Système d'excitation
Système d'excitation
Définition
Un système d'excitation est un composant essentiel des machines synchrones, chargé de fournir le courant de champ nécessaire au bobinage du rotor. En termes simples, il est conçu pour générer un flux magnétique en faisant passer un courant électrique à travers le bobinage de champ. Les principales caractéristiques qui définissent un système d'excitation idéal comprennent une fiabilité inébranlable dans tous les scénarios opérationnels, des mécanismes de contrôle simples, une facilité d'entretien, une stabilité et une réponse transitoire rapide.
L'intensité de l'excitation requise par une machine synchrone dépend de plusieurs facteurs, notamment le courant de charge, le facteur de puissance de la charge et la vitesse de rotation de la machine. Des courants de charge plus importants, des vitesses plus faibles et des facteurs de puissance retardés nécessitent un niveau d'excitation plus élevé dans le système.
Dans un dispositif d'excitation, chaque alternateur dispose généralement de son propre exciteur, qui fonctionne comme un générateur. Dans un système d'excitation centralisé, deux ou plusieurs exciteurs sont utilisés pour alimenter la barre d'alimentation. Bien que cette approche centralisée soit économique, une panne dans le système peut avoir un impact néfaste sur les alternateurs en fonctionnement dans la centrale électrique.
Types de systèmes d'excitation
Le système d'excitation peut être principalement classé en plusieurs types, les trois suivants étant les plus significatifs : Système d'excitation DC, Système d'excitation AC et Système d'excitation statique. De plus, il existe des sous-types tels que le Système d'excitation du rotor et le Système d'excitation sans balais, qui seront détaillés ci-dessous.
Système d'excitation DC
Le système d'excitation DC comprend deux exciteurs : un exciteur principal et un exciteur pilote. Un régulateur automatique de tension (AVR) joue un rôle crucial dans ce système en ajustant la sortie des exciteurs. Cet ajustement vise à contrôler précisément la tension de sortie du terminal de l'alternateur. L'entrée provenant d'un transformateur de courant vers l'AVR sert de protection, garantissant que le courant de l'alternateur est limité en cas de panne.
Lorsque l'interrupteur de champ est en position ouverte, une résistance de décharge de champ est connectée en parallèle avec le bobinage de champ. Étant donné la nature fortement inductive du bobinage de champ, cette résistance est essentielle pour dissiper l'énergie stockée, protégeant ainsi les composants du système des dommages potentiels dus aux tensions induites.
Système d'excitation DC (suite)
Les deux exciteurs, principal et pilote, peuvent être alimentés de deux manières : soit directement par l'arbre principal de la machine synchrone, soit indépendamment par un moteur externe. Les exciteurs entraînés directement sont souvent la solution préférée. Cela permet de maintenir l'intégrité du système opérationnel de l'unité, assurant que le processus d'excitation reste inchangé malgré les perturbations externes.
L'exciteur principal a généralement une tension nominale d'environ 400 volts et sa capacité est d'environ 0,5 % de la capacité de l'alternateur. Cependant, dans les turbo-alternateurs, les problèmes liés aux exciteurs sont relativement courants. Les vitesses de rotation élevées de ces machines contribuent à l'usure accrue, rendant les exciteurs plus susceptibles de tomber en panne. Pour y remédier, des exciteurs entraînés séparément par un moteur sont installés en tant qu'unités de secours, prêts à prendre le relais en cas de dysfonctionnement des exciteurs principaux.
Système d'excitation AC
Le système d'excitation AC intègre un alternateur et un pont redresseur thyristor, les deux étant directement couplés à l'arbre principal de l'alternateur. L'exciteur principal dans ce système peut fonctionner en deux modes : l'auto-excitation, où il génère son propre champ magnétique pour produire une sortie électrique, ou l'excitation séparée, qui repose sur une source d'alimentation externe pour initier le processus d'excitation. Le système d'excitation AC peut être subdivisé en deux catégories distinctes, chacune ayant ses propres caractéristiques, qui seront explorées en détail ci-dessous.
