La Machine Asynchrone à Double Alimentation

1. Introduction

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.

Ce type de machine est utilisé comme génératrice dans la plupart des projets de centrale éolienne, car il offre de grands avantages de fonctionnement.

Intégrée dans un système éolien, la génératrice asynchrone à double alimentation permet de fonctionner sur une large plage de vitesses de vent, et d’en tirer le maximum de puissance possible, pour chaque vitesse de vent. Son circuit statorique est connecté directement au réseau électrique. Un second circuit placé au rotor est également relié au réseau mais par l’intermédiaire de convertisseurs de puissance. Etant donné que la puissance rotorique transitée est moindre, le coût des convertisseurs s’en trouve réduit en comparaison avec une éolienne à vitesse variable alimentée au stator par des convertisseurs de puissance. C’est la raison principale pour laquelle on trouve cette génératrice pour la production en forte puissance. Une seconde raison est la possibilité de régler la tension au point de connexion de cette génératrice [4, 9, 10, 11].

Il existe plusieurs types de machines asynchrones à double alimentation que nous allons décrire ci-dessous. Par ailleurs nous allons nous intéresser plus particulièrement à la génératrice utilisant des convertisseurs MLI (modulation de largeur d’impulsion) qui sont les plus utilisés et sont alors dimensionnés pour une fraction de la puissance nominale de la machine (seulement 30%).

Ainsi le surcoût engendré par la présence de bobinages au rotor est alors compensé par l'économie réalisée sur les convertisseurs.

2. Les différents types de Machine Asynchrone à Double Alimentation (type rotor

bobiné)

2.1. Principe de fonctionnement

Les machines asynchrones à rotor bobiné permettent, par un réglage dynamique du glissement, de s’adapter aux variations de puissance fournies par la turbine, augmentant ainsi le rendement du système. Si pour les petites puissances (<500kW), la partie mécanique peut généralement subir les variations brutales de régime de vent, ce type de contraintes devient inacceptable pour les fortes puissances. La variation de vitesse devient donc de plus en plus justifiée

à mesure qu’on augmente la puissance de l’éolienne. Parmi les critères à prendre en compte pour juger de la qualité d’un tel système, on trouve :

L’intérêt de maintenir une fréquence stator bien synchronisée par rapport à celle du réseau, afin de ne pas compromettre la stabilité d’ensemble. On peut même imaginer qu’un système ‘intelligent’ augmente la marge de stabilité. Ce dernier aspect peut jouer sur la limite de puissance raccordable au réseau et permet la suppression, entre stator et réseau, de condensateurs susceptibles de provoquer des résonances.
Le rendement de la conversion ;
Le filtrage ou la qualité des formes d’ondes injectées au réseau ;
Le prix, évidemment.

Pour expliquer son principe de fonctionnement, on néglige toutes les pertes. En prenant en compte cette hypothèse, la puissance P est fournie au stator et traverse l’entrefer : une partie de cette puissance fournie, (1-g)P, est retrouvée sous forme de puissance mécanique ; le reste gP sort par les  ballais sous forme de grandeurs alternatives de fréquence gf. Ces grandeurs, de fréquence variable, sont transformées en énergie ayant la même fréquence que le réseau électrique, auquel elle est renvoyée par l’intermédiaire du deuxième convertisseur. Ce réseau reçoit donc (1+g)P. Les bobinages du rotor sont donc accessibles grâce à un balai et de collecteurs (figure 4-1). Une fois connecté au réseau un flux magnétique tournant à vitesse fixe apparaît au stator. Ce flux dépend de la réluctance du circuit magnétique, du nombre de spires dans le bobinage et donc du courant statorique [11].

Pendant la rotation, le flux magnétique généré par le stator crée des f.e.m dans le bobinage du rotor. Le rapport entre les f.e.m créées au rotor et au stator est :

N

et s N sont respectivement le nombre de spires des bobinages rotoriques et statoriques.s w et mec w sont respectivement les pulsations de synchronisme et mécanique de la machine.

Les courants au stator et au rotor sont définis comme dans le cas d’un transformateur parfait :

Donc le rapport entre la puissance au rotor r S et la puissance au stator s S devient :

Cette équation montre que pour une puissance constante transmise au stator, plus on transmet de la puissance par le rotor, plus on augmente le glissement. La pulsation au stator (imposée par le réseau) étant supposée constante, il est donc possible de contrôler la vitesse de la génératrice en agissant simplement sur la puissance transmise au rotor via le glissement g.