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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 3 552 − 1 Alternateurs synchrones de grande puissance (partie 3) par François BERNOT Ingénieur Supélec Professeur des universités Consultant industriel Mise à jour des articles D 495 et D 496 de Jean-François HEUILLARD (Alsthom Atlantique) ette série de trois articles traite de la conception des alternateurs de grande puissance. La première partie [D 3 550] présente le cahier des charges et des principes généraux de dimensionnement. La deuxième partie [D 3 351] met en application ces notions, en présentant les contraintes limites de dimensionne- ment d’une machine . Cette troisième partie complète les notions abordées dans les deux premières, en traitant des pertes dans la machine : fer, mécaniques, Joule, supplémentaires, et de leur évacuation. Enﬁn, l’optimisation de la machine est abordée, au travers des rendements et de la maximisation de la puissance extraite. Spéciﬁcations techniques. Courbes caractéristiques............................ D 3 550 Relations entre les bobinages, la fém et la réaction d’induit .............. D 3 550 Relations entre puissance et dimensionnement électromagnétique. D 3 550 Limitations de dimensionnement par les contraintes............................ D 3 551 Dimensionnement. Fuites magnétiques..................................................... D 3 551 Ampèretours à vide et en charge................................................................. D 3 551 1. Pertes et rendement................................................................................ D 3 552 – 2 1.1 Pertes mécaniques ...................................................................................... — 3 1.1.1 Pertes par frottement aux paliers...................................................... — 3 1.1.2 Pertes par friction et par ventilation.................................................. — 3 1.1.3 Pertes mécaniques diverses .............................................................. — 3 1.2 Pertes fer ...................................................................................................... — 3 1.3 Pertes Joule.................................................................................................. — 4 1.3.1 Pertes Joule de l’enroulement induit................................................ — 4 1.3.2 Pertes Joule de l’enroulement inducteur ......................................... — 5 1.4 Pertes du système d’excitation................................................................... — 5 1.5 Pertes supplémentaires............................................................................... — 5 1.5.1 Pertes supplémentaires dans la partie active de l’enroulement de l’induit............................................................................................. — 5 1.5.2 Pertes supplémentaires dans les têtes de bobines de l’induit........ — 7 1.5.3 Pertes supplémentaires à la surface des pôles du rotor ................. — 7 1.5.4 Pertes supplémentaires résiduelles ou dispersées.......................... — 7 1.6 Rendement. Évacuation des pertes............................................................ — 8 1.6.1 Rendement. Variation avec la charge à cos ϕ constant................... — 8 1.6.2 Évacuation des pertes ........................................................................ — 8 2. Optimisation d’une machine synchrone............................................ — 8 2.1 Expressions des rendements internes....................................................... — 8 2.2 Maximalisation de la puissance extraite du rotor..................................... — 9 2.3 Exemples pour divers types de machine................................................... — 10 2.4 Maximalisation de la puissance extraite du stator ................................... — 10 Notations et symboles .................................................................................... — 11 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. D 3 553 C ALTERNATEURS SYNCHRONES DE GRANDE PUISSANCE (PARTIE 3) ______________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. D 3 552 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique 1. Pertes et rendement On trouve dans l’article Pertes dans les machines tournantes [D 3 450] les méthodes générales de calcul relatives aux machines synchrones et asynchrones. En se limitant dans ce paragraphe aux machines synchrones de moyenne et grande puissances unitaires (> 10 MW), on utilise, pour certains coefﬁcients, des valeurs numéri- ques déduites d’essais. Ces coefﬁcients sont relatifs, en particulier, aux pertes fer et supplémentaires. Ils ne sont donc valables que pour certaines dispositions constructives du circuit magnétique et des zones d’extrémités (têtes de bobines du stator, plateaux de ser- rage, écrans de protection contre les champs frontaux, etc.). Le tableau 1 donne, pour plusieurs machines, les valeurs des pertes et du rendement. (0) Un tableau des notations et symboles peut être consulté à la ﬁn de l’article. Tableau 1 – Pertes. Rendement. Masses de matières actives Type d’alternateur Pôles lisses Pôles saillants Repère (tableau 1 de [D 3 550]) ➀ ➁ ➂ ➃ ➄ ➆ ➇ Refroidissement Gaz ; p absolue (bar) ............................................ H2 ; 4 H2 ; 5 H2 ; 4 Air ; 3 Air ; 1 Air ; 1 Air ; 1 Enroulement stator .............................................. H2O H2O H2O Indirect Indirect Indirect Indirect Pertes constantes (kW) I Mécaniques paliers ........................................................ 