TE53 2014A Cours JLS Turboalternateurs Complements
TE53 2014A Cours JLS Turboalternateurs Complements
TE53 2014A Cours JLS Turboalternateurs Complements
Automne 2014
Dpartement Energie
SEICHEPINE Jean-Louis
Tuboalternateurs
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( )
E et B sont les valeurs locales des champs lectrique et magntique, qui ne peuvent pas
tre indpendants, car lis par les quations de Maxwell.
L'intensit I d'un courant lectrique est un scalaire dcrivant le courant l'chelle globale,
notamment dans les circuits.
Elle est dfinie comme le dbit de charge lectrique Q travers une surface donne, par
exemple la section d'un fil lectrique.
dQ
I=
dt
F : Effort, en N
q : Charge lectrique d'une particule, en C
E : Champ lectrique, en V/m
v : Vitesse, en m/s
B : Champ magntique, en T
I : Intensit du courant lectrique, en A (l'une des units de base du systme international)
Q : Charge lectrique, en C (unit drive : 1 C est la quantit d'lectricit traversant,
durant 1 s, une section d'un conducteur parcouru par un courant d'une intensit de 1 A).
t : Temps, en s
La densit de courant j est un vecteur dcrivant le
courant lectrique l'chelle locale.
Sa direction est celle du dplacement des porteurs de
charge, son sens dpend du signe de ces charges et
sa norme correspond l'intensit du courant travers
une surface lmentaire oriente par son vecteur
unitaire normal dS (Fig. 2).
Le courant lectrique I travers une surface S est
donc le flux de la densit de courant j travers cette
surface.
I = j .dS
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Par la suite, il ne sera plus question que de courants lectriques dus la circulation
d'lectrons dans des conducteurs mtalliques.
Planche 6
Courant continu - loi d'Ohm
La diffrence de potentiel ou tension U aux bornes d'une rsistance R est proportionnelle
l'intensit du courant lectrique I qui la traverse [ 3 (Article "Loi d'Ohm") ].
U2
U=RI
P = UI
P=
P = R I2
E = UI t
R
U : Tension, en V
I : Intensit, en A
R : Rsistance lectrique, en
P : Puissance, en W
E : Energie, en J
t : Dure, en s
Planche 7
N=
2
u(t) : Tension lectrique alternative, en V
U : Tension efficace, en V
: Pulsation, en rd/s
T : Priode, en s
N : Frquence, en Hz
u( t ) = U 2 cos(t )
T=
u(t) [V]
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
t [s]
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La tension instantane aux bornes d'un circuit RLC srie est la somme de 3 tensions :
aux bornes de la rsistance R (tension proportionnelle l'intensit),
aux bornes de la l'inductance L (tension proportionnelle la drive de l'intensit),
aux bornes de la capacit C (tension proportionnelle l'intgrale de l'intensit).
di 1
u( t ) = R i + L + i dt
dt C
i( t ) = I 2 cos(t )
R : Rsistance, en
L : Inductance, en H
C : Capacit, en F
i(t) : Intensit instantane, en A
I : Intensit efficace, en A
: Dphasage, en rd
u( t ) = U 2 cos(t )
Planche 10
Diagramme de Fresnel.
1
I
C
Axe
"U t = 0"
L I
RI
Fig. 5 : Diagramme de Fresnel.
R + L
Z : Impdance, en
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Planche 11
Puissances en courant alternatif.
u(t) [V]
i(t) [A]
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
t [s]
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
t [s]
v a ( t ) = V 2 cos ( t )
v b ( t ) = V 2 cos t
v c ( t ) = V 2 cos t +
ia ( t ) = I 2 cos ( t )
ib ( t ) = I 2 cos t
3
pb ( t ) = v b ( t ) ib ( t )
ic ( t ) = I 2 cos t +
3
p c ( t ) = v c ( t ) ic ( t )
p a ( t ) = v a ( t ) ia ( t )
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La puissance totale produite ou consomme dans l'ensemble des 3 phases est constante.
p tot ( t ) = p a ( t ) + pb ( t ) + pc ( t )
p tot ( t ) = 3 V I cos()
Planche 14
Couplage en toile des phases dans un turboalternateur.
P = U I 3 cos()
Q = U I 3 sin( )
S = UI 3
r
P
p=
3 U cos()
Il est donc souhaitable de maximiser la tension et le facteur de puissance.
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De lusine la centrale
Planche 22
Essais en usine.
Shop-testing of 1650 MVA generator.
Tests involve among others full current, full flux temperature rise tests, determination of
segregated losses, vibrations, reactances [ 34 ].
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Planche 23
Alternateur de 180 MW prt partir vers la centrale de Zouk, au Liban (1986) [ 39 ].
