FONCTIONNEMENT D'UN GENERATEUR ASYNCHRONE.

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Génératrice asynchrone (aussi appelée à induction) :

Les génératrices asynchrones ont la réputation d'être des machines robustes et peu chères. Ce qui explique pourquoi les génératrices asynchrones sont les plus utilisées actuellement, quelle que soit la taille de l'éolienne.

Dans cette page, nous verrons le principe, les avantages, les problèmes, les caractéristiques du générateur asynchrone.

 

Un moteur ou générateur asynchrone se compose de:
_un stator(carcasse)constitué d'un circuit magnétique sur lequel on a réalisé des bobinages.

Le stator du moteur asynchrone triphasé comprend 3 enroulements répartis sur un circuit magnétique. Chaque enroulement a un même nombre de pôles sur déterminant la vitesse:

n = f/p avec n = vitesse de rotation en tours/seconde
f = 50 Hz
p = paires de pôles

avec 2 pôles, on a n = 50 tr/s = 3000 tr/min
4 pôles, on a n = 25 tr/s = 1500 tr/min.

_un rotor constitué d'un circuit magnétique comportant également. Soit, plus couramment, un ensemble de barres conductrices en court-circuit appelé: rotor court circuit, cage d'écureuil.

Soit un ensemble de bobinages. On l'appelle alors moteur ou génératrice à rotor bobiné (à bagues).

Les enroulements du rotor sont alimentés par induction par le stator d'où l'appellation souvent donnée à ce type de moteur, moteur à induction.

Principe:

Une tension du courant alternatif triphasé créé à l'intérieur du stator (partie fixe) un champ magnétique tournant.

Si l'on y plaçait une boussole (aimant) elle y tournerait aux vitesses de 3000, 1500, 1000 out 750 tr/min... exactement (ce système constituerait un moteur Synchrone).

Si on remplace la boussole par une masse magnétique conductrice (rotor en court-circuit ou bobiné) et que ce rotor est balayé par un champs tournant, alors le rotor est le siège de courants induits (effet transformateur, courant de Foucault) qui génèrent à leur tour un champ magnétiques tournant qui font tourner le rotor à une vitesse presque égale à celle du champs magnétique.

 

La f-e-m statorique développe une induction B qui passant dans l'entrefer engendre une f-e-m rotorique qui développe à son tour une induction B'. Il ne peut y avoir de courant induit que si le courant statorique est alternatif: seule une variation de flux permet la génération de f-e-m au rotor.

Le couple moteur a pour origine la réaction de B' sur B.

 

D'après la loi de Lenz: " les courants induits s'opposent aux courants qui leur ont donné naissance ( et qui les déplacent ). Les polarités rotoriques résultant des courant induits n'exerceront de couple moteur que dans la mesure où elles prennent du " retard " ( c'est-à-dire si elles sont asynchrones ) sur les polarités statoriques.
Ce glissement du champ induit par rapport au champ statorique a pour valeur.

Si le rotor tournait à la vitesse du champ magnétique il n'y aurait plus de courant induit donc plus de couple.

Si l'on freine le rotor, le système est un moteur à asynchrone.

Si l'on augmente la vitesse, le système est une génératrice asynchrone. Pour avoir un générateur, il faut que le rotor tourne plus vite que le champ magnétique.

En soit : moteur asynchrone et génératrice asynchrone sont une même et unique machine.
Exemple : un moteur de 100 KW, 1500 tr/min fournit 100 KW mécanique à l'arbre pour une vitesse de 1450 tr/min et constitue une génératrice asynchrone de 100 KW, 1550 tr/min, 1500 étant alors la vitesse de synchronisme, pour un moteur, le rotor tourne moins vite que le champ magnétique.

Un des avantage des générateurs asynchrones est qu'il n'y a plus besoin d'alimenté le rotor en continu. La génération ne se fait plus qu'à partir de la vitesse de synchronisme, ce qui limite le problème de régulation. De plus, le couplage sur le réseau est d'autant plus simple que la machine s'adapte naturellement en tension et en fréquence.

