Machine Asynchrone à Double Alimentation : Structure de Scherbius avec cycloconvertisseur

Afin d'autoriser un flux d'énergie bidirectionnel entre le rotor et le réseau, l'association redresseur-onduleur peut être remplacée par un cycloconvertisseur (figure 4-4), l'ensemble est alors appelé structure de Scherbius.

La plage de variation de vitesse est doublée par rapport à la structure de la figure 4-3.

En effet si la variation du glissement doit rester inférieure à 30% pour maintenir l'efficacité du système, cette variation peut être positive (fonctionnement hyposynchrone) ou négative (fonctionnement hypersynchrone).

Le principe du cycloconvertisseur est de prendre des fractions des tensions sinusoïdales du réseau afin de reproduire une onde de fréquence inférieure (figure 4-5). Son utilisation génère par conséquent des perturbations harmoniques importantes qui nuisent au facteur de puissance du dispositif. Les progrès de l’électronique de puissance ont conduit au remplacement du cycloconvertisseur par une structure à deux convertisseurs à IGBT commandés en MLI.

Machine asynchrone à double alimentation : structure de Kramer

Dans le but de réduire les pertes d’énergie dues à la structure du système précédent, le hacheur et la résistance sont remplacés par un onduleur qui renvoie l’énergie de glissement vers le réseau (structure de Kramer) (figure 4-3) [4].

L’ensemble redresseur-onduleur est alors dimensionné pour une fraction de la puissance nominale de la machine. Ce système est avantageux et il permet de réduire la taille du convertisseur par rapport à la puissance nominale de la machine. Afin de respecter cette contrainte, le glissement est maintenu inférieur à 30%. L’utilisation de thyristors pour l’onduleur nuit au facteur de puissance, de plus le redresseur est unidirectionnel (transfert d’énergie uniquement du rotor de la machine vers le réseau) donc le système ne peut produire de l’énergie que pour des vitesses de rotation supérieures à celle du synchronisme. Cette solution n’est plus utilisée, au profit de la structure de Scherbius avec convertisseurs à IGBT (§ .IV.2.5).

Machine asynchrone à double alimentation à énergie rotorique dissipée

Cette configuration à vitesse variable est représentée sur la figure 4-1, le stator est connecté directement au réseau et le rotor est connecté à un redresseur. Une charge résistive est alors placée en sortie du redresseur par l'intermédiaire d'un hacheur à IGBT ou GTO [4, 8, 9, 10]. Le contrôle de l' IGBT permet de faire varier l'énergie dissipée par le bobinage rotorique et de fonctionner à vitesse variable en restant dans la partie stable de la caractéristique couple/vitesse de la machine asynchrone. Le glissement est ainsi modifié en fonction de la vitesse de rotation du moteur

Si le glissement devient important, la puissance extraite du rotor est élevée et elle est entièrement dissipée dans la résistance R, ce qui nuit au rendement du système. De plus cela augmente la puissance transitant dans le convertisseur ainsi que la taille de la résistance.

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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 :

La génératrice asynchrone auto-excitée

1. Introduction

En l’absence de réseau pilote, il est possible d’auto-exciter la génératrice asynchrone au moyen de condensateurs, mais l’amorçage et la protection contre les surtensions de résonance nécessitent une étude très soignée de l’installation .

Seul un dispositif basé sur une machine asynchrone auto-excitée par des capacités directement connectées sur une charge permet d'obtenir un fonctionnement purement autonome. Le phénomène d'auto-excitation est en revanche difficile à maîtriser car les variations de charge influent directement sur les valeurs de la tension et la fréquence délivrées. De plus, un dispositif d'orientation des pales de l'éolienne est nécessaire afin de maintenir une vitesse de rotation et par conséquent une fréquence délivrée fixes. Afin de déterminer les performances et les limites de fonctionnement de ce dispositif, nous avons établi un modèle de la machine dans un repère diphasé dans le chapitre précédent.

Dans ce chapitre, le modèle de la charge et des capacités d'auto-excitation (équilibrés) est également établi de façon complètement indépendante du modèle de la machine. Des simulations sont alors effectuées, puis validées par des essais expérimentaux.

2. Auto-excitation de la génératrice à Vide

Modélisation de la génératrice en fonctionnement linéaire

1. Hypothèses


La machine asynchrone, avec la répartition de ses enroulements et sa géométrie, est très complexe pour se prêter à une analyse tenant compte de sa configuration exacte, il est alors nécessaire d’adopter des hypothèses simplificatrices.
On suppose les circuits magnétiques non saturés, et suffisamment feuilletés pour que les pertes fer soient négligeables. Les relations entre les flux et les courants sont d’ordres linéaires.
On considère une densité de courant uniforme dans la section des conducteurs élémentaires, l’effet de peau est donc négligé.
Le phénomène d’hystérésis et les courants de Foucault sont négligés.
Les enroulements statoriques et rotoriques sont symétriques et la f.m.m est distribuée sinusoïdalement le long de la périphérie des deux armatures.

On ne tient compte que du premier harmonique d’espace de distribution de force magnétomotrice de chaque phase du stator et du rotor. L’entrefer est d’épaisseur uniforme (constant), les inductances propres sont constantes. Les inductances mutuelles sont des fonctions sinusoïdales de l’angle entre les axes des enroulements rotoriques et statoriques.
On considère que la machine fonctionne en régime équilibré.

Choix du référentiel

Il est plus intéressant d’écrire les équations dans un référentiel lié soit au stator, soit au rotor, ou au champ tournant, selon les objectifs de l’application.

Dans chacun de ces nouveaux référentiels, les équations de la machine deviennent plus simples que dans le référentiel quelconque.

Nous représentons ci-dessous (Figure 2-5) les schémas équivalents suivant les deux axes pour un référentiel quelconque de vitesse

Figure 2-5 : Schéma équivalent en régime dynamique de la machine asynchrone dans un référentiel

arbitraire : -a- Suivant l’axe d ; -b- Suivant l’axe q.

Modélisation de la Génératrice asynchrone

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 :