Groupe turbine-alternateur

Le rôle de la turbine est de transformer l'énergie de l'eau, de la vapeur ou du vent en énergie mécanique, de manière à faire tourner un alternateur. L'alternateur, à son tour, transforme l'énergie mécanique en énergie électrique. Dans le cas des centrales hydroélectriques, on appelle groupe turbine-alternateur la turbine et l'alternateur qui fonctionnent ensemble.

La turbine tourne à cause du mouvement de l'eau.

L'eau parvient au groupe turbine-alternateur par la conduite forcée qui l'achemine à la bâche spirale (conduit en colimaçon). Elle fait tourner les aubes et se dirige ensuite vers l'axe de la turbine pour s'écouler dans l'aspirateur situé en dessous. L'énergie mécanique produite par la puissante pression exercée par l'eau sur la turbine est transmise à l'alternateur qui la transforme en énergie électrique.

Entraîné par la turbine, l'alternateur génère un courant alternatif.

L'alternateur, relié à la turbine par l'arbre de couche, est formé d’une partie mobile, appelée rotor, et d’une partie fixe, appelée stator. La paroi externe du rotor est composée d'électroaimants, tandis que la paroi interne du stator consiste en un enroulement de barres de cuivre. Lorsque le rotor tourne dans le stator, les électrons présents dans les barres de cuivre « vibrent ». Le mouvement des électrons crée un courant électrique, un peu comme dans l'expérience de Faraday, réalisée en 1831 et portant sur l'induction électromagnétique, mais à très grande échelle.

Mise en place d'une turbine Kaplan

Les turbines ont une vitesse de rotation constante.

Il est impératif que tous les groupes turbines-alternateurs d'un réseau soient rigoureusement synchronisés, c'est-à-dire qu'ils maintiennent très exactement leur vitesse de rotation. Pourquoi ? Afin de produire une énergie électrique de qualité. Les appareils qui consomment de l'électricité sont conçus en fonction d'un courant alternatif dont la fréquence est précise. Cette fréquence dépend de la vitesse de rotation du groupe, c'est-à-dire du nombre de fois par seconde que les aimants du rotor passent devant les barres de métal conductrices du stator. Cette fréquence s'exprime en cycles par seconde ou hertz (Hz), du nom du physicien allemand Heinrich Hertz, qui démontra l'existence des ondes radio.

En Amérique du Nord, le cycle normalisé du courant alternatif est de 60 fois par seconde, tandis qu'en Europe, il est de 50 fois par seconde. Cela signifie qu'une horloge dont le moteur est conçu pour tourner à 60 Hz prendrait du retard si elle était branchée dans une prise européenne, car elle fonctionnerait plus lentement.

Rotors des turbines à La Grande-3
À la centrale La Grande-3, les rotors sont constitués de 32 paires d'électroaimants. Ils doivent donc faire 112,5 tours par minute pour fournir un courant alternatif de 60 Hz.

Voici le calcul qu'ont fait les ingénieurs :

32 paires d'électroaimants × 112,5 tours par minute
=
3 600 tours par minute ou 60 tours par seconde (60 Hz)

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