Alternateurs synchrones de grande puissance (partie 1)

Cet article concerne le dimensionnement des grands alternateurs synchrones, dédiés à la production d’énergie électrique. L’article original écrit en 1982 correspondait à la capitalisation du savoir-faire de plusieurs générations d’ingénieurs, qui avaient pu en quelques décennies pousser les puissances des alternateurs de la dizaine de mégawatts à presque deux gigawatts. Cette valeur aurait pu être dépassée en utilisant des conducteurs supraconducteurs, comme le laissaient espérer les essais réalisés en 1986 par Alstom Belfort. Mais aucune turbine à vapeur n’étant capable de fournir une telle puissance de façon économique, la course à la puissance s’est arrêtée à la décennie 80. Un autre facteur limitatif était la crainte de concentrer une part significative de la puissance dans un même équipement. Supposons à cet effet qu’un groupe générateur de 10 GW soit mis hors service. Il représenterait 14 % de la puissance électrique installée en France. Deux ou trois pannes simultanées sur des équipements similaires plongeraient immédiatement le pays dans le noir.

La conséquence de cet arrêt de la course à la performance brute fut dès 1985 la recherche d’une standardisation des alternateurs, afin de réduire les coûts et les délais. Le marché croissant des centrales de production d’électricité à turbine à gaz a conduit à appliquer alors le savoir-faire acquis à l’occasion du programme nucléaire français, à des alternateurs de puissance inférieure à 300 MW. On en arriva au concept de produit standard prêt à l’emploi, livrable dans un délai très court (18 mois). Il est présenté sous la forme d’un conteneur prêt à poser sur le chantier, avec tous ses accessoires de régulation, contrôle, refroidissement... Le déclin des programmes nucléaires fait que pour les alternateurs rapides (1 500 à 3 000 tr/min), ce type de produit forme maintenant l’essentiel du marché. Il faut y rajouter les alternateurs hydrauliques, dont la variété reste liée à celle des turbines.

La conception d’une machine tournante électrique passe toujours par une première optimisation, à l’aide de modèles analytiques. Cette étape conduit à un premier dimensionnement qui peut être très réaliste. Dans un deuxième temps, des simulations aux éléments finis sont utilisées pour affiner les calculs, et valider les résultats. Mais ils ne remplacent jamais la première étape. Nous avons donc conservé cet article original, dont l’auteur est maintenant décédé, en ne lui apportant que des modifications mineures, induites par l’évolution de la technologie. Basé sur une expérience vécue, il donne toutes les informations nécessaires à un dimensionnement correct d’un alternateur. Il contient des informations inédites, correspondant à un savoir-faire aujourd’hui disparu, introuvable dans les livres. Les formules et méthodes proposées sont applicables aux machines de plus petite puissance, qu’elles fonctionnent en mode moteur ou alternateur.