Formation conduite · Électrotechnique
Comprendre comment la turbine vapeur devient des mégawatts, comment le PMG « auto-alimente » l'excitation, et comment on règle le cos φ pour produire — ou pas — du réactif.
La formation s'appuie sur ta machine réelle : un turbo-alternateur WEG de la ligne ST41 (montage horizontal). C'est une machine synchrone triphasée à excitation brushless avec PMG — exactement le schéma décortiqué dans cette formation.
| Plaque | Valeur | Ce que ça veut dire |
|---|---|---|
| Constructeur | WEG · ligne ST41 | Turbo-alternateur horizontal, machine synchrone. |
| Puissance | 26 289 kVA | Puissance apparente S ≈ 26,3 MVA (dimensionne la machine et les câbles). |
| Tension stator | 11 000 V | Tension de sortie triphasée (11 kV). |
| cos φ | 0,8 | Facteur de puissance nominal → P active ≈ 21 MW. |
| Courant nominal | ≈ 1380 A | Calculé : I = S / (√3 × U) = 26 289 / (1,732 × 11). |
| Phases | 3 ~ | Triphasé. |
| Pôles | 4 pôles | Avec 1500 tr/min, donne du 50 Hz. |
| Vitesse | 1500 tr/min | Vitesse de synchronisme, tenue par le réseau une fois couplé. |
| Fréquence | 50 Hz | Déduite : f = (pôles/2) × (tr·min⁻¹ ÷ 60) = 2 × 25. |
| Excitation | brushless + PMG | Sans balais ; le PMG alimente l'AVR (détaillé plus loin). |
| Protection | IP 54 | Protégé contre les poussières et les projections d'eau. |
Les 26 289 kVA sont la puissance apparente (S). Avec le cos φ de plaque (0,8), la puissance active utile vaut P = S × cos φ ≈ 21 MW. Sous 11 kV, le courant nominal est I = S / (√3 × U) = 26 289 / (1,732 × 11) ≈ 1380 A. Côté excitation, le rotor est alimenté à 376 V / 290,4 A (≈ 109 kW), piloté par un courant de commande de 46,2 V / 5,8 A.
Sources : plaque signalétique de la machine + manuel WEG « Turbogenerators ST41 Line ». Les valeurs propres à ton unité priment sur les exemples ci-dessus.
L'alternateur est une machine synchrone. La turbine vapeur lui fournit un couple mécanique ; l'alternateur transforme ce couple en puissance électrique. Trois choses se passent en même temps sur le même arbre :
PMG = Permanent Magnet Generator, générateur à aimants permanents. C'est une petite génératrice pilote montée sur le même arbre que l'alternateur. Son rôle n'est pas de produire les MW du réseau, mais d'alimenter le système d'excitation : d'abord l'AVR (le régulateur de tension), qui commande ensuite, de proche en proche, l'excitatrice puis — via les diodes tournantes — le champ du rotor principal.
C'est le point clé, et souvent le plus contre-intuitif : le PMG n'a pas d'alimentation électrique. Son rotor porte des aimants permanents. Dès que l'arbre tourne, les aimants défilent devant le bobinage fixe (le stator du PMG) et y induisent une tension alternative.
Son seul « carburant » = la rotation mécanique de l'arbre. Pas de batterie, pas de source extérieure à maintenir.
Comme le PMG produit son énergie indépendamment de la tension de l'alternateur :
• Pas besoin de flashing externe (batterie de premier amorçage) : ça s'excite tout seul dès la montée en vitesse.
• En cas de creux de tension réseau (court-circuit, défaut), l'excitation reste alimentée. La machine peut « tenir » et soutenir le réseau au lieu de s'effondrer.
Voici la chaîne complète chiffrée, relevée sur les plaques de ta machine. Le PMG fournit une tension alternative de 145 V à 150 Hz — c'est la tension induite qui alimente l'AVR. L'AVR la redresse et n'envoie qu'un petit courant de commande au champ de l'excitatrice ; l'excitatrice, entraînée par l'arbre, fabrique la vraie puissance, redressée par les diodes tournantes vers le rotor.
Déplace la charge de la machine : regarde ce qui monte dans la chaîne d'excitation… et ce qui ne bouge pas.
