CHAPITRE 4 : MODELISATION ET STRATEGIE DE COMMANDE DE LA
II.1 Structure des machines asynchrones à double alimentation
III - Fonctionnement en génératrice à vitesse variable ---93 IV - Différentes méthodes de commande de la MADA : description et intérêt ---95 V - Modélisation et stratégie de commande en puissances active et réactive ---98
V.1 Modèle et Identification des paramètres de la machine ---98 V.2 Stratégie de commande de la MADA ---99 V.2.1 Choix du référentiel pour le modèle diphasé ---99 V.2.2 Relations entre puissances statoriques et courants rotoriques--- 101 V.2.3 Relations entre tensions rotoriques et courants rotoriques--- 102 V.2.4 Etablissement des angles nécessaires aux transformations --- 103 V.3 Commande vectorielle de la MADA en génératrice--- 105 V.3.1 Principe général --- 105 V.3.2 Objectifs du contrôle--- 106
VI - Conclusion --- 107
Chapitre 4 : Modélisation et stratégie de commande de la machine asynchrone à double alimentation
Notations utilisées dans le chapitre
res
P : Puissance électrique transitant entre le réseau et la MADA
mec
P : Puissance mécanique fournie ou reçue par la MADA
r
P : Puissance électrique fournie ou reçue par le rotor de la MADA
s
P : Puissance électrique fournie ou reçue par le stator de la MADA
1ref
Ω : Vitesse de référence du rotor éolien m
a
Γ : Couple aérodynamique estimé
opt
λ : Rapport d’avance optimal de l’éolienne
, , d q d q s r V V , , , r
: Tensions statoriques et rotoriques diphasées de la MADA dans un repère tournant
, ,
d q d q
s r
I I : Courants statoriques et rotoriques diphasés de la MADA dans un repère tournant
, ,
d q d q
s r
ψ ψ : Flux statoriques et rotoriques diphasés de la MADA dans un repère tournant ,
s
R R : Résistance d'une phase statorique et rotorique de la MADA M : Inductance magnétisante de la MADA
,
s r
L L : Inductances cycliques statorique et rotorique de la MADA p : Nombre de paires de pôles de la MADA
,
P Q : Puissances active et réactive statoriques de la MADA
s
ω : Pulsation des grandeurs électriques statoriques
s
V : Module du vecteur tension statorique g : Glissement de la MADA
s
θ : Angle électrique relatif à la pulsation statorique ω s
r
θ : Angle électrique des grandeurs du bobinage rotorique
m
θ : Angle mécanique du rotor de la MADA
1
θ : Angle de rotation des grandeurs diphasées statoriques
2
θ : Angle de rotation des grandeurs diphasées rotoriques
Chapitre 4 : Modélisation et stratégie de commande de la machine asynchrone à double alimentation
I - Introduction
N
ous avons vu au chapitre 1 que la machine asynchrone à cage d'écureuil, par ses qualités de robustesse, de coût et de simplicité, semble bien adaptée à l'utilisation dans un système éolien. Lorsqu'elle est directement connectée au réseau, la vitesse de rotation doit rester pratiquement constante de façon à ce que la machine reste proche de la vitesse de synchronisme. Cette restriction entraîne une efficacité réduite de l'éolienne aux vitesses de vent élevées. Une solution consiste à insérer un convertisseur entre la machine et le réseau. Le dispositif peut alors fonctionner à vitesse variable car quelle que soit la vitesse de rotation de la machine, la tension est redressée et un onduleur côté réseau est chargé d'assurer la cohérence entre la fréquence du réseau et celle délivrée par le dispositif. Toutefois ce convertisseur doit être dimensionné pour faire transiter la totalité de la puissance générée par la machine. Il doit donc être correctement refroidi et présente un encombrement non négligeable surtout dans les cas où il se trouve dans la nacelle de l'éolienne. De plus il peut être générateur de perturbations harmoniques importantes.Partant de ce constat, nous avons décidé d'utiliser la machine asynchrone à double alimentation (MADA) comme alternative à la machine à cage. Même si la présence de contacts glissants et d'un bobinage rotorique la rend moins robuste, la présence d'un convertisseur entre le rotor et le réseau permet de contrôler le transfert de puissance entre le stator et le réseau. De plus, si la plage de variation de vitesse est limitée à ± 30% autour du synchronisme, le convertisseur doit alors être dimensionné pour seulement 30 % de la puissance nominale de la machine. L'énergie électrique peut non seulement être produite du stator vers le réseau mais également, pour les vitesses supérieures au synchronisme, du rotor vers le réseau.
