Générateur synchrone

Générateur Synchrone comme Générateur Éolien

Tout comme le générateur continu dans le tutoriel précédent, le fonctionnement d’un Générateur Synchrone est également fondé sur la loi de l’induction électromagnétique de Faraday, fonctionnant de manière similaire à un alternateur de type automobile.

La différence cette fois-ci est que le générateur synchrone génère une tension alternative triphasée de sortie à partir de ses enroulements de stator, contrairement au générateur continu qui produit une sortie en courant continu unique. Des générateurs synchrones monophasés sont également disponibles pour les systèmes de petits générateurs éoliens domestiques.

En gros, le générateur synchrone est une machine électromécanique synchrone utilisée comme générateur et se compose d’un champ magnétique sur le rotor en rotation ainsi qu’un stator fixe contenant plusieurs enroulements qui fournissent la puissance générée. Le système de champ magnétique du rotor (excitation) est créé en utilisant soit des aimants permanents montés directement sur le rotor, soit des bobinages de champ électromagnétique alimentés par un courant continu externe circulant dans les enroulements de champ du rotor.

Ce courant de champ continue est transmis au rotor de la machine synchrone via des anneaux collecteurs et des balais en carbone ou en graphite. Contrairement à la conception de générateur continu précédente, les générateurs synchrones ne nécessitent pas de commutation complexe, permettant ainsi une construction simplifiée. Le générateur synchrone fonctionne donc de manière similaire à l’alternateur automobile et se compose des deux parties communes suivantes :

Principaux Composants d’un Générateur Synchrone

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  Le Stator : – Le stator transporte les trois enroulements d’armature séparés (3-phase) physiquement et électriquement décalés les uns par rapport aux autres de 120 degrés, produisant une sortie de tension alternative.
• 
  Le Rotor : – Le rotor porte le champ magnétique soit sous forme d’aimants permanents, soit de bobines de champ enroulées reliées à une source d’alimentation continue externe via des anneaux collecteurs et des balais en carbone.

En parlant du « générateur synchrone », la terminologie utilisée pour décrire les parties de la machine est inverse à celle utilisée pour le générateur continu. Les enroulements de champ sont ceux produisant le champ magnétique principal, qui sont les enroulements du rotor pour une machine synchrone, et les enroulements d’armature sont ceux où la tension principale est induite, généralement appelés enroulements de stator. En d’autres termes, pour une machine synchrone, les enroulements du rotor sont les enroulements de champ et les enroulements de stator sont les enroulements d’armature comme montré.

Construction du Générateur Synchrone

L’exemple ci-dessus montre la construction de base d’un générateur synchrone qui possède un rotor bobiné à pôles saillants. Cet enroulement de rotor est connecté à un courant continu pour produire un courant de champ, I_f. La tension d’excitation continue externe, qui peut atteindre 250 volts DC, produit un champ électromagnétique autour de la bobine avec des pôles Nord et Sud statiques.

Lorsque l’arbre du générateur est tourné par les pales de la turbine (le moteur principal), les pôles du rotor se déplacent également en produisant un champ magnétique tournant, car les pôles Nord et Sud tournent à la même vitesse angulaire que les pales de la turbine (en supposant une entraînement direct). À mesure que le rotor tourne, son flux magnétique coupe les enroulements du stator un par un et, selon la loi de Faraday, une em et donc un courant est induit dans chaque bobine de stator.

L’ampleur de la tension induite dans l’enroulement de stator est, comme montré ci-dessus, une fonction de l’intensité du champ magnétique qui est déterminée par le courant de champ, la vitesse de rotation du rotor et le nombre de tours dans l’enroulement de stator. Comme la machine synchrone a trois bobines de stator, une alimentation en tension triphasée correspondant aux enroulements, A, B et C qui sont électriquement espacées de 120^o est générée dans les enroulements de stator et cela est montré ci-dessus.

Cette bobine de stator triphasée est connectée directement à la charge, et comme ces bobines sont stationnaires, elles n’ont pas besoin de passer par de grands anneaux collecteurs peu fiables, un collecteur ou des balais en carbone. De plus, parce que les bobines principales générant le courant sont stationnaires, cela facilite l’enroulement et l’isolation des enroulements car ils ne sont pas soumis à des forces de rotation et centrifuges, ce qui permet de générer des tensions plus élevées.

