MARQUANT Olivier MOREL Jérôme ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

ECOLE DES MINES DE DOUAI
________________
MARQUANT Olivier
MOREL Jérôme
ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
EOLIENNES, EFFET MAGNUS ET PRODUCTION ELECTRIQUE
Promotion 2007
Année scolaire 2005 – 2006
2
3
4
5
REMERCIEMENTS
__________
Nous tenons à remercier Monsieur Jean-luc HARION, enseignant chercheur au
département Génie Energétique qui a accepté d’être notre tuteur pour la réalisation
de cette étude bibliographique.
Nous adressons nos remerciements et notre sympathie au personnel du centre de
documentation de l’Ecole des Mines pour la documentation fournie et leur
disponibilité.
6
7
AVERTISSEMENTS
__________
Dans un souci de compréhension, il nous a paru indispensable de rappeler le
principe de fonctionnement des éoliennes ainsi que les différents types existants.
Par contre, nous n’avons pas souhaité détailler chaque type d’éolienne car cela a
déjà été largement traité dans de précédentes études bibliographiques, seul le
principe à effet Magnus a été abordé plus en détails.
Le sujet de l’éolien étant vaste, nous avons souhaité orienter notre étude
bibliographique principalement sur la gestion et la production d’électricité des
éoliennes.
8
9
TABLE DES MATIERES
__________
Remerciements .............................................................................................................................................. 5
Avertissements .............................................................................................................................................. 7
Résumé ........................................................................................................................................................ 11
Abstract ........................................................................................................................................................ 13
Introduction................................................................................................................................................... 15
PARTIE I : GENERALITE SUR L’EOLIEN ................................................................................................ 18
I.
Introduction [b] [h] [i] [z] ...................................................................................................................... 18
A.
Les ressources énergétiques : [i] .................................................................................................. 18
B.
Le potentiel éolien : [b] [i]............................................................................................................... 18
C. Coût de l’éolien : [b] [i] ................................................................................................................... 19
D. Production Energétique Eolien : [z] .............................................................................................. 19
II.
Fonctionnement [o] [h] [k] [a] [l] [b] [c] ............................................................................................... 20
A.
Principe de base............................................................................................................................. 20
1.
2.
3.
4.
B.
C.
D.
Description [o] ......................................................................................................20
Puissance récupérable. [h] ....................................................................................20
Rendement aérodynamique. [h] .............................................................................22
Le vent. [l] [a] [b] ..................................................................................................22
Conversion Mécanique [k] [a]........................................................................................................ 27
Conversion Electrique [a] [c] [l] ..................................................................................................... 28
Les différents types d’éoliennes [h] [f] [z] .................................................................................... 29
1.
2.
3.
à Axe vertical :. [h] [f]. .........................................................................................29
à Axe Horizontal :. [h] [z].....................................................................................30
L’effet Magnus [a] [t] [u] [s] [o] [y] .......................................................................32
PARTIE II : PRODUCTION ELECTRIQUE................................................................................................ 37
I.
Principe général [l] [b] [p] [q] [m]....................................................................................................... 38
A.
Générateurs électriques [l] [m] ...................................................................................................... 38
B.
Principe [p] [q]................................................................................................................................. 38
C. Réglage de la conversion de l’énergie [b] .................................................................................... 40
II.
Différents Elements de conversion électrique [h] [b] [r] [d] [e]......................................................... 41
A.
Généralité [b] .................................................................................................................................. 41
1.
B.
1.
2.
3.
4.
C.
A.
Principe. ...............................................................................................................43
Constitution...........................................................................................................46
Modes de fonctionnement. .....................................................................................47
Courant d’excitation. ............................................................................................49
Générateur Asynchrone :. [b] [h] [f] [r] .......................................................................................... 51
1.
2.
3.
4.
5.
6.
III.
Principales architectures.......................................................................................41
Générateur synchrone [h] [b] [r] [d] [e].......................................................................................... 43
Introduction ..........................................................................................................51
Comparaison à une génératrice synchrone............................................................51
Principe ................................................................................................................52
Fonctionnement.....................................................................................................52
Glissement ............................................................................................................53
Différents types de machines asynchrone...............................................................53
Raccordement [b] [f] ........................................................................................................................... 54
Au réseau EDF: [b] [f] .................................................................................................................... 54
1.
2.
3.
4.
5.
Principe. ...............................................................................................................54
Raccordement au réseau. ......................................................................................55
Qualité des formes d’ondes. ..................................................................................56
Exemple de raccordement d’un système faible puissance raccordé à un réseau BT.
57
Connexion de parcs éoliens au réseau. ..................................................................58
10
B.
En autonome [a] [h] [r] [x] [k] [w] ................................................................................................... 60
1.
2.
3.
4.
5.
Généralités : .........................................................................................................60
Stockage d’énergie ................................................................................................61
Génératrice Synchrone :........................................................................................62
Génératrice Asynchrone :......................................................................................62
Exemple de réalisation :........................................................................................63
PARTIE III : CONTROLE COMMANDE EOLIEN...................................................................................... 65
I.
Introduction : [b] [r] [f] ......................................................................................................................... 66
II.
Problèmes rencontrés en éolien :...................................................................................................... 66
III. Pourquoi une régulation de vitesse : [f]............................................................................................. 67
IV. Systèmes de régulation mécanique : [u] [r] [b] [h]............................................................................ 68
A.
Le positionnement de la nacelle : ................................................................................................. 68
B.
Le système à pas ou calage variable : ......................................................................................... 68
C. Le système par décrochage aérodynamique actif :..................................................................... 70
D. Autres systèmes mécaniques : ..................................................................................................... 70
V.
Systèmes de régulation électronique : [r] [b] [h] [n].......................................................................... 71
A.
Variation de la résistance rotorique : ............................................................................................ 71
B.
Variation de vitesse :...................................................................................................................... 72
1.
2.
3.
4.
Modification du nombre de pôles : ........................................................................72
Génératrice à double alimentation : ......................................................................72
Génératrice avec convertisseur de fréquence : ......................................................74
Génératrice en raccordement indirect : .................................................................74
C. Démarreur à gradateur : ................................................................................................................ 75
D. Batterie de condensateur : ............................................................................................................ 75
VI. Stratégie de régulation : [h] [r] [n] ...................................................................................................... 76
A.
Association de système de contrôle : ........................................................................................... 76
B.
Système MPPT : ............................................................................................................................ 76
VII. Systèmes d’urgence : [r] [h] ............................................................................................................... 77
A.
Frein aérodynamique :................................................................................................................... 77
B.
Frein mécanique : .......................................................................................................................... 77
C. Frein électronique : ........................................................................................................................ 77
D. Détection vibration : ....................................................................................................................... 77
PARTIE IV : SYSTEME EN DEVELOPPEMENT...................................................................................... 79
I.
Machine à reluctance variable (MRV) [h] [g] .................................................................................... 80
A.
Principe. .......................................................................................................................................... 80
B.
Intérêt. ............................................................................................................................................. 81
II.
Un exemple de perspective future..................................................................................................... 81
PARTIE V : EXEMPLES DE REALISATION ............................................................................................. 83
Annexes
Annexe : Les Thyristors ........................................................................................................................
Annexe 2 : Extrait de certaines NORMES ............................................................................................
Annexe 3 : Extrait de ‘’État de l’Art dans les Aérogénérateur Électriques’’ .......................................
11
12
RESUME
__________
Le but de cette étude n’est pas de donner les éléments nécessaires à la construction
d’une éolienne mais d’aider à mieux en comprendre le principe et les objectifs.
Parmi les différents types d’éoliennes existantes, nous aborderons un principe, peu
utilisé dans le domaine, mais intéressant, basé sur l’effet Magnus.
A partir des éoliennes, différentes sortes de conversion sont possible, nous visiterons
succinctement la conversion mécanique puis plus en détails la conversion électrique,
ainsi nous en décrirons le principe et les différents générateurs présents sur le
marché.
Produire de l’électricité ne suffit pas, encore faut il la consommer, nous traiterons les
différents moyens de stockage, d’injection et de régulation de celle-ci dans les
réseaux électriques.
___________________________________________________________________
MOTS MATIERES
- Asservissement
- Génératrice
- Asynchrone
- Magnus
- Conversion
- Régulation
- Electricité
- Synchrone
- Eolienne
- Vent
13
ABSTRACT
__________
The purpose of this study is not to give all the elements to built a wind turbine but
giving to reader a better understanding of its work.
Among all kind of wind turbine, we tackle a very interesting subject, the Magnus
effect.
With wind turbine, many conversion devices could be used, we are going to see
briefly mechanical conversion and more precisely electrical conversion. By the way,
we will explain different models of usually used generator.
To supply electricity isn’t enough, it must be consumed, so many storage, providing
and servoing system will be seen to deliver the best signal for grid.