II - Topologie et emploi des machines asynchrones à double
alimentation
II.1 Structure des machines asynchrones à double alimentation
ROTOR
Balai Axe
Bague
Figure 4-1 : Structure du stator et des contacts rotoriques de la MADA
Chapitre 4 : Modélisation et stratégie de commande de la machine asynchrone à double alimentation
La machine asynchrone à double alimentation présente un stator analogue à celui des machines triphasées classiques (asynchrone à cage ou synchrone) constitué le plus souvent de tôles magnétiques empilées munies d'encoches dans lesquelles viennent s'insérer les enroulements. L'originalité de cette machine provient du fait que le rotor n'est plus une cage d'écureuil coulée dans les encoches d'un empilement de tôles mais il est constitué de trois bobinages connectés en étoile dont les extrémités sont reliées à des bagues conductrices sur lesquelles viennent frotter des balais lorsque la machine tourne (Figure 4-1).
En fonctionnement moteur, le premier intérêt de la machine asynchrone à rotor bobiné à été de pouvoir modifier les caractéristiques du bobinage rotorique de la machine, notamment en y connectant des rhéostats afin de limiter le courant et d'augmenter le couple durant le démarrage, ainsi que de pouvoir augmenter la plage de variation de la vitesse. Plutôt que de dissiper l'énergie rotorique dans des résistances, l'adjonction d'un convertisseur entre le bobinage rotorique et le réseau permet de renvoyer cette énergie sur le réseau (énergie qui est normalement dissipée par effet joule dans les barres si la machine est à cage). Le rendement de la machine est ainsi amélioré. C'est le principe de la cascade hyposynchrone (Figure 4-2) [48].
MADA
f
RESEAU L Transformateur U1 U2Redresseur à diodes Onduleur commandé
VR V0
Figure 4-2 : cascade hyposynchrone
Nous verrons comment nous pouvons utiliser la "réversibilité" de ce principe afin de faire fonctionner la MADA en génératrice à vitesse variable.
La machine asynchrone à double alimentation est aussi couramment appelée machine généralisé car sa structure permet de considérer son comportement physique de façon analogue à une machine synchrone à la différence près que le rotor n'est plus une roue polaire alimentée en courant continu ou un aimant permanent mais il est constitué d'un bobinage triphasé alimenté en alternatif. Ce fonctionnement peut être éventuellement résumé par le terme de : "machine synchrone à excitation alternative". La Figure 4-3 représente les différents enroulements et les flux présents à l'intérieur des structures d'une machine synchrone et d'une MADA [49].
Chapitre 4 : Modélisation et stratégie de commande de la machine asynchrone à double alimentation a b c c' a' b' ψ ψr ψs θ ur vr wr us vs ws c ψr θ us vs ws ψ ψs b a N S
Figure 4-3 : Configuration des enroulements et des flux dans une machine synchrone et dans une MADA
Le vecteur flux Ψ présent dans l'entrefer de la machine est la résultante du flux créé par les bobinages statoriques Ψs et du flux rotorique Ψr créé soit par la rotation de la roue polaire
alimentée en continu soit par l'alimentation alternative des bobinages rotoriques triphasés. La principale divergence entre les deux machines est due à l'établissement du flux rotorique. En effet, dans une machine synchrone classique, la phase du flux rotorique dépend directement de la position mécanique de la roue polaire. Son évolution est donc dépendante de la machine elle-même et de la charge qui lui est accouplée et dépendra donc de la constante de temps mécanique globale du système. En l'absence d'autopilotage, les performances sont par conséquent limitées et des instabilités de fonctionnement peuvent apparaître.
En remplaçant la roue polaire par un circuit triphasé alimenté en alternatif, l'amplitude et la phase du vecteur Ψr sont totalement contrôlable par l'alimentation du circuit. Ainsi, la
dynamique du flux devient indépendante du système mécanique et dépend uniquement de la constante de temps électrique du système.