Système d'excitation thyristor rotatif
Comme illustré dans la figure jointe, le système d'excitation thyristor rotatif présente une section rotative clairement définie, délimitée par une ligne pointillée. Ce système comprend un exciteur AC, un champ stationnaire et un armature rotatif. La sortie de l'exciteur AC subit une redressage via un circuit redresseur thyristor à ondes pleines. Cette sortie en courant continu convertie est ensuite fournie au bobinage de champ de l'alternateur principal, permettant la génération du champ magnétique nécessaire au fonctionnement de l'alternateur.
Dans le système d'excitation thyristor rotatif, le bobinage de champ de l'alternateur est également alimenté via un circuit redresseur supplémentaire. L'exciteur est capable d'établir sa tension en utilisant son flux magnétique résiduel. L'unité d'alimentation, en conjonction avec le mécanisme de contrôle du redresseur, génère des signaux de déclenchement précisément contrôlés. En mode de fonctionnement automatique, le signal de tension de l'alternateur est d'abord moyenné puis comparé directement avec la valeur de réglage de la tension fixée par l'opérateur. Inversement, en mode de fonctionnement manuel, le courant d'excitation de l'alternateur est comparé à une référence de tension ajustée manuellement.
Système d'excitation sans balais
Le système d'excitation sans balais est représenté dans la figure ci-dessous, avec ses composants rotatifs clairement encadrés dans un rectangle à lignes pointillées. Ce système sophistiqué comprend un alternateur, un redresseur, un exciteur principal et un alternateur génératrice à aimants permanents. Les deux exciteurs, principal et pilote, sont entraînés par l'arbre principal de la machine. L'exciteur principal possède un champ stationnaire et un armature rotatif. La sortie de l'armature rotatif est directement connectée, via des redresseurs en silicium, au bobinage de champ de l'alternateur principal, assurant un transfert électrique sans balais pour les besoins d'excitation.
L'exciteur pilote est un générateur à aimants permanents entraîné par l'arbre. Il comporte des aimants permanents rotatifs fixés à l'arbre et un armature stationnaire triphasé. Cet armature alimente le champ de l'exciteur principal via des redresseurs en silicium, contribuant finalement à l'excitation de l'alternateur principal. De plus, dans une autre configuration, l'exciteur pilote, toujours un générateur à aimants permanents entraîné par l'arbre, utilise des ponts thyristor triphasés à ondes pleines commandés en phase pour alimenter l'exciteur principal.
Le système d'excitation sans balais offre plusieurs avantages notables. En éliminant l'utilisation de commutateurs, de collecteurs et de balais, il réduit considérablement les besoins en maintenance. Il a également une constante de temps très courte, avec un temps de réponse inférieur à 0,1 seconde. Cette constante de temps courte améliore la performance dynamique du système en petites perturbations, lui permettant de répondre plus rapidement et précisément aux petites perturbations électriques. De plus, il simplifie l'intégration de signaux stabilisateurs de système d'alimentation supplémentaires, essentiels pour maintenir la stabilité du réseau.
Système d'excitation statique
Dans le système d'excitation statique, l'alimentation électrique est tirée directement de l'alternateur. Cela est réalisé à travers un transformateur de réduction en étoile/triangle triphasé. Le bobinage primaire de ce transformateur est relié à la barre de l'alternateur, tandis que le bobinage secondaire sert à plusieurs fonctions. Il alimente le redresseur, qui convertit le courant alternatif en courant continu pour les besoins d'excitation. De plus, il fournit de l'énergie électrique au circuit de commande du réseau et à d'autres équipements électriques associés, assurant le fonctionnement fluide de l'ensemble du système d'excitation et de commande.
Le système d'excitation statique se distingue par un temps de réponse impressionnamment court, lui permettant de réagir rapidement aux changements des conditions électriques. Cette rapidité de réponse confère une performance dynamique exceptionnelle, permettant au système de maintenir un fonctionnement stable même sous des charges fluctuantes et des demandes électriques variables.
L'un des principaux avantages de ce système réside dans sa capacité à réduire considérablement les coûts de fonctionnement. En éliminant les exciteurs traditionnels, il supprime les pertes de frottement — l'énergie dissipée due au frottement entre les parties mobiles et l'air environnant. De plus, sans le besoin d'un entretien régulier des bobinages d'exciteurs, les frais de maintenance sont substantiellement réduits. Ces caractéristiques économiques font du système d'excitation statique une option financièrement attrayante pour une large gamme d'applications.
