Générateur à Induction comme Générateur Éolien
Les machines électriques rotatives sont couramment utilisées dans les systèmes de production d’énergie éolienne, et la plupart de ces machines électriques peuvent fonctionner soit comme un moteur, soit comme un générateur, selon leur application particulière. Mais en plus du Générateur Synchrone que nous avons examiné dans le tutoriel précédent, il existe également un autre type de machine rotative triphasée plus populaire que nous pouvons utiliser comme générateur d’éolienne, appelé Générateur à Induction.
Le générateur synchrone et le Générateur à Induction ont tous deux une configuration de enroulement statorique fixe similaire qui, lorsqu’elle est alimentée par un champ magnétique rotatif, produit une tension de sortie triphasée (ou monophasée).
Cependant, les rotors des deux machines sont assez différents, le rotor d’un générateur à induction consistant typiquement en l’une des deux types d’arrangements : une “cage d’écureuil”, ou un “rotor enroulé”.
La construction du Générateur à Induction repose sur le très courant type de machine de moteur à induction à cage d’écureuil puisqu’ils sont peu coûteux, fiables et facilement disponibles dans une large gamme de tailles électriques allant des machines de chevaux fractionnaires à des capacités multi-mégawatts, ce qui les rend idéales pour une utilisation tant dans les applications d’énergie renouvelable domestiques que commerciales.
De plus, contrairement au générateur synchrone précédent qui doit être “synchronisé” avec le réseau électrique avant de pouvoir produire de la puissance électrique, le générateur à induction peut être connecté directement au réseau électrique et entraîné par les pales du rotor d’éolienne à des vitesses de vent variables une fois qu’il est mis en marche à partir de l’arrêt.
Pour des raisons économiques et fiables, de nombreuses éoliennes utilisent des moteurs à induction comme générateurs qui sont entraînés par un réducteur mécanique afin d’augmenter leur vitesse de rotation, leurs performances et leur efficacité. Cependant, les générateurs à induction nécessitent une puissance réactive généralement fournie par des condensateurs de dérivation dans les éoliennes individuelles.
Les machines à induction sont également connues sous le nom de Machines Asynchrones, c’est-à-dire qu’elles tournent en dessous de la vitesse synchrone lorsqu’elles sont utilisées comme moteur, et au-dessus de la vitesse synchrone lorsqu’elles sont utilisées comme générateur. Ainsi, lorsqu’elles tournent plus vite que leur vitesse normale de fonctionnement ou à vide, un générateur à induction produit de l’électricité en courant alternatif. Puisqu’un générateur à induction se synchronise directement avec le réseau électrique principal – c’est-à-dire qu’il produit de l’électricité à la même fréquence et tension – aucun redresseur ou onduleur n’est requis.
Cependant, le générateur à induction peut fournir la puissance nécessaire directement au réseau électrique principal, mais il a également besoin de puissance réactive pour son alimentation fournie par le réseau électrique. Le fonctionnement autonome (hors réseau) du générateur à induction est également possible, mais l’inconvénient ici est que le générateur nécessite des condensateurs supplémentaires connectés à ses enroulements pour l’auto-excitation.
Les machines à induction triphasées sont très bien adaptées pour la énergie éolienne et même la production hydroélectrique. Les machines à induction, lorsqu’elles fonctionnent comme générateurs, ont un stator fixe et un rotor rotatif comme pour le générateur synchrone. Cependant, l’excitation (création d’un champ magnétique) du rotor est réalisée différemment et un design typique du rotor est la structure à cage d’écureuil, où des barres conductrices sont incorporées dans le corps du rotor et connectées ensemble à leurs extrémités par des anneaux de court-circuit.
Construction du Générateur à Induction
Comme déjà mentionné au début, l’un des nombreux avantages de la machine asynchrone est qu’elle peut être utilisée comme générateur sans aucun circuit supplémentaire, tel qu’un excitateuf ou un régulateur de tension, lorsqu’elle est connectée à une alimentation électrique triphasée. Lorsqu’un générateur asynchrone au repos est connecté à un réseau de courant alternatif, une tension est induite dans l’enroulement du rotor, de manière similaire à un transformateur, la fréquence de cette tension induite étant égale à la fréquence de la tension appliquée.
