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| Les différents types de générateurs eoliennes | Exemple de fabrication d'un generateur à flux axiale et aimants permanents |
L'aéromoteur peut entraîner,soit directement,soit par l' intermédiaire d'un multiplicateur, 3 types de générateurs électriques:
- une génératrice à courant continu (dynamo);
- une génératrice synchrone à courant alternatif (alternateur);
- une génératrice asynchrone à courant alternatif;
qui transforment, aux pertes près dans le générateur, l'énergie mécanique.
Les générateurs sont chargés de transformer l'énergie mécanique de rotation en énergie électrique. Comment ? Grâce au phénomène d'induction. En effet, tout déplacement d'un fil conducteur dans un champ magnétique induit un courant dans ce fiL Le même phénomène se produit si le conducteur est fixe et le champ magnétique variable. C'est ce principe qui est utilisé par les générateurs. Ceux-ci sont donc composés principalement de deux parties : le rotor de forme cylindrique qui produit un champ magnétique variable, et le stator qui génère le courantélectrique.
La génératrice à courant continu (dynamo)
La machine comporte 2 parties:
- le circuit magnétique (bobine magnétisante) dont le but est de créer le champ dans l'entrefer : c'est l'inducteur;
- l' enroulement d' induit dans lequel on récupère l'énergie électrique produite par la rotation du rotor entraînée par l'aéromoteur.
Pour récupérer cette énergie, l' induit comporte un collecteur. Le collecteur de la dynamo simplifiée représentée ci-dessous comporte 2 secteurs de 180° isolés.
Deux balais, situés l' un en face de l'autre, sont en contact successivement avec le secteur A puis le secteur B, ce qui permet au courant de garder toujours le même sens dans l'utilisation. En réalité le collecteur comporte un grand nombre de secteurs correspondant à un grand nombre de conducteurs.Mais le rôle est identique :faire passer un courant de même sens dans tous les brins situés sous un pôle.
Si on considère que ce flux produit par la bobine magnétisante est constant
(machine compensée) le courant fourni est proportionnel a la fréquence de rotation
La relation entre la tension aux bornes de la machine et le courant est : u = E - Ri où
E =force electromotrice
R=résistance d' induit
i=courant débité dans la charge
Ces générateurs produisent un courant dont la fréquence est identique à celle du réseau. Pour cela, la vitesse de l'éolienne doit être constante. Le champ magnétique du rotor est généré par un courant d' excitation. Celui-ci est fourni par une source indépendante (autre dynamo en fonctionnement, batterie d' accumulateurs) ; on a alors une dynamo dite à excitation séparée Mais plus généralement la machine assure elle-même son excitation à l' aide de condensateurs elle est dite alors auto-excitatrice
La génératrice synchrone à courant alternatif
La machine comporte 2 parties:
- L'inducteur qui crée le champ magnétique dans l'entrefer est mobile, c'est le ROTOR entraîné par l'aéromoteur. Il s' agit:
- . soit d'un rotor bobiné alimenté par 2 collecteurs :ces collecteurs sont continus et le courant y circule toujours dans le même sens;
- . soit d'un rotor constitué par un aimant permanent,ce qui supprime balais et collecteurs, sources de pannes.
- L' induit dans lequel on récupère l'énergie, solidaire de la carcasse, est relié à l' utilisation. C'est le STATOR. Il peut être monophasé ou triphasé. Le triphasé permet d' obtenir une tension alternative presque sinusoïdales, donc un meilleur rendement.
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ils allient la simplicité, la robustesse et un faible coût. Le rotor est le plus souvent constitué de deux cercles reliés entre eux par des barreaux, comme la roue d'une cage d' écureuil. Le réseau fournit au stator un courant triphasé qui produit un champ magnétique tournant. Lorsque le rotor tourne, un courant induit apparaît dans les barreaux de la roue. Cela crée un autre champ magnétique, variable celui-là. C'est seulement lorsqu'il tourne à une vitesse supérieure à celui du synchronisme, de I % à 2 %, qu'il fournit alors du courant au réseau. Ce générateur a besoin d'etre alimenté en courant réactif(déphasé de 90 %) pour maintenir le champ magnétique du stator. Il dispose pour cela d'une batterie de condensateurs.