Générateur Synchrone à Aimant Permanent

Comme nous l’avons vu, les machines synchrones à bobinage de champ nécessitent une excitation par courant continu dans l’enroulement du rotor. Cette excitation se fait par l’utilisation de balais et d’anneaux collecteurs sur l’arbre du générateur. Cependant, cela entraîne plusieurs inconvénients comme la nécessité d’un entretien régulier, le nettoyage de la poussière de carbone, etc. Une approche alternative est d’utiliser une excitation sans balais qui utilise des aimants permanents au lieu d’électroaimants.

Comme son nom l’indique, dans un générateur synchrone à aimant permanent (PMSG), le champ d’excitation est créé à l’aide d’aimants permanents dans le rotor. Les aimants permanents peuvent être montés sur la surface du rotor, intégrés à la surface ou installés à l’intérieur du rotor. L’espace d’air entre le stator et le rotor est réduit pour une efficacité maximale et pour minimiser la quantité de matériau d’aimant rare nécessaire. Les aimants permanents sont généralement utilisés dans les générateurs synchrones à faible puissance et à faible coût.

Pour les générateurs d’éoliennes à entraînement direct à basse vitesse, le générateur à aimant permanent est plus compétitif car il peut avoir un nombre élevé de pôles, 60 ou plus, comparé à un générateur synchrone à rotor enroulé conventionnel. De plus, l’implémentation de l’excitation avec des aimants permanents est plus simple, plus durable mais ne permet pas de contrôler l’excitation ou la puissance réactive. Le principal inconvénient des générateurs synchrones éoliens à aimant permanent est qu’avec aucun contrôle du flux du rotor, ils atteignent leur efficacité maximale uniquement à une vitesse de vent prédéfinie.

La Vitesse Synchronisée des Générateurs

La fréquence de la tension de sortie dépend de la vitesse de rotation du rotor, en d’autres termes de sa « vitesse angulaire », ainsi que du nombre de pôles magnétiques individuels sur le rotor. Dans notre exemple simple ci-dessus, la machine synchrone a deux pôles, un pôle Nord et un pôle Sud. En d’autres termes, la machine a deux pôles individuels, ou une paire de pôles (Nord-Sud), également connus sous le nom de paires de pôles.

Au fur et à mesure que le rotor effectue une révolution complète, 360^o, un cycle d’emf induite est généré, donc la fréquence sera un cycle par rotation complète ou 360^o. Si nous doublons le nombre de pôles magnétiques à quatre (deux paires de pôles), alors pour chaque révolution du rotor, deux cycles d’emf induite seront générés, et ainsi de suite.

Étant donné qu’un cycle d’emf induite est produit avec une seule paire de pôles, le nombre de cycles d’emf produit en une révolution du rotor sera donc égal au nombre de paires de pôles, P. Ainsi, si le nombre de cycles par révolution est donné comme : P/2 par rapport au nombre de pôles et que le nombre de révolutions du rotor N par seconde est donné comme : N/60, alors la fréquence, (ƒ) de l’emf induite sera définie comme :

Dans un moteur synchrone, sa vitesse angulaire est fixée par la fréquence de la tension d’alimentation, donc N est communément connue comme la vitesse synchronisée. Pour un générateur synchrone à “P” pôles, la vitesse de rotation du moteur principal (les pales de la turbine) afin de produire la fréquence de sortie requise de 50Hz ou 60Hz de l’emf induite sera :

À 50Hz

À 60Hz

Donc pour un générateur synchrone donné conçu avec un nombre fixe de pôles, le générateur doit être entraîné à une vitesse synchronisée fixe pour maintenir la fréquence de l’emf induite constante à la valeur requise, soit 50Hz soit 60Hz pour alimenter les appareils de réseau. En d’autres termes, la fréquence de l’emf produite est synchronisée avec la rotation mécanique du rotor.

Alors, à partir des informations précédentes, nous pouvons voir que pour générer 60 Hz avec une machine à 2 pôles, le rotor doit tourner à 3600 tr/min, ou pour générer 50 Hz avec une machine à 4 pôles, le rotor doit tourner à 1500 tr/min. Pour un générateur synchrone entraîné par un moteur électrique ou un générateur à vapeur, cette vitesse synchronisée peut être facile à atteindre, cependant, lorsqu’il est utilisé comme générateur synchrone pour éolienne, cela peut ne pas être possible car la vitesse et la puissance du vent changent constamment.

