Comparé à un générateur à turbine à vapeur, un générateur hydroélectrique présente les caractéristiques suivantes :
(1) La vitesse est faible. Limitée par la hauteur d'eau, la vitesse de rotation est généralement inférieure à 750 tr/min, et certaines ne sont que de quelques dizaines de tours par minute.
(2) Le nombre de pôles magnétiques est élevé. Du fait de la faible vitesse, pour générer de l'énergie électrique à 50 Hz, il est nécessaire d'augmenter le nombre de pôles magnétiques afin que le champ magnétique de l'enroulement statorique puisse varier 50 fois par seconde.
(3) La structure est volumineuse et lourde. D'une part, la vitesse est faible ; d'autre part, en cas de délestage de l'unité, afin d'éviter la rupture de la conduite d'acier due à un coup de bélier, le temps de fermeture d'urgence de la roue directrice doit être long, ce qui entraînerait une augmentation excessive de la vitesse de l'unité. Par conséquent, le rotor doit présenter un poids et une inertie importants.
(4) L'axe vertical est généralement adopté. Afin de réduire l'emprise au sol et le coût de l'installation, les centrales hydroélectriques de grande et moyenne taille adoptent généralement un axe vertical.
Les générateurs hydroélectriques peuvent être classés en deux catégories : verticaux et horizontaux, selon la disposition de leurs arbres de rotation. Les générateurs hydroélectriques verticaux peuvent être classés en deux catégories : suspendus et à coussin d’air, selon la position de leurs paliers de butée.
(1) Hydrogénérateur suspendu. Le palier de butée est installé au centre ou dans la partie supérieure du cadre supérieur du rotor, ce qui assure un fonctionnement stable et une maintenance aisée, mais la hauteur est importante et l'investissement dans l'installation est élevé.
(2) Générateur hydroélectrique à turbine parapluie. La butée axiale est installée dans le corps central ou dans la partie supérieure du bâti inférieur du rotor. Généralement, les grands générateurs hydroélectriques à vitesse moyenne et basse adoptent ce type de turbine en raison de leurs dimensions importantes, afin de réduire la hauteur de l'unité, d'économiser de l'acier et de diminuer le coût d'investissement. Ces dernières années, le développement d'une structure intégrant la butée axiale sur le capot supérieur de la turbine a permis de réduire encore la hauteur de l'unité.
2. Composants principaux
Un générateur hydroélectrique est principalement composé d'un stator, d'un rotor, d'un palier de butée, de paliers de guidage supérieurs et inférieurs, de châssis supérieurs et inférieurs, d'un dispositif de ventilation et de refroidissement, d'un dispositif de freinage et d'un dispositif d'excitation.
(1) Stator. Il s'agit d'un composant servant à la production d'énergie électrique, composé d'un enroulement, d'un noyau de fer et d'une enveloppe. Le diamètre du stator des grandes et moyennes centrales hydroélectriques étant très important, il est généralement constitué de segments pour faciliter son transport.
(2) Rotor. Il s'agit de la partie rotative générant un champ magnétique, composée d'un support, d'une couronne dentée et d'un pôle magnétique. La couronne dentée est un élément annulaire constitué d'une plaque de fer en forme d'éventail. Les pôles magnétiques sont disposés à l'extérieur de la couronne dentée, qui sert de canal au champ magnétique. Un rotor de grande et moyenne taille est assemblé sur site, puis chauffé et gainé sur l'arbre principal du générateur. Ces dernières années, une structure sans arbre a été développée : le support du rotor est alors fixé directement à l'extrémité supérieure de l'arbre principal de la turbine. Le principal avantage de cette structure est qu'elle permet de résoudre les problèmes de qualité liés aux grandes pièces moulées et forgées, inhérents aux grandes unités. De plus, elle permet de réduire le poids et la hauteur de levage du rotor, ce qui diminue la hauteur de l'installation et contribue à des économies sur la construction de la centrale.
(3) Palier de butée. Il s'agit d'un composant qui supporte le poids total de la partie rotative de l'unité et la poussée hydraulique axiale de la turbine.
(4) Système de refroidissement. Un hydrogénérateur utilise généralement l'air comme fluide de refroidissement pour le stator, l'enroulement du rotor et le noyau du stator. Les hydrogénérateurs de petite puissance adoptent souvent une ventilation ouverte ou par conduits, tandis que les hydrogénérateurs de grande et moyenne puissance adoptent souvent une ventilation fermée à circulation naturelle. Afin d'améliorer l'intensité du refroidissement, certains enroulements d'hydrogénérateurs de grande puissance adoptent un refroidissement interne par conducteur creux traversant directement le fluide de refroidissement, lequel peut être de l'eau ou un fluide innovant. Les enroulements du stator et du rotor sont refroidis en interne par eau, le fluide de refroidissement étant également de l'eau ou un fluide innovant. Les enroulements du stator et du rotor refroidis en interne par eau sont dits à double refroidissement interne par eau. Les enroulements du stator et du rotor ainsi que le noyau du stator refroidis par eau sont dits à refroidissement interne par eau intégral, tandis que les enroulements du stator et du rotor refroidis en interne par eau sont dits à refroidissement interne par eau partiel.
Une autre méthode de refroidissement des hydrogénérateurs est le refroidissement par évaporation, qui consiste à introduire un fluide caloporteur dans le conducteur du générateur. Ce procédé présente l'avantage d'une conductivité thermique bien supérieure à celle de l'air et de l'eau, permettant ainsi de réduire le poids et l'encombrement de l'unité.
(5) Le dispositif d’excitation et son développement sont fondamentalement les mêmes que ceux des centrales thermiques.
Date de publication : 1er septembre 2021