Tous ces avantages s'accompagnent d'un problème de taille, cette génératrice, afin de créer sa magnétisation, emprunte une puissance réactive au réseau afin de créer sa magnétisation. Le réseau devra donc obligatoirement posséder des alternateurs synchrones afin de produire cette puissance réactive.
Ce genre de génératrices ne peut fonctionner que sur une plage restreinte de vitesse. Alors, l'éolienne ne fonctionnera qu'à partir d'une vitesse seuil du vent et s'arrêtera au de-là d'une certaine vitesse limite du vent. Quelques variantes ont été apportées en utilisant des machines asynchrones avec un double bobinage, ce qui induit un nombre de paires de pôles différents. Cela permet d'élargir la plage de vitesse de fonctionnement en utilisant l'un ou l'autre des bobinages suivant la vitesse du vent.

On doit essayer de stabiliser la vitesse de ces générateurs asynchrones près de leur puissance nominale (vers 1 800 tours en utilisant une boite de vitesse et des multiplicateurs) pour avoir en bout de ligne une fréquence et une tension régulières. Voilà pourquoi certains fabricants installent 2 génératrices, l'une exploitant les basses vitesses de vent, l'autre pour les hautes vitesses.
Enfin, l'avenir pourrait bien se situer dans les génératrices à basse vitesse car elles suppriment tout recours à un multiplicateur. La nouvelle génératrice discoïde de Jeumont Industrie est une innovation majeure car elle réduit la taille, normalement imposante, de ces alternateurs multipôles. Toutefois, le courant produit doit passer par un onduleur de grande puissance. Il s'agit là aussi d'une technologie de pointe. Elle ne comporte pas de boite de vitesses et le rotor entraîne directement une génératrice très particulière possédant de nombreux pôles et des aimants permanents. Ceci lui permet de produire un courant à 50 Hz même si la rotation est beaucoup plus lente (50 tours/min) que les générateurs conventionnels (1 500 tours/min.). L'un des grands défis technologiques repose dans la régulation électrique de ce type d'éolienne, qui comprend un onduleur de grande puissance. Jeumont Industrie, qui prévoit que cette machine de 750 kW est un tremplin pour réaliser des énormes éoliennes de 2 000 kW (2 MW) et les installer en mer, est une filiale de groupe industriel français

 

Dans le cas d'un fonctionnement autonome, le problème est tout autre. En effet, les grandeurs statoriques ne sont plus imposées et il faut fournir à la machine la puissance réactive nécessaire à la magnétisation. La tension et la fréquence produites par les génératrices asynchrones ne sont pas toujours constantes, mais il est possible (moyennant un variateur de fréquence) de fournir une tension et une fréquence fixes.
Le cas le plus simple consiste alors à connecter, en parallèle au bobinage statorique, un banc de capacités.

 

Ce qui permet d'obtenir l'amplitude adéquate de la tension. Dans ce cas de fonctionnement, la vitesse de rotation de la machine doit être fixée dans une plage restreinte afin de maintenir une fréquence des grandeurs statoriques proches de 50 Hz.

Une autre approche consiste à connecter, en plus des capacités en parallèles, d'autres capacités en série avec la charge.

Cette approche ("short-shunt connexion") permet de diminuer la chute de tension de charge. Le rôle des capacités parallèles reste le même. Mais les capacités en séries servent de régulateurs: plus le courant de charge est élevé, plus la puissance réactive qu'elles génèrent est élevés et vice-versa. Cela permet de maintenir un niveau de magnétisation pratiquement constant dans la machine, donc une tension constante. De plus, en fonctionnement autonome, le système est destiné à alimenter un consommateur isolé. Cela suppose que la charge n'est pas forcément équilibrée et qu'elle est variable dans le temps.

 

L'adjonction de capacités en séries permet de maintenir, même en cas de charge déséquilibrée, une tension constante aux bornes de la génératrice.

 

Caractéristiques.

L'éolienne commence à fonctionner à partir d'une vitesse seuil.
On arrête l'éolienne à environ 25m/s, au-delà de cette vitesse, on risquerait d'endommager les différents composants.