Electricité
Les générateurs asynchrones
Asynchrone
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Les générateurs les plus courants fonctionnent en mode synchrone, c.à.d. synchronisées au réseau. L'alternateur tourne par exemple à 1500 tours pour une fréquence de réseau de 50Hz (stator à 4 pôles). Un champ magnétique tournant produit le courant dans le stator. Le courant dans le circuit d'excitation détermine la tension du générateur.
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Tous les générateurs ne fonctionnent pas nécessairement en mode synchrone. Il existe plusieurs types de générateurs qui ne doivent pas tourner en synchronisme avec le réseau.

Un fonctionnement asynchrone permet d'utiliser au mieux la vitesse du vent. Les éoliennes qui ont un moteur synchrone (PMSG: Permanent Magnet Synchronous Generator) fonctionnent malgré tout de façon asynchrone, et c'est un convertisseur qui adapte la fréquence et la tension de l'éolienne au réseau. Ce système est le plus courant pour les éoliennes domestiques. La technologie du convertisseur est bien au point, c'est pratiquement le même type qui est utilisé pour les panneaux solaires (mais avec une programmation de la charge différente).

Les éoliennes, les panneaux solaires et les moulins à eau sont décrits sur cette page.

Les moteurs asynchrones à cage d'écureuil (qui sont les moteurs les plus utilisés) peuvent également fonctionner en générateur hypersynchrone tournant plus vite que la vitesse de synchronisme (voir plus bas)


Le moteur universel et la dynamo

Le permier générateur asynchrone est naturellement la dynamo qui produit du courant continu pulsé. La dynamo est en fait un moteur universel. Par universel on ne veut pas dire ici que le moteur peut fonctionner en générateur, mais que le moteur peut fonctionner avec du continu ou de l'alternatif.

La dynamo n'est plus utilisée pour produire du courant pour de nombreuses raisons:

  • Les charbons et le collecteur doivent régulièrement être entretenus et remplacés,
  • Le courant produit a une ondulation résiduelle,
  • La commutation produit des étincelles (parasites)
  • Il faut compenser la réaction d'induit par des bobinages de compensation, rendant la dynamo encore plus complexe.
L'électronique permet de produire du courant continu à partir de l'alternatif sans tous ces inconvénients.

Le moteur universel est décrit plus en détail sur cette page.



6 — Couple selon la vitesse de rotation
moteur/générateur asynchrone



Rotor d'un moteur à cage bobinée: on distingue les anneaux connectés aux bobinages.


Couple d'une machine à cage d'écureuil normale (trait rouge) et cage résistive (trait vert)




Moteur et générateur asynchrone monophasé

Le générateur asynchrone (hypersynchrone)

Si on fait tourner un moteur asynchrone à une vitesse plus élevée que la vitesse de synchonisme (moteur asynchone entrainé), le moteur qui travaille maintenant en générateur va injecter du courant dans le réseau au lieu de demander du courant (systèmes alimentés en triphasé).

Le générateur hypersynchrone ne peut fonctionner que s'il est connecté au réseau. Il faut en effet produire une réaction d'induit, ce qui n'est possible que si le moteur/générateur est alimenté en électricité. Le réseau fournira la puissance réactive nécessaire pour créer le champ magnétique. On utilise souvent des résistances série qui vont limiter le courant quand l'appareil fonctionne comme moteur et doit démarrer (très fort appel de courant). Par contre le couplage au réseau une fois le moteur lancé est beaucoup plus aisé: il prend automatiquement la phase du réseau et commence à produire de la puissance une fois que sa vitesse dépasse la vitesse de synchronisme.

On peut utiliser un générateur hypersynchrone au lieu d'un alternateur classique (synchronisé au réseau) quand on dispose d'une vitesse de rotation qui peut fluctuer.

  • Un cas typique sont les centrales hydrauliques et certaines éoliennes. La vitesse de rotation est controlée grossièrement par le pas de l'hélice, mais les variations rapide de la vitesse du vent font que l'éolienne ne peut pas tourner à une vitesse constante. Une éolienne synchrone travaillerait de façon très instable, en injectant du courant à un moment, pour consommer du courant quelques secondes plus tard.

  • Pour les centrales hydrauliques, c'est le courant d'eau qui n'est jamais parfaitement constant qui fait qu'on préfère un générateur asynchrone. Le glissement du générateur permet d'absorber les à-coups produit par l'eau.

