Comment un générateur produit-il de l'électricité ? Comprenez les principes, la structure, ainsi que son fonctionnement et sa maintenance en lisant cet article !

L'alternateur est la « dernière étape dans la production d'énergie électrique » — il convertit l'énergie mécanique transmise par la turbine en énergie électrique utilisable. Comment l'alternateur produit-il de l'électricité ? Quelles sont les fonctions des composants tels que le stator et le rotor ? Nous les présentons ci-dessous un par un.

1.L'alternateur génère de l'électricité grâce à l'« induction électromagnétique ».

Le principe de fonctionnement du générateur repose fondamentalement sur la loi de l'induction électromagnétique — simplement expliqué, il s'agit de « un champ magnétique rotatif qui coupe des fils, générant un courant électrique ». Prenant le « générateur synchrone » couramment utilisé dans les centrales de récupération de chaleur comme exemple, tout le processus de production d'électricité se compose de 4 étapes :

Étape Une : Établir un champ magnétique (« source magnétique »)

Principe : L'application d'un courant continu à l'« enroulement d'excitation » du rotor du générateur produit un champ magnétique avec des polarités alternées (par exemple, des pôles N et S disposés alternativement), c'est le « champ magnétique principal », équivalant à fournir une « source magnétique » pour la production d'électricité.

Source essentielle : Le courant d'excitation est fourni par le « système d'excitation » (comme les transformateurs d'excitation, les dispositifs de redressement), semblable à la « charge » du champ magnétique assurant la stabilité de l'intensité du champ magnétique.

Deuxième étape : Fournir la puissance de coupe (entrée « mouvement »)

Principe : La turbine (moteur principal) de la centrale entraîne le rotor de l'alternateur en rotation par l'intermédiaire d'un couplage. La puissance de la turbine provient de la vapeur (la vapeur actionne les pales en tournant, convertissant l'énergie interne en énergie mécanique). Le rotor tourne conjointement avec le champ magnétique principal, créant ainsi un « champ magnétique rotatif ».

Action clé : La vitesse du champ magnétique rotatif est identique à celle de la turbine (par exemple, 3000 tours/min correspondent à une puissance électrique alternative de 50 Hz). Cette étape consiste à « fournir une énergie mécanique à l'alternateur » et constitue également « la source d'énergie permettant au champ magnétique de couper les conducteurs ».

La turbine entraîne le rotor de l'alternateur à une vitesse de 3000 tours/min, ce qui permet au champ magnétique rotatif de couper continuellement les enroulements du stator.

Troisième étape génération de la force électromotrice induite

Principe : Le champ magnétique rotatif coupe successivement les « enroulements triphasés symétriques » situés sur le stator (trois phases A-X, B-Y, C-Z, séparées spatialement par un angle électrique de 120°). Selon la loi de l'induction électromagnétique, un conducteur coupant les lignes de force magnétique génère une « force électromotrice induite », similaire à la « pression de l'eau dans un tuyau ».

Caractéristiques principales : La force électromotrice induite est un « courant alternatif triphasé symétrique », dont l'amplitude et la direction varient périodiquement avec la rotation du champ magnétique, constituant ainsi le « prototype » de l'énergie électrique.

Étape 4 sortie d'énergie électrique

Principe : Les connexions terminales des enroulements du stator sont sorties et reliées au circuit électrique ; le potentiel induit met en mouvement les charges, générant ainsi un « courant » — l'énergie mécanique est finalement convertie en énergie électrique, achevant ainsi tout le processus de conversion d'énergie.

Garantie de stabilité : Afin d'obtenir une énergie électrique utilisable et stable, un « système de contrôle et de protection » (tel que des régulateurs de tension et une protection différentielle) est également nécessaire pour éviter les fluctuations de tension ou les pannes pouvant endommager l'équipement.

2. Structures clés : Les « Quatre composants essentiels » d'un alternateur L'alternateur peut sembler complexe, mais sa structure de base se compose de quatre parties, chacune ayant une fonction spécifique :

Stator : « L'extrémité fixe qui produit l'électricité »

Composants : trois parties principales - le noyau du stator, l'enroulement du stator et la carcasse de la machine.

Noyau du stator : Fabriqué à partir de « tôles en acier au silicium non orientées de classe F » empilées ensemble (d'une épaisseur d'environ 0,35 mm), il possède une bonne conductivité magnétique et des pertes faibles ;

Enroulement du stator : Tressé à partir de plusieurs brins de fil de cuivre solide et isolé avec un « ruban de mica de classe F », il agit comme le « fil » qui génère le potentiel électrique induit ;

Base de la machine : Une structure en acier monobloc avec des « nervures de positionnement élastiques » dans la cavité intérieure, qui permet de réduire les vibrations harmoniques pendant le fonctionnement (afin d'éviter la transmission des vibrations du cœur vers la base).

Fonction : Reste immobile, permettant au champ magnétique rotatif du rotor de couper les enroulements, générant ainsi de l'énergie électrique.

Rotor : « Champ magnétique rotatif »

Composition : Culasse du rotor (ou pôles), enroulement d'excitation, bagues collectrices et arbre du rotor.