__________________________________________________________________
KEYWORDS
- Asynchronous
- Magnus
- Conversion
- Régulation
- Electricity
- Servoing
- Wind turbine
- Synchronous
- Generator
- Wind
14
15
INTRODUCTION
__________
Les énergies fossiles n’étant pas inépuisables et les besoins énergétiques
augmentant en permanence, le contexte économique actuel affiche une volonté
marquée d’économiser nos réserves. L’intérêt pour les énergies renouvelables est
donc en forte croissance, l’éolien possède tous les atouts, de part son potentiel
gigantesque, pour être un acteur prometteur.
La fiabilité, le rendement et la rentabilité des aérogénérateurs ont fortement
progressé ces dernières décennies, rendant cette source d’énergie plus qu’attractive.
L’Europe est de très loin le plus important fournisseur d’aérogénérateurs et pourtant
durant ces dernières décades, les investissements Français sont restés pour ainsi
dire négligeables au regard de ses engagements pour le nucléaire.
La France, possédant le plus grand gisement éolien d’Europe, ne pourrait elle pas
être un des acteurs économiques principaux de ce secteur ?
16
17
PARTIE I
GENERALITES SUR L’EOLIEN
18
I. Introduction [b] [h] [i] [z]
A. Les ressources énergétiques : [i]
L’EWEA (European Wind Energy Association) a émis un rapport sur l’intégration de
l’énergie éolienne dans le réseau électrique européen.
Dans ce rapport, le scénario réalisé par la commission Baseline montre que les
importations européennes en pétrole vont augmenter en 2030 de 76% à 88% et en
gaz de 50% à 81% par rapport à 2000. Les ressources en énergies fossiles, telles
qu’en mer du nord, déclinent rapidement, provoquant d’autant l’augmentation des
importations.
Dans ce contexte, l’Europe n’a pas d’autre choix que de trouver d’autres énergies. Elle
est d’ailleurs le leader mondial dans les énergies renouvelables et dans leur
technologie. En 2004, les fabricants Européen d’aérogénérateur ont plus de 80% de
part de marché.
B. Le potentiel éolien : [b] [i]
Le potentiel éolien est très important
dans le monde, il n’est que très peu
exploité. Selon EWEA, ce potentiel
mondial est de l’ordre de 53 000 TWh
Ressources mondiales annuelles terrestres
d’énergie éolienne en TWh (EWEA)
EWEA estime que l’éolien pourrait
fournir 12% de la consommation
mondiale en 2020.
L’Europe de l’ouest possède un
potentiel éolien d’environ 5000 TWh
dont la plus grosse partie en off-shore
(en mer).
Le potentiel Off-shore est donc
important et situé majoritairement à
partir de 30 m de fond.
Ressources éoliennes offshore européennes
en fonction de la distance des côtes et de la
profondeur – Tech de l’Ingénieur D3960
Le fait que, l’énergie éolienne est propre et gratuite, est effectivement d’un intérêt
notable, mais le point le plus important est que le prix de sa production électrique est
fixé dès la fin de son installation et reste constant pendant toute la phase de
production, contrairement aux énergies fossiles dépendant très largement des
tensions politiques mondiales et d’autres paramètres.
19
C. Coût de l’éolien : [b] [i]
De plus, avec une volonté plus forte d’investir
en R&D (recherche et développement) dans
ce secteur, les performances et le coût de
cette énergie serait d’autant meilleure, les
investissements depuis 30 ans en R&D pour
les énergies non renouvelables a été de 227
milliard d’! contre 19 pour les énergies
renouvelables. Malgré ses investissements
faibles, l’EWEA prédit une baisse des coûts
de production de 40% pour l’éolien off-shore
et de 20% pour on shore à l’horizon 2030. De
plus, ces coûts seront d’autant plus
compétitifs lorsque sera pris en compte les
émissions de CO2 et autres dégradations
environnementales.
Baisse des coûts de production des aérogénérateurs
terrestres, avec une vitesse moyenne des vents de 6 m/s et
un amortissement sur 20 ans (taux d’intérêt : 5 %/an)
(données Agence de l’Énergie Danoise)
Tech de l’Ingénieur D3960
D. Production Energétique Eolien : [z]
Sources : Paul Gipe & Assoc.
L’Amérique du nord, en avance
dans les débuts de l’utilisation
de cette énergie, a été très
largement dépassé par les
européen à partir de 1995.
Sources : Paul Gipe & Assoc.
Sur ces graphes, on observe
aisément l’augmentation rapide
de la mise en place d’éolienne,
bien sur en Europe et plus
particulièrement en Allemagne
et en Espagne.
20
II. Fonctionnement [o] [h] [k] [a] [l] [b] [c]
A. Principe de base
.
1. Description [o]
Que l’éolienne soit à axe horizontal
(arbre du rotor parallèle au sol) ou à
axe
vertical
(arbre
du
rotor
perpendiculaire au sol) le principe est
le même.
L’éolienne récupère l’énergie cinétique
du vent par le biais de ses pales.
Les pales entraînent un dispositif
permettant de produire de l’électricité
ou
de
produire
des
actions
mécaniques, comme le piston d’une
pompe.
Exemple d’éolienne à axe horizontal
On peut définir l’éolienne comme un
aéromoteur (moteur dont l’énergie
principale est le vent).
.
2. Puissance récupérable. [h]
L’énergie éolienne provient de l’énergie cinétique du vent. Pour comprendre
physiquement comment cela fonctionne, considérons une masse d’air m, qui se
déplace avec la vitesse v.
L’énergie cinétique EC de cette masse m est donc :
1
E C = .mv 2
2
Les pales de l’éolienne, quant à elles, balayent une surface A.
Pendant une unité de temps, l’énergie EC récupérée par l’éolienne sur la surface A
!
engendre une puissance instantanée
PI , équivalente à :
1
PI = ."Av 3
2
!
ou ! est la masse volumique de l’air
21
La vitesse derrière les pales, de la masse m considérée, n’étant pas nulle cela
indique que seulement une partie de la puissance instantanée PI est transmise à
l’éolienne.
On définit alors le coefficient de puissance CP de l’aéromoteur par la relation :
CP =
!
PE
PI
CP<1, PE étant la puissance effectivement transmise à l’éolienne.
La valeur maximale de ce coefficient, donc de la puissance maximale qui peut être
récupérée avec une turbine éolienne, peut être estimée en s’appuyant sur la théorie
de Rankine-Froude de l’hélice dans un fluide incompressible.
La valeur maximale de ce coefficient est aussi appelée la limite de Betz (théorie de
Betz-1920) et vaut :
CP MAX= 0,593.
En introduisant ", la vitesse spécifique, définit par la relation suivante :
"=
R.#
v
ou R.# est la vitesse linéaire périphérique en bout de pale de l’hélice.
On peut définir CP en fonction de " :
!
CP=CP(")
La courbe CP(") passe par un maximum "MAX, compris entre 5 et 16 environ, selon le
nombre de pales de la turbine et c’est seulement pour cette valeur que CP s’approche
de la valeur CP MAX.
La figure ci-après montre l’évolution du coefficient de puissance pour des turbines
réelles à axe horizontal à 1, 2, 3 et 4 pales.
Si on considère la machine tripale, on peut dire que son coefficient de puissance est
maximal pour "=7, c’est à dire une vitesse périphérique en bout de pale égale à 7 fois
la vitesse du vent. C’est pour une telle vitesse normalisée que l’on maximise le
rendement aérodynamique.
A diamètre et vitesse de vent donnés, une bipale devra avoir une vitesse de rotation
plus élevée qu’une tripale.
22
3. Rendement aérodynamique. [h]
La valeur de CP dépend également de la vitesse de rotation de la turbine, qui ellemême dépend de la conception de l’éolienne et de la vitesse du vent.
On peut définir la notion de rendement aérodynamique de l’éolienne par le rapport :
"P =
CP
C
= P
CPMAX 0,593
4. Le vent. [l] [a] [b]
!
En fonction des caractéristiques de l’éolienne, il est nécessaire de bien définir le
potentiel énergétique du site qui sera exploité. Cela afin de connaître les contraintes
physiques comme les limitations du système électromécanique et les efforts
s’exerçant sur la structure.
a) Généralités. [l] [a]
Sous l’action des différences de pression atmosphérique continuellement variables qui
existent sur notre planète, l’air ne peut jamais être au repos mais se déplace
pratiquement en permanence. Le courant correspondant constitue le vent. Le vent est
défini par sa direction et sa vitesse.
Classé au deuxième rang européen derrière le Royaume-Uni, la France dispose de
nombreux gisements éoliens, principalement en Bretagne, sur les côtes de la Manche
et dans le Roussillon. La carte ci-après donne une image de l’importance des
potentiels éoliens européen et français.
Vitesse du vent à 50m au dessus du sol pour
4 situations topographiques différentes (en
m/s)
23
b) Répartition de la vitesse du vent. [l] [a]
A ces évolutions du vent à grande échelle, se superposent de nombreuses
irrégularités à échelle beaucoup plus petite, parfois de quelques dizaines de
kilomètres carrés.
