Principe de fonctionnement des machines

(II.20)

(II.21)

Où représente l’effet du couple de la turbine sur l’arbre de la génératrice, et est le gain de multiplicateur.

II.6.2. Equation dynamique de l’arbre de la génératrice

L’équation fondamentale du moment du couple dynamique permet de déterminer l’évolution de la vitesse à partir du couple mécanique total ( ) appliqué au rotor [15]:

(II.22) L’évaluation de la vitesse dépend du couple mécanique appliqué au rotor de la génératrice qui est résultant de couple de la génératrice ( ), couple de frottement visqueux ( ) et un couple de multiplicateur ( ).

Le couple mécanique est la somme de tous les couples appliqués sur le rotor :

(II.23)

Est le couple résistant dû aux frottements peut donner par :

(II.24) Où est le coefficient de frottement total du couplage mécanique.

En remplace (II.24) dans (II.23), on obtient :

(II.25)

II.7. Principe de fonctionnement des machines

Une machine électrique est constitué d'un stator, la partie fixe, et d'un rotor, la partie mobile. Celle-ci comporte un bobinage qui, alimenté par un courant électrique, induit un

24 champ magnétique. Les pôles du rotor, pouvant tourner librement, s'alignent avec ceux du stator : les pôles positifs attirent les négatifs, et inversement. Ainsi, le rotor continue de tourner entrainant avec lui l'axe du moteur, qui entraine alors une machine (ici, une hélice). Pour obtenir un moteur à vitesse variable, il faut l'alimenter avec un variateur. En changeant la fréquence du courant, il change la vitesse de rotation.

II.7.1. Type des générateurs

Un aérogénérateur est un dispositif utilisé pour le transfert de l’énergie cinétique du vent vers l’arbre de transmission en mouvement rotatif. Plusieurs types existent, ils se caractérisent par la position de leur axe de rotation et des performances qui leurs sont propres. On note : les éoliennes à vitesse fixe et les éoliennes à vitesse variable.

II.7.1.1. Eoliennes à vitesse fixe

La génératrice (généralement une machine asynchrone à cage d’écureuil) est reliée directement au réseau sans convertisseur de puissance, sa vitesse mécanique est fixe et imposée par la fréquence de travail du réseau et/ou par le nombre de pair de pôles de la génératrice. Il nous faut alors un système d’orientation des pales de l’aérogénérateur pour avoir un fonctionnement au voisinage de synchronisme et aussi un multiplicateur de vitesse pour adapter la vitesse de la turbine à celle de la génératrice.

Figure II.13: éolienne directement connectée au réseau

II.7.1.2. Eolienne à vitesse variable

L’éolienne à vitesse variable connectée au réseau est composée d’une turbine, un multiplicateur, un générateur, un convertisseur de puissance. La partie électrique de

25 l’éolienne, en général, consiste en un générateur électrique synchrone ou asynchrone. Les machines synchrones : elles sont utilisées dans la plupart des procédés traditionnels de production d’électricité, notamment dans ceux de très grande puissance (centrales thermiques, hydrauliques ou nucléaires). Les générateurs synchrones utilisés dans le domaine éolien, ceux de 500 à 2 sont bien plus chers que les générateurs à induction de la même taille .

-Intérêt de la vitesse variable

L’ensemble des caractéristiques donnant la puissance disponible en fonction de la vitesse de rotation du générateur pour différentes vitesses de vent est illustré sur la figure suivante.

En vitesse variable, on régule le système de façon à ce que pour chaque vitesse de vent, l'éolienne fonctionne à puissance maximale. C'est ce qu'on appelle le Maximum Power Point Tracking (MPPT). La puissance maximale est atteinte pour une vitesse de rotation de la turbine donnée par la caractéristique de l’éolienne.

Figure II.14: Puissance théorique disponible au niveau de la turbine éolienne.

II.7.2. Système utilisant la machine synchrone (MS)

C’est ce type de machine qui est utilisé dans la plupart des procédés traditionnels de production de l’électricité. Lorsque ce type de machine est directement connecté au réseau ; sa vitesse de rotation est fixe et proportionnelle à la fréquence du réseau. En conséquence de cette grande rigidité de la connexion générateur-réseau, les fluctuations du couple capté par l’aérogénérateur se propagent sur tout le train de puissance, jusqu’à la puissance électrique produite. C’est pourquoi les machines synchrones ne sont pas utilisées dans les

60 80 100 120 140 160 180 200 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 4 m/s 5 m/s 6 m/s 7 m/s 8 m/s 9 m/s 10 m/s vitesse de rotation  p u issa n ce d e l a t u rb in e

26 aérogénérateurs directement connectés au réseau. Lorsque sont utilisées, elles sont connectées au réseau par l’intermédiaire de convertisseurs de puissance [18].

Figure II.15 : Eolienne à vitesse variable à base d’une machine synchrone.

Le Tableau II.1 résume les principes avantages et inconvénients de la Machine Synchrone

Avantages Inconvénients

 Puissances extraite optimisée pour les vents faibles et moyens.

 Absence de boite de vitesse.

 Sur la plage de vitesse, fonctionne à vitesse variable.

 La machine a un grand diamètre.  Machine spécifique.

 Le dimensionnement des convertisseurs est effectué pour transiter la totalité de la puissance nominale (le prix augmente)

Tableau II.1 : Avantages et inconvénients de la machine synchrone.

II.7. 3.Système utilisant la machine asynchrone simple (MAS)

La machine asynchrone à cage d’écureuil est connectée directement au réseau électrique, la puissance fournie au celui-ci ne peut pas être optimal car la machine n’a pas la possibilité de fonctionner à vitesse variable. La figure (II.17) illustre une structure d’une éolienne à vitesse variable utilisant la même machine. Le stator de la machine est connecté au réseau électrique par l’intermédiaire d’un convertisseur de puissance qui permet de contrôler et de varier la vitesse de la machine afin de fournir Une puissance maximale au réseau électrique.

27 Figure II.16 : Eolienne à vitesse variable à base d’une machine asynchrone simple.

Le Tableau II.2 résume les principes avantages et inconvénients de la MAS.

Avantages Inconvénients

 Puissances extraite optimisée pour les vents faibles et moyens.

 Le dimensionnement des convertisseurs est effectué pour transiter la totalité de la puissance nominale (le prix augmente)

 L’augmentation des pertes des convertisseurs de puissance

Tableau II.2 : Avantages et inconvénients de la machine asynchrone.

II.7.4. Système utilisant la machine asynchrone à double alimentation (MADA)

La machine asynchrone à double alimentation (MADA) avec rotor bobiné présente un stator triphasé identique à celui des machines asynchrones classiques et un rotor contenant également un bobinage triphasé accessible par trois bagues munies de contacts glissants. Intégrée dans un système éolien, la machine a généralement son stator connecté au réseau et l’énergie rotorique varie selon différents systèmes décrits ci-dessous. Les convertisseurs utilisés sont alors dimensionnés pour une fraction de la puissance nominale de la machine.

28 Figure II.17 : Eolienne à vitesse variable à base d’une MADA.

Le Tableau II.3 résume les principes avantages et inconvénients de la MADA.

Avantages Inconvénients

 Fréquence fixe quel que soit la vitesse du vent

 Les convertisseurs sont dimensionnés à 30% de la puissance nominale

 La puissance maximale est exploitée pour toutes les vitesses du vent (régulation de λ optimal pour avoir Cp maximum)

 Maintenance du multiplicateur  Commande complexe

 Oscillations mécanique

Tableau II.3 : Avantages et inconvénients des machines MADA