Synchronisation des génératrices CC : Bonnes pratiques pour le parallélisme et le partage de charge

Parallélisme des génératrices à courant continu – Conditions, avantages et partage de charge

Dans un réseau électrique, l'énergie est fournie par plusieurs génératrices interconnectées. Au lieu d'utiliser une seule grosse machine, on fait fonctionner en parallèle plusieurs génératrices CC ou CA de puissance inférieure.

Parfois, les génératrices CC servent de centrale de secours. Il n'est pas toujours possible d'avoir une seule génératrice capable de couvrir toute la charge. On connecte donc plusieurs unités en parallèle pour répondre à la demande.

De nos jours, le parallélisme des génératrices CC est largement utilisé pour bénéficier des avantages suivants.

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Avantages du parallélisme des génératrices CC

Les principaux avantages sont :

Continuité de service

La continuité d'alimentation est une exigence primordiale. Une centrale à groupe unique ne peut l'assurer : en cas de maintenance ou de panne, toute l'installation s'arrête. Avec plusieurs génératrices, la fiabilité est grandement améliorée. De nombreux clients (hôpitaux, usines, etc.) exigent une alimentation sans interruption.

Meilleur rendement

Les génératrices sont conçues pour un rendement maximal à pleine charge. Or, la demande varie : forte le jour, faible la nuit. Il est économique d'utiliser une petite génératrice la nuit et une grosse le jour. En cas de pic, les deux fonctionnent en parallèle pour répondre efficacement à la demande.

Maintenance et réparation facilitées

Les génératrices nécessitent une maintenance périodique. Pendant celle-ci, une autre machine doit assurer la charge. En cas de panne, le temps de remise en service peut être long ; une génératrice de secours prend alors le relais.

Flexibilité

Le raccordement en parallèle offre plus de flexibilité qu'une seule grosse machine. Plusieurs petites génératrices peuvent être installées à des endroits différents, alors qu'une grosse unité nécessite plus d'espace.

Rentabilité

Le coût de l'énergie diminue si les génératrices tournent toujours à pleine charge. En période de forte demande, on met plusieurs machines en parallèle ; en période creuse, on en met moins, les autres restant en réserve. Toutes fonctionnent ainsi à pleine charge, ce qui réduit le coût du kWh.

Facilité d'extension

La demande d'électricité croissant, on prévoit toujours de la place pour de futures extensions. Au lieu de reconstruire toute la centrale, on ajoute simplement des génératrices qu'on raccorde en parallèle.

Grâce à ces avantages, le parallélisme est largement adopté. Rappelons que les génératrices CC se classent en trois types :

• Génératrice shunt
• Génératrice série
• Génératrice composée

Le raccordement de l'induit et de l'excitation diffère selon le type. Voyons comment mettre chaque type en parallèle.

Parallélisme de génératrices shunt CC

Pour mettre deux génératrices en parallèle, leurs bornes positives et négatives doivent être reliées respectivement aux barres positives et négatives. La barre collectrice (bus bar) est une grosse barre de cuivre dont les bornes deviennent celles de toute la centrale.

Le schéma de raccordement est présenté ci-dessous.

L'induit de la génératrice 1 est connecté aux barres et alimente la charge. Pour y connecter la génératrice 2, il faut respecter la même polarité, sans quoi un court-circuit grave se produirait, détruisant les machines.

Avant le raccordement, l'interrupteur S est ouvert. Un voltmètre est placé aux bornes de S. On lance la génératrice 2 jusqu'à sa vitesse nominale, puis on ajuste son excitation jusqu'à ce que le voltmètre indique zéro. Cela signifie que sa tension aux bornes égale la tension des barres (ou de la génératrice 1).

Après fermeture de S, la génératrice 2 est en parallèle mais ne prend pas de charge, car sa FEM induite équivaut à la tension des barres : aucun courant ne circule sous une différence de potentiel nulle. On dit qu'elle est « flottante » dans le système.

Pour qu'elle délivre du courant, sa FEM doit dépasser la tension des barres. Le courant fourni par la génératrice 2 est alors :

Où :

• R_a = Résistance du circuit d'induit
• E = FEM induite
• V = Tension des barres

La FEM de la nouvelle génératrice se contrôle par l'excitation, ce qui permet de régler sa part de charge.