La vitesse du vent est une fonction croissante avec la hauteur au-dessus du sol et
avec l’altitude (par rapport au niveau de la mer).
La loi de répartition de la vitesse suivant une verticale dépend d’une part, du relief
local et, d’autre part, de la rugosité de la région.
Au sommet d’une colline arrondie, on a un accroissement local de vitesse dont l’effet
peut inverser le gradient de vitesse habituel et faire que la vitesse au sol soit plus
grande qu’à une certaine hauteur.
Répartition de la vitesse du vent en fonction du relief.
En terrain plat, on peut représenter la variation de la vitesse v en fonction de la
hauteur h au-dessus du sol par la loi :
(
v "h%
=$ '
v 0 # h0 &
ou v0 est la vitesse à la hauteur h0 de référence au-dessus du sol, et $ le coefficient
caractéristique du lieu.
!
Exemple des valeurs prises par $ en fonction du terrain
En mer
0,13
Sur un rivage
0,16
En plaine
0,2
En plaine boisée
0,24
En ville
0,3
24
c) Rose des vents. [b]
La rose des vents est un diagramme polaire qui permet de connaître la vitesse et la
direction du vent sur la période des relevés.
Ce relevé permet de connaître le positionnement des éoliennes par rapport à
d’éventuels obstacles. C’est un diagramme spatiotemporel produit ou utilisé par des
logiciels professionnels pour évaluer qualitativement les possibilités d’un site.
Rose des vents, site du Havre (mesures journalière).
Sur la figure ci-dessus, nous définissons les éléments suivants :
- le pourcentage du temps total pendant lequel le vent souffle suivant une
direction donnée.
- le pourcentage de l ‘énergie totale par secteur. Cela indique la direction qui
fournit le maximum d’énergie.
Mais la quantification du gisement éolien se fait surtout à partir de fonctions de
distribution des vitesses classées
.
d) Distribution et répartition de la vitesse du vent. [b]
En disposant pour un site, pendant une période de référence, d’un ensemble de N
valeurs mesurées de la vitesse du vent v, on détermine la caractéristique de
distribution des vitesses du vent et la caractéristiques des fréquences cumulées.
25
La figure ci-après nous donne un exemple de distribution et de répartition de la vitesse
du vent
Diagramme des fréquences du vent en fonction de la vitesse.
Les fréquences sont ici exprimées en pourcentage sur la période de l’étude du
gisement éolien.
Par exemple, sur le site considéré, les mesures ont montré que sur l’ensemble de la
période considérée, 10% du temps, le vent à une vitesse v de 2 m/s.
A partir du diagramme des fréquences du vent en fonction de la vitesse on peut tracer
le diagramme des fréquences cumulées :
Diagramme des fréquences cumulées en fonction de la vitesse du vent.
Par exemple, toujours pour une vitesse v = 2 m/s, le diagramme nous dit que sur 20%
de la période d’observation, le site possède des vents inférieurs à 2 m/s.
26
Avec l’intégration par rapport au temps, de la densité de la puissance (proportionnelle
au cube de la vitesse v du vent, cf. II-A-2), il est possible de déterminer la densité de
l’énergie qui s’exprime en kWh/m2 de surface interceptée. Pour effectuer une analyse
des principales propriétés statistiques, on utilise des modèles mathématiques des
fonctions de distribution.
.
e) Distribution de Weibull. [b]
Si le nombre N d’échantillons relevés tend vers l’infini et si %v!dv, la fréquence fi et la
fréquence cumulée Fi tendent, respectivement, vers la fonction de densité de
probabilité f(v) et vers la fonction de répartition F(v). Parmi les distributions utilisées
dans les modèles statistiques, la distribution de Weibull s’est avérée appropriée pour
la description des propriétés statistiques du vent.
La fonction de répartition de Weibull à deux paramètres c et k s’écrit :
F(v) = 1" e
) # v &k ,
+"% ( .
+* $ c ' .-
où c (en m/s) est le paramètre lié au facteur d’échelle, et k est le facteur de forme,
sans dimension, caractérisant l’asymétrie de la distribution.
Le calcul des paramètres!c et k se fait en partant du diagramme des fréquences
cumulées mesurées et en utilisant la méthode des moindres carrés.
Distribution de Weibull pour k=2, avec c en paramètre.
Dans l’exemple ci-dessus, nous avons des courbes de distribution de Weibull.
Prenons le cas c=1. Nous pouvons donc dire à la vue de cette courbe, que la
probabilité d’avoir un vent proche de la vitesse v=1m/s est très grande, plus de 80%.
Par contre toujours pour c=1, la probabilité d’avoir une vitesse v du vent supérieur à
8m/s est nulle.
27
B. Conversion Mécanique [k] [a]
Les éoliennes peuvent être directement ou indirectement utilisées pour le pompage de
l’eau.
Exemple de production d’énergie mécanique à partir d’une éolienne
Dans le cas d’une utilisation directe de l’aéromoteur pour le pompage de l’eau on peut
distinguer 2 types d’organes de conversion, les pompes à pistons et les pompes
rotatives.
La pompe à pistons. Simple et permet une hauteur de refoulement importante. Le
mode d’attaque se fait par une longue tige descendant jusqu’au piston. La tige doit
surtout être adaptée aux efforts de traction. Les irrégularités de couple entre les deux
courses sont compensées par des dispositifs extérieurs : levier, poids, ressort.
Pour des grandes profondeurs de pompages, il faut minimiser les efforts d’inertie et
éviter les phénomènes de résonance dans la tige. On est alors souvent conduit à
réduire la vitesse par l’utilisation d’un réducteur.
La pompe rotative. Le couple, faible aux basses vitesses, croît assez rapidement. Elle
s’adapte bien aux éoliennes à marche rapide. Leur caractéristique puissance-vitesse
est telle qu’il est possible de faire coïncider la zone de rendement maximal de
l’éolienne et celle de la meilleure utilisation de la pompe.
28
C. Conversion Electrique [a] [c] [l]
Dans les régions ventées du globe, la production d’électricité à l’aide d’éoliennes peut
s’avérer économique. Elle est notamment intéressante pour les communautés isolées.
Exemple de conversion électrique.
Les éoliennes généralement utilisées pour la production d’énergie électrique sont les
éoliennes rapides à deux ou trois pales et ceci pour plusieurs raisons :
- elles sont plus légères donc moins chères.
- Elles tournent plus vite. Le multiplicateur de vitesse à utiliser pour
l’entraînement du générateur électrique pourra de ce fait, présenter un rapport
de multiplication plus faible et sera plus léger. Dans certains cas, il pourra être
même supprimé.
- Le couple nécéssaire pour la mise en route d’un générateur électrique est très
faible. Bien que le couple de démarrage des éoliennes rapides soit lui même
faible, il est suffisant pour entraîner hélice et générateur en rotation.
Exemple d’une éolienne pour une conversion
électrique
1 : Pales
2 : Moyeu du rotor
3 : Structure de la turbine
4 : Paliers du rotor à double rangée de billes.
5 : Arbre lent du rotor en acier haute résistance.
6 :Multiplicateur de vitesse à 3 étages.
7 : Frein à disque sur l’arbre rapide.avec témoin d’usure
8 : Accouplement avec la génératrice de type flexible.
9 : Génératrice (800/200 kW) asynchrone refroidie à
l’eau.
10 : Radiateur de refroidissement.
11 : Système de mesure du vent (anémomètre et
girouette).
12 : Système de contrôle surveille et pilote la turbine.
13 : Système hydraulique pour les freins d’extrémité de
pale
et le système d’orientation.
14 : Entraînement d’orientation de la tourelle à deux
trains
d’engrenages planétaires.
15 : Paliers du système d’orientation équipés d’un frein
à
disque.
16 : Capot de la nacelle ; 17 : Tour en acier tubulaire.
29
D. Les différents types d’éoliennes [h] [f] [z]
Il existe deux grandes familles d’éoliennes basées sur la géométrie de l’arbre qu’elles
entraînent :
" à axe vertical
" à axe horizontal
D’autres types d’éoliennes existent mais n’ont jamais débouché sur une quelconque
industrialisation, nous ne les aborderons donc pas dans cette étude, de même que
nous ne détaillerons pas les principes de fonctionnement de chaque type d’éolienne.
La plupart des éoliennes utilisées dans la production d’électricité industrielle sont à
axe horizontal.
1. à Axe vertical :. [h] [f].
Il existe plusieurs types d’éolienne utilisant cette technologie. Les principaux sont donc
représentés par le rotor de Savionus et de Darrius à 2 ou 3 pales.
Les principaux types d’éolienne
à axe vertical
Quelques réalisations d’éolienne
à axe vertical
La machinerie de ce type d’éolienne est au sol, cela facilite donc les opérations de
maintenance. Par contre, les efforts supportés par les paliers sont importants du fait
du poids de l’éolienne placé juste au dessus.