Avantages et inconvénients:
L' inconvénient essentiel de la dynamo est la présence de balais et collecteurs qu'il faut vérifier périodiquement. D'autre part la dynamo est plus lourde et plus coûteuse qu 'une génératrice à courant alternatif. Mais elle ne nécessite pas de dispositif complexe pour la charge des batteries. Une simple diode supportant l' intensité nominale de la dynamo suffira pour éviter que la batterie ne soit court-circuitée par l' induità l'arret. L' alternateur, surtout avec rotor inducteur à aimant permanent, présente de nombreux avantages. Son entretien est nul du fait de l' absence complète de pièces en frottement .A puissance égale, il est plus léger et moins coûteux. Mais il doit tourner à une vitesse plus élevée et plus stable que la dynamo (en général 3 000 tr/mn) et il implique l'utilisation d'un redresseur pour la charge des batteries. Malgré ces inconvénients propres à l' alternateur, son utilisation est généralisée, sauf pour les aéromoteurs de petite puissance dont la stabilité de la fréquence de rotation n'est pas suffisante. On utilise en général des alternateurs triphasés à aimant permanent. Nota : les aérogénérateurs raccordés au réseau équipés de génératrices synchrones doivent être interfacés avec le réseau par un ensemble redresseur-onduleur.
Connexion au réseau:
Pour convertir l'énergie éolienne en énergie électrique, le générateur, qu'il soit synchrone ou asynchrone, peut fournir du courant directement au réseau. Cela implique que la turbine tourne à vitesse fixe. Pour augmenter le rendement du générateur, la vitesse de l'éolienne doit être variable afin de s' adapterà celle du vent. Trois circuits de base sont alors utilisés qui s' appuient sur l' un ou l'autre des générateurs.
- Le premier circuit (dessin1 ) utilise un générateur synchrone alimentant le réseau en énergie par l' intermédiaire d'un onduleur. Le courant alternatif de sortie du générateur est redressé en continu puis converti en courant alternatif à la fréquence du réseau (50 ou 60 Hz). Cela permet au générateur de ne pas fonctionner à vitesse fixe, et de capter plus d'énergie aux faibles vitesses de vent, Toutefois, l' onduleur et le redresseur qu'il faut ajouter rendent ce circuit onéreux. Par ailleurs, le courant ainsi produit n'est pas toujours de bonne qualité et présente des harmoniques, sorte d' ondulations parasites.
dessin 1
- Le deuxième circuit (dessin 2) est basé sur un générateur asynchrone et fait intervenir des transistors. Si l'éolienne atteint la pleine puissance, les thyristors et le radiateur n' étant pas conçu pour les hautes puissances, l' interrupteur coupe-circuite les transistors. Les atouts de ce circuit sont d'une part son faible coût comparé au précédent, et la qualité du courant de sortie. Cependant, lorsque la vitesse de vent est faible, la totalité de la puissance produite est réduite. En effet, cette situation occasionne de fréquentes commutation des interrupteurs. Pour en réduire le nombre, la vitesse du générateur est au-dessous de la vitesse de synchronisation et l' ordinateur attend que la vitesse du vent augmente de nouveau. Pendant ce temps, le générateur fonctionne alors comme un moteur et utilise de la puissance issue du réseau.
dessin 2
- Le dernier circuit (dessin 3) est le plus représentatif des générateurs à vitesse variable. il fait appel à un générateur synchrone. Le courant n'est pas directement injecté dans le réseau mais dans le convertisseur constitué de l' ensemble de l' électronique placé en aval (redresseur, onduleur, filtre...). Il permet d' ajuster la vitesse de rotation du rotor pour maximiser le rendement. la magnétisation pouvant toujours être contrôlée librement.
Dessin 3 : Circuit d'un générateur à vitesse variable
En diminuant le flux magnétique, on peut réduire les pertes de "coeur" et les pertes de bobinages. Toutefois à une certaine puissance spécifique. cette diminution induit une baisse tension et conduit à de plus hauts courants en sortie du générateur, et donc, de plus hautes pertes dans les résistances. Il s' agit donc d' équilibrer les deux pertes et de maintenir ainsi un rendement maximum de la turbine. Les pertes totales peuvent ainsi être plus faibles que pour un générateur synchrone. Si ces derniers dominent encore très largement le marché, les générateurs à vitesse variable devraient être de plus en plus utilisés dans l' avenir, même si le gain d'énergie qu'il's permettent ne compense pas le coût important de l' électronique qui leur est nécessaire car leur atout déterminant est le faible niveau de bruit des éoliennes qui leur est associé.
Exemple de fabrication d'un generateur a flux axial et aimants permanents
