LA MACHINE ASYNCHRONE DOUBLE ALIMENTATION (MADA)

Utilisé depuis 1899, la Machine Asynchrone Doublement Alimentée (MADA), DFIM (de l’anglais, Doubly Fed Induction Machine) est une machine asynchrone à rotor bobiné constituée d’un stator identique à celui d’une machine asynchrone à cage ou à une machine synchrone. C’est le rotor qui diffère radicalement car il n’est pas composé d’aimants ou d’une cage d’écureuil mais d’enroulements triphasée disposés de la même manière que les enroulements statorique.

La MADA est la plus utilisée dans le domaine éolien parce que les machines asynchrones à vitesse fixe doivent fonctionner au voisinage de la vitesse de synchronisme car la fréquence est imposée par le réseau : la vitesse du rotor est presque constante, c’est une machine asynchrone à rotor bobiné et peut être alimentée par deux sources distinctes branchées respectivement au stator et au rotor. L’accès du rotor permet de régler la vitesse de rotation, en effet laMADApermet un fonctionnement en génératrice et en moteur hypo-synchrone (au dessous de la vitesse de synchronisme) et hyper-synchrone (au dessous de la vitesse de synchronisme). On arrive ainsi à extraire le maximum de puissance possible avec une vitesse variable ± 30٪ de la vitesse de synchronisme alors sa nous donne une grande flexibilité d’application par rapport les autre machine traditionnel [34] [35].

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4.1. APPLICATION DA LA MADA EN MOTEUR

Au début, l’application de la machine asynchrone double alimentation était en mode moteur à vitesse variable par exemple entrainer des pompes, c’est un fonctionnement simple, le stator est branché à une source de fréquence f₁ = 50 Hz alors que au lieu de court-circuiter ou de brancher le rotor à une résistance relions plutôt le rotor à une deuxième source ayant une fréquence f₂ .Alors le moteur avec p nombre de paire de pôle à rotor bobiné est alimenté par deux sources, il doit tourner à une des deux vitesses n suivantes:

1 2 120 n (f f ) p   (II.2) 1 2 120 n (f f ) p   (II.3) Pour une fréquence f₂ donnée, la vitesse n dépend de la séquence des phases de la tension triphasée appliquée au rotor. Une séquence directe produit une vitesse hypo- synchrone, alors qu'une séquence inverse produit une vitesse hyper-synchrone.

4.1.1. Moteur hypo-synchrone

Lorsque le moteur à rotor bobiné est alimenté par une source de tensionE_sde fréquence f₁au stator et une source E_rde fréquence f₂au rotor, le glissement s est automatiquement imposé, soit g = f₂/f₁, l vitesse du moteur est donc également imposée par la relation

 

S S 1 f n n 1 g n 1 f      _  _

  ^{. Comme la vitesse du moteur}

est imposée, on peut considérer cette machine comme un type spécial de moteur synchrone . En particulier, lorsque la fréquence f₂ appliquée au rotor est nul (rotor alimenté en courant continu), la machine tourne à la vitesse synchrone n = n_s. La puissance mécanique est égale :

2 m r 1 f P (1 ) P f   (II.4) Une partie de la puissance électrique fournie par le rotorP_r est dissipée dans la

résistance du rotor par effet Joule P_j et le reste est absorbé par la source E_r ou réinjecté à la sourceE_s représente le réseau électrique en général [17] [36].

La figure 13 représente le principe du fonctionnement mode moteur hypo-synchrone.

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Fig.13 fonctionnement mode moteur hypo-synchrone

4.1.2. Moteur hyper-synchrone

Lorsque l'on inverse la séquence des tensions appliquées au rotor, le moteur tourne à une vitesse hyper-synchrone. Dans ces circonstances, la puissance électrique s'inverse dans le rotor,

Dans ce cas, la sourceE_rfournit une puissance P_rau rotor. La puissance mécanique développée par le rotor est donc :

2 m r 1 f P (1 ) P f   (II.5) Ce moteur à double alimentation est parfois utilisé pour entraîner des charges à vitesse variable. La source de tensionE_rest alors un convertisseur raccordé au réseau à 50 Hz et générant une fréquencef₂ variable. L'utilisation d'un convertisseur au lieu de résistances permet de faire varier la vitesse dans une plus grande gamme et de retourner dans le réseau la puissance qui devrait autrement être gaspillée dans les résistances [17] [36]. 2 m r 1 f P (1 ) P f   (II.6) La figure 14 représente le principe du fonctionnement mode moteur hyper-synchrone. P_s P_r P_m n < n_s P_fem

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Fig.14 fonctionnement mode moteur hyper-synchrone

4.2. APPLICATION DA LA MADA EN GENERATRICE

Le moteur asynchrone à double alimentation que nous venons de décrire peut fonctionner en générateur. Il suffit pour ce faire d'appliquer à l'arbre un couple dont le sens est tel qu'il tend à faire augmenter la vitesse sous-synchrone ou hyper-synchrone c’est la partie la plus intéressante dans notre étude pour l’utilisation de l’éolienne, la machine asynchrone double alimenté est la machine la plus utiliser dans le monde éolien pour cella nous allons utilisé cette machine en génératrice et essayer de la commander dans les chapitres suivants. La figure 14 représente un model d’un générateur MADA Hitachi 1,5 MW pour éolienne GE 575V

Sous l'effet de ce couple les pôles du rotor avancent légèrement en avant des pôles du stator, mais la vitesse en régime permanent reste inchangée. Par contre, les puissances circulant dans le stator et dans le rotor changent de sens comme l'indiquent la figure 15 (mode sous-synchrone) et la figure 16 (mode hyper-synchrone). La transition du mode sous-synchrone au mode hyper-synchrone s'effectue en changeant la séquence des phases de la tension E_r.

En plus de pouvoir fonctionner à vitesse variable, le générateur asynchrone à double alimentation possède un autre avantage par rapport à la machine asynchrone à cage : il permet de fournir une puissance à facteur de puissance unitaire. Pour ce faire, on ajuste l'amplitude de la tensionE_r. Il n'est donc plus nécessaire d'installer des bancs de condensateurs aux bornes du stator pour lui fournir la puissance réactive.

𝑃_𝑠

𝑃_𝑓𝑒𝑚

𝑃_𝑟

𝑃_𝑚

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Fig.15 Hitachi 1,5 MW générateur pour éolienne GE 575V

4.2.1. Génératrice hypo-synchrone

Comme pour le moteur hypo-synchrone la vitesse de rotation reste inferieur à la vitesse de synchronisme et la sourceE_r fournit de la puissanceP_r au rotor. Et la puissance électrique produite au stator et injecté au réseau. Sachant queE_rpeut être le réseau électrique [17] [36].

Fig.15 Fonctionnement mode génératrice hypo-synchrone

4.2.2. Génératrice hyper-synchrone

Comme pour le moteur hyper-synchrone la vitesse de rotation reste supérieur à la vitesse de synchronisme, la puissance électrique produiteP_s au stator et injecté au réseau sourceE_s et la puissanceP_r la puissance du glissement est injecté a la source

𝑃_𝑠

𝑃𝑓𝑒𝑚

𝑃_𝑟

𝑃_𝑚

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E sachant queE_rpeut être le réseau électrique alors la puissance que en cas d’une machine asynchrone est dissipée par effet Joule et réinjecté au réseau électrique [17] [36].

Fig.16 Fonctionnement mode génératrice hyper-synchrone