Parallélisme de génératrices composées CC

Le schéma de raccordement de deux génératrices composées en parallèle est montré ci-dessous.

La génératrice composée a une caractéristique montante. Sans dispositif correctif, son parallélisme est instable. Au démarrage, chaque machine prend la même part de charge. Si, pour une raison quelconque, le courant dans l'enroulement série de la génératrice 1 augmente, son champ se renforce, sa FEM monte et elle prend plus de charge.

La charge étant supposée constante, la part de la génératrice 2 diminue, son champ série s'affaiblit, sa FEM chute et elle perd encore de la charge. L'effet est cumulatif : au bout d'un moment, la génératrice 1 prend toute la charge et la génératrice 2 fonctionne en moteur. Un disjoncteur déclenche alors et arrête le fonctionnement.

Pour stabiliser l'opération, il faut un dispositif correctif. On relie les extrémités d'induit des enroulements série par une barre d'égalisation (equalizer bar), conducteur de très faible résistance. Elle rend stable le fonctionnement des génératrices surcomposées ou à composition nivelée.

Exemple : la génératrice 1 prend plus de charge, son courant série augmente. Ce courant traverse son enroulement série et, en partie, celui de la génératrice 2 via la barre d'égalisation. Les deux machines sont ainsi affectées de la même manière : la génératrice 1 ne peut pas prendre toute la charge, la génératrice 2 ne perd pas toute la sienne.

Pour un partage de charge correct, la régulation des deux génératrices doit être identique et la résistance des enroulements série doit être inversement proportionnelle aux puissances nominales.

Parallélisme de génératrices série CC

Le schéma de raccordement de deux génératrices série en parallèle est présenté ci-dessous.

On suppose deux machines identiques partageant la charge également. Mais si, pour une raison quelconque, la FEM de la génératrice 1 augmente (E1 > E2), son courant I1 devient supérieur à I2. Son champ série se renforce, celui de la génératrice 2 s'affaiblit.

Le processus est cumulatif : au final, la génératrice 1 prend toute la charge et la génératrice 2 fonctionne en moteur. Comme pour la machine composée, le problème se résout par une barre d'égalisation, qui fait circuler des courants approximativement égaux dans les deux machines.

Partage de charge des génératrices CC

La génératrice shunt a une caractéristique légèrement tombante, ce qui la rend la plus apte au parallélisme stable. Si l'une prend plus ou moins de charge, sa tendance naturelle à rétablir le partage initial fait que les deux machines retrouvent immédiatement un bon équilibre.

En cas de défaut, une génératrice est mise hors service et son excitation affaiblie. Le champ série de l'autre augmente, le disjoncteur s'ouvre et la machine défaillante est isolée. Cette méthode de déconnexion/reconnexion rend le système fiable et évite les chocs brutaux sur l'organe moteur comme sur le réseau.

La caractéristique de tension de la génératrice shunt est montrée ci-dessous.

Pour une même tension aux bornes V, la génératrice 1 délivre I1 et la génératrice 2 délivre I2. La génératrice 1 a une caractéristique plus tombante et fournit moins de courant. Les deux se partageront la charge équitablement en tous points si leurs caractéristiques sont similaires et ont la même chute de tension de vide à pleine charge.

Si deux génératrices de puissances différentes (kVA) sont en parallèle, la charge se partage proportionnellement à leurs puissances. Leurs caractéristiques externes, exprimées en pourcentage du courant nominal, doivent être identiques comme le montre la figure ci-dessous.

Exemple : une génératrice de 100 kVA et une de 200 kVA en parallèle sur une charge de 240 kW. La première fournit 80 kW, la seconde 160 kW.

La caractéristique combinée peut être tracée si l'on connaît les caractéristiques individuelles. Le courant fourni par chaque machine se détermine graphiquement comme suit :

Ces résultats peuvent aussi être obtenus par simple calcul si les caractéristiques sont des droites. Calculons maintenant le partage de charge avec tensions à vide inégales.

• E₁, E₂ = Tensions à vide des deux génératrices
• R₁, R₂ = Résistances d'induit
• V = Tension commune aux bornes

D'après ces équations, la tension des barres peut être maintenue constante en augmentant Φ₂ ou N₂, ou en diminuant N₁ ou Φ₁. N₂ et N₁ se modifient par la vitesse des moteurs primaires, Φ₁ et Φ₂ par les rhéostats d'excitation shunt.