Technologie à partir des machines synchrones

Dans une machine synchrone la vitesse de rotation est liée à la fréquence d’alimentation par le nombre de pôles. Le fonctionnement à vitesse variable de la machine synchrone nécessite l’utilisation de convertisseurs de puissances placés entre le stator et le réseau pour modifier la fréquence ; il est alors possible de travailler sur la plage de vitesse de 0 tr/min à la vitesse nominale. Néanmoins, le stator de la machine peut être construit de la même façon que celui d’une machine asynchrone.

L’utilisation de convertisseurs pour alimenter le stator de la machine rend possible, avec les topologies de machines synchrones, l’obtention de rendements élevés avec un grand nombre de pôles, ce qui permet, le cas échéant, de ne pas utiliser de multiplicateur de vitesse.

Deux technologies sont rencontrées : les machines à rotor bobiné (réalisation proche des rotors des MADA à la différence que le courant rotorique est continu) et les machines à aimants permanents, où il n’est pas nécessaire d’alimenter le rotor de la machine pour créer un flux (car le flux est présent tant que les aimants sont magnétisés1).

2.3.1.Rotor bobiné

Cette topologie est équivalente à celle que l’on rencontre pour les alternateurs de fortes puissances (centrales hydrauliques par exemple). Dans le cas d’une application éolienne, la chaîne de conversion de puissance est décrite Figure 1.28.

Figure 1.28 Topologie à rotor bobiné (à gauche) et photo génératrice éolienne Enercon (à droite)

L’alimentation en courant continu des pôles rotoriques (électroaimants) de la MSRB (machine synchrone à rotor bobiné) peut se faire de 2 manières. La première consiste à utiliser des bagues, comme pour la MADA : des charbons viennent alors frotter sur ces bagues pour effectuer un contact et amener le courant sur la partie mobile. La deuxième méthode consiste à amener du courant par l’intermédiaire d’un transformateur tournant (ou excitatrice à diodes tournantes). Des enroulements primaires sont placés à proximité de la machine et ces enroulements sont alimentés (en alternatif ou en continu) par un convertisseur statique. Sur la partie en rotation illustrée Figure 1.29, des bobinages (i.e. le secondaire) sont connectés à un redresseur à diodes, placé également sur la partie en rotation. L’alimentation du primaire induit des courants alternatifs au secondaire (comme dans un transformateur) et ces courants sont redressés par l’intermédiaire des diodes, permettant ainsi d’alimenter les pôles (bobinage rotor) en courant continu.

Des dispositifs de protection (fusibles, varistances) peuvent également être ajoutés sur les parties en rotation. Le stator de la génératrice est connecté à un bus continu par l’intermédiaire d’un redresseur. Ce redresseur peut soit être constitué d’interrupteurs commandables, soit de diodes. Dans le cas de diodes, il est nécessaire d’ajouter un hacheur dans le but d’effectuer la régulation du bus DC. Cette topologie impose de travailler avec un facteur de puissance égal à un, ce qui conduit à sur-dimensionner la génératrice2. Enercon, avec ce type de système, est devenu l’un des leaders sur le marché de l’éolien : c’est d’ailleurs la seule entreprise à l’heure actuelle parmi les leaders du marché à proposer des systèmes à attaque directe pour la conversion de l’énergie éolienne.

1 _{La manipulation des aimants est d’ailleurs rendue complexe à cause de cela}

2 _{Avoir un facteur de puissance unitaire ne permet pas de maintenir les flux stator et rotor en quadrature, on ne}

Figure 1.29 Parties tournantes permettant d’alimenter en courant continu les enroulements rotoriques

2.3.2.Rotor à aimants permanents

Dans les 2 cas qui sont actuellement les plus fréquents pour les génératrices rencontrées dans les éoliennes de forte puissance (MADA et MSRB), l’inconvénient est qu’il est nécessaire d’alimenter le rotor de la machine, ce qui nécessite l’utilisation de contacts mécaniques ou de dispositifs assez complexes. Ces 2 critères ont pour conséquence de réduire la fiabilité des systèmes. Un moyen d’éviter ce problème est d’utiliser des aimants permanents. La chaîne de puissance obtenue pour une MSAP (machine synchrone à aimants permanents) est alors décrite Figure 1.30.

Figure 1.30 Topologie à aimants permanents à attaque directe (à gauche) et photo d’un stator (à droite) L’inconvénient de cette machine est que l’excitation est toujours présente : même quand la machine est à l’arrêt, il existe un flux magnétique au sein de la machine du fait de la présence des aimants. Cela conduit également à un couple de détente (ou coupe à l’arrêt) toujours présent, et des forces (ou contraintes) sur les parties métalliques (assemblage). Plusieurs sociétés ont développé ce type de génératrices (Zéphir, Avantis), mais elles ne sont pas à l’heure actuelle des acteurs principaux du marché.

Une topologie dite hybride est également rencontrée ; cette topologie est décrite Figure 1.31. Un multiplicateur de plus faible rapport de transformation que dans le cas des machines asynchrones à double alimentation est associé à une génératrice à aimants permanents. Actuellement, cette solution proposée par Areva Wind Multibrid a une part de marché plus importante que les solutions à aimants à attaque directe.

Il est possible de trouver dans la littérature des comparaisons entre ces différentes topologies (exemple [Pol06]) en vue d’une application pour génératrice éolienne. Un résumé des différentes observations est donné Table 1.10.

Table 1.10 Comparaison des technologies de génératrice

MADA MSRB MSAP Hybride

Coût ++ - - +

Dimensions ++ - - +

Energie annuelle produite - + ++ +

Fiabilité -- + ++ -

Pour autant, la Table 1.10 ne permet pas de comparer les chaînes de conversion complètes. Considérant la nacelle, si le critère qui doit être privilégié est la masse du système de conversion (multiplicateur+génératrice), la solution à aimants est intéressante. En revanche, cette solution est chère.

Cette même différence de coût peut être atténuée si l’on prend en compte l’éolienne complète. En effet, si la masse de la nacelle est réduite, cela peut conduire à réduire les dimensions du mât ; comme on peut le voir Figure 1.32, la technologie à aimants possède de meilleurs rendements sur la plage de vitesse de fonctionnement de la génératrice. La Figure 1.32 donne le résultat d’une comparaison issue de [Mat11] de différentes technologies est donné, en revanche les conditions de cette comparaison de dimensionnements ne sont pas clairement présentées, l’énergie produite annuellement est plus importante (cf. Figure 1.33) et donc plus d’énergie peut être récupérée.

Figure 1.32 Rendements sur la plage de vitesse en fonction de la technologie [Mat11]

Figure 1.33 Comparaison de l’énergie annuellement perdue/produite en fonction de la technologie (extrait de [Ban08])

L’utilisation des technologies synchrones permet d’avoir les systèmes produisant le plus d’énergie. En revanche, ces systèmes nécessitent la présence de moyens de conversion importants pour réaliser leur alimentation ce qui se traduit par des coûts importants.

Il semble que les solutions à attaque directe, en plus de ne pas utiliser de multiplicateur, sont celles qui permettent de récupérer le plus d’énergie, ces solutions sont donc être intéressantes.