Leçon 3-éolienne

 

2. Les différentes génératrices

2.1 La machine asynchrone

Un moteur à induction équipé d’un enroulement rotorique en cage d’écureuil est le type de moteur le plus courant dans l’industrie. Comme son nom l’indique, le moteur asynchrone a besoin de peu de temps pour créer un couple. Le rotor d’un moteur asynchrone tourne à la vitesse angulaire Ω_r tandis que l’entrefer se déplace à Ω_s. La différence s’appelle le glissement et elle est souvent donnée comme une valeur unitaire s = (Ω_s – Ω_r)/Ω_s. Le glissement fait que les barres du rotor subissent un flux qui se modifie lentement à la fréquence f_slip = sf_s qui induit une tension dans les enroulements du rotor et, par conséquent, des courants vont commencer à souffler  dans le rotor et créer un couple.

2.2 Principe de fonctionnement

◾ Le stator supporte trois enroulements, décalés de 120 °, alimentés par une tension alternative triphasée.

◾ Ces trois bobines produisent un champ magnétique variable qui a la particularité de tourner autour de l’axe du stator suivant la fréquence de la tension d’alimentation.

◾ Ce champ magnétique est appelé Champ tournant

◾ Le champ tournant statorique vient induire des courants dans le rotor et leur interaction entraine la rotation du rotor à une fréquence légèrement inférieure à celle du champs tournants

La machine synchrone

Les machines synchrones constituent une famille entière de machines électriques. Les principaux types de cette famille de machines électriques sont (1) les machines synchrones à excitation séparée , (2) les machines à réluctance synchrone  et (3) les machines synchrones à aimants permanents. Les machines à excitation séparée sont des machines à pôles saillants ou non saillants. Dans ces machines, il y a généralement un enroulement triphasé dans le stator, tandis que le rotor est équipé d’un enroulement de champ monophasé alimenté en courant continu. Une machine synchrone et une machine à aimants permanents diffèrent essentiellement d’une machine asynchrone par le fait que leur composante de liaison de courant résultante créée par le rotor est générée soit par un courant continu d’enroulement champ, soit par des aimants permanents qui, en régime permanent, fonctionnent indépendamment du stator.

2.3 Production des champs tournants

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Le rotor s’accroche au champ tournant. Le stator est constitué de p bobines identiques par phase qui sont parcourues par un courant de fréquence f imposée par le réseau d ’alimentation.

2.4 vitesse du champ statorique: La vitesse du champ tournant statorique est : ns = f / p = ωs / 2×π× p      (tr/s)

2.5 Puissance des éoliennes – Synthèse : Le générateur est situé dans la nacelle de l’éolienne. Il est entraîné par un arbre mécanique. Le moteur asynchrone à double puissance est un générateur à induction à rotor bobiné. Les enroulements du stator sont directement connectés au réseau triphasé. Les bobinages rotoriques sont reliés à des convertisseurs de puissance bidirectionnels et convertis en courant : la puissance traversant ces convertisseurs peut alors être absorbée ou produite par la machine, selon le point de fonctionnement. Le condensateur entre ces deux convertisseurs représente le bus continu. Le transformateur élévateur permet le raccordement au réseau de distribution.

2.6 Les éoliennes à vitesse fixe : Les moteurs asynchrones à vitesse fixe doivent tourner près de la vitesse synchrone car la fréquence est imposée par le réseau. La vitesse du rotor est presque constante. Le système MADA permet d’ajuster la vitesse de rotation du rotor en fonction de la vitesse du vent. En fait, ADM est autorisé à fonctionner en tant que générateur faiblement synchrone et super-synchrone. Par conséquent, nous avons réussi à extraire la plus grande puissance possible. L’avantage de l’éolienne à vitesse variable est qu’elle peut fonctionner dans une large gamme de vitesses de vent et peut en tirer le maximum de puissance possible pour chaque vitesse de vent.

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a- La machine asynchrone à cage d’écureuil– Généralités

• La fréquence du réseau impose la vitesse de rotation de la machine
• Peu utilisée sur site isolé
• Vitesse nominale élevée
• Fonctionnement dans une plage restreinte de vitesses de vent, ses applications sont donc limitées.
• Maintien de la vitesse grâce au pitch control

C’est la machine la plus utilisée car elle peut supporter de légères variations de vitesse. Ces variations de vitesses engendrent des sollicitations mécaniques importantes sur le système qui ont un impact moindre que sur une machine synchrone qui fonctionne à vitesse fixe. On l’utilise peu sur site isolé car elle a besoin de batteries de condensateurs pour la fourniture d’énergie réactive. Elle a besoin de fonctionner à une vitesse nominale de plusieurs centaines de tours par minute. On va donc utiliser un multiplicateur entre le rotor (arbre lent) et la génératrice (arbre rapide).Une éolienne utilisant une MAS est reconnaissable à sa nacelle allongée, qui abrite la chaîne cinétique.

b- La MAS à cage d’écureuil– Généralités

• Absence de balais-collecteurs ou de contacts glissants sur des bagues
• Ajout de capacités pour compenser l’énergie réactive nécessaire à la magnétisation du rotor de la machine
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  Celui-ci implique des forces de frottements donc des pertes

1. Roue planétaires

2. Arbre intermédiaire

3. Arbre de sortie à grande vitesse

La MAS a besoin de fonctionner à une vitesse nominale de plusieurs centaines de tours par minute. On va donc utiliser un multiplicateur entre le rotor (arbre lent) et la génératrice (arbre rapide). Les forces de Frottement empêchent la rotation par vent faible. Il faut vaincre ces forces d’inertie au démarrage grâce à un gros coup de vent.