1re machine de conception CCO (Conception cot Objectif), avec carcasse
rfrigrants longitudinaux.
A voir : berceaux de transport, tourillons de manutention, obturations.
Planche 24
Alternateur refroidi par air, termin en usine.
A voir : refroidisseurs dair, socle, capot, outillage dimmobilisation du rotor.
Planche 25
Wagon pour stator auto-portant [ 31 ].
Le respect du gabarit ferroviaire est une contrainte de dimensionnement.
Planche 26
Un alternateur gant quitte Alstom pour une centrale sudoise (2008) [ 49 ].
Planche 27
Belfort - Un mastodonte de 500 tonnes a travers la ville (27/10/2012) [ 50 ].
Stator dme, retourn pour le transport - Type Giga - 1000 MW - 480 t.
Planche 28 - Planche 29 - Planche 30
Transbordement dlicat.
Un stator d'alternateur provoque un naufrage (origine des images inconnue).
Planche 31
Arrive et manutention sur site.
Levage stator Gardanne 600 MW 350 t [ 25 ].
Arrive de l'alternateur de court-circuit sur le site de Bangalore, Inde [ 47 ].
Planche 32
Arkansas Nuclear One (ANO) is a two-unit pressurized water reactor nuclear power.
On December 19, 1974, Arkansas Nuclear One Unit 1 began commercial operations.
On March 31, 2013, an industrial accident occurred at the facility that killed one person
and injured eight other workers, including four seriously.
[ 4 (Article "Arkansas Nuclear One") ] - [ 30 ] - [ 53 ].
Principe de fonctionnement
Planche 33
La premire machine lectrique induction.
En 1832, sur les indications de Andr-Marie Ampre, Hippolyte Pixii, constructeur
d'instruments de physique Paris, ralise la premire machine lectrique induction
comprenant un aimant actionn par une manivelle, tournant devant 2 bobines enroules
autour de noyaux de fer [ 3 (Article "Histoire de l'lectricit") ].
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Planche 34
Le principe reste le mme.
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Voir aussi la prsentation faite sur cet accident dans le cadre des TP de TE53, l'automne
2010 [ 9 ] et la vido [ 10 ].
Planche 39
Enroulement stator triphas avec alimentation en eau des conducteurs creux [ 36 ].
Planche 40 - Planche 41
Les changes d'nergie ractive sont lis au courant d'excitation (courant continu circulant
dans le rotor).
Pour absorber de la puissance ractive, l'alternateur est sous-excit et pour en produire, il
est surexcit.
Diagramme de marche d'un alternateur coupl sur un rseau de grande puissance par
rapport la sienne [ 36 ].
Architecture
Planche 42
Packaged air-cooled Turbogenerator [ 40 ] - [ 41 ].
Socle - Capotage - Tore - Rotor - Paliers - Excitateur - Compartiment MT Refroidisseur dair.
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Planche 43
Montage, lusine Alstom de Belfort, des alternateurs de la gamme Topack [ 14 ].
Socle Tore Rotor Suspension lastique.
Planche 44 :
Vue d'un alternateur refroidi par air avant le montage du capotage [ 42 ].
Planche 45
Alternateur Jeumont de 250 MW - Centrale de Vaires-sur-Marne [ 37 ].
Coupe montrant le circuit du fluide de refroidissement.
Planche 46
Coupe dun turboalternateur de 1300 MW [ 34 ].
Stator - Rotor - Paliers - Excitateur.
Circulation dHydrogne : Refroidisseurs et Ventilateurs.
Organes du stator
Planche 47
Carcasse [ 33 ] - [ 38 ] - [ 39 ].
Problmes de transport et manutention - Tenue la pression dhydrogne Comportement vibratoire - Suspension lastique.
Quelle frquence dexcitation ?
100 Hz pour un rseau 50 Hz, 120 Hz pour un rseau 60 Hz.
Planche 48 - Planche 49
Circuit Magntique [ 34 ].
Empilage de segments dpaisseur 0,35 ou 0,5 mm
Pourquoi des segments ?
Pour minimiser les pertes dues aux courants de Foucault.
Combien pour un empilage de 6 m de haut ?
6000 x 12 / 0,35 = 206 000
Planche 50
Serrage du Circuit Magntique [ 39 ].
Lart de lempilage - Ncessit de Compensations - Procdure de serrage - Calcul du
plateau et des doigts - Risques.
Planche 51
Incident la Kernkraftwerk de Leibstadt [ 29 ].
Planche 52 - Planche 53 - Planche 54
Enroulement Stator [ 43 ].
Enroulement stator triphas avec alimentation en eau des conducteurs creux [ 36 ].
