Transformateurs rotatifs
utilisé dans les éoliennes
Electricité
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Vous vous êtes-vous déjà demandé comment on modifie la position des pales des hélices des éoliennes?


Transfo rotatif d'un magnétoscope


Principe du transfo rotatif


Transfo rotatif sous la forme d'un disque


Transfo rotatif sous la forme d'un "moteur" quand plusieurs tensions doivent être transmises


Deux réalisations pratiques de transfos rotatifs

Le pas de l'hélice d'une éolienne doit être adapté selon la force du vent, pour pouvoir capter le plus d'énergie possible. En cas de tempête ou si l'installation est en panne il faut mettre l'hélice en drapeau (pales parallèles au vent pour qu'elles ne soient plus entrainées). La position des pales est déterminée dans la cabine, mais les pales sont montées sur l'axe rotatif. Comment peut-on transférer l'énergie mécanique pour modifier la position des pales?

Il y a de nombreuses possibilités pour modifier l'angle des pales. Il est possible d'utiliser un axe principal creux qui contient en son centre un second axe, qui en tournant par rapport à l'axe principal permet de modifier la position des pales. L'axe principal creux peut également contenir un piston. En appliquant une pression, le piston se déplace et modifie l'angle des pales. Au repos (quand il n'y a pas de pression) les pales se mettent automatiquement en drapeau, qui est la position de sécurité.

Ces solutions mécaniques sont complexes et ne sont pas toujours suffisamment fiables pour être utilisées dans des éoliennes qui doivent fonctionner des années sans entretien et sans panne.

Une autre solution est de monter un petit moteur électrique sur l'axe principal. Ce petit moteur commande l'angle des pales. Il ne faut pas tellement d'énergie, la démultiplication peut être importante car l'angle peut être modifié en une minute ou plus. Mais comme l'axe tourne, il faut transmettre l'énergie électrique de la cabine vers le moteur.

Avant, on utilisait des bagues et des frotteurs pour transmettre le courant à un axe rotatif. Un exemple typique sont les bagues du moteur asynchrone à rotor bobiné. Mais les bagues et les frotteurs ne sont pas assez fiables pour être utilisés dans une éolienne. On préfère transmettre la puissance sans contact.

On a également utilisé des bagues et des contacts pour transmettre le signal des têtes vidéo d'un magnétoscope. Les têtes sont montées sur un tambour rotatif et le signal doit être transmis à l'électronique. Mais les bagues ne résistent pas à l'usure et au bout de quelques mois le signal devenait de plus en plus mauvais.

Le principe du transfo rotatif utilisé dans les magnétoscopes peut être repris pour transmettre l'énergie électrique au moteur qui va modifier l'angle des pales.

Les images nous montrent d'abord le transfo rotatif d'une tête vidéo d'un magnétoscope. Le but est de transmettre le signal des têtes vidéo (qu'on voit sur l'extérieur du cylindre rotatif). Comme il y a plusieurs têtes, il y a également plusieurs bobinages au transfo.

Mais reprenons dès le début. Un transfo se compose de bobinages et d'une structure métallique qui sert non seulement à maintenir les spires ensemble, mais également à concentrer le champ magnétique. Le champ magnétique du primaire doit être transféré au secondaire. Dans un transfo classique, c'est tout simple, les deux bobinages sont placés l'un à coté de l'autre.

C'est un peu plus complexe avec un transfo rotatif. Le transfo se compose de deux blocs (premier exemple) ou de deux disques (second exemple) qui sont montés sur deux axes indépendants: l'axe fixe (primaire) et l'axe rotatif (secondaire). On voit bien que le champ magnétique englobe les deux bobinages comme dans un transfo classique.

Le second exemple utilise deux disques. Ils ont une fente circulaire pour placer les bobinages. Malgré l'entrefer (qu'on essaie de rendre le plus petit possible) le champ magnétique est transféré aisément du primaire au secondaire. Le transfo rotatif d'un magnétoscope est construit selon ce principe, mais comme il faut transmettre plusieurs signaux, il faut également plusieurs bobinages séparés.

Quand il faut transmettre une puissance plus élevée, il peut y avoir interférence entre les différents bobinages au primaire et au secondaire. Les bobinages sont situés trop près les uns des autres. On peut alors utiliser une construction un peu différente qui ressemble plus à un moteur, avec ici aussi un stator et un rotor.

Le stator a des bobinages qui ne forment pas des poles classiques, ce sont des anneaux. Dans l'exemple, nous avons dessiné 4 bobinages. Le rotor a également 4 bobinages placés exactement en face des bobinages primaires.

Ces bobinages ne produisent pas de moment mécanique: ils ne peuvent pas mettre le "moteur" en mouvement, et quand le "moteur" tourne, il ne produisent pas de tension au secondaire. Le fonctionnement du transfo ne change pas, que l'axe secondaire tourne ou pas.

En comparaison d'un transfo classique, l'entrefer produit une petite perte, cela a comme effet que le bobinage secondaire est résistant aux cours circuits: l'entrefer limite le champ magnétique et donc également le courant maximal dans le secondaire.

Nous avons dessiné un transfo rotatif avec 4 bobinages: trois bobinages branchés en étoile ou en triangle pour transmettre du triphasé au moteur sur l'axe. Nous utilisons ici du triphasé pour pouvoir commander aisément le moteur (changement du sens de la rotation et de la vitesse).

Le dernier bobinage transmet une alimentation permanente (évidemment en alternatif). Cette tension est par exemple utilisée pour alimenter des capteurs (angle de l'hélice, température, ...). L'information récoltée est transmise par radio à la cabine.

Quand l'alimentation permanente est coupée, cela signifie que l'éolienne n'est plus connectée au réseau (ou qu'elle est en panne). Les pales sont alors immédiatement mises en drapeau pour éviter les dégats. Cela peut se faire avec un ressort qui est relaché quand l'alimentation n'est plus présente, mais il y a évidemment plusieurs systèmes de protection.

Les gros transformateurs rotatifs peuvent transmettre une puissance de plus de 100kW. Ils sont par exemple utilisés sur les navires, ici aussi pour modifier la position des pales de l'hélice. Les deux derniers schémas montrent deux types de transfos rotatifs de grande puissance. Sur les navires, l'axe de l'hélice tourne à une vitesse pratiquement constante et la vitesse du navire est déterminée par le pas de l'hélice. Le navire peut également faire marche arrière (à basse vitesse).

L'énergie peut également être transmise par un générateur avec bobinage fixe où l'énergie est produite au rotor. Ce système n'est pas basé sur le fonctionnement d'un transformateur, mais d'un générateur. La puissance électrique est produite à partir de la rotation et ne provient pas du bobinage primaire (qui est ici un bobinage d'excitation). Dans ce système avec générateur, il n'y a production d'énergie que quand le rotor tourne, ce qui n'est pas souhaité dans ce cas.

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