Technologie à partir des machines asynchrones

Les machines asynchrones sont les plus rencontrées dans l’industrie. Ce qui les rend appréciables est leur coût et leur facilité de réalisation. Le domaine où leur utilisation était la moins adaptée était celui des applications à vitesse variable mais, étant donné les progrès réalisés dans les convertisseurs statiques, cette barrière a été franchie depuis plusieurs années associée au développement de commandes adaptées comme les commandes vectorielles et scalaires en V/f constant, qui sont décrites dans l’annexe 2.

Une machine asynchrone est composée d’un stator, réalisé à partir de tôles empilées possédant des encoches dans lesquelles des conducteurs en cuivre sont insérés et alimentés par des courants alternatifs.

Pour le rotor 2 grandes familles sont rencontrées :

• Les rotors à cage, Figure 1.17: un cylindre en tôle avec des encoches réalisées sur le diamètre extérieur accueille une cage de Faraday ou plus familièrement cage d’écureuil. La cage est réalisée à partir de barres en cuivre, en aluminium ou en acier.

• Les rotors bobinés, Figure 1.18: des bobines, soit en court-circuit, soit connectées à des bagues sont placées sur le rotor.

Figure 1.17 Rotors à cage d’écureuil

Figure 1.18 Rotor à bagues

La désignation asynchrone provient du fait que cette machine ne tourne pas à la même « vitesse » que le champ magnétique tournant dans l’entrefer. L’écart entre ces 2 vitesses de rotation est appelé glissement et est défini par [1.9]. S S g Ω Ω − Ω = [1.9]

où ΩS représente la vitesse de synchronisme, définie par [1.10], Ω la vitesse de rotation du rotor de la machine, ω la pulsation, f la fréquence et p le nombre de paires de pôles.

p f p S π ω 2 = = Ω [1.10]

Plus d’informations sur la machine asynchrone sont données en annexe 2.

La plupart du temps, les machines asynchrones rencontrées sont des moteurs mais il est également possible de les utiliser en génératrices. Dans ce cas, le transfert de puissance s’effectue de l’arbre vers le réseau.

Plusieurs modes de fonctionnement sont alors rencontrés en fonction du glissement comme décrit Figure 1.19. Pour une application éolienne la vitesse de la turbine est inférieure à 20 tr/min pour des puissances supérieures à 1MW. À ces vitesses, la topologie de machine rencontrée est de type « couple » avec un grand diamètre en comparaison avec sa longueur et également un grand nombre de pôles.

Comme on peut le voir sur l’expression [1.11] tiré de [Lat06], l’utilisation d’un nombre élevé de pôles conduit à une faible impédance magnétisante, et également à des flux de fuites importantes. Si les fuites sont importantes le courant statorique nécessaire pour produire le couple est grand : le déphasage entre le courant et la tension sera également grand. 2 1 0         = p N k e DL k L b sp eff l m µ [1.11]

où p est le nombre de paires de pôles, D est le diamètre de l’alésage, L est la longueur utile de fer, eeff est l’entrefer effectif, kl est un coefficient dépendant de la machine, kb1 est le coefficient de bobinage du fondamental, Nsp est le nombre de spires en série par phase et µ0 est la perméabilitémagnétique du vide.

En conclusion, une machine asynchrone à faible vitesse qui a un grand nombre de pôles aura un facteur de puissance faible. Par ailleurs, plus l’impédance magnétisante est faible, plus le courant nécessaire pour magnétiser la machine est grand. Cela conduit à une augmentation du courant dans la machine, donc à des pertes par effet Joule plus importantes et à un rendement faible.

C’est pour cela que l’on place généralement des multiplicateurs entre la turbine et la génératrice, (le principe est décrit Figure 1.20), km représente le facteur entre les vitesses. Quand k est supérieur à 1, le multiplicateur permet de réduire le couple et d’augmenter la vitesse de l’arbre. Cette transformation doit se faire en limitant les pertes de puissance, il faut donc que les pertes du multiplicateur soient faibles.

L’augmentation de la vitesse de rotation de l’arbre de la génératrice permet de réduire la polarité de la machine et d’avoir des machines moins volumineuses car le couple est plus faible.

Figure 1.20 Principe du multiplicateur de vitesse

Du fait de la présence d’efforts importants sur les dents du multiplicateur, les efforts sur les éléments constituant le multiplicateur (généralement des roues dentées) sont importants ce qui augmente le risque de casse. Des problèmes sur multiplicateur sont souvent rencontrés et nécessitent généralement des réparations de grande envergure [Rec10].

