En fournissant de l'énergie potentielle ou cinétique à la turbine hydraulique, celle-ci se met à tourner. Si l'on connecte un générateur à la turbine, celui-ci produit de l'électricité. En élevant le niveau d'eau pour alimenter la turbine, on augmente sa vitesse de rotation. Par conséquent, plus la différence de niveau d'eau est importante, plus l'énergie cinétique fournie à la turbine est grande et plus l'énergie électrique convertible est élevée. C'est le principe de base de l'hydroélectricité.
Le processus de conversion d'énergie est le suivant : l'énergie potentielle gravitationnelle de l'eau en amont est convertie en énergie cinétique du courant. Lorsque l'eau traverse la turbine, l'énergie cinétique est transférée à celle-ci, qui entraîne un générateur pour la transformer en énergie électrique. Il s'agit donc d'une conversion d'énergie mécanique en énergie électrique.
En raison des différentes conditions naturelles des centrales hydroélectriques, la capacité et la vitesse des groupes électrogènes varient considérablement. Généralement, les petites centrales et les groupes électrogènes à grande vitesse entraînés par des turbines à impulsion adoptent majoritairement des structures horizontales, tandis que les centrales de grande et moyenne vitesse privilégient les structures verticales. La plupart des centrales hydroélectriques étant éloignées des villes, l'alimentation électrique des réseaux s'effectue généralement par de longues lignes de transport. De ce fait, le réseau électrique impose des exigences élevées en matière de stabilité de fonctionnement des groupes électrogènes : les paramètres du moteur doivent être soigneusement sélectionnés et le moment d'inertie du rotor doit être important. Par conséquent, l'aspect d'un groupe électrogène hydroélectrique diffère de celui d'une turbine à vapeur. Son rotor présente un grand diamètre et une faible longueur. Le temps de démarrage et de raccordement au réseau est relativement court, et la gestion de la production est flexible. Outre la production d'électricité générale, l'hydroélectricité est particulièrement adaptée à l'écrêtement des pointes de consommation et aux groupes électrogènes de secours. La puissance maximale des groupes électrogènes à turbine à eau a atteint 700 000 kilowatts.
Le principe de fonctionnement d'un générateur est clairement expliqué en physique de lycée : il repose sur la loi de l'induction électromagnétique et la loi de la force électromagnétique. Ainsi, sa construction consiste à utiliser des matériaux magnétiques et conducteurs appropriés pour former un circuit magnétique et un circuit d'induction électromagnétique mutuelle, afin de générer de l'énergie électromagnétique et de réaliser la conversion d'énergie.
Le groupe électrogène à turbine hydraulique est entraîné par une turbine hydraulique. Son rotor, court et épais, permet un démarrage et un raccordement au réseau rapides, ainsi qu'une grande flexibilité de gestion. Outre la production d'électricité générale, il est particulièrement adapté à l'écrêtement des pointes de consommation et aux groupes électrogènes de secours. La puissance maximale de ces groupes électrogènes atteint 800 000 kilowatts.
Le groupe électrogène diesel est entraîné par un moteur à combustion interne. Il démarre rapidement et est facile à utiliser, mais son coût de production d'électricité est élevé. Il est principalement utilisé comme source d'alimentation de secours, dans les zones non desservies par le réseau électrique principal ou pour les centrales électriques mobiles. Sa puissance varie de quelques kilowatts à plusieurs kilowatts. Le couple moteur étant sujet à des pulsations périodiques, il est impératif de prévenir les risques de résonance et de rupture d'arbre.
La vitesse de l'hydrogénérateur détermine la fréquence du courant alternatif produit. Pour garantir la stabilité de cette fréquence, la vitesse du rotor doit être stabilisée. Afin d'y parvenir, la vitesse de la turbine hydraulique peut être régulée en boucle fermée. Le signal de fréquence du courant alternatif à produire est échantillonné et réinjecté dans le système de contrôle qui pilote l'angle d'ouverture et de fermeture des aubes directrices de la turbine hydraulique, et ainsi réguler la puissance de sortie de cette dernière. Grâce à ce principe de régulation par rétroaction, la vitesse du générateur est stabilisée.
Date de publication : 8 octobre 2022