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Planche 55
Barres Roebel conducteurs creux [ 34 ].
Pour Ludwig Roebel et son invention, voir [ 56 ] et [ 5 (Articles "Ldwig Roebel" et
"Roebelstab") ].
Planche 56
Calage des barres stator dans lencoche [ 31 ] - [ 34 ].
Planche 57
Enrubannage dune barre de lenroulement stator [ 34 ].
Planche 58
Structure de calage de lextrmit des enroulements stator [ 34 ].
A voir : doigts de serrage cran amortisseur couronne de roulement.
Planche 59
Finition [ 34 ].
A voir : tubes tflon amenant leau dsionise.
Planche 60
Gomtrie des extrmits des barres stator.
[ 3 (Article "Dveloppante du cercle") ] - [ 44 ] - [ 46 ]
Dveloppantes de cercle sur un cne, pour raliser lenroulement dans le respect des
distances disolement avec lencombrement axial minimum.
Planche 61
Modlisation de lenroulement stator [ 44 ] - [ 45 ].
Structure complexe - Nombreux interfaces - Comportement des matriaux - Vibrations et
cyclages thermomcaniques - Vieillissement.
Planche 62
Projet Dure de Vie [ 48 ].
Analyse exprimentale et thorique du comportement dynamique des structures
dextrmit.
Organes du rotor
Planche 63
Ft - Frette - Ventilateur [ 34 ].
Planche 64
Ft - Fraisage des encoches [ 31 ].
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Planche 65
Enroulement rotor [ 33 ].
Planche 66 - Planche 67
Enroulement rotor.
Diffrentes techniques de ventilation du contenu dencoche [ 34 ] - [ 31 ].
Planche 68
Schma de ventilation des ttes de bobines de l'enroulement rotor [ 39 ].
Planche 69 - Planche 70
Dents rotor - Tenue aux efforts centrifuges - Souvenirs de CP46, MQ44 et MN52 [ 55 ].
Planche 71
Palettes dextrmit de lenroulement amortisseur [ 34 ].
A voir : cales pick-up.
Planche 72
Frettes ou capots dextrmit - Avant montage [ 34 ].
Planche 73
Frettes ou capots dextrmit - Montage chaud [ 31 ].
Planche 74
Frettes ou capots dextrmit - Calcul des contraintes et vitesses de dcollement [ 40 ].
Planche 75
Frettes ou capots dextrmit.
Gros sinistre survenu un turboalternateur par suite dune corrosion fissurante sous
tension. [ 51 ].
Planche 76
Equilibrage - Cage pour quilibrage chaud - Casemate [ 34 ].
Planche 77
Ligne darbres - Vitesses critiques de flexion et de torsion - Rponse aux couples
accidentels - Lignage - Chanette [ 26 ].
Cas de lalternateur de court-circuit de Bangalore - Arbre torsible [ 47 ].
Planche 78
Ligne darbres - Vitesses critiques de flexion [ 15 ].
Planche 79
Modlisation dune maquette de rotor avec ANSYS, en collaboration avec GE, dans le
cadre dun P2I (UV TW51) [ 16 ].
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Planche 80
Contrainte de flexion alterne - Fatigue haute frquence - Facteurs aggravants.
[ 52 ] - [ 31 ] - [ 34 ]
Combien de temps pour 107 cycles ?
107 / (50 x 3600) = 56 h
C'est trs court, par rapport la dure de vie de la machine.
Excitation
Planche 81
Pristina Brown Coal Power Station Kosovo B Generator 340 MW [ 54 ].
Excitateur ancien, trs encombrant.
Planche 82 - Planche 83
Paluel 1350 MW - Excitateur diodes tournantes (TKJ), bien plus compact [ 34 ] - [ 28 ].
Auxiliaires
Planche 84 - Planche 85
GRH Refroidissement dhydrogne.
Exemples de refroidisseur d'hydrogne ou d'air incorpors la carcasse ou au capotage
de l'alternateur [ 11 ] - [ 12 ].
Planche 86
GRV Remplissage vidange [ 31 ].
Planche 87
GHE Huile tanchit [ 31 ] - [ 32 ].
Planche 88
GST Refroidissement stator [ 31 ].
Instrumentation et contrle-commande
Planche 89
Vibration de larbre et/ou des paliers.
Temprature de leau la sortie des barres stator.
Tempratures dans le circuit magntique.
Tempratures de lcran amortisseur.
Temprature de lair ou de lhydrogne.
Paramtres divers concernant les auxiliaires.
Courant et tension au niveau des bornes.
Seuils dalarme et de dclenchement.
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Rfrences
( 1 ) - ( 2 ) : Documents tlchargeables partir dune base de donnes bibliographique,
o l'UTBM est abonne.