233,4 683,8 650,9 19,9 8,4 9,6 40,1 friction ........................................................ 132,1 495,6 182,1 170,7 183,9 280,4 1 554,5 ventilation ................................................... 154,7 485,4 308,7 diverses ............................................................. 77,7 187,1 206,4 I Fer à vide dents .......................................................... 103,1 188,1 353,1 160,3 129,1 143,5 853,1 couronne .................................................... 203,1 441,9 443,1 79,9 123,1 114,1 663,3 I Total 904,1 2 481,7 2 144,2 430,8 444,4 547,6 3 110,9 Pertes variables (kW) I Rotor Joule .......................................................... 1 040,1 3 247,6 2 565,3 264,2 139,4 331,4 916,6 excitation .................................................... 110,9 300,5 232,3 46,6 24,6 58,5 161,8 I Stator Joule .......................................................... 819,3 3 149,3 4 193,6 315,9 231,1 436,9 1 148,7 supplémentaires dans la partie droite .... 237,7 467,5 778,7 43,6 24,7 48,9 113,8 supplémentaires dans les têtes ............... 66,7 185,3 76,8 229,2 377,5 155,8 636,9 I Supplémentaires surface pôles ............................................. 51,1 56,1 232,1 résiduelles ................................................. 409,1 1 156,1 627,1 I Total 2 734,7 8 562,2 8 705,7 899,5 797,3 1 031,5 2 977,8 Pertes totales ................................................(kw) 3 638,7 11 043,9 10 849,9 1 330,3 1 241,7 1 579,1 6 088,7 Rendement ..................................................... (%) 98,77 98,79 98,94 96,77 97,55 98,28 98,53 Pertes à évacuer à pleine charge 2 217,1 39,1 6 340,1 63,1 4 919,1 50,1 1 420,9 12,4 1 307,5 47,5 2 068,1 75,2 6 347,8 230,8 1 069,1 39,5 3 629,1 110,1 4 908,1 117,1 Masses (t) Fer du stator.......................................................... 92,5 165,1 175,1 35,4 36,9 69,2 293,9 Cuivre du stator.................................................... 8,1 9,7 13,8 3,9 7,9 10,7 50,8 Cuivre du rotor ..................................................... 48,1 7,1 18,6 7,7 9,9 16,2 57,4 Pfp Pfg      Pv Pfd Pfc PJf Pex PJI PsF Pst      Psp Psr • par gaz..................................................(kW) • débit gaz........................................... m3 s ⁄ ( )    • par eau stator.......................................(kW) • débit d′eau............................................(t/h)    _____________________________________________________________________________ ALTERNATEURS SYNCHRONES DE GRANDE PUISSANCE (PARTIE 3) Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 3 552 − 3 1.1 Pertes mécaniques 1.1.1 Pertes par frottement aux paliers Ces pertes, , dépendent essentiellement du type de machine (à axe vertical ou horizontal) et des paliers utilisés. I Pour les alternateurs hydrauliques à axe vertical , où les pertes du pivot sont généralement prises en compte par la turbine, on ne considère que les pertes du palier guide supérieur. On peut admet- tre la formule approchée : (1) avec en kW, en MVA et en tr/min. I Pour les turboalternateurs où l’ axe est horizontal , les pertes dépendent du type de palier (elliptique ou citron, à segments) [26], du rapport et de la pression sur le ﬁlm d’huile (en bar) : avec (m) diamètre de la fusée, (m) longueur axiale du palier supporté par le ﬁlm d’huile en régime d’écoulement établi, (t) masse du rotor. Pour les paliers du type elliptique , on a généralement et à 21 bar. On peut ainsi calculer et sachant qu’avec une masse volumique moyenne de 7,65 t/m 3 , on a : (en tenant compte d’une majoration de 15 % pour les bouts d’arbre). Pour les deux paliers elliptiques d’une machine, on peut admet- tre, avec les coefﬁcients expérimentaux, les pertes suivantes (en kW) en fonction de (m) : (2) Les paliers à segments , de conception plus complexe, sont quelque- fois utilisés pour les machines de très grande puissance ( MW). Les pertes sont sensiblement identiques pour les deux types de paliers jusqu’à m ; au-delà, on note une réduction des per- tes pour les paliers à segments d’environ 30 %. I Pour les alternateurs hydrauliques et les groupes bulbes à axe horizontal , on peut admettre pour l’ensemble des deux paliers : (3) avec en kW, N en tr/min, en t. 1.1.2 Pertes par friction et par ventilation Quel que soit le gaz utilisé (air ou hydrogène), on calcule ces per- tes dans l’air à la pression atmosphérique et on les corrige suivant la pression et la nature du gaz. Nota : le lecteur pourra se reporter à l’article Refroidissement des machines électriques tournantes [D 3 460]. 1.1.2.1 Pertes par friction ou frottement de gaz Elles dépendent de la surface frottante du rotor (m 2 ) et du type de ventilation utilisé qui, suivant les zones de la machine, conduit à des écoulements laminaires ou tourbillonnaires. Les résultats d’essais permettent de déterminer un coefﬁcient de frottement glo- bal incluant l’effet autoventilateur du rotor. On a : (4) avec (m/s) vitesse périphérique du rotor : , pas polaire du rotor, en kW. On peut admettre : — pour les machines à rotor lisse : avec longueur d’une frette, ; — pour les machines à pôles saillants : avec , si l’axe est horizontal et si l’axe est vertical, . 1.1.2.2 Pertes par ventilation forcée Lorsque la machine est à autoventilation sans ventilateurs auxi- liaires, ces pertes sont comprises dans . C’est le cas notam- ment des machines à pôles saillants à ventilation par la jante du rotor. Dans les autres cas, lorsque l’on utilise des ventilateurs mon- tés sur le uploads/Industriel/ alternateur-synchrone-de-grande-puissance-3.pdf