Générateur électrique

Un générateur électrique est un dispositif permettant de produire de l'énergie électrique à partir d'une autre forme d'énergie, dans le cas d'une éolienne ce sera l'énergie mécanique transmise par le rotor à partir de l'énergie cinétique du vent.

Par définition, un alternateur est un "moteur" synchrone utilisé en génératrice. C'est une machine constituée d'un rotor ; (partie mobile) et d'un stator (partie fixe) générant un courant alternatif. Le rotor est constitué d'aimants permanents ou de bobinages.

Pour des raisons de coût et de rendement, l'alternateur est désormais utilisé dans la majorité des éoliennes. L'alternateur peut être une machine synchrone ou asynchrone, utilisée en vitesse fixe ou en vitesse variable.

Rotor (à gauche) et stator (à droite) d'une machine asynchrone 0,75 kW.

La Machine Asynchrone (MAS) est utilisée dans la plupart des cas car cette génératrice peut supporter de légères variations de vitesse ce qui est un atout pour les éoliennes où la vitesse du vent peut évoluer rapidement notamment lors de rafales. Ces variations de vitesses engendrent des sollicitations mécaniques importantes sur le système qui se trouvent plus réduites avec une machine asynchrone qu'avec une génératrice synchrone qui fonctionne à vitesse fixe. La machine asynchrone est peu utilisée sur site isolé car elle nécessite des batteries de condensateurs pour la fourniture d'énergie réactive. La génératrice asynchrone nécessite de fonctionner à une vitesse nominale de plusieurs centaines de tours par minute, ce qui implique l'utilisation d'un multiplicateur entre le rotor (arbre lent) et la génératrice (arbre rapide). Cette chaîne cinétique implique des forces de frottements qui empêchent la rotation du rotor par vent faible, il faut donc vaincre ces forces d’inertie au démarrage grâce à un coup de vent plus important.

La génératrice asynchrone peut être :

• A rotor bobiné ou à bagues. Les enroulements du rotor couplés en étoile sont reliés à un système de bagues/balais permettant ainsi l'accès à leurs bornes pour la connexion d'un convertisseur statique dans le cas d'un pilotage de la machine par le rotor.
• A cage d'écureuil. Le rotor est constitué de barres court-circuitées par des anneaux aux deux extrémités de l'armature. Les enroulements rotoriques ne sont alors pas accessibles.

On peut reconnaître une éolienne utilisant une génératrice asynchrone par la forme allongée de la nacelle, qui abrite la chaîne cinétique.

• système simple et utilisé depuis longtemps
• économiquement plus intéressant

La majorité des inconvénients générés par l'utilisation d'une génératrice asynchrone réside dans le fait que ce système nécessite plus de pièces en rotation par rapport à une génératrice synchrone.

• pertes d’énergie dues au multiplicateur
• vibrations plus importantes
• bruit plus important
• usure des pièces plus importante (maintenance plus importante)
• fuite d'huile (lubrifiante de préference) du multiplicateur
• risque d'incendie plus élevé
• l’énergie électrique produite est de moindre qualité et entraîne des perturbations sur le réseau

Schéma d'une machine asynchrone à double alimentation

La MADA est un générateur à induction à rotor bobiné. Les enroulements du stator sont connectés directement au réseau triphasé de distribution alors que les enroulements du rotor sont reliés à des convertisseurs de puissance bidirectionnels en courant : la puissance traversant ces convertisseurs peut alors être absorbée ou produite par la machine, selon le mode de fonctionnement. Le condensateur C1 entre les deux convertisseurs représente le bus continu. Le transformateur élévateur de tension permet le raccordement au réseau de distribution.

Les machines asynchrones à vitesse fixe doivent fonctionner au voisinage de la vitesse de synchronisme car la fréquence est imposée par le réseau : la vitesse du rotor est presque constante. Le système de la MADA permet de régler la vitesse de rotation du rotor en fonction de la vitesse du vent, en effet la MADA permet un fonctionnement en génératrice hyposynchrone et hypersynchrone. On arrive ainsi à extraire le maximum de puissance possible. La vitesse variable permet à l’éolienne de fonctionner sur une plus large plage de vitesses de vent et de pouvoir tirer le maximum de puissance possible pour chaque vitesse de vent.