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Nous savons grâce à notre précédent tutoriel sur la conception d’éoliennes que toutes les éoliennes bénéficient d’un rotor fonctionnant à son rapport de vitesse optimal. Mais pour obtenir un TSR compris entre 6 et 8, la vitesse angulaire des pales est généralement très basse, autour de 100 à 500 rpm, donc en regardant nos tableaux ci-dessus, nous aurions besoin d’un générateur synchrone avec un nombre élevé de pôles magnétiques, par exemple, 12 ou plus.

Mais en plus de cela, une forme de limiteur de vitesse mécanique tel qu’une transmission à variation continue, ou CVT serait nécessaire pour maintenir les pales du rotor tournant à une vitesse maximale constante pour un système d’éolienne à entraînement direct. Cependant, pour une machine synchrone, plus elle a de pôles, plus elle devient grande, lourde et coûteuse, ce qui peut être ou non acceptable.

Une solution consiste à utiliser une machine synchrone avec un faible nombre de pôles, qui peut tourner à une vitesse plus élevée de 1500 à 3600 rpm entraînée par une boîte de vitesses. La faible vitesse de rotation des pales du rotor des éoliennes est augmentée grâce à une boîte de vitesses, ce qui permet à la vitesse du générateur de rester plus constante lorsque la vitesse des pales de la turbine change, car un changement de 10% à 1500 rpm est moins problématique qu’un changement de 10% à 100 rpm. Cette boîte de vitesses peut adapter la vitesse des générateurs aux vitesses de rotation variables des pales, permettant une opération à vitesse variable sur une gamme plus large.

Cependant, l’utilisation d’une boîte de vitesses ou d’un système de poulies nécessite un entretien régulier, augmente le poids de l’éolienne, génère du bruit, augmente les pertes d’énergie et réduit l’efficacité du système, car une énergie supplémentaire est nécessaire pour entraîner les roues et les composants internes des boîtes de vitesses.

Il existe de nombreux avantages à utiliser un système à entraînement direct sans boîte de vitesses, mais l’absence d’une boîte de vitesses signifie une machine synchrone plus grande avec une augmentation de la taille et du coût du générateur, qui doit alors fonctionner à basse vitesse. Alors, comment pouvons-nous faire fonctionner un générateur synchrone dans un système d’éolienne à basse vitesse dont la vitesse des pales est déterminée uniquement par la puissance du vent ? En redressant la sortie triphasée générée en une alimentation continue ou courant direct constante.

Redresseurs de Générateur Synchrone

Les redresseurs à diode sont des dispositifs électroniques utilisés pour convertir le courant alternatif (AC) en courant continu (DC). En redressant la puissance de sortie du générateur synchrone en une alimentation DC, le générateur d’éolienne peut être exploité à différentes vitesses et fréquences autres que sa vitesse synchronisée fixe.

Cela permet à la sortie de tension de fréquence variable et de tension variable du générateur d’être convertie en une tension DC d’un niveau variable. En redressant la sortie de l’AC en DC, le générateur peut désormais être utilisé как partie d’un système de charge de batterie éolien ou comme partie d’un système d’énergie éolienne à vitesse variable. Ainsi, le générateur synchrone de courant alternatif est transformé en un générateur de courant direct.

Le type le plus simple de circuit de redressement utilise un circuit de pont à diodes pour convertir le courant alternatif généré par le générateur en une alimentation DC fluctuante dont l’amplitude est déterminée par la vitesse de rotation des générateurs. Dans ce circuit de redressement de générateur synchrone montré ci-dessous, la sortie triphasée du générateur est redressée en DC par un redresseur triphasé.

Circuit de Redressement du Générateur

Le schéma du circuit du redresseur à pont complet, triphasé, AC à DC est montré ci-dessus. Dans cette configuration, l’éolienne peut faire fonctionner le générateur à une fréquence indépendante de la fréquence synchronisée, car le changement de la vitesse du générateur modifie la fréquence du générateur. Ainsi, il est possible de varier la vitesse du générateur sur une plage plus large et de fonctionner à la vitesse optimale pour obtenir la puissance maximale en fonction de la vitesse du vent réelle.

