Simulation du couplage au réseau d'une génératrice triphasée (alternateur) entraînée par une turbine Pelton

Introduction

La présente page contient une simulation (Fig. 1) d'une turbine hydraulique de type Pelton, d'une génératrice synchrone (alternateur) à excitation séparée, de dispositifs de synchronisation (synchronoscopes, voyants, voltmètres) et d'interrupteurs de couplage. Il est possible de visualiser le diagramme de Fresnel des tensions du réseau, des tensions de la génératrice et des tensions aux bornes des interrupteurs. Une fois la génératrice couplée, on peut voir tracé le diagramme de Behn Eschenburg de la génératrice.

Turbine et génératrice

L'admission d'eau dans une turbine Pelton s'effectue par l'intermédiaire d'un injecteur, muni à l'intérieur d'un pointeau mobile (en rouge sur la Fig. 2 à gauche), qui permet de régler le débit, et donc le couple fourni. Dans la simulation, le réglage s'effectue avec deux curseurs bleus. L'un des deux permet un réglage grossier, le second un réglage plus fin permettant de faciliter la recherche du point de synchronisme. La turbine est mécaniquement relié à une transmission qui entraîne la génératrice. La vitesse N de la génératrice en tours par minute est indiquée en rouge.

La génératrice synchrone triphasée ou alternateur (Fig. 2 à droite) est entraînée par la turbine. Elle possède un circuit d'excitation représenté en orange. Le curseur permet de régler le courant continu d'excitation.

• Quand la génératrice n'est pas couplée au réseau, le courant d'excitation permet de régler la tension ;
• quand la génératrice est couplée au réseau, le courant d'excitation permet de régler la puissance réactive Qtri échangée. Pour un faible courant d'excitation, la génératrice absorbe de la puissance réactive. Pour un fort courant d'excitation, la génératrice fournit de la puissance réactive.

Sur la simulation, deux appareils de mesure donnent d'une part la tension simple de la génératrice et d'autre part le courant de ligne qu'elle fournit. On note aussi, au-dessus de la génératrice, deux indicateurs de puissance. La puissance active échangée Ptri est en rouge, la puissance réactive Qtri en vert. La convention utilisée est la convention générateur : un signe positif signifie que la puissance est fournie par la génératrice au réseau. Des flèches animées permettent de visualiser simplement le sens de tranfert des différentes puissances.

Interrupteurs de couplage et ordre des phases du réseau

La figure 3 (gauche) représente les interrupteurs qui permettent de coupler la génératrice au réseau. Un clic sur l'un des trois interrupteurs permet de fermer les trois interrupteur en même temps, s'il sont ouvertes, ou de les ouvrir s'ils sont fermés. La fermeture des interrupteurs ne peut être envisagée que si l'on est proche des conditions de couplage optimales (voir ci-dessous).

Au lancement de la simulation, l'ordre de succession des phases est le même pour la génératrice et pour le réseau (sens direct). Il est possible de changer l'ordre de succession des phases du réseau en cliquant sur le bouton "Reverse" (Fig. 3 droite). On peut bien-sûr revenir à l'ordre direct en cliquant ensuite sur le bouton "Direct".

Indicateurs de fréquences et tensions

Les mesures des fréquences de la génératrice et du réseau sont regroupées sur un sur appareil (Fig. 4 gauche) afin de pouvoir facilement s'assurer d'une des conditions de couplage, à savoir un faible écart de fréquence entre génératrice et réseau. La couleur bleue est utilisée pour la génératrice, et la couleur rouge pour le réseau. La valeur numérique des fréquences est donnée, ainsi qu'une indication visuelle constituée de deux aiguilles triangulaires.

Un indicateur similaire existe pour les tensions simples (Fig. 4 droite). Là encore, les deux aiguilles permettent de s'assurer visuellement que les tensions de la génératrice et du réseau sont proches.

Indicateurs de phase

Deux appareils de mesure permettent de déterminer le déphasage entre les tensions de la génératrice et celles du réseau :

• le synchronoscope ou synchroscope (Fig. 5a) ;
• les indicateurs de tension aux bornes des interrupteurs (Fig. 5b).

En outre, quand la différence de fréquence entre génératrice et réseau est suffisamment faible (5 Hz), la simulation dessine le diagramme de Fresnel des tensions du réseau (traits pleins / Ⓐ sur la Fig. 5c), des tensions de la génératrice (tirets / Ⓑ sur Fig. 5c) et des tensions aux bornes des interrupteurs (pointillés / Ⓒ sur Fig. 5c). Il est facile de voir que les tensions Ⓒ correspondent aux différences des tensions Ⓐ et Ⓑ (pour le couplage à l'extinction ; pour le couplage "à l'allumage", voir le paragraphe dédié). Les couleurs des traits utilisées correspondent aux couleurs des conducteurs de la génératrice. Dans la simulation, en bas à droite, les tensions instantanées de la phase 1 sont aussi tracées (Fig. 5d).