30
Leurs courbes de Cp sont plus en cloche que les éoliennes à axe horizontal, cela
impose donc d’utiliser systématiquement un système de régulation de vitesse de
rotation en fonction du vent afin d’obtenir la puissance voulue.
Coefficient de puissance en fonction de la vitesse relative
Par contre, elles s’orientent automatiquement par conception en fonction de la
direction du vent, sont peu bruyantes et supportent des vents violents.
Elles possèdent un couple de démarrage élevé, fonctionnent donc dès les plus faibles
vitesses de vent et sont simple de conception en général.
2. à Axe Horizontal :. [h] [z].
Eoliennes installées en Irlande du Nord : Paul
Gipe & Assoc.
Le type le plus courant est l’éolienne à 3 pales
placé face au vent mais il existe d’autres
modèles possédant plus de pales notamment
pour le pompage.
Ces éoliennes sont toutes placées au vent
(face au vent).
Leur puissance peut aller jusqu’à plusieurs
MégaWatts.
31
Machine à rotor sous le vent : «downwind»
bipale Vergnet 220 kW
Le système sous le vent permet d’éviter les
mécanismes de positionnement de nacelle car
l’éolienne se positionne automatiquement mais
ces rotations constantes peuvent entraîner une
fatigue prématurée des matériaux.
Ce système à concentrateur est pour l’instant
expérimental.
La société Cita a mis sur le marché un modèle
de 12kw.
Ce type de construction permet de diminuer
l’envergure des pales mais nécessite un
ensemble mécanique de support important.
32
3. L’effet Magnus [a] [t] [u] [s] [o] [y]
L’effet Magnus a été découvert par Heinrich Gustav
Magnus (1802-1870), un physicien allemand, qui a
étudié notamment l’influence de la rotation d’un
cylindre autour de son axe sur un fluide s’écoulant
perpendiculairement à celui-ci.
a) Principe : [a]
Dans un premier temps, nous prendrons un cylindre fixe dans un écoulement de fluide
normal à celui-ci.
Le fluide s’écoule alors autour du cylindre. Lorsque la
vitesse du fluide devient plus importante, il apparaît
une zone tourbillonnaire à l’arrière du cylindre et le
point de décollement des lignes de courants se
déplace pour arriver pratiquement au sommet de part
et d’autre du cylindre. Nous obtenons une zone de
surpression au contact du cylindre puis une zone de
dépression dans la couche limite turbulente.
De cet effet de traînée, il en résulte une force résultant F que l’on aperçoit sur le
schéma ci-contre.
Prenons cette fois un cylindre en rotation dans ce même fluide.
Par effet de frottement, le fluide est accéléré par la
rotation du cylindre d’un coté et ralenti de l’autre et
donc entraîné vers l’arrière de l’obstacle dans la
partie accéléré. On obtient une suppression en
amont, au contact du cylindre, du fait de la courbure
des lignes de courant, puis celle-ci s’inversant une
dépression sur la partie du fluide accéléré.
Le phénomène n’étant pas symétrique, il en résulte un effet de portance P, la force
résultante F change alors de direction. R étant l’effet de traînée.
Cet effet est appelé l’effet Magnus
33
Ce phénomène explique notamment les modifications de trajectoires de balle ayant
subit un effet particulier, par exemple en tennis ou au football.
Phénomène de Magnus
Déviation d’un projectile par effet Magnus
b) Comparaison avec une éolienne classique :
Nous prendrons, pour cette rapide comparaison, chaque éolienne à axe horizontal
placée au vent. On peut contrôler la portance d’une éolienne afin de réguler sa
puissance envoyée sur la génératrice.
La portance dépend de l’angle de
calage des pales sur une éolienne
classique. Il suffit donc d’agir sur cet
angle ou de définir une forme
appropriée des pales afin d’obtenir le
décrochage aérodynamique lorsque le
vent atteint une vitesse élevé.
Sur l’éolienne à effet Magnus, la
portance dépendant de la vitesse de
rotation du cylindre, on peut donc la
modifier en faisant varier cette vitesse.
Nous verrons plus en détail, dans la partie III, les différents modes de contrôle de
puissance existants pour les éoliennes
34
c) Utilisations : [u] [t] [s]
Dans l’industrie éolienne :
Cette technique de l’effet Magnus n’a pas été encore utilisée dans l’industrie éolienne
mais seulement dans des cas expérimental. Par exemple, le CUST réseau polytech
de Clermont-Ferrand a réalisé un modèle de petite puissance (1500 w).
Dans l’aéronavale :
Un navire allemand a navigué, équipé d’un système de rotors à effet Magnus (rotor de
Flettner). Cela a été abandonné jusqu’en 1980, la fondation Cousteau s’est alors
intéressée de nouveau à cette technique avec l’appui de 2 ingénieurs.
Bertrand CHARRIER et Lucien MALAVARD ont alors mis au point une turbovoile basé
sur cet effet. Afin de s’affranchir des problèmes liés à l’entraînement en rotation d’un
cylindre vertical imposant, ils ont utilisé un cylindre fixe puis afin de créer le même
effet de portance, ils ont ajouté deux zones d’aspiration à l’arrière du cylindre.
Ces zones permettent d’aspirer la couche limite turbulente et donc de forcer les lignes
de courant à suivre le plus longtemps possible le cylindre. On obtient donc le même
résultat qu’avec le cylindre tournant.
Cylindre tournant
Cylindre aspiré
35
L’aspiration est réalisée à l’aide d’un ventilateur placé à l’intérieur et dans la partie
supérieur du cylindre comme on peut le voir sur les photos suivantes.
La turbovoile de l’Alcyone
Vue intérieure de la turbovoile
Bien entendu, l’Alcyone navigue équipé de deux turbovoiles et d’un moteur diesel.
Une régulation permet de réguler et même d’arrêter le moteur en fonction de la
propulsion réalisé grâce à la turbovoile. Un volet a été placé à l’arrière du cylindre afin
de séparé l’intrados de l’extrados (cf : l’aile d’un avion).
Le 17 juin 1985, l’Alcyone a rejoint New York au départ de Tanger, mais n’a, à priori,
pas convaincu la communauté maritime car nous n’avons pas vu d’autre réalisation de
ce type.
36
PARTIE II
PRODUCTION ELECTRIQUE
37
38
I. Principe général [l] [b] [p] [q] [m]
A. Générateurs électriques [l] [m]
L’aéromoteur peut entraîner, soit directement, soit par l’intermédiaire
multiplicateur, trois types de générateurs électriques :
- une génératrice à courant continu (dynamo).
- une génératrice synchrone à courant alternatif (alternateur).
- une génératrice asynchrone à courant alternatif.
d’un
Ces trois types de générateur transforment, aux pertes près dans le générateur,
l’énergie mécanique (2&.n.C) en énergie électrique (u.i).
C est le couple de l’aéromoteur en newton par mètre (N.m)
n est la fréquence de rotation
i est le courant fourni par le générateur sous la tension u.
Les générateurs électriques utilisés sont essentiellement des alternateurs. Ces
derniers qui peuvent être utilisés pour la production de courant alternatif peuvent
également fournir du courant continu après redressement. La production de courant
continu est intéressante parce qu ‘elle permet le stockage d’énergie dans les batteries
d’accumulateurs.
L’alternateur présente l’avantage de débiter à une vitesse basse et de fournir encore
de l’énergie à une vitesse supérieure.
Sur les grandes éoliennes (supérieures à 100 à 150 kW), la tension générée par
l'éolienne est le plus souvent un courant alternatif triphasé. Le courant est ensuite
conduit à travers un transformateur situé juste à côté de l'éolienne (ou bien à
l'intérieur) pour augmenter la tension à approximativement 10.000 à 30.000 V, selon le
standard du réseau électrique local.
Les grands constructeurs fournissent tant des modèles d'éoliennes de 50 Hz (pour la
quasi-totalité des réseaux électriques du monde) que des modèles de 60 Hz (pour le
réseau électrique américain).
B. Principe [p] [q]
Schéma simplifié d’une éolienne à production d’électricité
39
Reprenant le principe de fonctionnement des moulins à vent, les éoliennes constituent
actuellement un mode de production d'énergie électrique en plein développement.
Le rotor est relié à un multiplicateur (un système d'engrenages) destiné à augmenter
la vitesse de rotation
Le multiplicateur entraîne, par exemple, un alternateur qui génère une tension
alternative
Exemple d’alternateur.
Un aimant permanent appelé rotor tourne au centre d’une carcasse. Dans cette
carcasse est logée une bobine appelée stator. Par le passage de l’aimant près de la
bobine, une tension de forme sinusoïdale est produite. Dans les centrales, l’aimant est
remplacé par un électroaimant pour obtenir une puissance supérieure.
Forme de la tension présente aux bornes de la bobine en fonction de la position du
rotor.
40
C. Réglage de la conversion de l’énergie [b]
Pour les éoliennes à axe horizontal, le couple de démarrage est plus grand lorsque le
nombre de pales est élevé mais le domaine des vents exploitables est plus restreint.
