Générateur asynchrone à cage d’écureuil

C’est dans les grandes puissances (au-delà de 100 kW) que l’on rencontre des systèmes reliés au réseau et produisant “au fil du vent”. La première machine qui vient à l’esprit pour ces systèmes est la génératrice synchrone. Cependant le faible coût et la standardisation des machines asynchrones a conduit à une très large domination des génératrices asynchrones à cage d’écureuil jusqu’à des puissances allant au-delà du megawatt. Les machines asynchrones à cage ne nécessitent qu’une installation assez sommaire. Elles sont souvent associées à une batterie de condensateurs de compensation de la puissance réactive et à un démarreur automatique progressif à gradateur, permettant de limiter le transitoire d’appel au moment de la connexion au réseau (Figure (1.13)).

La turbine de vent à vitesse fixe avec un générateur asynchrone à cage d’écureuil est directement reliée au réseau par l'intermédiaire d'un transformateur. Puisque le générateur à induction à cage d’écureuil exige la production de la puissance réactive par le réseau, il va créer des conditions inacceptables comme le facteur de chute de tension ou de puissance faible.

Figure (1.13) : Démarreur souple

La puissance réactive compensée peut être assurée à partir d’un banc de condensateur ou d'un convertisseur de puissance. Pour les générateurs à induction à vitesse fixe ou de liaison directe, les bancs de condensateur peuvent assurer la puissance réactive, améliorant de ce fait le facteur de puissance. La topologie de ce type est illustrée par la Figure (1.14). Pour la liaison directe, le générateur à induction doit fonctionner à la fréquence synchrone du réseau. Ainsi, il doit y a une boîte de vitesse pour augmenter la vitesse réduite de l’axe des lames de rotor à la vitesse du réseau.

Figure (1.14) : générateur à induction à cage d’écureuil avec la liaison directe au réseau.

Cette topologie présente les avantages suivants :

• Le générateur à induction à cage d'écureuil (GICE) est directement relié au réseau par l'intermédiaire d'un transformateur.

• Le GICE exige un entretien minimal.

Cependant les inconvénients de ce type sont listés comme suit :

• Le GICE exige un ralentisseur.

• Le GICE tire la puissance réactive du réseau qui est compensée par des bancs de condensateur (en l'absence de banc de condensateur de tension, des fluctuations et des pertes de ligne électrique inévitables). Donc cette topologie nécessite une excitation de puissance réactive.

• Opération à vitesse fixe.

Il existe une vaste littérature liée à l'analyse du générateur à induction auto-excité étudiée dans [11][25-26].

[25] met en évidence un des premiers travaux effectués pour la machine à induction auto-excitée.

Dans ce document l'auteur prouve que la machine à induction, entraînée par un moteur, peut être auto-excitée par l’utilisation d’un banc de condensateurs reliés à travers ses bornes de stator.

Ceci facilite le fonctionnement de la machine à induction comme un générateur pour des sites isolés, en utilisant des condensateurs d'excitation pour satisfaire les besoins de puissance réactive de la machine, tout en ayant toujours les avantages de base par l'utilisation des machines à induction pour la production d'électricité. Les auteurs discutent également de l'importance de la courbe de saturation et de la réactance de capacité d'excitation. L'auteur tire la conclusion que le

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générateur à induction peut être fait pour manipuler n'importe quel type de charge, à condition que les charges soient compensées pour garantir un facteur de puissance unitaire au générateur.

La suite de ce travail dans [26], où l’auteur proposait une méthode pour prédéterminer les caractéristiques de la machine à induction fonctionnant en tant que générateur à induction auto-excité (SEIG). Il précise que la valeur de la tension terminale du générateur SEIG augmentera en raison de l'auto-excitation qui dépend de la vitesse du rotor, la valeur du condensateur, et de la charge. Dans un générateur auto-excité, la tension terminale et la fréquence sont inconnues et doivent être calculées à partir de la vitesse du rotor, des valeurs de capacité et de la charge.

L'analyse est compliquée à cause de la saturation magnétique de la machine. Dans [11] les auteurs ont proposé une technique analytique par l’utilisation de la méthode de "Newton-Raphson" pour identifier les paramètres en régime de saturation, et la fréquence produite pour des conditions de fonctionnement données (valeur de vitesse, de charge et de capacité). Cette méthode utilise un circuit équivalent de la machine à induction pour estimer les paramètres (pour un système équilibré) en employant les valeurs obtenues à partir de l'analyse analytique.

Bien que la méthode convienne aux simulations par ordinateur, elle est efficace seulement pour l'analyse d’un système équilibré.

Pour le générateur à induction à cage à vitesse variable, le convertisseur de puissance doit fournir la puissance réactive aux générateurs. La topologie est présentée par la Figure (1.15).

Figure (1.15) : Générateur à induction à cage d’écureuil avec des convertisseurs de puissance.

L'enroulement de stator est relié au réseau par des convertisseurs de puissance CA/CC/CA. Le système de contrôle du convertisseur de côté du stator commande le couple électromagnétique et assure la puissance réactive pour maintenir la magnétisation de la machine. Le convertisseur de côté réseau contrôle la puissance active et réactive ainsi que le niveau de la tension de lien continu.

Les utilisations du générateur à induction à cage d'écureuil par cette topologie ont quelques avantages [27]:

• Le redresseur peut produire de l'excitation programmable pour le générateur.

• La réponse transitoire est rapide.

• L'inverseur peut fonctionner comme compensateur d’énergie réactive (réduction des harmoniques) quand la capacité est disponible.

Les inconvénients de ce type sont :

• Une commande de système complexe (FOC) dont l'exécution dépend de la bonne connaissance du paramètre de générateur avec lequel varient la température et la fréquence [28].

• le convertisseur de côté de stator doit être surdimensionné de 30-50% de la puissance nominale, afin de fournir la condition magnétisante de la machine [29].

On peut éviter les effets du premier inconvénient en employant la commande directe du couple DTC (Direct Torque Control), où cette stratégie minimise au maximum l’utilisation des paramètres de la machine à cage.

Concernant la commande du générateur à induction à vitesse variable de la figure (1.15), elle a été étudiée dans les références [29-31].

La commande par logique floue de la turbine pour maximiser la puissance d’un générateur à induction à cage à vitesse variable a été employée dans [29]. Les convertisseurs de côté générateur et de côté réseau sont contrôlés par des régulateurs classiques PI. L’auteur a prouvé la supériorité de l’utilisation du contrôleur par logique floue devant le régulateur standard PI.

La commande d’un générateur à induction raccordé à une turbine éolienne à vitesse variable (avec l’utilisation d’une stratégie de maximum de puissance MPPT) par le contrôle directe du couple classique à été étudié dans [30].

La modélisation, la commande et l’interaction de deux aérogénérateurs à base de machine asynchrone à cage, couplés au réseau au travers de convertisseurs statiques, ont été étudiées dans [31]. L’auteur a proposé une stratégie de commande pour deux systèmes éoliens avec un seul convertisseur de côté réseau. Pour contrôler la tension du bus continu et les échanges de puissances active et réactive, l’auteur a implanté des correcteurs de type PI (proportionnel intégral). Il a montré à partir des résultats de simulation que les deux aérogénérateurs sont pratiquement indépendants dans le cas d’une perturbation sur l’un des deux systèmes.