« Brushless » = sans balais ni bagues. On évite les charbons qui s'usent en faisant transiter le courant d'excitation par induction magnétique, puis en le redressant par des diodes qui tournent avec l'arbre. Voici le trajet complet, du PMG jusqu'au bobinage du rotor principal :
Le schéma ci-dessus est « déplié » pour la logique. Voici maintenant la même chaîne sur la machine physique : tout est sur le même arbre, la sortie d'arbre et le ventilateur d'un côté, l'excitatrice et le PMG de l'autre. L'AVR est le seul organe fixe qui « pilote » l'ensemble.
Pour bien comprendre : l'AVR fonctionne comme un régulateur de vitesse de voiture. On lui donne une consigne (la tension voulue), il mesure en permanence la tension réelle et corrige tout seul l'excitation pour coller à la cible.
| # | Élément | Ce qui s'y passe |
|---|---|---|
| 1 | PMG | Les aimants tournants induisent un courant alternatif dans le stator du PMG. Source d'énergie 100 % mécanique. |
| 2 | AVR | Le régulateur automatique de tension redresse et surtout dose ce courant. C'est ici qu'on agit sur l'excitation. |
| 3 | Champ excitatrice | Le courant réglé alimente le bobinage fixe (stator) de l'excitatrice principale. |
| 4 | Induit excitatrice | Machine « inversée » : l'induit 3~ tourne avec l'arbre et récupère l'énergie par induction. |
| 5 | Diodes tournantes | Un pont de diodes monté sur l'arbre redresse en continu → plus de bagues ni balais. |
| 6 | Rotor alternateur | Le DC crée le champ magnétique du rotor. En tournant, ce champ induit la tension dans le stator → sortie 3~ vers le réseau. |
« Il faut bien de la puissance pour exciter l'alternateur — d'où vient-elle ? » C'est la bonne question. Réponse : l'AVR ne pousse pas toute la puissance vers le rotor. Il dose seulement un petit courant de commande ; c'est l'excitatrice, entraînée par l'arbre, qui fabrique la vraie puissance d'excitation. Deux niveaux, donc :
Une fois couplé au réseau, l'alternateur tourne à la vitesse imposée par la fréquence du réseau (50 Hz). Il ne peut pas accélérer tout seul. Alors quand on ouvre la vapeur, que se passe-t-il ?
Le surcroît de vapeur pousse plus fort sur les aubes. Comme la vitesse est bloquée par le réseau, ce couple supplémentaire ne se transforme pas en vitesse mais en puissance active injectée.
Plus on charge, plus le champ du rotor prend un léger angle d'avance (δ) sur le champ du réseau. C'est cet angle qui « transmet » la puissance. Trop d'angle = risque de décrochage.
La fréquence, elle, reste à 50 Hz tant qu'on est couplé : c'est le réseau qui « tient » la vitesse. Le régulateur de vitesse-charge ne sert alors plus à régler la vitesse mais à répartir la charge active.
Un alternateur ne débite pas que des watts « utiles ». Il gère trois puissances liées par un triangle rectangle :
P — active (MW)
Le travail réel : elle fait tourner les moteurs, chauffe, éclaire. Fixée par la vapeur.
Q — réactive (MVAr)
Elle ne « travaille » pas mais magnétise le réseau (transfos, moteurs). Fixée par l'excitation.
S — apparente (MVA)
La combinaison des deux : S = √(P² + Q²). C'est elle qui dimensionne la machine et les câbles.
cos φ = P / S = la part utile de ce que débite la machine.
Deux molettes, comme en salle de commande. La vanne vapeur monte les MW. L'excitation décide si la machine produit, absorbe ou ne fait rien côté réactif. Regarde le triangle et le cos φ bouger en direct.