Dans la phase d’exploitation, compte tenu du caractère très fluctuant du vent et aussi
de la résistance limitée de la structure, on est amené à opérer deux types de réglage.
En effet, pour garantir un captage optimal de l’énergie incidente, il faut ajuster en
permanence la vitesse de l’éolienne à la vitesse du vent et l’angle d’incidence des
pales.
Courbe typique de la puissance extraite par une éolienne en fonction de la vitesse du
vent.
Sur la caractéristique d’exploitation d’une éolienne de la figure ci-dessus nous
observons quatre zones :
- Zone I, où la vitesse du vent est inférieure à la vitesse de démarrage de
l’éolienne. Dans ce cas, la turbine ne fonctionne pas.
- Zone II, où la vitesse du vent est comprise entre la vitesse de démarrage et la
vitesse nominale. La puissance récupérée est alors variable. C’est dans cette
zone qu’il est intéressant de faire varier la vitesse de rotation.
- Zone III, la puissance développée par l’éolienne est limitée à la puissance
nominale. Car au-delà de la vitesse nominale fixée, le surcoût lié au
dimensionnement (puissance, résistance mécanique…) ne serait pas amorti
par le gain de production.
- Zone IV, la vitesse du vent dépasse la vitesse maximale admissible par
l’éolienne. La turbine est alors en mode « sécurité » et donc à l’arrêt.
41
II. Différents Elements de conversion électrique [h] [b] [r] [d] [e]
A. Généralité [b]
.
1. Principales architectures.
Les figures ci-dessous présente les architectures les plus couramment utilisées dans
l’industrie.
a) G.A.S. à cage.
Génératrice asynchrone GAS à cage avec multiplicateur et connexion directe au réseau
Exemple d’utilisation industrielle :
Vergnet GEVxx 5 à 275 kW
Système le plus courant car il est à faible
coût. Génératrice souvent à 2 vitesses
pour augmenter l’efficacité énergétique.
Inconvénient du couplage réseau rigide
et stress mécanique accrû (effets de
rafales et de masquage du mât).
.
b) G.A.S. à bague.
Génératrice asynchrone GAS à bague directement connectée au réseau et contrôle
électronique du glissement
Exemple d’utilisation industrielle :
Vestas Opti Slip ,V47 à 660 kW
V 80 à 1,8 MW
.
Variation électronique de la résistance du
rotor, permettant de filtrer les rafales et
les effets d’ombrage sans dégrader le
rendement.
42
c) G.A.S. avec multiplicateur.
Génératrice asynchrone GAS avec multiplicateur à variation de vitesse par le rotor
Exemple d’utilisation industrielle :
Gamesa Eolica
G 47 à 660 kW
G 80 à 2 MW
Solution intéressante où le convertisseur
statique est dimensionné à une
puissance réduite selon la gamme de
variation de vitesse désirée. Possibilité de
régler l’énergie réactive.
.
d) G.S.
Génératrice synchrone GS à attaque directe à excitation bobinée sans balai ou à aimants.
Exemple d’utilisation industrielle :
Enercon
E 30 à 200 kW
E 112 à 4,5 MW
Système sans multiplicateur mécanique.
Génératrice synchrone à grand nombre
de pôle à excitation bobinée ou à
aimants. Grande plage de variation de
vitesse. Rendement élevé. Possibilité de
régler l’énergie réactive.
Coût élevé.
43
B. Générateur synchrone [h] [b] [r] [d] [e]
.
1. Principe.
.
a) Introduction avec les moteurs synchrones.
L'ensemble des moteurs triphasés utilise un champ magnétique tournant.
Sur la figure ci-dessous, il y a trois électroaimants dans un cercle. Chaque
électroaimant est raccordé à sa propre phase dans un réseau électrique triphasé.
Chacun des électroaimants produit alternativement un pôle sud et un pôle nord vers le
centre. La fluctuation du magnétisme correspond exactement à celle de la tension de
chaque phase. Lorsqu'une des trois phases atteint son maximum, le courant circule
dans les deux autres dans le sens inverse et à demi-tension. Comme le courant
traversant chacun des trois aimants se trouve toujours décalé d'un tiers de période par
rapport au précédent, le champ magnétique fera un tour entier par cycle.
Exemple de fonctionnement d’un moteur
synchrone bipolaire à aimant permanent.
L'aiguille aimantée (avec le pole nord marqué en rouge) suivra le champ magnétique
de façon très précise, faisant exactement un tour par cycle. Dans un réseau à 50 Hz,
l'aiguille fera 50 tours par seconde, c’est à dire 50 fois 60 = 3.000 tours par minute.
Si l'on dit que le moteur est synchrone, c'est parce que l'aimant au centre tourne à une
vitesse constante qui est synchrone avec la rotation du champ magnétique.
La raison pour laquelle on dit que c'est un moteur bipolaire est qu'il a un pôle nord et
un pôle sud. Et non 3 pôles, car l'aiguille de compas est soumise à l'attraction du total
des champs magnétiques autour de son propre champ magnétique.
Si l'aimant tout en haut est un pôle sud fort, les deux aimants situés en bas formeront
ensemble un pôle nord fort. On dit que le moteur est à aimant permanent parce que
l'aiguille de compas au centre est un aimant permanent et non un électroaimant.
44
b) Fonctionnement d’une génératrice synchrone.
Si l'aimant est forcé de tourner (au lieu de laisser le courant du réseau électrique le
mouvoir), il fonctionnera comme une génératrice, retournant du courant alternatif au
réseau. Plus la force (le couple) utilisée est grande, plus la production d'électricité sera
importante bien que la génératrice continue à fonctionner à exactement la même
vitesse, celle-ci étant déterminée par la fréquence du réseau.
Cependant, si vous débranchez la génératrice du réseau principal, il faudra la faire
tourner à une vitesse de rotation constante afin de produire du courant alternatif à une
fréquence constante. Par conséquent, avec ce type de génératrice, on optera
normalement pour un raccordement indirect au réseau.
Dans la pratique, des génératrices synchrones à aimants permanents sont très peu
utilisées. Il y a plusieurs raisons pour cela : d'abord, les aimants permanents tendent à
se démagnétiser lorsqu'ils travaillent dans les champs magnétiques puissants à
l'intérieur de la génératrice. En plus, les aimants forts (fabriqués de métaux rares tels
que le néodyme) coûtent assez chers.
.
c) Eolienne avec des génératrices synchrones.
Dans le rotor d'une éolienne avec une génératrice synchrone, on installe normalement
des électroaimants alimentés par courant continu du réseau électrique. Comme le
réseau électrique fournit du courant alternatif, il faut le convertir en courant continu
avant qu'il ne soit envoyé aux bobines roulées autour des électroaimants du rotor.
Les électroaimants du rotor sont branchés au courant au moyen de brosses et de
bagues collectrices fixées à l'arbre de la génératrice.
Précédemment, nous avons vu que la vitesse d'une génératrice (ou d'un moteur)
raccordée directement à un réseau triphasé est constante et déterminée par la
fréquence du réseau. Cependant, si on double le nombre d'aimants placés dans le
stator, le champ magnétique tourne alors à demi-vitesse.
Exemple d’une génératrice avec plusieurs aimants.
Cette génératrice comporte quatre pôles à tout moment, deux pôles sud et deux pôles
nord. Comme une génératrice tétrapolaire ne tourne qu'un demi-tour par cycle, elle
fera 25 tours par seconde (ou 1.500 tours par minute) si elle est raccordée à un
réseau à 50 Hz.
45
En doublant le nombre de pôles du stator d'une génératrice synchrone, nous devons
également doubler le nombre d'aimants du rotor. Sinon les pôles n'iront pas bien
ensemble.
Il est évidemment possible d’introduire une autre paire de pôles en installant trois
électroaimants en plus dans le rotor. Avec 9 aimants, nous aurons une machine à 6
pôles qui tournera à 1.000 tours par minute dans un réseau à 50 Hz. Les résultats
généraux seront les suivants :
Différentes vitesses d’une génératrice synchrone (en tours par minute)
Nombre de pôles
Pour un réseau à 50 Hz
Pour un réseau à 60 Hz
2
3000
3600
4
1500
1800
6
1000
1200
12
500
600
Le terme "vitesse de la génératrice synchrone" se réfère à la vitesse de la génératrice
lorsqu'elle tourne de façon synchronisée avec la fréquence du réseau. Le tableau est
donc valable pour pratiquement tous les types de génératrices.
Bien entendu il ne s’agit pas ici de la vitesse de rotation de l’éolienne, mais bien celle
du rotor de la génératrice (cf. partie II,I-B)
.
d) Génératrices à faible ou grande vitesse.
La majorité des éoliennes sont munies de génératrices de 4 à 6 pôles. Les atouts des
génératrices à vitesse relativement grande sont les économies qu'elles permettent de
faire, tant au niveau de la taille qu'au niveau des coûts.
