Alternateurs hydrauliques et compensateurs

Le développement des centrales électriques d'origine hydraulique s'est développé maintenant depuis plus d'un siècle. Si, au début du siècle dernier, la puissance unitaire des machines était relativement limitée, l'augmentation de la puissance de sortie des alternateurs et forcément des turbines s'est accélérée principalement à partir des années 1960.

Une des particularités des alternateurs hydrauliques est l'unicité de chaque site : en fonction des conditions hydrauliques (débit et hauteur de chute d'eau), des conditions voulues d'exploitation, on en déduit un couple de paramètres (puissance-vitesse) optimal pour le site considéré. Il en découle une très grande variété dans le dimensionnement général des alternateurs : par exemple, un groupe équipant une chute de faible hauteur au fil de l'eau est nettement différent de celui équipant un barrage de haute montagne. Les turbines associées présentent elles aussi des technologies très différentes (turbine Pelton pour les hautes chutes, turbine Francis pour les chutes moyennes, et turbine Kaplan pour les basses chutes).

Cette grande diversité se traduit par des conceptions très différentes : un alternateur rapide à 600 tr/min a un diamètre réduit et une grande longueur, le rotor est équipé d'un arbre traversant tandis que l'alternateur lent à 75 tr/min a une forme en galette beaucoup plus plate avec un centre rotor mécano-soudé pourvu de plateaux d'accouplement aux deux extrémités.

L'évolution des alternateurs hydrauliques est liée aussi à l'évolution des autres sources d'énergie et à celle des réseaux électriques. Au début du siècle dernier, les groupes qui équipaient les centrales étaient en totalité des groupes producteurs d'électricité. Avec l'augmentation de la puissance des réseaux électriques, du développement des centrales nucléaires, de nouveaux besoins ont vu le jour : nécessité d'absorber une partie de l'électricité produite pendant les heures creuses du fait du manque de souplesse d'exploitation des centrales nucléaires, nécessité de maintenir et de parfaire la stabilité du réseau.

Des centrales de turbinage-pompage ont ainsi vu le jour. Ces centrales limitées en puissance dans les années 1950 ont vu leur puissance unitaire augmenter considérablement avec le développement de l'énergie nucléaire (selon les pays par exemple en France à partir des années 1975, et plus tardivement en Chine à partir des années 1990). Une plus grande souplesse d'exploitation des centrales nucléaires a par la suite ralenti ou même arrêté en Europe l'implantation des centrales de turbinage-pompage mais il n'en reste pas moins que les centrales de pompage constituent une des sources principales pour le stockage de l'électricité.

Actuellement, du fait du renchérissement des combustibles fossiles, d'une utilisation maximale des réseaux et des problèmes liés à leur stabilité, la demande vers des performances accrues (rendement et productivité de la centrale) permet de justifier le développement et l'implantation des groupes à vitesse variable. La rénovation des anciens groupes vers des groupes plus puissants est d'actualité dans les pays industrialisés où il n'est guère possible d'augmenter le potentiel hydroélectrique.

Ce dossier présente la technologie utilisée actuellement dans les alternateurs hydrauliques de moyenne et forte puissance. Les mini-centrales utilisent des concepts assez semblables avec les simplifications permises dues aux contraintes plus faibles (mécaniques, électriques, thermiques) qu'endurent ces machines. Les simplifications sont par ailleurs fortement liées à des contraintes de fabrication intrinsèques au fabricant.

Une attention est portée aussi aux grands compensateurs synchrones qui utilisent la technologie des alternateurs synchrones à pôles saillants. Leur développement s'est particulièrement fait à partir des années 1960 pour pallier aux problèmes de stabilité des lignes et à la nécessité de réguler l'énergie réactive principalement sur les lignes longues (Canada et Brésil). La concurrence des systèmes statiques a cependant ralenti fortement leur implantation.

Des considérations techniques autour du fonctionnement des alternateurs sont également présentées (freinage, démarrage) ainsi que quelques considérations sur le marché à moyen terme de l'hydroélectricité.

Pour des explications complémentaires, le lecteur pourra se reporter, dans ce traité, aux articles :

• Machines synchrones. Fonctionnement en régime permanent [D 3 522] ;

• Machines synchrones. Excitation [D 3 545].