Contribution à la compréhension de la dynamique des rotors des alternateurs hydroélectriques

Dans les centrales hydrauliques, les groupes turbines-alternateurs sont soumis à plusieurs forces et couples dynamiques qui, sous certaines conditions, peuvent engendrer des bruits, des vibrations et des problèmes d’interactions avec le réseau, voire même des bris d’équipement. L’objectif de cette thèse est de développer un modèle d’alternateur hydroélectrique afin d’étudier les effets de la non-uniformité de l’entrefer et du défaut de court-circuit entre spires au rotor sur le comportement dynamique des groupes turbines-alternateurs. Les alternateurs hydroélectriques présentent toujours des entrefers non-uniformes. Ainsi, l’étude cherche à développer un modèle en utilisant la méthode des éléments finis et une mesure précise de l’entrefer sur un alternateur en en opération afin d’étudier les forces électromagnétiques qui pourraient exciter sa structure. Puisque l’entrefer est affecté par la dilatation thermique, les formes du stator et du rotor et le mouvement du rotor, cette modélisation numérique est nécessaire pour l’obtention d’un modèle réaliste du comportement du générateur. D’autre part, parmi les défauts les plus communs qui peuvent apparaître au rotor d’un alternateur hydroélectrique figure le défaut de court-circuit entre spires. Les courts-circuits d’enroulements de pôles amènent une augmentation significative des vibrations. Ces deux défauts jouent un rôle important dans le calcul des forces électromagnétiques. Le modèle permet d’étudier et d’évaluer plus précisément l’impact de ces défauts sur les forces électromagnétiques transmises à l’arbre. La présente thèse s’intéresse aussi aux modes et aux fréquences susceptibles d’entraîner des vibrations de la structure du stator à cause des excitations électromagnétiques résultantes des défauts mentionnés. Les transformées de Fourier rapides de la densité de force électromagnétique et de la force résultante totale révèlent l’existence des composants sous-harmoniques absents dans d’autres types de machines électriques. Ces sous-harmoniques causent des vibrations importantes sur l’arbre du groupe turbine-alternateur, ainsi que sur le stator et le rotor de l’alternateur. Les résultats expérimentaux confirment les résultats numériques et analytiques dans l’identification des spectres des forces. Dans le présent travail, l’analyse numérique apporte une contribution à l’étude du comportement dynamique des lignes d’arbres de groupes de production hydroélectriques, qui consiste en l’identification des harmoniques des défauts mentionnés, dans le cadre du projet SAMH (Simulations numériques appliquées aux machines hydrauliques) de l’Institut de recherche d’Hydro-Québec.

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