( 1 ) : Voir [ 1 ].
( 2 ) : Voir [ 2 ].
( 3 ) - Rfrence : Disponible la bibliothque de l'UTBM.
( 4 ) : Document disponible auprs de JL. Seichepine, souvent galement sur Moodle, UV
TE53 (aprs la fin du semestre, il suffit de demander d'y tre "tudiant invit").
Gnralits - Divers
[ 1 ] - Welcome to IEEE Xplore
... delivering full text access to the world's highest quality technical literature in electrical
engineering, computer science, and electronics.
The IEEE (Institute of Electrical & Electronics Engineers, Inc. ) is the world's largest
technical professional society ...
http://ieeexplore.ieee.org/
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[ 22 ] - Eems Powerplant
Enipedia
http://enipedia.tudelft.nl/wiki/Eems_Powerplant
[ 23 ] - EEMS
http://www.eems.fr/
[ 30 ] - Entergy Nuclear
The Power of People
http://www.entergy-nuclear.com/
Turboalternateurs
[ 31 ] ( 4 ) - Turboalternateurs
G. Ruelle, Techniques de lIngnieur, trait de Gnie lectrique D3530, 3-1993
(Plus disponible en ligne aujourd'hui)
[ 32 ] ( 2 ) - Turboalternateurs
P. Chay, M. Gabion, M. Verrier
Techniques de lIngnieur, Rfrence D3530, 10 fvr. 2009
http://www.techniques-ingenieur.fr/book/d3530/1/turboalternateurs.html
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[ 36 ] ( 4 ) - L'alternateur
Notice technique sur les centrales thermiques, fascicule N 19
EDF, Service de la Production Thermique, 1968
[ 37 ] ( 4 ) - Fonctionnement de l'alternateur
Notice technique sur les centrales thermiques, fascicule N 20
EDF, Service de la Production Thermique, 1967
[ 38 ] ( 3 ) - TK2 REV (N11 1992) - Evolutions rcentes des turbo-alternateurs
JL. Seichepine, Revue gnrale de l'lectricit, N 11 - Dcembre 1992
[ 39 ] ( 3 ) - TJ2 REV (N7 1987) - Alternateurs de conception modulaire pour la
gamme 300 MW
JM. Guillard, R. Damiron, Revue ALSTHOM N 7 - 1987
[ 40 ] ( 1 ) - Advances in Synchronous Machines: A Turbogenerator View
RE. Joho, IEEE Power Engineering Review, July 2002
http://ieeexplore.ieee.org/iel5/39/21879/01016841.pdf
[ 44 ] ( 1 ) - Turbogenerator End-Winding Leakage Inductance Calculation Using a 3D Analytical Approach Based on the Solution of Neumann Integrals
D. Ban, D. Zarko and I. Mandic
IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 20, N. 1, March 2005
http://ieeexplore.ieee.org/iel5/60/30370/01396087.pdf
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[ 46 ] ( 3 ) - TJ2 REV (N3 1990) - Calcul des forces exerces sur les extrmits des
enroulements stator des turbo-alternateurs
GKM. Khan - GW. Buckley - N. Brooks, Revue Technique GEC ALSTHOM N 3 - 1990
[ 47 ] ( 3 ) - TJ2 REV (N12 1988) - L'alternateur de court-circuit du CPRI Bangalore
R. Damiron, T. Fritsch, JL. Seichepine, Revue ALSTHOM N 12 - 1988
[ 48 ] ( 4 ) - Extension de la dure de vie des turbo-alternateurs 900 MW du parc
nuclaire franais
B. Guigues, D. Vielpeau (EDF), JL. Seichepine, A. Le Guen (GEC ALSTHOM), CIGRE Session 1992
[ 49 ] ( 4 ) - nergie - Un alternateur gant quitte Alstom pour une centrale sudoise
S. Michel, Journal "Le Pays" du 27/09/2008
[ 50 ] ( 4 ) - Belfort - Un mastodonte de 500 tonnes a travers la ville
Photo Herv Haustete, Journal "Le Pays" du 27/10/2012
[ 51 ] ( 4 ) - Gros sinistre survenu un turboalternateur par suite dune corrosion
fissurante sous tension
Schadenspiegel - Sinistres et Prvention - 44e Anne - 2001 - NUMRO 2
Publi par la Mnchener Rckversicherungs-Gesellschaft dans le but de donner ses
amis daffaires des informations sur les sinistres et leur prvention.
[ 52 ] - Generator Accident in Africa
A turbo-generator exploded and caught fire at Duvha power station near Witbank in
Mpumalanga on Wednesday morning, Eskom said.
http://www.massengineers.com/generator_accident_in_africa.htm
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