Machines synchrones

On retrouve deux types de machines synchrones présente en énergie éolienne, soit les machines synchrones conventionnelles et les machines synchrones à aimants permanents (MSAP). Les machines synchrones conventionnelles possèdent un circuit d’inducteur indépendant servant à produire un champ magnétique polarisant le rotor. Ce circuit d’inducteur est composé du rotor bobiné de la machine, de bagues collectrices et de balais et d’une source à courant continu. En fonctionnement moteur, la vitesse de rotation de la machine est imposée par celle du champ magnétique tournant du stator. Le rotor est donc entraîné à vitesse dite synchrone. En génératrice, la variation du champ magnétique créé par le rotor (ou inducteur) et vu par les enroulements statoriques induit une tension alternative au stator dont la fréquence correspond à la vitesse de rotation du rotor. Les bagues collectrices et les balais dans le circuit d’inducteur nécessitent un entretien régulier qui peut engendrer des coûts d’opération non négligeables. Pour ce qui est des machines à aimants permanents, le champ magnétique polarisant le rotor est créé par la présence d’aimants permanents et permet d’éliminer le circuit d’inducteur de la génératrice synchrone. Ces dernières présentent un rendement ainsi qu’un facteur de puissance élevé. Pour ces deux types de machine synchrone, il peut être intéressant d’utiliser un nombre élevé de pôles afin d’éliminer la boîte de vitesse.

C’est ce qu’on appelle une transmission directe (sans boîte de vitesse). Cette stratégie réduit les pertes mécaniques et le bruit que peut créer une boîte de vitesse. Un autre point important au sujet des machines synchrones est que celles-ci possèdent un lien rigide entre le rotor et le stator de la machine électrique, c’est-à-dire que le rotor et le stator sont solidaires. Il n’y a pas d’élasticité ou d’amortissement entre eux. Ceci peut endommager les composantes mécaniques (arbres de transmission, boîte de vitesse, etc.) d’une éolienne utilisant une machine synchrone. On peut avoir recourt à un lien élastique externe ajouté à la boîte de vitesse afin de contrer ce problème. Lorsqu’une telle génératrice est en démarrage et est connectée directement au réseau, elle doit absolument être en parfaite phase avec celui-ci. Il existe un risque de désynchronisation de la machine lorsque le couple de la génératrice augmente brusquement. C’est pourquoi ce type de génératrice est utilisé très rarement pour les turbines éoliennes connectées directement au réseau puisque la présence de turbulences dans le vent peut produire une désynchronisation [25, 26]. Des risques de défaillances et de stabilité électrique font aussi partie des problèmes que rencontrent les machines synchrones comme génératrices éoliennes connectées directement au réseau. Ceci suggère que l’utilisation de ces génératrices se fasse via un convertisseur de puissance [27]. Par ailleurs, le coût d’achat de ces machines est dispendieux, surtout pour les machines de petites puissances [25].

Machines asynchrones

Il existe deux types de machine asynchrone couramment utilisés en énergie éolienne, soit les machines asynchrones à cage d’écureuil (MAS) et les . machines asynchrones à double alimentation (MASDA). Les machines asynchrones à cage sont également appelées des machines à induction (induction machine). La cage d’écureuil fait référence à la forme que possède le rotor. Ce nom provient du fait que ces machines n’ont pas de circuit d’inducteur, ~omme dans le cas de la machine synchrone; on a donc accès seulement au stator. Leur principe de fonctionnement est le suivant: en moteur, le stator produit un champ magnétique tournant à vitesse synchrone à l’aide d’une alimentation alternative triphasée et d’une configuration de ses enroulements en différents pôles. Le champ magnétique tournant induit à son tour une tension et un courant dans les enroulements du rotor. Le couple est créé par l’interaction entre le champ magnétique statorique tournant et le champ magnétique rotorique lui-même créé par les courants circulant dans les enroulements du rotor. Pour maintenir un courant dans les enroulements rotoriques, il faut que le rotor tourne à une vitesse inférieure à la vitesse synchrone. La différence entre la vitesse synchrone ns et la vitesse de rotation du rotor n est appelée le glissement (g = (ns – n )/ns ). Ce glissement varie en fonction du couple r de la machine (cf. Figure 2.5).

Lorsque le rotor tourne à une vitesse supérieure à la vitesse synchrone (vitesse hypersynchrone), le glissement est négatif et la machine fonctionne en génératrice. Sa magnétisation demeure induite par l’application d’une tension au stator afin de créer les courants rotoriques. C’est pour cette raison que le stator de la machine doit être connecté directement au réseau pour fonctionner. Dans ce cas, la génératrice consomme de la puissance réactive pour sa magnétisation. Il est également possible de connecter le stator de la machine asynchrone au réseau via un convertisseur de puissance. Il est à noter que le glissement est proportionnel aux pertes par effet Joule dans le rotor. Dans une machine asynchrone à cage, il n’y a aucun accès au rotor. Par ailleurs, il existe des machines asynchrones dites « à rotor bobiné» qui permettent un accès au rotor. Ces machines sont également appelées des machines asynchrones à double alimentation – MASDA. Il est donc possible de contrôler le glissement du rotor en modifiant la puissance consommée par celui-ci via un dispositif externe. Les machines asynchrones sont largement utilisées en moteur dans l’industrie, ce qUI en fait une machine disponible en de nombreux modèles et possédant un coût avantageux. Ces machines représentent une technologie de choix pour les génératrices éoliennes puisqu’elles sont de construction robuste et peu coûteuse, elles nécessitent peu de maintenance et elles se synchronisent facilement lorsqu’elles sont connectées directement au réseau. De plus, le glissement au rotor permet d’absorber des changements brusques de couple suite à des turbulences importantes du vent. C’est pour ces raisons qu’elles représentent 85 % du marché en énergie éolienne [28].

