Un entrefer inégal entre le stator et le rotor (communément appelé « excentricité de l’entrefer ») dans les grands hydrogénérateurs est un mode de défaillance grave qui peut avoir une série d’effets néfastes sur le fonctionnement stable et la durée de vie de l’unité.
En termes simples, un entrefer irrégulier provoque une distribution asymétrique du champ magnétique, ce qui engendre une série de problèmes électromagnétiques et mécaniques. Nous analysons ci-dessous en détail l'impact sur le courant et la tension du stator, ainsi que d'autres conséquences néfastes.
I. Impact sur le courant statorique
C'est l'effet le plus direct et le plus évident.
1. Augmentation du courant et distorsion de la forme d'onde
Principe : Dans les zones où l’entrefer est faible, la résistance magnétique est plus faible et l’induction magnétique plus forte ; dans les zones où l’entrefer est important, la résistance magnétique est plus forte et l’induction magnétique plus faible. Ce champ magnétique asymétrique induit une force électromotrice déséquilibrée dans les enroulements du stator.
Performances : Ceci provoque un déséquilibre des courants triphasés du stator. Plus important encore, un grand nombre d’harmoniques d’ordre élevé, notamment les harmoniques impaires (telles que les harmoniques 3, 5, 7, etc.), sont introduites dans la forme d’onde du courant, ce qui la déforme et la transforme d’une sinusoïde régulière en une onde sinusoïdale.
2. Génération de composantes de courant avec des fréquences caractéristiques
Principe : Le champ magnétique excentrique rotatif est équivalent à une source de modulation basse fréquence qui module le courant de fréquence de base du réseau électrique.
Performances : Des bandes latérales apparaissent dans le spectre du courant statorique. Plus précisément, des composantes de fréquence caractéristiques apparaissent de part et d’autre de la fréquence fondamentale (50 Hz).
3. Surchauffe locale des enroulements
Principe : Les composantes harmoniques du courant augmentent les pertes par effet Joule (pertes I²R) des enroulements du stator. Simultanément, ces courants harmoniques génèrent des pertes supplémentaires par courants de Foucault et par hystérésis dans le noyau de fer, ce qui accroît les pertes fer.
Performances : La température locale des enroulements du stator et du noyau de fer augmente anormalement, ce qui peut dépasser la limite admissible des matériaux isolants, accélérer le vieillissement de l'isolation et même provoquer des accidents de court-circuit et de surchauffe.
II. Impact sur la tension du stator
Bien que l'impact sur la tension ne soit pas aussi direct que sur le courant, il est tout aussi important.
1. Distorsion de la forme d'onde de la tension
Principe : La force électromotrice générée par le générateur est directement liée au flux magnétique dans l’entrefer. Un entrefer irrégulier provoque une distorsion de la forme d’onde du flux magnétique, ce qui entraîne une distorsion de la forme d’onde de la tension statorique induite, avec l’apparition de tensions harmoniques.
Performances : La qualité de la tension de sortie diminue et n'est plus une onde sinusoïdale standard.
2. Déséquilibre de tension
Dans les cas d'asymétrie sévère, cela peut entraîner un certain degré de déséquilibre dans la tension de sortie triphasée.
III. Autres effets indésirables plus graves (causés par des problèmes de courant et de tension)
Les problèmes de courant et de tension mentionnés ci-dessus déclencheront une série de réactions en chaîne, souvent plus fatales.
1. Attraction magnétique déséquilibrée (UMP)
Il s'agit là de la conséquence la plus fondamentale et la plus dangereuse de l'excentricité de l'entrefer.
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Principe : Du côté où l’entrefer est plus petit, l’attraction magnétique est beaucoup plus importante que du côté où l’entrefer est plus grand. Cette attraction magnétique résultante (UMP) attire davantage le rotor vers le côté où l’entrefer est plus petit.
Cercle vicieux : l’UMP aggrave le problème d’entrefer irrégulier, créant ainsi un cercle vicieux. Plus l’excentricité est importante, plus l’UMP est élevée ; plus l’UMP est élevée, plus l’excentricité est importante.
Conséquences:
• Augmentation des vibrations et du bruit : L'appareil génère de fortes vibrations à fréquence doublée (principalement 2 fois la fréquence du secteur, 100 Hz), et les niveaux de vibration et de bruit augmentent considérablement.
•Dommages mécaniques aux composants : À long terme, les UMP entraînent une usure accrue des roulements, une fatigue des tourillons, une flexion de l'arbre et peuvent même provoquer un frottement mutuel et une collision entre le stator et le rotor, ce qui constitue une défaillance dévastatrice.
2. Augmentation des vibrations de l'unité

Sources : Principalement de deux points de vue :
1. Vibration électromagnétique : causée par une attraction magnétique déséquilibrée (UMP), la fréquence est liée au champ magnétique tournant et à la fréquence du réseau.
2. Vibrations mécaniques : causées par l'usure des roulements, le désalignement de l'arbre et d'autres problèmes causés par l'UMP.
Conséquences : Affecte le fonctionnement stable de l'ensemble du groupe électrogène (y compris la turbine) et menace la sécurité de la structure de la centrale.
3. Impact sur le raccordement au réseau et le système électrique
La distorsion de la forme d'onde de la tension et les harmoniques du courant pollueront le système électrique de l'usine et seront injectées dans le réseau, ce qui peut affecter le fonctionnement normal d'autres équipements sur le même bus et ne répond pas aux exigences de qualité de l'énergie.
4. Réduction de l'efficacité et de la puissance de sortie
Les pertes harmoniques supplémentaires et l'échauffement réduiront l'efficacité du générateur, et à puissance hydraulique d'entrée égale, la puissance active utile de sortie diminuera.
Conclusion

Un entrefer irrégulier entre le stator et le rotor dans les grands hydrogénérateurs est loin d'être anodin. Initialement d'origine électromagnétique, il dégénère rapidement en un défaut grave et complexe, intégrant des aspects électriques, mécaniques et thermiques. Le déséquilibre de l'attraction magnétique (DAM) qu'il engendre et les fortes vibrations qui en résultent constituent les principaux facteurs menaçant la sécurité de fonctionnement du groupe. Par conséquent, lors de l'installation, de la maintenance et de l'exploitation quotidienne du groupe, l'uniformité de l'entrefer doit être rigoureusement contrôlée, et les premiers signes de défauts d'excentricité doivent être détectés et traités sans délai grâce à des systèmes de surveillance en ligne (vibrations, courant et entrefer, par exemple).