C'est l'excitation, via l'AVR alimenté par le PMG, qui décide. Trois régimes :
| Régime | Excitation | Réactif Q | cos φ | Effet réseau |
|---|---|---|---|---|
| Sur-excité | fort (rotor bien magnétisé) | produit (Q > 0) | « arrière » / inductif | soutient / remonte la tension |
| Neutre | ajustée | nul (Q ≈ 0) | = 1 | que de l'actif, tension neutre |
| Sous-excité | faible | absorbe (Q < 0) | « avant » / capacitif | fait baisser la tension |
En pratique, sur une UVE cogénération, la consigne de réactif (ou de cos φ, ou de tension) est souvent demandée par le gestionnaire de réseau ou fixée par le contrat de raccordement. L'AVR tient alors automatiquement la consigne ; l'exploitant surveille surtout qu'on reste dans le domaine autorisé.
Fiche exploitation : à quoi sert le générateur homopolaire, et pourquoi il faut l'ouvrir dès qu'on couple le GTA.
Sur un site autonome / de cogénération, le jeu de barres HTA (5,5 à 20 kV) est alimenté soit par le réseau (transfo de soutirage), soit par le Groupe Turbo-Alternateur (GTA).
Le problème à l'arrêt du GTA : le secondaire du transfo amont est très souvent couplé en triangle (Δ) ou son neutre n'est pas distribué → le réseau HTA se retrouve à neutre isolé.
Le rôle du générateur homopolaire : c'est un transformateur de création de neutre (couplé en zigzag, ou étoile-triangle avec résistance de neutre) raccordé au jeu de barres. Il sert à fixer la référence de potentiel par rapport à la terre, limiter les surtensions transitoires en cas de défaut d'isolement, et calibrer le courant de défaut phase-terre pour faire agir les protections homopolaires (ANSI 51N / 50N).
L'alternateur du GTA a son propre point neutre mis à la terre (résistance de point neutre statorique). Si les deux restaient fermés, deux neutres seraient reliés à la terre sur le même jeu de barres :
| Conséquence | Mécanisme physique & risque exploitation |
|---|---|
| Doublement du courant de défaut | Les deux résistances de neutre se retrouvent en parallèle (Réq = R₁ ∥ R₂). Le courant de court-circuit à la terre double → risque d'endommager les tôles magnétiques du stator de l'alternateur. |
| Circulation d'harmonique 3 | Les alternateurs produisent naturellement de l'harmonique 3 (composante purement homopolaire). Relier deux neutres ferme une boucle de terre : un courant H3 permanent circule → échauffements anormaux et déclenchements intempestifs. |
| Perte de sélectivité | Le courant de défaut se divise entre les deux points de fuite. Les protections homopolaires ne mesurent plus la valeur nominale attendue → le déclenchement sélectif du départ en défaut peut ne pas se faire. |
Règle d'or : un seul point de neutre à la terre à la fois sur le jeu de barres. Le basculement est géré par automatisme et sécurisé par verrouillage.
Au couplage du GTA : synchronisation et fermeture du DJ GTA, puis ordre immédiat d'ouverture du DJ GH (bref chevauchement de quelques centaines de ms, ou séquence « ouverture avant fermeture » selon la logique du site).
Au découplage / déclenchement du GTA : ouverture du DJ GTA, puis réenclenchement instantané et automatique du DJ GH → le jeu de barres ne reste jamais à neutre flottant.
Verrouillage électrique (contrôle-commande) : contact auxiliaire NF du DJ GTA inséré dans la ligne d'enclenchement du GH ; interdiction d'ordre de fermeture permanent croisé entre les deux organes.
Relais à minimum de tension : si le GTA déclenche en urgence sur défaut électrique, l'automatisme renvoie immédiatement l'ordre de fermeture sur le GH pour rétablir la protection terre des départs auxiliaires alimentés par le secours / réseau.
↑ vanne vapeur = ↑ MW (P)
↑ excitation = ↑ MVAr (Q)
1. Qu'est-ce qui alimente électriquement le PMG ?
Le PMG n'a pas d'alimentation : ses aimants permanents induisent le courant dès que l'arbre tourne. C'est ce qui rend l'excitation autonome.
2. Je veux augmenter la puissance active (les MW). Sur quoi j'agis ?
L'actif suit le couple mécanique : c'est la vapeur. L'excitation, elle, agit sur le réactif et la tension, pas sur les MW.
3. La machine est sur-excitée. Que fait-elle côté réactif ?
Sur-excité = rotor fortement magnétisé = production de MVAr, cos φ « arrière », soutien de la tension réseau.