• fonctionnement en hyposynchrone (vitesse de rotation inférieur à la vitesse de synchronisme)
• fonctionnement en hypersynchrone (vitesse de rotation supérieure à la vitesse de synchronisme)

A la différence de certaines machines synchrones, qui utilisent des convertisseurs traversés par la totalité de la puissance nominale, les convertisseurs de la MADA sont dimensionnés pour laisser passer 25% de la puissance nominale seulement. Ils coûtent donc moins chers, sont moins encombrants et permettent également de piloter la MADA par le rotor en réglant sa vitesse de rotation mécanique. C'est un convertisseur statique qui se compose d’un redresseur, d'un bus continu et d'un onduleur, il est réversible en courant (Pr traverse le convertisseur dans un sens pour un fonctionnement hypersynchrone, et dans le sens opposé pour un fonctionnement hyposynchrone), l'onduleur devient alors redresseur et le redresseur devient onduleur.

Fonctionnement en mode hyposynchrone

Fonctionnement en mode hypersynchrone

Il y a 5 phases de fonctionnement d’une éolienne intégrant une MADA :

• La phase de démarrage de la machine : la production électrique commence lorsque la vitesse mécanique atteint environ 70% de la vitesse de synchronisme de la génératrice mais la puissance électrique reste assez faible
• La phase d’extraction de la puissance maximale ou phase MPPT : la vitesse mécanique varie et peut atteindre une valeur proche de la vitesse nominale et la puissance électrique augmente rapidement. L’angle de calage des pales β reste à sa valeur minimale afin d’obtenir un coefficient de puissance maximal. La puissance maximale est ainsi obtenue pour chaque valeur de la vitesse mécanique et pour des vitesses de vent moyennes (7-13 m/s environ)
• La phase à vitesse mécanique quasi constante : l’angle β de calage des pales varie afin d’obtenir une puissance électrique maximale pour différentes valeurs de vent (pitch control) et la puissance électrique augmente très rapidement jusqu’à sa valeur nominale
• La phase à puissance constante : Lorsque la vitesse du vent augmente encore, l’angle de calage des pales devient important afin de conserver la puissance électrique nominale constante.
• Arrêt de l’éolienne : lorsque la vitesse du vent devient trop importante et risque d’endommager l’éolienne, l’angle de calage des pales se fixe à 90° (mise en drapeau) jusqu’à ce que la vitesse du vent devienne moins importante

Schéma de la MADA en convention moteur hyposynchrone

En négligeant les pertes dans les circuits du stator et du rotor, les relations entre les puissance ci-dessus sont :

• En mode génératrice hypersynchrone, Pr est positif, la puissance est transmise du rotor au réseau à travers le convertisseur. La vitesse de rotation mécanique est supérieure à la vitesse de synchronisme (Ωm > Ωs et g < 0)
• En mode génératrice hyposynchrone, Pr est négatif, la puissance est transmise du réseau au rotor à travers le convertisseur. La vitesse de rotation mécanique est inférieure à la vitesse de synchronisme (Ωm < Ωs et g > 0). Les convertisseurs peuvent fournir jusqu’à 25% de la puissance nominale de la MADA
• Dans les deux cas la puissance statorique, Ps alimente le réseau
• La valeur absolue de g est très inférieure à 1

Les deux convertisseurs ont la capacité de générer ou absorber de la puissance réactive, ils peuvent ainsi contrôler le niveau de la puissance réactive (compensateur de puissance réactive). La puissance réactive fournie au réseau peut-être contrôlée par la puissance réactive générée ou absorbée par le convertisseur relié au rotor. La puissance réactive est échangée entre ce convertisseur et le réseau, à travers le générateur car celui-ci absorbe de la puissance réactive pour compenser les inductances mutuelles et les inductances de fuites.

• fonctionnement à vitesse variable
• transfert bidirectionnel de la puissance rotorique
• le convertisseur rotorique est de plus faible puissance

• Coût plus élevé du à la présence de plus de composants

Génératrice synchrone

Éoliennes synchrones Enercon E40 - Parc éolien de Punta Aja, Corse, France

La génératrice synchrone ou Machine Synchrone (MS) peut être utilisée dans le cas d'un entrainement direct lorsque la liaison mécanique entre le moyeu de l'éolienne et la génératrice est directe, sans utiliser de multiplicateur. Il faut cependant que la génératrice soit raccordée au réseau par l'intermédiaire de convertisseurs de fréquence. Si la génératrice est à aimants permanents, elle peut fonctionner en mode autonome car elle n'a pas besoin d'excitation extérieure.