La machine asynchrone: avantages et inconvénients

• Avantages: 1- système simple et bien connu  2-Economique
• Inconvénients 1- Pertes d’énergie à cause du multiplicateur 2- Vibrations importantes  3- Bruit important 4- Usure plus rapide  5- Entretien de l’huile du multiplicateur (risque de fuites) 6- Risque d’incendie plus élevé  7- L’énergie électrique produite est de moins bonne qualité

2.7 Les éoliennes à vitesse variable :  Afin d’optimiser la puissance de sortie en fonction du vent, il est souhaitable de pouvoir régler la vitesse de rotation de l’éolienne. L’idée est de faire un générateur avec une fréquence fixe et une vitesse variable. Les générateurs à vitesse variable peuvent fonctionner dans une large gamme de vents, de sorte que lorsqu’ils fonctionnent à des vitesses de vent faibles, ils peuvent restaurer une puissance maximale tout en réduisant la pollution sonore. A vitesse variable, le système est réglé de manière à ce que pour chaque vitesse de vent, l’éolienne tourne à sa puissance maximale et c’est ce qu’on appelle le suivi du point de puissance maximale. Donc :

• La MADA est un générateur à induction à rotor bobiné.
• Enroulements du stator connectés au réseau de distribution
• Enroulements du rotor reliés à des convertisseurs de puissance bidirectionnels en courant: la machine produit ou absorbe la puissance traversant ces convertisseurs.
• Les MAS fonctionnent autour de leur vitesse de synchronisme car la fréquence est imposée par le réseau
• Associée à des éoliennes de forte puissance
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  2.8 La MADA: fonctionnement en mode hyposynchrone

1. Les convertisseurs  sont dimensionnés pour laisser passer 25% de la puissance nominale. (100% pour certaines machines synchrones)
2. La vitesse de rotation est inférieure à la vitesse de synchronisme
3. La machine va alors absorber la puissance traversant les convertisseurs
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   Convertisseur statique composé d’un redresseur, d’un bus continu et d’un onduleur

2.9 La MADA: fonctionnement en mode hypersynchrone

• La vitesse de rotation est supérieure à la vitesse de synchronisme
• La machine va alors fournir de la puissance qui va traverser les convertisseurs
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  Convertisseur statique composé d’un redresseur, d’un bus continu et d’un onduleur   

2.10 La MADA: les phases de fonctionnement

1. Le démarrage de la machine: 70% de la vitesse de synchronisme

2. La phase d’extraction de la puissance maximale: la vitesse mécanique varie jusqu’à sa valeur nominale: la puissance électrique augment rapidement. L’angle de calage β des pales reste minimal afin d’obtenir un Cp max.                     

3. La phase à vitesse mécanique quasi constante: on utilise le pitch control et la puissance électrique augmente jusqu’à sa valeur nominale

4. La phase à puissance constante: si la vitesse augmente, on augmente encore l’angle de calage des pales

5. Arrêt de l’éolienne: si la vitesse du vent est trop forte, β se fixe à 90° (mise en drapeau)

1. la machine produit de l’électricité lorsque la vitesse mécanique atteint 70% de la vitesse de synchronisme de la génératrice.  3. on fait varier β afin d’obtenir une puissance électrique maximale pour différentes valeurs de vent.  4. Pour conserver la puissance électrique nominale constante

2.11 La MADA: transfert de puissance

  P_m = P_réseau  ,  Préseau   =P_s – P_r    or  P_r = gPs  donc:  P_s= P_réseau/(1 – g)

N.B: Hyper syn(Ωm > Ωs et g < 0) (Ωm < Ωs et g > 0). Dans les deux cas la puissance statorique, Ps alimente le réseau. La valeur absolue de g est très inférieure à 1

2.12 La machine synchrone à aimants permanents

1. L’interface d’électronique de puissance entre le stator et le réseau permet un fonctionnement à vitesse variable
2. Le champ tournant rotorique est crée par un bobinage alimenté en courant continu par l’intermédiaire d’un redresseur connecté au réseau
3. Le Multiplicateur n’est pas utile si la machine possède un grand nombre de paires de pôles
4. Ces machines sont de plus en plus utilisées
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2.12.1  La machine synchrone à aimants permanents: Avantages et inconvénients

Avantages

1. Gain en poids (absence de multiplicateur) 
2. Moins de pièces en rotations : moins de bruit, charge réduite, durée de vie la machine améliorée et moins de maintenance
3.   Coûts de maintenance plus faibles
4. Bon rendement

Inconvénients

1. Nécessite  une conversion électrique pour garder une fréquence constante (alternatif → continu→ alternatif)
2. Nécessite des aimants permanents gourmands en terre rare (lanthanides): ceux-ci sont très coûteux, bien que leur utilisation fréquente tende à faire baisser les prix
3. Risque de démagnétisation des aimants suites aux variations importantes de couples électromagnétiques

2.13 Avantages des éoliennes à vitesse variable

•   augmentation de la plage de fonctionnement (faible vitesses de vent)
• système d’orientation des pales simplifié
• Bruit réduit lors du fonctionnement à faible puissance
• Meilleure intégration dans le réseau électrique