Arbre du rotor : Fabriqué en acier d'alliage à haute résistance, il s'agit d'une pièce pleine et forgée, capable de supporter le couple de la turbine à vapeur, jouant le rôle de « squelette » du rotor ;

Enroulement d'excitation : Enroulé dans les encoches de la culasse du rotor, il est parcouru par un courant continu et produit le champ magnétique principal. Des canaux d'air situés dans les encoches forment une « voie de circulation d'air de refroidissement » (pour empêcher la surchauffe de l'enroulement) ;

Bague collectrice : Relie l'enroulement d'excitation au système externe d'excitation, chargée de transmettre le courant continu d'excitation (la surface de la bague collectrice doit être lisse afin d'éviter un mauvais contact). Une bague collectrice rugueuse peut facilement provoquer des étincelles.

Fonction : Tourne avec le champ magnétique principal, fournissant la « puissance de coupe des lignes magnétiques ».

Couvercle d'extrémité et palier : « Liaison et support »

Couvercle d'extrémité : Fixé aux deux extrémités de la carcasse de la machine, il scelle l'intérieur de l'alternateur afin d'empêcher la poussière et l'humidité de pénétrer ;

Palier : Divisé en « palier radial » et « palier de butée » – le palier radial supporte le poids du rotor et réduit le frottement en rotation ; le palier de butée limite le déplacement axial du rotor (évitant que le rotor ne touche le stator), et l'huile de lubrification circule à travers le palier formant un « film d'huile » qui réduit l'usure.

Refroidisseur à air : « La clé du refroidissement »

Rôle : Lorsque l'alternateur est en marche, le noyau et les enroulements génèrent de la chaleur (comme les pertes cuivre et les pertes fer). L'échangeur d'air évacue la chaleur par une "circulation d'air froid", maintenant ainsi la température du stator à ≤130°C et celle du rotor à ≤120°C (température maximale admissible pour une isolation de classe F).

Détails sur le terrain : Les échangeurs sont généralement installés aux deux extrémités de l'alternateur (certains peuvent également se trouver au milieu), la température d'entrée de l'eau est contrôlée entre 30-35°C et la température de sortie de l'eau ne dépasse pas 40°C afin d'assurer l'efficacité du refroidissement.

3. Points clés d'exploitation et de maintenance :

1. Surveillance de la température : Éviter les dommages dus à la surchauffe

Points de contrôle :

Température des enroulements statoriques : Surveillance à l'aide d'éléments intégrés de détection de température, normalement ≤ 130°C, déclenchement d'une alarme si elle dépasse 140°C (un thermomètre infrarouge peut être utilisé pour mesurer la température de surface du noyau) ;

Température des enroulements rotoriques : Surveillance à l'aide d'une résistance de température près de l'anneau collecteur, normalement ≤ 120°C ;

Température des paliers : palier radial ≤ 65℃, palier axial ≤ 75℃, une surchauffe peut entraîner la détérioration du palier (une centrale électrique a dû être arrêtée pour maintenance en raison d'une température des paliers supérieure à 80℃).

2. Contrôle des vibrations : Éviter le frottement entre parties mobiles et fixes

3. Contrôle de l'isolation : éviter les défauts de fuite

Points de contrôle :

Isolation de l'enroulement du stator : chaque mois, mesurer l'isolation par rapport à la terre à l'aide d'un mégohmmètre 2500V ; une valeur ≥1MΩ (à 25°C) est acceptable, une valeur inférieure à 0,5MΩ nécessite un séchage ;

Isolation de l'anneau glissant : vérifier qu'il n'y a pas de dommage au manchon isolant entre l'anneau glissant et l'arbre du rotor afin d'éviter la fuite du courant d'excitation.

Opérations et actions de maintenance : nettoyer la poussière à la surface de l'enroulement du stator pendant les arrêts afin d'éviter que les taches d'huile et l'humidité n'affectent l'isolation.

4. Surveillance des paramètres : garantir la qualité de l'énergie

Points de contrôle :

Tension : L'écart de tension de sortie du stator doit être inférieur ou égal à ±5 % de la valeur nominale (par exemple, pour un générateur de 10,5 kV, la tension doit être comprise entre 9,975 et 11,025 kV) ;

Courant : Ne doit pas dépasser le courant nominal (par exemple, pour un générateur de 15 MW, le courant nominal est d'environ 866 A), afin d'éviter toute surcharge ;

Courant/Tension d'excitation : Doit rester stable autour de la valeur nominale, avec des fluctuations inférieures ou égales à ±2 % (un courant d'excitation anormal peut entraîner une instabilité des champs magnétiques, affectant ainsi la tension).

5. Nettoyage et Maintenance : Réduction des Risques de Pannes

Points de contrôle :

Refroidisseur à Air : Nettoyer la poussière sur les ailettes de dissipation thermique chaque trimestre (souffler avec de l'air comprimé) afin d'éviter les bouchons qui peuvent réduire l'efficacité du refroidissement ;

Bague de Contact Glissante : Maintenir la surface lisse, vérifier l'usure des balais en carbone (les remplacer lorsqu'ils atteignent la longueur spécifiée) et assurer une transmission stable du courant d'excitation ; ne pas oublier de vérifier tout jeu éventuel du porte-balais.◦

À l'intérieur de la base de la machine : Vérifiez une fois par an pendant l'arrêt le noyau du stator pour détecter tout jeu et les enroulements pour vérifier qu'ils ne sont pas déformés, et nettoyez la poussière accumulée à l'intérieur.