Dans le cas des turbines (utilisation de gaz ou de vapeur), la faible densité de la vapeur fait que l'apport de puissance est plus régulier: on utilise alors des alternateurs classiques synchronisés au réseau (centrales thermiques et nucléaires).

Le fonctionnement en moteur ou en générateur est comparable pour une machine synchrone ou asynchrone mais une machine asynchrone a une vitesse de rotation qui peut légèrement varier. La puissance réactive d'une machine asynchrone ne peut pas être controlée et nécessite un banc de condensateurs pour améliorer le facteur de puissance.

Le glissement propre aux moteurs/générateurs asynchrones agit comme une transmission automatique, absorbant les variations de vitesse (dans une certaine plage). Le générateur hypersynchrone est couplé élastiquement au réseau.

La puissance injectée au réseau dépend du couple appliqué au générateur (comme un alternateur synchrone), mais ici la vitesse de rotation peut varier. Si le couple appliqué est plus important que ce que le générateur ne peut absorber, il "décroche": la vitesse de rotation augmente et puis brusquement le couple s'effondre (voir graphique à droite). Le générateur n'étant alors pratiquement plus freiné, il peut s'emballer si on n'applique pas un freinage mécanique.

Un autre paramètre est la tension fournie par le générateur. Dans le cas d'un alternateur classique, c'est tout simple, la tension dépend du courant d'excitation. Dans un générateur hypersynchrone il dépend des caractéristiques de la cage d'écureuil. On peut en modifier les caractéristiques avec des bancs de condensateurs montés en parallèle sur les bobinages, mais c'est une régulation peu précise. Ces condensateurs sont de toute façon nécessaires pour compenser le très mauvais facteur de puissance de ce type de générateur.

Il faut une stabilisation du réseau avec des alternateurs classiques (centrales thermiques ou diesel) qui agissent comme volant d'inertie. Le générateur hypersynchrone avec son couplage élastique au réseau n'a pas ce volant d'inertie. Un réseau ne peut pas être alimenté uniquement par des générateurs hypersynchrones (centrales hydroélectriques et éoliennes).

Les grands moteurs asynchrones ont un glissement limité et qui ne varie pratiquement pas avec la charge. Il en va donc de même avec les générateurs asysnchrones. La variation de la vitesse hypersynchrone est limitée à environ 1%. Quand la vitesse de rotation est trop basse, le générateur est coupé du réseau pour éviter qu'il ne travaille en moteur (ventilateur). Quand la vitesse devient suffisante pour produire de l'énergie, le générateur est couplé au réseau via des résistances momentanées. Ces résistances permettent d'établir le champ magnétique de l'induit (fort appel de courant). Une fois connecté au réseau, le glissement est faible et en pratique la vitesse de rotation des pales est constante.

Il est possible d'obtenir une variation de la vitesse plus importante en utilisant un rotor résistif, mais celui-ci a un moins bon rendement et produit des pertes. Une autre possibilité est d'avoir un rotor bobiné (tout comme les moteurs à cage bobinée) et ici aussi on met en service des résistances pour permettre la variation de la vitesse. Ce type de générateur est moins fiable à cause des contacts.

Tous les moteurs et générateurs asynchrones à cage bobinée ou à cage d'écureuil n'ont pas de nombre fixe de pôles au rotor: c'est la configuration du stator qui détermine le nombre de pôles. Il est donc possible de modifier au vol le nombre des pôles au stator et donc la vitesse de rotation comme pour un moteur de type Dahlander. D'autres types d'éoliennes ont un changement de vitesse permettant plusieurs vitesses.

Le fonctionnement en mode isolé est peu stable. Le générateur doit démarrer sans charge. Les condensateurs produisent alors la puissance réactive pour créer la réaction d'induit. Une fois la tension nominale atteinte, un contacteur connecte le générateur à la charge. Celle-ci doit être principalement résistive pour éviter le fonctionnement instable. Tout comme avec les autres types de générateur, il faut un léger champ rémanent pour amorcer le générateur en mode isolé.

Moteur monophasé comme générateur
On peut tout aussi bien utiliser un moteur monophasé que triphasé. En fonctionnement monophasé on monte le condensateur sur le bobinage en quadrature et on récolte la tension sur le bobinage principal. Pour transformer un moteur existant, on isole les deux bobinages, on cours-circuite le bobinage en quadrature par le condensateur et on utilise le bobinage principal pour fournir le courant.