L'aiguille du synchronoscope donne directement le déphasage entre la génératrice et le réseau. Quand cette aiguille est verticale et pointe vers le haut, le déphasage est nul. Si l'aiguille pointe sur le bas, le déphasage est de 180°. Quand l'aiguille pointe plutôt vers la droite, les tensions de la génératrice sont en avance sur celles du réseau. Si l'aiguille pointe vers la gauche, le réseau est en avance.

(a)

(b)

(c)

(d)

Conditions de couplage

Les conditions permettant d'effectuer un couplage de la génératrice sur le réseau dans de bonnes conditions sont :

1. le même sens de rotation des phases pour la génratrice et le réseau ;
2. la même fréquence (ou du moins un écart suffisamment faible) ;
3. la même tension (ou du moins un écart suffisamment faible) ;
4. un écart de phase suffisamment faible.

Les conditions 2 et 3 peuvent être vérifiées grâce aux indicateurs de la figure 4. Si la fréquence (et donc la vitesse de rotation) est trop faible, il faut augmenter le débit. Si la fréquence est trop élevée, on réduira le débit. La tension peut être réglée avec l'excitation de la génératrice : on augmente l'excitation afin d'augmenter la tension. Il est à noter que la tension dépend aussi de la fréquence (et donc de la vitesse) ; elle lui est même proportionnelle.

Couplage "à l'extinction" des lampes

Dans ce paragraphe, la description des conditions de couplage concerne le couplage de type "à l'extinction". Pour le couplage "à l'allumage", voir le paragraphe dédié

La condition 4 peut être vérifiée avec les instruments présentés à la figure 5. A condition que la tension de la génératrice soit égale (ou tout du moins proche) de la tension du réseau, il est possible de déterminer l'instant où la différence de phase entre génératrice et réseau est nulle en mesurant les tensions aux bornes des interrupteurs. En effet, quand la différence de phase s'annule, les tensions aux bornes des interrupteurs (correspondant aux pointillés Ⓒ sur la Fig. 5ce) s'annule aussi. Ces tensions peuvent être visualisées de deux façons dans la simulation (Fig. 5b) :

• par des voltmètres noirs ;
• par des ampoules à filament, représentées par des cercles. Quand la tension est faible, l'ampoule est sombre. Quand la tension est élevée, l'ampoule brille (blanc).

La figure 6a correspond à un cas où l'on est proche de la condition de couplage 4 : l'écart de phase vu au synchronoscope est petit. La tension aux bornes des interrupteur est faible, et les voyant lumineux sont presque éteints.

Inversement, la figure 6b illustre un moment où le couplage est impossible :

• la différence de phase est proche de 180° (aiguille du synchronoscope qui est proche du bas) ;
• la tension aux bornes des interrupteurs est élevée (proche de deux fois la tension simple du réseau) et les voyants lumineux sont éclairés.

Enfin, la figure 6c représente une condition où le couplage est impossible, car l'ordre de succession des phases du réseau et de la génératrice n'est pas le même. Dans la simulation, cette condition peut être obtenue en cliquant sur le bouton "Reverse" (cf. Fig. 3).

Dans cette configuration, il est impossible d'obtenir l'annulation simultanée des trois tensions aux bornes des interrupteur. On peut en effet constater en regardant le diagramme de Fresnel des tensions que quand une tension aux bornes d'un interrupteur (pointillés) décroît, au moins une autre tension croît. L'effet visuel sur les voyants est notable, quand on se place à un écart de fréquence faible mais non nul (par exemple autour de 0,5Hz) :

• si l'ordre de succession des phases est le même pour la génératrice et le réseau (position "Direct"), les voyants s'allument et s'éteignent en même temps (feux battants) ;
• si l'ordre de succession des phases est différent (position "Reverse"), les voyants s'allument et s'éteignent successivement (feux tournants).

Couplage "à l'allumage" des lampes

(a)

(b)

La recherche de la synchronisation à l'aide des lampes de couplage, comme décrit précédemment, présente un inconvénient : les lampes sont quasiment éteintes alors que la tension est encore égale à 20% de la tension maximale. L'instant précis de synchronisme peut alors difficilement être déterminé.

Une solution consiste à modifier la connexion des lampes (Fig. 7a) de telle sorte que le moment de synchronisation soit indiqué :

• par l'extinction de la lampe L1 ;
• par l'allumage, de façon identique, des lampes L2 et L3.

Cette condition est représentée sur la figure 7b. Le moment où il faut fermer le disjoncteur de couplage est alors indiqué de façon plus précise, car il est plus facile de déterminer l'égalité de luminosité des lampes L2 et L3. Dans la simulation, ce mode de connexion des lampes peut être choisi par le menu déroulant situé au dessus des indicateurs de couplage.

Il est à noter que l'apparence des lampes est inversé quand on passe d'une connexion "à l'extinction" à une connexion "à l'allumage". Il est donc nécessaire de connaître le type de connexion réel de l'installation. Le tableau ci-dessous résume les différents cas de figure.

	Ordres de succession des phases identiques		Ordres de succession des phases inverses
	Apparence des lampes avant couplage	Conditions de couplage	Apparence des lampes	Conditions de couplage
Couplage "à l'extinction"				Couplage IMPOSSIBLE
Couplage "à l'allumage"				Couplage IMPOSSIBLE