2.2.1.Machine asynchrone à vitesse fixe

Les premières éoliennes destinées à la production d’énergie électrique utilisaient le système de régulation « stall », une génératrice à vitesse fixe était rencontrée. Cette chaîne de conversion autorisait l’utilisation de machines directement couplées au réseau, voir la Figure 1.21. Aujourd’hui cette topologie n’est plus rencontrée pour les éoliennes de forte puissance car elle ne permet pas d’optimiser la puissance récupérée par la génératrice.

2.2.2.Topologies à vitesse variable

Pour pouvoir travailler à vitesse variable et garder un bon rendement, un système permettant de modifier la fréquence des courants au stator est indispensable. Ce type de système conduit néanmoins à ajouter des convertisseurs électroniques de puissance coûteux dans la chaîne de conversion comme on peut le voir Figure 1.22.

Figure 1.22 Topologie machine asynchrone à vitesse variable connectée au réseau par convertisseur Dans le but de réduire le coût du convertisseur statique, des machines à bagues sont utilisées. Le rotor de la machine est alors bobiné et l’utilisation de bagues sur lesquelles des balais viennent frotter permet aux courants rotoriques de circuler à l’extérieur de la machine.

Ces balais peuvent être connectés, soit à des résistances variables, il s’agit du concept « optislip » de Vestas [Dan12], décrit Figure 1.23, soit au réseau par l’intermédiaire d’un convertisseur d’électronique de puissance proposée Figure 1.24.

Cette dernière solution, dénommée également MADA (machine asynchrone à double alimentation, en anglais DFIG : doubly fed induction generator), est actuellement la plus rencontrée pour les éoliennes installées sur terre (« on shore »), car elle permet de travailler sur une plus large plage de vitesse que la solution avec résistances variables. Elle permet d’avoir un coût intéressant, mais en revanche elle nécessite des opérations de maintenances périodiques pour changer les balais. A cause du multiplicateur, la fiabilité de cette solution est compromise. Vestas, Gamesa, GE et Repower entre autres proposent des turbines équipées de ce type de génératrice.

Remarque : A l’inverse d’une machine à courant continu, où l’utilisation du système balai/collecteur peut

provoquer des étincelles au moment de la commutation d’un collecteur au collecteur suivant, dans le cas des rotors à bagues, les balais sont en permanence en contact avec les bagues, il n’y a pas de « commutations ».

Figure 1.23 Topologie machine asynchrone avec rotor à bagues à vitesse variable

La plage de vitesse dépend des caractéristiques du dispositif connecté au rotor pour les solutions des Figure 1.23 et Figure 1.24. Pour les MADA, les convertisseurs statiques sont dimensionnés à environ 30% de la puissance nominale de la machine et autorisent une variation de vitesse de 30% autour de la vitesse de rotation nominale de la génératrice.

Le convertisseur statique est utilisé pour faire varier la fréquence des courants rotoriques. De cette manière il est possible de faire varier le glissement de la machine. Si la fréquence est plus faible que la fréquence statorique ou fréquence de synchronisme, on fonctionne alors en mode hyposynchrone. Le rotor consomme de la puissance supplémentaire, le détail du transfert de puissance est donné Figure 1.25.

Figure 1.25 Transfert de puissance dans le cas des MADA

Si la fréquence est plus grande que la fréquence de synchronisme, on fonctionne alors en mode hypersynchrone. Dans ce cas, le transfert de puissance s’effectue du rotor vers le réseau.

Dans le cas d’une application éolienne, on voit Figure 1.26 que les deux modes de fonctionnement sont rencontrés : quand la vitesse de vent est élevée la génératrice fonctionne en mode hypersynchrone, et elle fonctionne en mode hyposynchrone en cas de vent plus faible.

Figure 1.26 Evolution des puissances : puissance mécanique (Pm), puissance au rotor (Pr) et au stator (Ps)en fonction du glissement pour une MADA [Fle10]

Quand ce sont des résistances qui sont placées sur le rotor, des gradateurs sont utilisés entre les bagues et les résistances, dans le but de faire varier artificiellement leurs valeurs. Cela se traduit sur la caractéristique du couple en fonction de la vitesse par un déplacement du couple maximal vers les basses vitesses quand la résistance augmente, comme c’est le cas Figure 1.27.

L’inconvénient de cette solution est que la variation de la résistance conduit à l’augmentation des pertes rotoriques et donc à une réduction du rendement du dispositif.