Comme les barres conductrices des rotors à cage d’écureuil sont court-circuitées ensemble, un courant important s’écoule autour d’elles et un champ magnétique est créé à l’intérieur du rotor, provoquant la rotation de la machine.
Étant donné que le champ magnétique de la cage du rotor suit le champ magnétique du stator, le rotor accélère jusqu’à la vitesse synchrone définie par la fréquence de l’alimentation du réseau. Plus le rotor tourne vite, plus la différence de vitesse relative entre la cage du rotor et le champ magnétique rotatif du stator est faible, et donc la tension induite dans son enroulement.
À mesure que le rotor se rapproche de la vitesse synchrone, il ralentit, car le champ magnétique du rotor s’affaiblit et n’est pas suffisant pour surmonter les pertes de friction du rotor en mode au repos. Le résultat est que le rotor tourne maintenant plus lentement que la vitesse synchrone. Cela signifie donc qu’une machine à induction ne peut jamais atteindre sa vitesse synchrone, car pour l’atteindre, il n’y aurait pas de courant induit dans la cage du rotor, pas de champ magnétique et donc pas de couple.
La différence de vitesse de rotation entre le champ magnétique rotatif du stator et la vitesse réelle du rotor est communément appelée “glissement”.
Le glissement doit exister pour qu’il y ait un couple au niveau de l’arbre du rotor. En d’autres termes, le “glissement”, qui est une façon descriptive d’expliquer comment le rotor est constamment “en arrière” de la synchronisation, est la différence en vitesse entre la vitesse synchrone du stator, donnée par : ns = ƒ/P en tr/min, et la vitesse réelle nR également en tr/min, et qui est exprimée en pourcentage, (%-glissement).
Le glissement fractionnaire s d’une machine à induction est donné par : 
Ce glissement signifie que l’opération d’un générateur à induction est donc “asynchrone” (non synchronisé) et plus la charge attachée à un générateur asynchrone est lourde, plus le glissement résultant est élevé, car les charges plus lourdes nécessitent des champs magnétiques plus forts. Plus de glissement est associé à plus de tension induite, plus de courant et un champ magnétique plus fort.
Ainsi, pour qu’une machine à induction fonctionne comme moteur, sa vitesse de fonctionnement sera toujours inférieure à la vitesse de rotation du champ tournant du stator, à savoir, la vitesse synchrone. Pour qu’une machine à induction fonctionne comme générateur, sa vitesse de fonctionnement doit être supérieure à la vitesse synchrone nominale, comme montré.
Caractéristiques Couple/Vitesse d’une Machine à Induction
À l’arrêt, le champ magnétique rotatif du stator a la même vitesse de rotation par rapport au stator et au rotor, car la fréquence des courants du rotor et du stator est la même. Ainsi, à l’arrêt, le glissement est positif et égal à un ( s = +1 ).
À la vitesse synchrone exacte, la différence entre la vitesse de rotation et la fréquence des courants du rotor et du stator sera nulle, donc à la vitesse synchrone, aucune énergie électrique n’est consommée ou produite, et ainsi le glissement du moteur est égal à zéro ( s = 0 ).
Si la vitesse du générateur est poussée au-dessus de cette vitesse synchrone par des moyens externes, l’effet résultant sera que le rotor tournera plus vite que le champ magnétique rotatif du stator et la polarité de la tension et du courant induits dans le rotor est inversée.
Le résultat est que le glissement devient maintenant négatif ( s = -1 ), et la machine à induction génère un courant avec un facteur de puissance en avance dans le réseau électrique principal. La puissance transférée sous forme de force électromagnétique du rotor au stator peut être augmentée simplement en faisant tourner le rotor plus vite, ce qui engendrera une augmentation de la quantité d’électricité produite. Les caractéristiques de couple d’un générateur à induction ( s = 0 à -1 ) reflètent les caractéristiques du moteur à induction ( s = +1 à 0 ), comme montré.
La vitesse du générateur à induction variera avec la force de rotation (moment, ou couple) exercée sur lui par l’énergie du vent, mais il continuera à produire de l’électricité jusqu’à ce que sa vitesse de rotation tombe en dessous de celle à vide. En pratique, la différence entre la vitesse de rotation à puissance maximale générée et à vide (vitesse synchrone) est très faible, seulement quelques pourcents de la vitesse synchrone maximale.