Le couple maximal que peut supporter une génératrice dépend du volume de son
rotor. Pour une puissance de sortie donnée, il faut donc choisir entre une génératrice
grande et assez chère à faible vitesse, et une génératrice plus petite (et moins chère)
à grande vitesse.
46
2. Constitution.
Une machine synchrone, quelle que soit son architecture, est une machine pour
laquelle la fréquence f des courants dans l’induit est liée à la vitesse de rotation # et
au nombre de paires de pôles p par la relation :
"=
# 2$
=
.f
p
p
Les machines synchrones à champs tournant comportent :
- Une armature portant les bobinages de l’induit, monophasés ou polyphasés. Ils
sont parcourus par !
des courants alternatifs et disposés de façon à créer le
même nombre de pôles que l’inducteur. Cette armature est généralement
située sur le stator.
- Une armature mobile portant soi un enroulement inducteur (bobinage
d’excitation) parcouru par un courant continu, soit des aimants permanents
montés en surface ou enterrés. Dans le cas d’un inducteur bobiné placé au
rotor, l’alimentation de celui-ci est généralement réalisée via un système de
contacts frottant bague-balais. L’utilisation d’aimants permanents est
aujourd’hui quasi systématique pour les puissances inférieures à 10 kW.
Cependant pour certaines applications, la configuration peut être différente. En effet,
l’armature d’induit peut être tournante.
En outre, pour les deux familles d’inducteurs, on distingue deux catégories de rotor :
- Inducteur à pôles lisses donnant un entrefer constant donc sans hétérogénéité
magnétique sur sa périphérie.
- Inducteur à pôles saillants donnant un entrefer variable et fonction de la
position du rotor.
Les figures ci-dessous nous montrent ces deux familles.
Section droite du fer d’une machine à pôles saillants
à excitation bobinée.
47
Rotor bobiné à pôles lisses quadripolaire.
On peut également simplifier la classification des machines synchrones :
- Les machines synchrones à excitation hétéropolaire (champ bidirectionnel dans
l’entrefer) :
o A inductance bobiné,
o A inductance à aimants permanents.
- Les machines synchrones à excitation homopolaire (champ unidirectionnel
dans l’entrefer) :
o A inducteur fixe,
o A inducteur mobile.
- Les machines synchrones à excitations multiples ou encore combinées.
- Les machines synchrones non excitées dites à reluctance variable pure.
.
3. Modes de fonctionnement.
Différents modes de fonctionnement sont traités et caractérisés par le principe
d’obtention de la condition de synchronisme, c’est à dire par le contrôle ou non de la
fréquence des champs tournants induit et inducteur.
.
a) Modes à fréquence libre.
Dans ce cas, nous trouvons des fonctionnements en générateur autonome.
48
b) Modes à fréquence imposée.
Dans ce cas, deux modes peuvent être distingués selon que la fréquence varie ou
non :
- à fréquence fixe ou nous retrouvons le fonctionnement de la machine
synchrone couplée à une source électrique imposant la fréquence et la tension.
- A fréquence variable et donc à vitesse variable. Selon que la position du rotor
est connue ou non.
Principaux modes de fonctionnement de la machine synchrone.
Enfin, tout particulièrement dans le cas des éoliennes à entraînements directs (sans
multiplicateur mécanique), on utilise des machines synchrones. Leurs performances,
notamment en terme de couple massique, sont très intéressantes lorsqu’elles ont un
très grand nombre de pôles, leur fréquence étant alors incompatible avec celle du
réseau, le convertisseur de fréquence s’impose. C’est pourquoi les machines à
entraînement direct sont toutes à vitesse variable.
Les génératrices synchrones à entraînement direct sont encore peu nombreuses, le
principal fabricant est Enercon (environ 3000 machines sont déjà en service).
L’inducteur (rotor) est bobiné, il nécessite un système bagues lisses-balais pour
amener le courant continu. Le courant d’excitation constitue un paramètre de réglage
qui peut être utile pour l’optimisation énergétique, en plus du courant d’induit réglé par
l’onduleur MLI.
49
Pour des raisons de compacité et de rendement, des génératrices synchrones à
aimants permanents apparaissent (Jeumont Industrie) et devraient prendre une place
croissance dans les prochaines années.
On trouve également des machines synchrones « rapides » associées à un
multiplicateur de vitesse, comme chez le constructeur Made (gamme au-delà de 800
kW). Ces machines fonctionnent à vitesse variable, elles débitent sur un redresseur à
diodes, puis la tension continue est convertie à travers un onduleur MLI pour être
compatible avec le réseau auquel elles sont connectées.
4. Courant d’excitation.
a) Description.
Les machines électriques synchrones qui convertissent l’énergie mécanique en
énergie électrique nécessitent une alimentation en courant continu de leur inducteur
ou système d’excitation (cf. partie II,II-B-1-c et partie II,II-B-2).
Pour fournir le courant continu d’excitation d’une machine synchrone, il est nécessaire
de disposer d’une source de tension continu, variable dans d’assez larges proportions,
puisque, entre le fonctionnement à vide et le fonctionnement en régime nominal, le
courant d’excitation d’une machine à pôles saillants varie environ du simple au double.
On peut distinguer 3 grandes catégories de sources principales d’excitation :
- excitatrice à courant continu.
- Alternateur-excitateur débitant sur redresseurs.
- Redreseur alimenté directement à partir les bornes de de la machine synchrone
principale.
.
b) Excitatrice à courant continu.
Principe de l’excitation par machine à courant continu.
L’excitatrice doit nécessairement être munie d’un enroulement Lsép par lequel seront
obtenues les variations de flux permettant la variation de sa tension aux bornes Vf.
Dans le but de diminuer l’importance de la source alimentant l’enroulement Lsép,
l’excitatrice peut être munie d’un enroulement d’auto-excitation en dérivant Ld qui, à lui
seul, est capable de permettre la fourniture de la tension Vf et du courant If
correspondant au fonctionnement à vide de la machine principale.
50
c) Alternateur-excitateur débitant sur redresseurs.
Principe de l’excitation par alternateur-excitateur.
Il existe deux variantes selon que l’alternateur-excitateur est de conception classique,
c’est à dire à inducteur tournant et induit fixe, ou l’inverse.
L’alternateur-excitateur peut être accouplé sur le même arbre que le rotor de la
machine principale, si bien que l’avantage de la figure b) ci-dessus est de ne
nécessiter aucun contact glissant.
Ces deux solutions (a) et (b) sont utilisées à l’heure actuelle pour l’excitation des très
gros turboalternateurs.
.
d) Auto-alimentation.
Il existe deux procédés d’auto-alimentation : à dérivation pure et à compoundage.
.
e) Fonctions devant être assurées par le système d’excitation.
Le système d’excitation des machines synchrones est amené à jouer un rôle important
dans deux catégories de circonstances :
-
-
il assure le réglage de la tension dans les conditions normales de
fonctionnement, c’est à dire lorsque les conditions extérieures appliquées, et
notamment la tension aux bornes, ne varient pas avec simultanément une
grande amplitude et une grande rapidité. On considère dans ce cas le
comportement du système d’excitation vis-à-vis des petites perturbations.
il contribue au rétablissement de conditions normales de fonctionnement, à la
suite de variations brutales et de grande amplitude, des conditions extérieures
appliquées, et notamment de la tension aux bornes. On considère alors le
comportement du système d’excitation vis-à-vis des grandes perturbations.
51
C. Générateur Asynchrone :. [b] [h] [f] [r]
1. Introduction
Ce type de générateur est très peu utilisé en dehors
de l’industrie éolienne. Conçue comme un moteur,
elle a l’avantage de travailler en glissement et a
donc une bonne capacité à supporter les
surcharges temporaires, elle est donc bien adapté à
l’utilisation sur des éoliennes.
Par contre, du fait de sa conception, elle est utilisée principalement pour des
raccordements au réseau car elle nécessite une alimentation électrique pour
fonctionner. Cette génératrice s’est par contre imposée dans ce domaine grâce à son
coût de fabrication moins élevé que les machines synchrones.
2. Comparaison à une génératrice synchrone
L’élément, différenciant une génératrice asynchrone d’une synchrone, est le rotor. En
effet, sur la génératrice asynchrone, le rotor n’est pas composé d’un aimant
permanent ou d’électroaimants, celui-ci est en général constitué d’une cage à écureuil
ou d’un bobinage en court-circuit.
Un des intérêts de cette génératrice est que le rotor à cage ou à bobinage en courtcircuit s’adapte automatiquement au nombre de pôles du stator, on peut donc adapter
plus facilement la vitesse de rotation de la génératrice en fonction du vent.
Exemple : Cage à écureuil ou cage à induction
Cette cage est constituée de barreau
de cuivre et d’aluminium mis en courtcircuit via 2 cercles en aluminium
placés aux extrémités.
52
On ne peut, contrairement aux génératrices avec bobinage rotorique, modifier le
glissement par augmentation ou diminution de la résistance interne du bobinage.
