Le générateur d'une éolienne est la machine électrique qui transforme la rotation de l'hélice en courant. Il en existe trois familles : la dynamo (courant continu), l'alternateur ou génératrice synchrone, et la génératrice asynchrone. Elles se distinguent par leur robustesse, leur entretien, leur vitesse de rotation et la façon dont elles se raccordent au réseau ou à des batteries.

L'hélice entraîne la machine soit directement, soit par un multiplicateur. Dans les deux cas, pour une énergie éolienne donnée, le générateur fournit une puissance qui dépend de sa vitesse de rotation : c'est cette courbe que nous chercherons plus tard à faire coïncider avec celle de l'éolienne, comme l'explique la page construire une éolienne.

Au sommaire :

• Les types de générateurs d'éolienne et le principe de l'induction
• La génératrice à courant continu (dynamo)
• L'alternateur : génératrice synchrone à courant alternatif
• La génératrice asynchrone
• Dynamo ou alternateur : avantages et inconvénients
• Raccorder une éolienne au réseau : vitesse fixe ou variable
• Exemple de fabrication d'un générateur à flux axial et aimants permanents

1 : Les types de générateurs d'éolienne et le principe de l'induction

L'aéromoteur, c'est-à-dire l'hélice et son arbre, peut entraîner trois types de générateurs électriques :

• une génératrice à courant continu (dynamo) ;
• une génératrice synchrone à courant alternatif (alternateur) ;
• une génératrice asynchrone à courant alternatif.

Chacune transforme l'énergie mécanique de rotation en énergie électrique, aux pertes du générateur près. L'énergie mécanique que capte l'hélice dépend du vent ; ce qui en ressort sous forme électrique dépend donc aussi du rendement de la machine.

Le phénomène en jeu est l'induction. Un fil conducteur qui se déplace dans un champ magnétique voit apparaître à ses bornes une tension, et un courant s'il est relié à une charge. Le même phénomène se produit si le fil reste fixe et que le champ varie. Tous les générateurs reposent sur ce principe. Ils comportent deux parties principales : une partie qui crée le champ magnétique, l'inducteur, et une partie où naît la tension utile, l'induit. Dans un alternateur, l'inducteur tourne avec l'hélice et l'induit, fixe, forme le stator.

2 : La génératrice à courant continu (dynamo)

La dynamo comporte deux parties :

1. le circuit magnétique, avec sa bobine magnétisante, dont le rôle est de créer le champ dans l'entrefer : c'est l'inducteur ;
2. l'enroulement d'induit, où nous récupérons l'énergie électrique produite lorsque l'aéromoteur fait tourner le rotor.

Coupe d'une dynamo : la bobine magnétisante crée le champ entre les pièces polaires N et S, l'armature d'induit tourne dans l'entrefer.

Pour récupérer cette énergie, l'induit porte un collecteur. Celui de la dynamo simplifiée ci-dessous comporte deux secteurs de 180° isolés l'un de l'autre. Deux balais, placés face à face, touchent successivement le secteur A puis le secteur B. Le courant garde ainsi toujours le même sens dans la charge.

Induit simplifié d'une dynamo. La courbe de droite montre le courant sur un tour : de même sens, il s'annule aux instants de commutation t1 et t2, quand la boucle est parallèle aux lignes de champ.

Une vraie machine comporte un grand nombre de secteurs, qui correspondent à un grand nombre de conducteurs. Le rôle reste identique : faire passer un courant de même sens dans tous les brins situés sous un pôle.

Si le flux créé par la bobine magnétisante est constant (machine compensée), la force électromotrice E est proportionnelle à la fréquence de rotation. Entre la tension u aux bornes de la machine et le courant i débité, la relation est :

u = E − R × i

avec E la force électromotrice (V), R la résistance d'induit (Ω) et i le courant débité dans la charge (A).

3 : L'alternateur, génératrice synchrone à courant alternatif

Un générateur synchrone produit un courant dont la fréquence est liée à la vitesse de rotation. Pour alimenter directement un réseau, il doit donc tourner à une vitesse constante, qui impose la fréquence du réseau. La machine comporte deux parties :

• l'inducteur, qui crée le champ magnétique dans l'entrefer, est ici mobile : c'est le rotor, entraîné par l'aéromoteur. Il s'agit soit d'un rotor bobiné, alimenté par deux collecteurs où le courant circule toujours dans le même sens, soit d'un rotor à aimant permanent, qui supprime balais et collecteurs, sources de pannes ;
• l'induit, où nous récupérons l'énergie, est solidaire de la carcasse et relié à l'utilisation : c'est le stator. Il peut être monophasé ou triphasé. Le triphasé donne une tension alternative presque sinusoïdale, donc un meilleur rendement.

Avec un rotor bobiné, le courant d'excitation vient d'une source indépendante (batterie d'accumulateurs, petite dynamo) : la machine est dite à excitation séparée. Avec des aimants permanents, l'excitation est gratuite et ne demande aucun entretien.

Alternateur monophasé en coupe. Le flux de l'inducteur vient d'un enroulement parcouru par un courant de même sens, ou d'un aimant permanent ; sa variation à travers l'induit crée la force électromotrice utile.

4 : La génératrice asynchrone

La génératrice asynchrone allie simplicité, robustesse et faible coût. Son rotor est le plus souvent formé de deux cercles reliés par des barreaux, comme la roue d'une cage d'écureuil. Le réseau alimente le stator en courant triphasé, ce qui produit un champ magnétique tournant. Quand le rotor tourne, un courant induit apparaît dans les barreaux et crée un autre champ magnétique.