Éoliennes à vitesse variable

Les éoliennes à vitesse variable sont actuellement les plus utilisées dans l’ industrie. Le terme vitesse variable désigne le fait que la vitesse de la turbine est indépendante de la fréquence du réseau électrique. L’avantage principal d’ opérer la turbine à vitesse variable est de maximiser la capture de l’ énergie disponible dans le vent. Selon la référence [30] , une éolienne à vitesse variable peut aller chercher de 8 à 15 % plus d ‘énergie dans le vent annuellement qu’une éolienne à vitesse fixe . La Figure 2.7 présente une coupe de la Figure 2.3 où l’angle de calage est nul. Ceci permet de voir que pour un angle de calage quelconque, l’efficacité aérodynamique varie en fonction de la vitesse spécifique. Le coefficient de puissance maximal ( Cp max ) est atteint lorsque la vitesse spécifique est optimale (AD). Quant à elle, la vitesse spécifique est fonction de la vitesse du vent et de la vitesse d’opération de la turbine (cf. Expression 2.5). Donc il est possible de représenter la puissance mécanique produite de la turbine en fonction de la vitesse d’opération du rotor pour différentes vitesses de vent, et ce, toujours avec un angle de calage fixe (cf. Figure 2.8). La Figure 2.8 présente un exemple de courbes de la puissance produite en fonction de la vitesse du rotor. Sur celle-ci, on voit que pour chaque vitesse de vent, la puissance possède un maximum en fonction de la vitesse du rotor. En suivant ces maximums, on peut tracer une courbe (en pointillés) sur laquelle le coefficient de puissance est maximal. Le lieu où le coefficient de puissance est maximal correspond également à la vitesse spécifique optimale.

En modifiant la vitesse d’opération de la turbine, il est possible de conserver un coefficient de puissance maximal en jouant sur la vitesse spécifique et ainsi maintenir l’opération de la turbine sur la courbe en pointillé. Donc pour optimiser la puissance mécanique produite à partir de l’énergie contenue dans le vent, on doit ajuster la vitesse angulaire du rotor en fonction de la vitesse du vent. Seule une configuration à vitesse variable peut arriver à faire ce genre d’optimisation. Pour ce faire, l’uti lisation de l’électronique de puissance est essentielle. En fait, les convertisseurs de puissance habituellement utilisés sont des convertisseurs de source de tension (VSC – Voltage Sourced Converters) composés de transistors de type IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistors) [28, 29]. Ces convertisseurs admettent des flux de puissance bidirectionnels, permettent de réguler indépendamment la puissance active et réactive et de produire peu d’harmoniques. Ce type de convertisseur de puissance est en croissance pour de nombreuses applications, en particulier pour l’intégration de ressources distribuées [31, 32]. On peut classer les éoliennes à vitesse variable à l’intérieur de deux catégories, soit les éoliennes avec convertisseur pleine puissance ou les éoliennes avec convertisseur de puissance partiel. La configuration la plus simple est celle présentant des éoliennes avec convertisseur pleine puissance. Le principe est de découpler le stator de la génératrice électrique de la fréquence du réseau via le convertisseur de puissance. De cette façon, l’ensemble de la puissance électrique produite par la génératrice passe par le convertisseur de puissance. Typiquement, ce convertisseur de puissance est composé de deux convertisseurs dos à dos reliés par un lien à courant continu (cf. Figure 2.9). L’un est appelé le convertisseur de puissance côté génératrice (redresseur) et l’autre le convertisseur de puissance côté réseau (onduleur). Les génératrices utilisées pour ce type de configuration sont la machine asynchrone à cage (cf. Figure 2.9), la machine synchrone avec un nombre élevé de pôles (cf. Figure 2.10) ou non (cf. Figure 2.11) et la machine synchrone à aimant permanent avec nombre élevé de pôles (cf. Figure 2.12). Pour ce qui est des machines asynchrones à cage, le rotor de la machine est couplé au rotor de l’éolienne via une boîte de vitesse. Étant donné que la fréquence électrique de la machine est indépendante de la fréquence du réseau, la boîte de vitesse peut être réduite comparativement à une MAS utilisée à vitesse fixe ou une MASDA utilisée à vitesse variable. Ceci réduit les pertes mécaniques et les coûts d’achat de la boîte de vitesse. Cette configuration est utilisée chez Siemens.