En pratique il n'y a pas de différence entre le bobinage principal et le bobinage en quadrature. On peut par exemple changer le sens de rotation d'un moteur monophasé en plaçant le condensateur dans l'un ou l'autre bobinage.


7 — Moteur asynchrone bobiné



8 — Alternateur fonctionnant en mode asynchrone
Hypo et hypersynchrone



9 — Puissance consommée et fournie selon le régime moteur

MADA
Machine Asynchrone à Double Alimentation

DFIG: Double Fed Induction Generator

Un type particulier de moteur/générateur asynchrone dispose d'un rotor bobiné (au lieu d'avoir une cage d'écureuil). Ce type de générateur est basé sur un moteur à rotor bobiné utilisé avant l'apparition d'onduleurs de puissance, voir gravure 7. Cela permet une sortie des bobinages (cablés en étoite) sur des bagues.
  • En fonctionnement moteur on utilise des résistances variables pour limiter le couple au démarrage (la puissance dissipée est moindre que si on utiliserait des résistances en série sur le stator).

  • En fonctionnement générateur on utilise un onduleur qui fournit un courant triphasé, ce qui permet de faire fonctionner notre générateur en mode hyposynchrone ou hypersynchrone.

L'avantage d'un redresseur et d'un onduleur sur le circuit du rotor est que la puissance à fournir peut être plus faible que celle d'un redresseur et onduleur sur le stator (toute la puissance fournie au réseau passe par le stator). Pour une éolienne qui peut avoir une variation de vitesse très importante, on peut limiter la puissance nécessaire à moins d'1/3 de la puissance fournie au réseau.

Un point négatif du moteur asynchrone à rotor bobiné est la nécessité d'avoir des bagues et des balais. Mais contrairement à une dynamo les bagues sont lisses et usent donc très peu les balais, qui sont souvent en cuivre ou en un métal similaire. Ce type de générateur demande malgré tout un entretien plus régulier qu'un alternateur à double étage, ce qui est fort cher pour les éoliennes en mer.

Comment faire travailler le générateur en mode asynchrone? Supposons que la vitesse de rotation produirait un courant de 30Hz. En injectant un courant alternatif tournant dans le rotor de 20Hz (dans le même sens que la rotation mécanique), le stator qui récolte la puissance "voit" les deux vitesses additionnées, donc 50Hz, c'est le premier dessin sur la gravure 8.

Figure 9: générateur d'une puissance nominale de 10kW
Puissance fournie par le stator
Puissance consommée/fournie par le rotor
Puissance totale consommée fournie par le générateur

Il s'agit d'une courbe typique qui dépend du type de générateur et de convertisseur. Le rendement maximal qu'il est possible d'obtenir avec cette configuration est de 90% à une vitesse de 1875 tours/minute. La plage de fonctionnement du générateur van de 750 à 3000 RPM. Vitesse 1.0 = 1500 tours/minutes pour une machine à quatre pôles fournissant du 50Hz et 1000 tours pour une machine à 6 pôles. Le générateur peut avoir une centaine de pôles, ce qui permet une vitesse de rotation relativement lente (élimination du multiplicateur de vitesse mécanique, mais nécessité d'avoir une construction plus solide à cause du couple plus élevé).

Ce type de générateur peut fournir de la puissance dans une gamme très étendue de vitesses de fonctionnement. On peut choisir la vitesse la plus adaptée pour extraire le plus de puissance au vent, mais on peut également faire travailler l'éolienne à plus basse vitesse pour réduire le bruit la nuit.

Ce type de fonctionnement s'apparente plus au fonctionnement synchrone: en fait le rotor qui n'est plus alimenté en continu comme avec les alternateurs classiques permet de produire de l'énergie dans une plage de vitesse très étendue. La tension en sortie est déterminée par le courant dans le rotor (tout comme les générateurs classiques), tandis que la fréquence dépend de la vitesse de rotation du générateur et de la fréquence du courant injecté au rotor.

Ce générateur qui n'a pas de glissement comme le moteur/générateur asynchrone fonctionne comme un alternateur classique à haut rendement. Le rendement est le plus haut en fonctionnement hypersynchrone. A partir d'une certaine vitesse hypersynchrone le rotor produit également une puissance qui peut être injectée dans le réseau si le convertisseur le permet (redresseur-onduleur bidirectionnel). Ce type de générateur peut fournir une puissance plus importante que la puissance nominale du stator.

La liste de tous les types de générateurs se trouve ici.

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