Le rotor est l'inducteur et le stator est l'induit. Le stator est constitué d'enroulements qui vont être le siège de courant électrique alternatif induit par la variation du flux du champ magnétique due au mouvement relatif de l'inducteur par rapport à l'induit. Cette technologie est privilégiée dans le cas des éoliennes offshore car la maintenance est réduite par rapport à une technologie utilisant une boite de vitesse.

Le rotor est constitué d'aimants permanents ou MSAP (générant donc un champ constant), dans ce cas la tension délivrée par la machine n'est pas réglable (si on ne tient pas compte des pertes dans les conducteurs). Les alternateurs à aimants permanents produisent un courant et une tension de fréquence proportionnelle à la vitesse de rotation donc à la vitesse du vent. La source d'excitation du rotor est indépendante du réseau contrairement à la machine synchrone à électroaimant. Ce type de machine tend à être de plus en plus utilisé par les constructeurs d'éoliennes car elle peut fonctionner en mode autonome et sont beaucoup plus légères que les autres types de générateurs. Les coûts de ce type de génératrice sont les plus faibles. Ce type de génératrice est très fréquemment utilisé dans le petit éolien.

Les génératrices à aimants permanents ont l'inconvénient de toujours produire la même densité de flux magnétique quelle que soit la vitesse de rotation du rotor. Le rotor est donc difficile à démarrer car la résistance au mouvement est importante, son démarrage nécessite un vent relativement important. La construction de ces aimants est particulièrement gourmande en terres rares (lanthanides) notamment ceux à base de néodyme peuvent nécessiter jusqu'à 600 kg pour une éolienne de 3,5 mégawatts ¹⁾. Les éoliennes du fabricant Enercon fonctionnent avec un générateur annulaire à excitation indépendante ne necessitant pas l'utilisation de néodyme, les champs magnétiques requis pour la production d’électricité dans le générateur sont produits électriquement. ²⁾

• Gain important en poids (pas de multiplicateur)
• Réduction du nombre de pièces en rotation
  • moins de bruit
  • réduction de la charge
  • augmentation de la durée de vie de la machine
  • diminution de la maintenance
• coûts de maintenance relativement faibles
• les aimants étaient beaucoup moins chers que les bobinages de cuivre, mais le prix des aimants a récemment explosé !
• bon rendement

• Nécessite une conversion électrique afin de garder une fréquence constante (Courant alternatif→Courant continu→Courant alternatif)
• La construction de la génératrice requière des aimants permanents particulièrement gourmands en terres rares (lanthanides)

Un électroaimant crée le champ magnétique et assure l'induction, il est constitué d'un enroulement de cuivre autour d’un noyau en fer. Ce bobinage est alimenté en courant continu, soit à l'aide d'un collecteur à bague rotatif (une double bague avec balais) amenant une source extérieure, soit par un excitateur à diodes tournantes et sans balais. Un système de régulation permet l'ajustement de la tension et de la phase du courant produit.

Machine à courant continu

Aussi appelée génératrice de courant continu, se compose de 2 parties :

• l'inducteur est un circuit magnétique (bobine magnétisante) dont le but est de créer un champ magnétique dans l'entrefer
• l'enroulement d'induit dans lequel on récupère l'énergie électrique produite par la rotation du rotor

Afin de récupérer l'énergie produite, l'induit comporte un collecteur.

Le courant de sortie est proportionnel à la fréquence de rotation et est directement utilisable pour charger une batterie mais nécessite une conversion continu→alternatif pour une injection du courant dans le réseau électrique. L'entretien d'une génératrice à courant continu est plus fréquent car il faut changer régulièrement les balais assurant la liaison avec le collecteur rotatif.

Simples et robustes il faut néanmoins contrôler leur excitation par des condensateurs ou les relier au réseau.

Il faut stabiliser la vitesse de ces moteurs asynchrones aux alentours de leur puissance nominale (vers 1 800 tours/min) pour avoir en bout de ligne une fréquence et une tension régulières. Certains fabricants installent donc 2 génératrices, l'une exploitant les basses vitesses de vent, l'autre pour les hautes vitesses.

C'est un moteur synchrone à aimants permanents. Plus facile à gérer, ce type d'alternateur est plus cher et comporte de nombreuses pièces mécaniques.

Elles suppriment tout recours à un multiplicateur et réduit la taille, normalement imposante, des alternateurs multipôles. Toutefois, le courant produit doit passer par un onduleur de grande puissance.

• éolienne
• étude théorique

• Etude de la MADA
• Page sur les alternateurs à aimants permanents pour petites éolienne