1. Introduction
La plupart des génératrices utilisées par les éoliennes sont des génératrices asynchrones triphasées. Celles-ci ont plusieurs avantages : elles sont robustes, leur coût est faible et ont une simplicité mécanique.
Par ailleurs, leurs inconvénients se trouvent au niveau de la consommation d’énergie réactive, qu’elles tirent soit du réseau, soit elles sont compensées par une batterie de condensateurs d’où la possibilité de fonctionnent autonome.
Il existe deux types de machine asynchrone : la machine asynchrone à cage d’écureuil et la machine asynchrone à rotor bobiné.
Dans ce chapitre nous allons nous intéresser à la machine asynchrone à cage d’écureuil, la plus utilisée dans les éoliennes tournant à une vitesse constante, en partant d’un certain nombre hypothèses simplificatrices pour la modélisation mathématique de la machine, ainsi que la simulation du fonctionnement de l’éolienne.
2. Principe de fonctionnement
Pour que la machine fonctionne en génératrice, il faut que le rotor tourne dans le sens du champ tournant à une vitesse supérieure à la vitesse de synchronisme (vitesse du champ tournant) exprimée par l’équation suivante :
Le rotor développe ainsi son propre champ magnétique. Lorsque cette génératrice est connectée au réseau, il se met à tourner à une vitesse légèrement inférieure à la vitesse de rotation du champ magnétique dans le stator (fonctionnement de type « moteur »). Si la vitesse de rotation du rotor devient égale (synchrone) à celle du champ magnétique, aucune induction n’apparaît dans le rotor, et donc aucune interaction avec le stator. Enfin, si la vitesse de rotation du rotor est légèrement supérieure à celle du champ magnétique du stator, il se développe alors une force électromagnétique similaire à celle obtenue avec un générateur synchrone. La différence (adimensionnée) entre la vitesse de rotation du rotor et la vitesse de rotation du champ magnétique est appelée glissement, sa valeur ne dépassant pas en pratique quelques pour-cent. Pour une augmentation limitée de la vitesse de rotation de l’éolienne, le couple et donc la puissance fournie sont proportionnels au glissement.
Toutefois, à partir d’une certaine vitesse de rotation, une diminution sensible du flux dans la génératrice se produit, ce qui nécessite plus de courant pour un couple équivalent. Passée une valeur maximale de couple, une diminution du couple et donc de la puissance est observée (figure 2-1). Il est dangereux que l’éolienne soit amenée à fonctionner dans cette zone, car d’une part la diminution du couple résistant pourrait entraîner une survitesse de la machine et d’autre part la dissipation de puissance dans la génératrice risquerait d’endommager certains éléments par surchauffe. Il faut souligner l’intérêt de ce type de fonctionnement de la génératrice asynchrone car il permet à l’éolienne de subir de faibles variations ponctuelles de la vitesse du vent (rafales) sans solliciter exagérément la transmission (multiplicateur notamment) [13, 17].
La plupart des génératrices utilisées par les éoliennes sont des génératrices asynchrones triphasées. Celles-ci ont plusieurs avantages : elles sont robustes, leur coût est faible et ont une simplicité mécanique.
Par ailleurs, leurs inconvénients se trouvent au niveau de la consommation d’énergie réactive, qu’elles tirent soit du réseau, soit elles sont compensées par une batterie de condensateurs d’où la possibilité de fonctionnent autonome.
Il existe deux types de machine asynchrone : la machine asynchrone à cage d’écureuil et la machine asynchrone à rotor bobiné.
Dans ce chapitre nous allons nous intéresser à la machine asynchrone à cage d’écureuil, la plus utilisée dans les éoliennes tournant à une vitesse constante, en partant d’un certain nombre hypothèses simplificatrices pour la modélisation mathématique de la machine, ainsi que la simulation du fonctionnement de l’éolienne.
2. Principe de fonctionnement
Pour que la machine fonctionne en génératrice, il faut que le rotor tourne dans le sens du champ tournant à une vitesse supérieure à la vitesse de synchronisme (vitesse du champ tournant) exprimée par l’équation suivante :
Le rotor développe ainsi son propre champ magnétique. Lorsque cette génératrice est connectée au réseau, il se met à tourner à une vitesse légèrement inférieure à la vitesse de rotation du champ magnétique dans le stator (fonctionnement de type « moteur »). Si la vitesse de rotation du rotor devient égale (synchrone) à celle du champ magnétique, aucune induction n’apparaît dans le rotor, et donc aucune interaction avec le stator. Enfin, si la vitesse de rotation du rotor est légèrement supérieure à celle du champ magnétique du stator, il se développe alors une force électromagnétique similaire à celle obtenue avec un générateur synchrone. La différence (adimensionnée) entre la vitesse de rotation du rotor et la vitesse de rotation du champ magnétique est appelée glissement, sa valeur ne dépassant pas en pratique quelques pour-cent. Pour une augmentation limitée de la vitesse de rotation de l’éolienne, le couple et donc la puissance fournie sont proportionnels au glissement.
Toutefois, à partir d’une certaine vitesse de rotation, une diminution sensible du flux dans la génératrice se produit, ce qui nécessite plus de courant pour un couple équivalent. Passée une valeur maximale de couple, une diminution du couple et donc de la puissance est observée (figure 2-1). Il est dangereux que l’éolienne soit amenée à fonctionner dans cette zone, car d’une part la diminution du couple résistant pourrait entraîner une survitesse de la machine et d’autre part la dissipation de puissance dans la génératrice risquerait d’endommager certains éléments par surchauffe. Il faut souligner l’intérêt de ce type de fonctionnement de la génératrice asynchrone car il permet à l’éolienne de subir de faibles variations ponctuelles de la vitesse du vent (rafales) sans solliciter exagérément la transmission (multiplicateur notamment) [13, 17].
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