Refroidissement d'un Générateur Synchrone

Refroidissement des alternateurs synchrones : méthodes, avantages et limitations

Importance du refroidissement

Le refroidissement est un aspect crucial du fonctionnement des alternateurs synchrones. Les mécanismes de refroidissement naturels sont insuffisants pour dissiper la quantité importante de chaleur générée à l'intérieur des alternateurs. Pour y remédier, des systèmes de refroidissement par air forcé sont utilisés. Dans ces systèmes, l'air est activement poussé dans l'alternateur, assurant qu'un volume plus important d'air passe sur ses surfaces, éliminant ainsi une quantité significative de chaleur. Un système de ventilation en circuit fermé est particulièrement efficace pour améliorer le refroidissement des alternateurs synchrones. Dans ce dispositif, l'air chaud et propre provenant de l'alternateur est refroidi par un échangeur de chaleur à eau et est ensuite recirculé à travers l'alternateur à l'aide de ventilateurs.

Pour maximiser la surface en contact avec l'air de refroidissement, des conduits sont intégrés aux cœurs du stator et du rotor, ainsi qu'aux bobines de champ du générateur. Ces conduits peuvent être configurés soit de manière radiale, soit axiale, selon le motif de flux d'air souhaité.

Système de ventilation à flux radial

Description

Dans un système de ventilation à flux radial, l'air de refroidissement pénètre dans les conduits via l'entrefer du stator et s'écoule radialement vers l'arrière du stator, d'où il est ensuite évacué.

Avantages

• Faible perte d'énergie : L'énergie requise pour la ventilation est minimisée, contribuant à l'efficacité globale.

• Polyvalence : Ce système peut être appliqué à la fois aux machines petites et grandes, ce qui en fait une option flexible pour différentes tailles de générateurs.

Limitations

Taille et compacité : La présence de conduits de ventilation, qui peuvent occuper environ 20 % de la longueur de l'armature, rend la machine moins compacte.

Dissipation de chaleur : Comparé à d'autres systèmes de refroidissement, le système à flux radial offre une dissipation de chaleur relativement moindre. Dans certains cas, la stabilité du système peut être compromise en raison des fluctuations du volume d'air de refroidissement circulant dans la machine.

Système de ventilation à flux axial

Description

Dans cette méthode, l'air est forcé de s'écouler axialement à travers des passages créés par des trous dans le stator et le rotor.

Performance et limitations

Le système de ventilation à flux axial est très efficace, sauf pour les machines ayant des longueurs axiales importantes. L'un de ses principaux inconvénients est la non-uniformité du transfert de chaleur. La section de sortie d'air de la machine reçoit généralement moins de refroidissement car l'air se réchauffe au fur et à mesure qu'il parcourt les conduits axiaux.

Ventilation circumférentielle

Description

Dans la ventilation circumférentielle, l'air est fourni à un ou plusieurs points de la périphérie extérieure du cœur du stator et est ensuite forcé de s'écouler de manière circumférentielle à travers les conduits entre les tôles jusqu'à des sorties désignées. Cette méthode permet d'augmenter la surface des conduits.

Combinaisons et considérations

Dans certains cas, la ventilation circumférentielle est combinée avec le système de flux radial. Cependant, il faut prendre soin d'éviter les interférences entre les deux flux d'air. Pour prévenir ces interférences, les surfaces extérieures des conduits radiaux alternés sont généralement fermées.

Exigences de l'air de refroidissement

Pour un refroidissement efficace, l'air utilisé doit être propre et exempt de poussière. Les particules de poussière peuvent obstruer les conduits, réduisant leur section transversale et, par conséquent, diminuant l'efficacité du transfert de chaleur par conduction. Pour garantir un air propre, des filtres à air et des filtres en gaze sont couramment utilisés. Dans certaines situations, l'air est lavé dans une chambre à pulvérisation. De plus, dans la plupart des cas, l'air est refroidi par des refroidisseurs à eau et est ensuite recirculé pour une réutilisation.

Limites du refroidissement par air

Équipement et coût : Pour les machines de grande capacité, les ventilateurs nécessaires pour faire circuler l'air deviennent plus grands et consomment une quantité significative d'énergie. Cela nécessite l'utilisation d'équipements auxiliaires, qui peuvent être coûteux.

Contraintes de capacité : Il existe un taux optimal pour les machines au-delà duquel le refroidissement par air n'est plus suffisant pour maintenir la température dans des limites de fonctionnement sûres.

Refroidissement des alternateurs synchrones par hydrogène

Dans un système de refroidissement par hydrogène, le gaz d'hydrogène sert de fluide de refroidissement. Une exploration plus approfondie de cette méthode peut être trouvée dans l'article "Refroidissement par hydrogène des alternateurs synchrones."

Refroidissement direct par eau des alternateurs synchrones

Application

Le refroidissement par hydrogène s'avère insuffisant pour extraire la chaleur des turbo-alternateurs de grande capacité, de 500 MW ou plus. Le grand volume de gaz d'hydrogène requis pour ces machines peut rendre son utilisation économiquement non viable. Dans ces cas, le refroidissement direct par eau est employé. Dans les très grands turbogénérateurs, les rotors sont souvent refroidis par hydrogène, tandis que les enroulements du stator sont refroidis par de l'eau déminéralisée. L'eau est circulée à l'aide d'une pompe centrifuge entraînée par un moteur à courant alternatif, et des filtres à cartouche sont utilisés pour éliminer les impuretés. Ces filtres sont spécifiquement conçus pour empêcher les particules corrosives métalliques générées dans les enroulements et les tuyauteries d'entrer dans les conducteurs creux des enroulements.

Avantages par rapport au refroidissement par hydrogène

• Efficacité : Les systèmes refroidis par eau sont plus rapides et plus efficaces en raison de la conductivité thermique supérieure de l'eau par rapport à l'hydrogène.

• Optimisation de l'espace : La surface de conduit plus petite requise pour l'eau permet de libérer plus d'espace pour accueillir les conducteurs dans les fentes, optimisant ainsi la conception du générateur.

Inconvénients

• Exigence de purification : L'eau utilisée pour le refroidissement doit être hautement purifiée pour éviter une augmentation de sa conductivité, ce qui pourrait entraîner des problèmes électriques.

• Coût : Le refroidissement par eau est généralement plus coûteux que le refroidissement par hydrogène, ce qui en fait une option plus onéreuse pour le refroidissement des générateurs.

En résumé, le refroidissement des alternateurs synchrones implique une gamme de méthodes, chacune ayant ses propres avantages et limitations. Le choix de la méthode de refroidissement appropriée dépend de facteurs tels que la taille, la capacité et les exigences opérationnelles du générateur.