Notez que la tension de sortie du redresseur à pont triphasé n’est pas de la DC pure. La tension de sortie a un niveau DC accompagné d’une forte variation AC. Cette forme d’onde est généralement connue sous le nom de « DC pulsé » qui peut être utilisée pour charger des batteries mais ne peut pas être utilisée comme une alimentation DC satisfaisante. Afin d’éliminer ce contenu d’ondulation AC, un filtre ou un circuit de lissage est utilisé. Ces circuits de lissage ou circuits de filtre d’ondulation utilisent des combinaisons d’inducteurs et de condensateurs pour produire une tension et un courant DC lisses.

Lorsqu’ils sont utilisés dans le cadre d’un système connecté au réseau, les machines synchrones ne peuvent être connectées au réseau principal que lorsque leur fréquence, leur angle de phase et leur tension de sortie sont les mêmes que celles du réseau, en d’autres termes, elles tournent à leur vitesse synchronisée, comme nous l’avons vu ci-dessus. Mais en redressant leur tension de sortie variable et leur fréquence en une alimentation DC stable, nous pouvons désormais convertir cette tension DC en une alimentation AC de la bonne fréquence et amplitude, correspondant à celle du réseau utilitaire principal en utilisant un onduleur monophasé ou triphasé.

Un Onduleur est un dispositif qui convertit l’électricité en courant direct (DC) en électricité en courant alternatif (AC) qui peutêtre injectée directement dans le réseau principal car les onduleurs connectés au réseau fonctionnent en synchronisation avec le réseau utilitaire et produisent une électricité identique à celle du réseau local. Des onduleurs en onde sinusoïdale connectés au réseau pour les systèmes éoliens sont sélectionnés avec une plage d’entrée qui correspond à la tension de sortie redressée de la turbine.

Ainsi, l’avantage d’une connexion indirecte au réseau est qu’il est possible de faire fonctionner l’éolienne à des vitesses variables. Un autre avantage de redresser la sortie du générateur est que les éoliennes équipées de générateurs synchrones utilisant des électroaimants dans leur conception de rotor peuvent utiliser ce DC pour alimenter les enroulements de bobines autour des électroaimants dans le rotor. Cependant, l’inconvénient de la connexion indirecte au réseau est le coût, car le système nécessite un onduleur et deux redresseurs, l’un pour contrôler le courant du stator et l’autre pour générer le courant de sortie comme montré ci-dessous.

Circuit du Générateur Synchrone

Résumé du Tutoriel

Le générateur synchrone à rotor bobiné est déjà utilisé comme générateur d’éolienne, mais l’un des principaux inconvénients d’un générateur synchrone peut être sa complexité et son coût. Les générateurs à entraînement direct sans boîte de vitesses sont très lents, avec un nombre élevé de pôles pour atteindre leur vitesse synchronisée. Les générateurs avec moins de pôles ont des vitesses de rotation plus élevées, nécessitant donc une boîte de vitesses ou un train d’entraînement, ce qui ajoute au coût.

Les générateurs synchrones produisent de l’électricité dont la fréquence fondamentale de sortie est synchronisée à la vitesse de rotation du rotor. Les générateurs raccordés au réseau nécessitent une vitesse fixe constante pour se synchroniser avec la fréquence du réseau et il est nécessaire d’exciter l’enroulement du rotor avec une alimentation CC externe, en utilisant des anneaux collecteurs et des balais.

Le principal inconvénient d’une opération à vitesse fixe est qu’elle ne capture presque jamais l’énergie éolienne à son efficacité maximale. L’énergie éolienne est gaspillée lorsque la vitesse du vent est plus élevée ou plus basse qu’une certaine valeur choisie comme vitesse synchronisée.

Les éoliennes à vitesse variable utilisent des redresseurs et des onduleurs pour convertir la sortie de tension de fréquence variable du générateur synchrone en une tension fixe, avec une fréquence de 50Hz ou 60Hz requise par le réseau utilitaire. Cela permet d’utiliser des générateurs synchrones à aimant permanent, réduisant ainsi les coûts. Pour les générateurs éoliens à entraînement direct à faible vitesse, le générateur à aimant permanent est plus compétitif, car il peut avoir un nombre de pôles plus élevé de 60 ou plus, comparé à un générateur synchrone à rotor enroulé conventionnel.

Dans le prochain tutoriel sur l’énergie éolienne et les générateurs d’éoliennes, nous examinerons le fonctionnement et la conception d’un autre type de machine électrique appelé Générateur à Induction, connu communément sous le nom de “Générateur Asynchrone”. Les générateurs asynchrones peuvent également être utilisés pour générer de l’électricité AC connectée au réseau triphasé.

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