Nous verrons ce point plus en détail lors du chapitre III-5-A.
3. Principe
La mise sous tension du stator, qui est composé d’électroaimant, se magnétise, il se
crée alors en son sein un champ tournant.
Le rotor, étant composé d’un ensemble métallique en court-circuit (cage ou bobinage),
lorsque celui-ci ne tourne pas à la même vitesse que le champs tournant du
stator (glissement), il apparaît en son sein des courants de foucault.
De part sa faible résistance au courant, il apparaît alors, dans le rotor, un champ
magnétique qui lui est propre. Ce champ génère un force électromotrice dans le
stator.
4. Fonctionnement
a) Démarrage :
Lors de la connexion au réseau, si le vent n’est pas suffisant pour entraîner le rotor à
une vitesse au moins aussi élevé que le stator, la machine se comporte comme un
moteur donc grâce au champ magnétique tournant du stator, le champ magnétique du
rotor, dont nous avons vu la genèse, est entraîné en rotation par le champ statorique.
Le rotor tourne de plus en plus vite jusqu’à pratiquement rejoindre la vitesse du stator.
Il y a donc consommation d’électricité
b) Vitesse rotorique et statorique identique :
Les vitesses étant identiques, il y a non glissement, le stator ne génère aucun courant
de Foucault dans le rotor, il n’y a donc plus de champ rotorique propre donc aucun
courant n’est récupéré ni consommé dans le stator. Il n’y a donc pas de production
d’électricité.
c) Vitesse rotorique > Vitesse statorique :
Lorsque le vent est suffisamment élevé pour entraîner les pales, donc le rotor, à une
vitesse plus importante que celle du champ statorique, il y a donc glissement. Le
champ rotorique génère donc une force électromotrice dans le stator qui la convertit
en courant. Il y a donc production d’électricité.
53
5. Glissement
Comme nous l’avons vu précédemment, le glissement apparaît lorsque la vitesse du
rotor est différente de la vitesse du stator. Ce glissement est, en pratique, de l’ordre de
1% sur les éoliennes. En effet, à partir d’une certaine vitesse de rotation on observe
une diminution sensible du flux dans la génératrice, ainsi passé une certaine valeur du
couple appliqué sur l’éolienne, la puissance diminue.
Le glissement suit la relation suivante : g = 1 "
!
!s
avec # = vitesse rotorique
#s = vitesse du champ statorique
L’intérêt du glissement, en dehors bien sur du fonctionnement propre de la génératrice
asynchrone lui permettant de produire de l’électricité, est qu’il permet d’absorber les àcoups dus à des rafales de vent. Cela permet donc de réduire les fatigues
prématurées du système de conversion mécanique.
De plus, lorsque le glissement augmente, le rendement de la génératrice diminue ainsi
on peut donc s’en servir pour diminuer l’effet de ces même à-coups sur le réseau en
augmentant ou diminuant le glissement artificiellement. Ce système est utilisé par
certain fabricant, le glissement peut alors varie de 1 à 10%.
6. Différents types de machines asynchrone
Comme non venons de le voir, il existe plusieurs technologies employées pour réaliser
une génératrice asynchrone.
a) à rotor à cage à induction :
Cette technique permet de réaliser des montages divers.
" à plusieurs vitesses fixes par la modification du nombres de pôles du stator, le
rotor s’adaptant automatiquement.
" à vitesse variable en agissant sur la fréquence de la tension d’alimentation du
stator, cela en prenant en compte la vitesse du vent.
b) à rotor bobiné :
Pour cette technique, le choix de régulation de vitesse est plus important et
donc permet de réaliser de nombreux montages.
" à plusieurs vitesses fixes sur le même principe que précédemment.
" à vitesse variable modèle à double alimentation.
" à vitesse variable avec un convertisseur de fréquence direct sur le stator.
Nous aborderons l’ensemble de ces montages dans le chapitre III-5-B.
54
III. Raccordement [b] [f]
.
A. Au réseau EDF: [b] [f]
.
1. Principe.
Exemple de traitement du signal electrique.
Connecter l’éolienne au réseau par l’intermédiaire d’un dispositif électronique Le
générateur, synchrone ou asynchrone, produit du courant alternatif sur son propre
sous-réseau. La fréquence de ce dernier est ajustée électroniquement pour s’adapter
au mieux aux conditions de vent (vitesse de synchronisme ou zone de glissement). Le
courant à fréquence variable ainsi produit est d’abord transformé en courant continu,
puis celui-ci est découpé et filtré pour pouvoir être injecté sur le réseau de distribution.
Une telle configuration permet d’absorber les rafales, en stockant l’énergie cinétique
supplémentaire sous la forme d’énergie de rotation de l’éolienne (augmentation de la
vitesse de rotation). Elle diminue également les sollicitations mécaniques sur la
transmission, les pales, la tour (réduction du phénomène de fatigue).
Les différents inconvénients de ce système sont le coût, le taux de pannes qui peut
être plus élevé et les pertes électriques dans les différents étages de connexion au
réseau.
Une autre solution est l’utilisation d’une génératrice synchrone multi-pôles à aimants
permanents, de type discoïde à flux axial. Ce type de générateur à attaque directe
permet notamment de s’affranchir d’un multiplicateur de vitesse.
55
2. Raccordement au réseau.
Une fois l’énergie électrique produite par l’éolienne, il s’agit ensuite de la transmettre
au réseau de distribution. Typiquement, pour les machines d’une puissance
supérieure à 100 kW, la tension en sortie de l’éolienne est de l’ordre de quelques
centaines de volts. Il est donc souvent nécessaire de disposer sur le site de
production d’un transformateur élévateur de tension qui permette de se raccorder au
réseau (10 000 ou 15 000 V pour les lignes urbaines, 60 000 V pour les lignes
régionales).
Cependant, le raccordement au réseau doit prendre en compte certaines particularités
de l’éolienne par rapport à d’autres modes de production d’énergie électrique. Il s’agit
notamment de toutes les phases transitoires du fonctionnement (démarrage, arrêt,
absorption des rafales), qui du fait de la nature fluctuante du vent peuvent survenir
assez souvent. Qu’une éolienne soit équipée d’un générateur synchrone ou
asynchrone, il est essentiel que la production d’électricité débute lorsque la machine
tourne à un régime fixé.
Le démarrage du rotor de l’éolienne peut être soit autonome, soit assisté par le
générateur qui fonctionne alors en moteur, puisant son énergie dans le réseau.
Lorsque la vitesse de rotation désirée est atteinte, la connexion de la machine au
réseau doit se faire progressivement. Dans le cas contraire, il y a risque de provoquer
un appel de courant sur le réseau (magnétisation du stator) suivi d’un pic de courant
(début de production). Par ailleurs, si la connexion se fait brusquement, elle est vue
par la machine comme une brutale action sur le frein mécanique, avec toutes les
conséquences que l’on peut imaginer sur la ligne d’arbre, le multiplicateur...
Grâce à l’emploi de thyristors, la connexion (et la déconnexion) au réseau peut se
faire très progressivement. Lorsque la machine est en fonctionnement établi, il est
généralement possible de transférer l’énergie produite par l’éolienne par un simple
interrupteur, de manière à s’affranchir des pertes internes des thyristors (quelques
pour-cent).
56
3. Qualité des formes d’ondes.
a) Les harmoniques.
Les harmoniques (tensions et courants) injectées par l’aérogénérateur vers le réseau
sont régis par des normes (exemple IEC 61000-2-2 en annexe).
b) Le flicker.
Le flicker correspond à des variations de tension liées aux turbulences du vent, aux
effets d’ombrage dus au passage des pales le long du mât ou encore aux
accrochages/décrochages successifs au réseau qui se produisent sur certains
systèmes à couplage direct.
Nota : le flicker se traduit par une gène visuelle due au scintillement de l’éclairage et
s’exprime selon le rapport entre l’amplitude et le temps de battement.
c) Puissance active – puissance réactive.
Le réseau est d’avantage affecté par les variations de puissance active lorsque le
rapport réactance sur résistance (X/R) est faible, ce qui est vrai pour les réseaux de
distribution basse tension.
Au contraire, les éoliennes raccordées à des réseaux de plus haute tension tels que
X>>R génèrent des variations de tension principalement liées aux variations de
puissance réactive.
La relation donnant la variation relative de la tension U en fonction de la puissance de
court-circuit SCC et des variations de puissance active P et réactive Q est la suivante :
"U
1
=
U
SCC
!
#
&
"P (
%
. "Q +
X (
%$
R'
57
4. Exemple de raccordement d’un système faible puissance raccordé à
un réseau BT.
Essai d’une turbine à axe vertical de 600 W
à 15 m/s, pour 300 tr/min.
Dans cet exemple, on s’appuie sur une architecture de puissance à deux pont
triphasés contrôlés, le redresseur et l’onduleur.
