, alors balayés par un champ tournant statorique, induisent des courants triphasés qui génèrent à leur tour un champ tournant rotorique. Des tensions alternatives triphasées sont ainsi induites au niveau des bobinages du stator.

Si la vitesse du rotor est inférieure à la vitesse de synchronisme, la machine fonctionne en moteur. Elle absorbe alors de l'énergie électrique. De la même manière, si le rotor est entraîné à la vitesse de synchronisme, la machine ne fonctionne ni en génératrice ni en moteur.

Figure 3. Fonctionnement d'une machine asynchrone selon sa vitesse de rotation. Source : [1]

Lors du fonctionnement en génératrice, la vitesse du rotor reste proche de la vitesse de synchronisme.

A noter, qu'en fonctionnant en moteur ou en génératrice, la machine asynchrone absorbe de l'énergie réactive pour produire le champ magnétique tournant statorique indispensable à son fonctionnement.

Synthèse - Alternateur et génératrice asynchrone :

Étant donnée la puissance de la centrale hydroélectrique et de l'utilisation de l'énergie produite, le choix se porte sur une génératrice asynchrone de puissance 9 kW :

Figure 4. Génératrice asynchrone 9 kW - 1500 tr/min. Source : [5].

Tarif

Fourniture pièces = 800 € TTC

Installation/réglages/mise en service = 1 000 € TTC

 

4. Mise en oeuvre et couplage avec le réseau

La génératrice "envoie" l'énergie produite au réseau de distribution Erdf. Ce réseau va alors imposer sa tension (400 V) et sa fréquence (50 Hz) à la machine. Il fournit également l'énergie réactive nécessaire au fonctionnement de la génératrice.

Une batterie de condensateurs est indispensable pour améliorer le facteur de puissance de l'installation.

Figure 5. Couplage génératrice/réseau. Source : [1].

Lorsque la turbine est mise en fonctionnement, le groupe accélère progressivement. Dès que la vitesse de la génératrice est proche de la vitesse de synchronisme, elle est couplée au réseau par la fermeture du contacteur.

L'augmentation du débit d'eau passant dans la turbine entraîne une augmentation de la puissance électrique fournie par la génératrice au réseau.

Il n'est pas nécessaire de réguler la vitesse une fois le couplage au réseau effectué. Toute variation de la vitesse de la génératrice est compensée par la forte variation du couple résistant qui en résulte.

Un dispositif de sécurité permet également de signaler l'emballement du groupe qui peut se produire en cas de coupure accidentelle du réseau.