Par exemple, un générateur à 4 pôles avec une vitesse à vide synchrone de 1500 tr/min connecté au réseau électrique avec un courant de 50 Hz, peut produire sa puissance maximale générée en tournant seulement 1 à 5 % plus vite (1515 à 1575 tr/min), facilement atteint grâce à un réducteur.
C’est une propriété mécanique très utile que le générateur augmentera ou diminuera légèrement sa vitesse si le couple varie. Cela signifie qu’il y aura moins d’usure sur le réducteur, ce qui entraîne un faible entretien et une longue durée de service, et ceci est l’une des raisons les plus importantes pour lesquelles on utilise un Générateur à Induction plutôt qu’un générateur synchrone sur une éolienne directement connectée au réseau électrique.
Machine à Induction Hors Réseau
Nous avons vu ci-dessus qu’un générateur à induction nécessite que le stator soit magnétisé à partir du réseau électrique avant de pouvoir produire de l’électricité. Mais il est également possible de faire fonctionner un générateur à induction dans un système autonome, hors réseau en fournissant le courant d’excitation nécessaire, hors phase, à partir des condensateurs d’excitation connectés aux bornes du stator de la machine.
Cela nécessite également qu’il y ait un peu de magnétisme résiduel dans les tôles de fer du rotor lorsque vous démarrez la turbine. Un circuit typique pour une machine à induction triphasée à cage d’écureuil pour une utilisation hors réseau est montré ci-dessous. Les condensateurs d’excitation sont montrés en connexion étoile (Y) mais peuvent également être connectés dans un arrangement delta (triangulaire).
Générateur à Induction à Démarrage par Condensateur
Les condensateurs d’excitation sont des condensateurs de démarrage standard qui sont utilisés pour fournir la puissance réactive nécessaire pour l’excitation qui serait autrement fournie par le réseau électrique. Le générateur à induction s’auto-excitera en utilisant ces condensateurs externes uniquement si le rotor a un magnétisme résiduel suffisant.
En mode auto-excité, la fréquence de sortie et la tension du générateur sont affectées par la vitesse de rotation, la charge de la turbine, et la valeur de capacitance en farads des condensateurs. Ainsi, pour que l’auto-excitation du générateur se produise, il doit y avoir une vitesse de rotation minimale pour la valeur de capacitance utilisée à travers les enroulements du stator.
Le “générateur à induction auto-excité” (SEIG) est un bon candidat pour les applications de production d’électricité à partir de l’énergie éolienne, en particulier dans des vitesses de vent variables et dans des zones reculées, car ils n’ont pas besoin d’une alimentation électrique externe pour produire le champ magnétique.
Un générateur à induction triphasé peut être converti en un générateur à induction monophasé à vitesse variable en connectant deux condensateurs d’excitation à travers les enroulements triphasés. Un d’une valeur C en capacitance (en Farads) connecté à une phase, et l’autre, deux fois la valeur 2C de capacitance à travers l’autre phase comme montré.
Sortie Monophasée d’un Générateur à Induction Triphasé
En faisant cela, le générateur fonctionnera plus harmonieusement proche d’un facteur de puissance unitaire (100%) (PF). En fonctionnement monophasé, il est possible d’obtenir une efficacité proche de celle triphasée, produisant environ 80 % de la puissance maximale de la machine. Cependant, il faut prendre garde lors de la conversion d’une alimentation triphasée en une alimentation monophasée, car la tension de sortie monophasée ligne à ligne sera le double de celle de l’enroulement nominal.
Les générateurs à induction fonctionnent bien avec des systèmes monophasés ou triphasés interconnectés au réseau électrique ou comme générateur autonome auto-excité pour des applications de production d’énergie éolienne à petite échelle, permettant un fonctionnement à vitesse variable. Cependant, les générateurs à induction nécessitent une excitation réactive pour fonctionner à pleine puissance, ce qui les rend idéalement adaptés à l’interconnexion avec le réseau électrique dans le cadre d’un système éolien raccordé au réseau.
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