Transformateur d'excitation : le « contrôleur d'énergie » des machines synchrones et « l'ancre de stabilité » pour les systèmes électriques

Dans les systèmes électriques modernes, qu'il s'agisse des turbogénérateurs massifs des centrales thermiques, des hydrogénérateurs des centrales hydroélectriques ou des moteurs synchrones entraînant des processus industriels, l'essence même réside dans le contrôle précis du champ magnétique du rotor. Le transformateur d'excitation est précisément l'élément clé de l'équipement qui fournit la « source d'énergie » précise et fiable pour cette essence fondamentale. Il ne fournit pas d’électricité directement au réseau, mais il détermine fondamentalement les performances opérationnelles, l’efficacité de la machine synchrone et le niveau de stabilité de l’ensemble du réseau électrique.

I. Fonction principale : pourquoi un système d'excitation a-t-il besoin d'un transformateur dédié ?

Le rotor d'une machine synchrone nécessite un courant continu (CC) pour établir un champ magnétique puissant (c'est-à-dire une « excitation »). Le système d’excitation est chargé de fournir et de réguler ce courant continu. Le transformateur d'excitation a trois missions principales au sein de ce système :

1. Adaptation de tension et isolation électrique : il prend la tension alternative relativement élevée des bornes du générateur ou du bus de service de la station (par exemple, 10 kV, 15,75 kV), la descend en toute sécurité à un niveau inférieur adapté au redresseur à thyristor en aval (généralement plusieurs centaines à mille volts) et fournit l'isolation électrique nécessaire pour garantir la sécurité des circuits de commande.

2. Fournir une source d'alimentation de redresseur : il fournit une source d'alimentation d'entrée CA stable et appropriée à l' armoire de redresseur à thyristors en aval , formant la base énergétique pour convertir le CA en CC requis par le rotor.

3. Prise en charge du forçage de champ et d'une réponse rapide : lorsque des défauts de réseau tels que des courts-circuits provoquent une chute de tension soudaine, le système doit augmenter instantanément (en quelques millisecondes) et considérablement la tension et le courant d'excitation (c'est-à-dire « forçage de champ » ou « forte excitation ») pour supporter pleinement la tension du réseau et maintenir la stabilité synchrone. Le transformateur d'excitation doit posséder la capacité de fournir plusieurs fois sa valeur nominale pour les surcharges à court terme, servant ainsi de pilier énergétique pour la fonction de forçage de champ.

En bref, le transformateur d'excitation est le hub dédié à la conversion et à l'adaptation d'énergie reliant le système d'alimentation principal au circuit précis de contrôle du champ du rotor.

II. Exigences uniques : la différence essentielle par rapport aux transformateurs standards

L'environnement de fonctionnement et la fonction des transformateurs d'excitation entraînent des différences de conception significatives par rapport aux transformateurs de distribution ou de puissance standard :

Les principaux défis se concentrent sur :

• Surchauffe harmonique : des conceptions et des matériaux spéciaux (par exemple, conducteurs transposés, pertes par courants de Foucault réduits) sont essentiels pour contrecarrer la surchauffe des enroulements et des pièces structurelles causée par les harmoniques à haute fréquence.

• Forces électromagnétiques élevées : une impédance de court-circuit élevée et des surtensions fréquentes exigent des enroulements dotés d'une capacité de serrage mécanique et de tenue aux courts-circuits extrêmement élevée.

• Réponse transitoire rapide : la conception doit garantir que l'énergie du champ magnétique peut être accumulée rapidement lors d'une commande de forçage de champ, et que le noyau magnétique ne doit pas saturer.

III. Considérations techniques clés en matière de conception et de sélection

La création d'un transformateur d'excitation haute performance dépend des considérations techniques clés suivantes :

1. Conception précise de la tension d'impédance :

• Rôle : Limite le courant de défaut de pointe lors d'un court-circuit dans le bras du pont redresseur, protégeant ainsi les éléments à thyristors coûteux ; influence la vitesse de réponse transitoire du système d’excitation.

• Considération : Nécessite de trouver l'équilibre optimal entre « limiter le courant de court-circuit » et « éviter l'impact sur la réponse du système » ; il s’agit du principal paramètre de conception de base.

2. Système de bobinage et d'isolation renforcé :

• Enroulement : utilise souvent une construction en résine époxy moulée (type sec) ou immergée dans l'huile . Le type sec offre une prévention contre les incendies/explosions et un entretien plus facile, adapté aux environnements intérieurs ou exigeants. L'huile immergée offre une dissipation thermique supérieure et une plus grande capacité de surcharge, couramment utilisée pour les grandes unités.

• Isolation : Doit résister à l'impact des tensions harmoniques haute fréquence ; la classe de matériau d'isolation et la conception structurelle doivent avoir une marge suffisante.

3. Sélection de la méthode de refroidissement :

• Type sec : Généralement refroidissement à air naturel (AN) ou à air forcé (AF).

• Immergé dans l'huile : Oil Natural Air Natural (ONAN) ou Oil Forced Air Forced (OFAF). Pour les grandes unités, OFAF offre une capacité de refroidissement plus élevée pour répondre aux exigences d'augmentation de température lors du forçage sur site.

4. Correspondance du groupe vectoriel :

• Doit correspondre précisément au nombre d'impulsions du pont redresseur (par exemple, 6 impulsions, 12 impulsions). Par exemple, pour former un redresseur à 12 impulsions pour réduire les harmoniques, un transformateur à trois enroulements ou une combinaison de deux transformateurs (avec des connexions triangle et étoile étendues) est souvent utilisé pour générer deux alimentations triphasées avec un déphasage de 30 degrés.

Liste de contrôle des paramètres de sélection clés :

• Capacité nominale (kVA, doit tenir compte de la capacité de forçage sur le terrain)

• Tension nominale primaire/secondaire (kV/V)

• Tension d'impédance (%)

• Groupe de vecteurs (par exemple, D, y11, d0, etc.)

• Classe d'isolation et méthode de refroidissement

• Environnement d'installation (intérieur/extérieur, altitude, température ambiante)

IV. Scénarios d'application typiques

1. Grandes unités de générateur thermique/hydro/nucléaire : sert d'équipement d'alimentation électrique de base pour les systèmes d'excitation statique , la configuration standard pour les générateurs grand public modernes.

2. Unités de centrales électriques à accumulation par pompage : les unités fonctionnent à la fois en mode générateur (génération) et en mode moteur (pompage), ce qui impose des exigences extrêmement élevées en matière d'adaptabilité bidirectionnelle et de fiabilité de leurs transformateurs d'excitation.

3. Grands moteurs synchrones industriels : utilisés pour entraîner des équipements lourds tels que des compresseurs, des ventilateurs et des pompes, fournissant une compensation de puissance réactive et stabilisant le réseau interne de l'usine.

4. Systèmes de propulsion électrique marins : Fournit une excitation stable pour les moteurs synchrones de propulsion, adaptés aux environnements maritimes difficiles.

Conclusion : le pouvoir derrière la stabilité

Bien que le transformateur d'excitation reste caché à côté du générateur ou dans la salle de commutation, ses performances affectent directement la capacité d'une machine synchrone à générer une tension stable, à maintenir le synchronisme lors des perturbations du réseau et à la stabilité dynamique de l'ensemble du système électrique. Il s'agit de l' unité d'exécution amplificatrice de puissance qui convertit les signaux de commande précis du régulateur de tension automatique en une puissante force de champ magnétique.