La machine ne fournit du courant au réseau que si son rotor tourne un peu plus vite que le synchronisme, d'environ 1 % à 2 %. Elle a besoin d'un courant réactif (déphasé de 90°) pour maintenir le champ magnétique du stator. Une batterie de condensateurs le lui fournit.

5 : Dynamo ou alternateur : avantages et inconvénients

La dynamo. Son inconvénient essentiel est la présence de balais et d'un collecteur, qu'il faut vérifier périodiquement. Elle est aussi plus lourde et plus coûteuse qu'une génératrice à courant alternatif. En contrepartie, elle ne demande aucun dispositif complexe pour charger des batteries : une simple diode, capable de supporter l'intensité nominale de la dynamo, évite que la batterie ne se décharge dans l'induit à l'arrêt.

L'alternateur. Surtout avec un rotor inducteur à aimants permanents, il a de nombreux avantages. Son entretien est nul, faute de pièces en frottement. À puissance égale, il est plus léger et moins coûteux. En revanche, il doit tourner plus vite et de façon plus stable que la dynamo (en général 3 000 tr/min) et il impose un redresseur pour charger des batteries. Malgré ces contraintes, son usage est général, sauf pour les aéromoteurs de petite puissance dont la fréquence de rotation n'est pas assez stable. On utilise le plus souvent des alternateurs triphasés à aimants permanents.

Nota : une éolienne raccordée au réseau et équipée d'une génératrice synchrone doit être interfacée avec lui par un ensemble redresseur-onduleur.

6 : Raccorder une éolienne au réseau : vitesse fixe ou variable

Pour convertir l'énergie éolienne en énergie électrique, le générateur, synchrone ou asynchrone, peut fournir du courant directement au réseau. L'éolienne tourne alors à vitesse fixe, ou presque. Pour augmenter le rendement, il vaut mieux que sa vitesse varie avec celle du vent. Trois circuits de base le permettent, chacun reposant sur l'un ou l'autre des générateurs.

Premier circuit (dessin 1). Un générateur synchrone alimente le réseau 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). Le générateur n'a plus besoin de tourner à vitesse fixe, et l'éolienne capte davantage d'énergie aux faibles vitesses de vent. En revanche, le redresseur et l'onduleur à ajouter rendent ce circuit onéreux. Le courant produit n'est pas toujours de bonne qualité : il présente des harmoniques, sortes d'ondulations parasites.

Dessin 1 : de l'hélice au réseau, nous lisons le multiplicateur, la génératrice avec son courant d'excitation, un premier pont de thyristors qui redresse, une inductance, puis un second pont qui le convertit en courant alternatif triphasé pour le réseau.

Deuxième circuit (dessin 2). Il repose sur un générateur asynchrone, relié au réseau par des thyristors montés en tête-bêche, que le schéma montre sur chaque phase. Quand l'éolienne atteint sa pleine puissance, un interrupteur court-circuite ces thyristors, qui ne sont pas conçus pour les hautes puissances. Ce circuit coûte moins cher que le précédent et le courant de sortie est de bonne qualité. En revanche, à faible vent, la production totale diminue : les interrupteurs commutent fréquemment. Pour limiter ces commutations, la vitesse du générateur reste alors sous la vitesse de synchronisme et le calculateur attend que le vent remonte. Pendant ce temps, le générateur peut fonctionner en moteur et consommer de la puissance du réseau.

Dessin 2 : générateur asynchrone, thyristors en tête-bêche sur chacune des trois phases, interrupteurs et raccordement aux lignes L1, L2 et L3 du réseau.

Troisième circuit (dessin 3). C'est le plus représentatif des générateurs à vitesse variable. Il fait appel à un générateur synchrone. Le courant n'est pas injecté directement dans le réseau, mais dans un convertisseur, c'est-à-dire l'ensemble de l'électronique placé en aval (redresseur, onduleur, filtre). Ce convertisseur ajuste la vitesse de rotation du rotor pour maximiser le rendement, et l'aimantation peut toujours être commandée librement.

Dessin 3 : circuit d'un générateur à vitesse variable. De haut en bas, l'hélice, le multiplicateur, le générateur synchrone avec son courant de champ, le redresseur, l'onduleur et le filtre de courant avant le réseau.

En diminuant le flux magnétique, nous réduisons les pertes dans le fer (« pertes de cœur ») et dans les bobinages. Mais à une certaine puissance spécifique, cette baisse fait chuter la tension et conduit à de plus forts courants en sortie du générateur, donc à de plus fortes pertes dans les résistances. Il s'agit d'équilibrer les deux pertes pour garder un rendement maximal. Les pertes totales peuvent alors être plus faibles que pour un générateur synchrone à vitesse fixe.

Les générateurs à vitesse fixe dominent encore très largement le marché. Les générateurs à vitesse variable devraient être de plus en plus utilisés, même si le gain d'énergie ne compense pas le coût de l'électronique qu'ils exigent, car leur atout déterminant est le faible niveau de bruit des éoliennes qui leur sont associées.

Pour aller plus loin, nous pouvons voir un exemple de fabrication d'un générateur à flux axial et aimants permanents, retrouver l'ensemble de la démarche dans l'article comment construire une éolienne, ou consulter la bibliographie sur les hélices, ailes et éoliennes.