Le redresseur se charge de prélever la puissance de la turbine de façon optimale sous
une tension de bus continu fixée. Le générateur, ici synchrone, peut être autopiloté en
couple pour maintenir le système à son point optimal (CPopt, "opt, cf. partie I,II-A-2) sur
une large plage de vitesse du vent.
L’onduleur, permet de régler le flux de puissance moyenne en injectant des courants
sinusoïdaux au réseau grâce à un filtre passif (L,C) qui atténue les harmoniques de
découpage.
La tension de bus Vbus est aussi régulée grâce à une structure de contrôle en cascade
dans laquelle la boucle interne contrôle les courants alternatifs Iresa,b,c côté réseau. Le
condensateur de bus absorbe une partie de la puissance fluctuante. Cette architecture
suppose que la tension alternative est établie par le réseau que l’on suppose à forte
puissance de court-circuit. Son avantage réside dans la qualité des formes d’onde de
courant injectées, dans la stabilité de la chaîne qui offre la possibilité de régler la
puissance réactive.
L’utilisation de transformateur sera nécessaire si on désire raccorder l’éolienne à un
réseau de tension supérieure.
58
5. Connexion de parcs éoliens au réseau.
Quand on utilise plusieurs éoliennes sur un même site on parle alors de parc éolien ou
de ferme éolienne. Ainsi, la réalisation de fermes de plusieurs centaines de MW
nécessite la mise en place d’architectures de regroupement (en clusters). Les
techniques de connexion au réseau sont diversifiées :
- regroupement en étoile (star cluster),
- regroupement en chaîne (string cluster).
Exemple d’architectures de connexion de parcs à un réseau.
La différence majeure entre ces deux types de regroupement est liée à la disponibilité
de l’énergie des générateurs, moins bonne pour un cluster en chaîne dans lequel le
câble de raccordement est commun à l’ensemble du cluster.
En contre-partie, chaque cluster en étoile nécessite une plate-forme.
Les architectures de raccordement à vitesse fixe (AC1, AC3 sur la figure précédente)
ou variable (AC2, AC4) sont assez proches. Le dimensionnement des câbles et des
transformateurs diffère selon l’architecture et la puissance des générateurs.
59
Par exemple, pour une architecture en étoile, on peut éviter l’utilisation de
transformateurs si les tensions des générateurs sont suffisamment élevées (AC3,
AC4).
Sur les liaisons en alternatif, en particulier si la puissance de la ferme devient non
négligeable par rapport à la puissance du réseau, on intercale souvent des
équipements type UPFC chargés de limiter les variations de puissance et de stabiliser
l’ensemble en dépit des variations de vent (AC4).
Les liaisons réseaux s’effectuent classiquement en alternatif pour des questions de
coût, en particulier dans les parcs terrestres (onshore) ou les parcs offshore proches
du rivage. Pour les parcs éloignés du rivage, les liaisons continues à haute tension
HVDC deviennent intéressantes (DC 1,2,3,4), cela d’autant plus que la puissance de
la ferme augmente vis-à-vis de la puissance de court-circuit du réseau. En effet, les
liaisons sous-marines à courant alternatif sont limitées à quelques dizaines de
kilomètres en raison des échauffements dus aux courants capacitifs.
Pour les systèmes à vitesse variable, le nombre de convertisseurs AC-DC et DC-AC
peut varier selon que l’on connecte un convertisseur par générateur (AC2, AC4, DC1)
ou un convertisseur par cluster (DC2, DC3), voire un seul convertisseur pour le parc
complet (DC4).
Dans le premier cas, la vitesse de chaque turbine peut être individuellement asservie
en fonction du vent. Dans le second et troisième cas, on agit indirectement sur
l’ensemble du cluster ou de la ferme, ce qui nécessite que les conditions de vent
soient homogènes, ce qui est fréquent en mer.
60
B. En autonome [a] [h] [r] [x] [k] [w]
1. Généralités :
En général, les sites isolés doivent combiner plusieurs énergies afin de pouvoir
alimenter de façon continue l’ensemble du réseau et cela malgré des conditions
météorologiques changeantes.
Le système le plus développé actuellement, est l’utilisation, en parallèle avec les
éoliennes, de groupes électrogène Diesel. Par contre, afin de diminuer les émanations
de CO2, d’autres solutions émergent. Ces solutions combinent l’utilisation de plusieurs
types d’énergies renouvelables telles que le solaire photovoltaïque, le stockage
d’énergie inertiel, le stockage d’énergie via l’hydrogène.
Système Hybride éolien diesel
Les machines, les plus adaptées à un fonctionnement en autonome sur un site isolé,
sont les génératrices synchrones à aimant permanent car elle ne nécessite pas une
magnétisation via une alimentation électrique.
Par contre, comme nous l’avons vu précédemment, les problèmes liés aux aimants
permanents, leurs coûts pour des puissances élevées et leur démagnétisation à long
terme, font que les installateurs d’éolienne vont vers d’autres solutions.
L’utilisation de machines synchrones ou asynchrones nécessitant l’alimentation en
courant continu ou alternatif permet de palier à ces problèmes moyennant des
solutions plus complexes à mettre en œuvre, notamment des possibilités de stockage
de l’énergie réactive nécessaires à certaines machines ou des batteries
d’accumulateurs.
Afin de se passer de multiplicateur, il peut être envisager d’utiliser des machines à
grands nombres de pôles afin d’obtenir une génératrice tournant lentement mais elles
deviennent lourdes et chères, de plus le rendement est plus faible.
61
2. Stockage d’énergie
Les possibilités de stockage sont très variées, nous allons en parcourir quelques
unes.
" Stockage gravitaire :
L’éolienne est utilisée pour pomper de l’eau que l’on stocke dans un réservoir qui
alimentera selon les besoins une turbine afin de convertir ce stockage en énergie
électrique. Ce type d’installation peut être coûteuse, il dépend donc du site
d’installation.
Exemple d’installation de pompage éolien :
Génératrice alimentant une pompe
Pompage direct
" Stockage par batteries accumulateurs :
Le courant produit par l’éolienne est alors redressé puis lissé afin d’obtenir un
courant continu adapté à ce type de stockage, que l’on peut utiliser pour de faible
puissance directement et créer un bus continu alimenté par plusieurs type de
sources d’énergie (éolienne, photovoltaïque, …).
Les accumulateurs au plombs, lourds et encombrants, s’adaptent bien aux
fluctuations de la production d’une éolienne. Il reste néanmoins restreint en terme de
puissances.
" Stockage via l’hydrogène :
Ce procédé est en cours de mise au point, il utilise la décomposition de l’eau par
électrolyse, l’hydrogène est stocké puis utilisé, soit comme combustible, soit dans
une pile à combustible.
Exemple de réalisation :
Un projet d’alimentation via 2 éoliennes sur l’île d’Utsira est en cours d’installation, la
production devrait pouvoir supporter des pics de 55 kW, cela dans la phase de
démonstration.
62
" Stockage à inertie :
Aussi en cours de mise au point, il utilise un volant d’inertie, l’énergie accumulée suit
1
E = J! 2
la relation suivante :
2
Cette énergie est disponible sur un laps de temps court, quelques minutes, par
contre cela peut permettre le lissage de la puissance fournit par l’éolienne et ainsi
améliorée la qualité du réseau.
Exemple d’un montage avec volant d’inertie :
3. Génératrice Synchrone :
Pour les sites isolés, nous pouvons utiliser deux type de génératrice synchrones, une
équipé d’un aimant permanent et l’autre équipée d’électroaimants.
" à électroaimant :
Ce système nécessite d’ajouter un stockage d’énergie à batterie d’accumulateur
délivrant un courant continu afin de polariser les électroaimants du rotor
permettant ensuite la production d’électricité.
" à aimant permanent :
Ce système évite l’ajout de batterie supplémentaire pour la polarisation du rotor
celui-ci étant équipé d’aimant permanent.
4. Génératrice Asynchrone :
Pour les sites isolés, il faut obligatoirement utiliser une batterie de condensateur ou
des compensateurs actifs afin de magnétiser le bobinage statorique (puissance
réactive).
Ce stockage doit être plus élevé que la puissance réactive utilisée par le rotor afin de
palier à la demande lors de l’amorçage.
63
5. Exemple de réalisation :
Exemple du site de Ker Lann :
Ce site est un bon exemple existant de la combinaison de plusieurs énergies
renouvelables avec des moyens de stockage qui pourrait encore être amélioré, par
l’ajout de stockage inertiel ou autres afin d’obtenir une puissance disponible régulière
64
PARTIE III
CONTROLE COMMANDE EOLIEN
65
66
I. Introduction : [b] [r] [f]
Les éoliennes traitées dans ce chapitre sont uniquement à axe horizontal. A titre
d’information, elles fonctionnent, en général, pour des vents compris entre 15 et 90
km/h et leur puissance nominale est atteinte à partir de 50 km/h.
Comme il a été vu dans le chapitre II-1-C, la courbe typique de la puissance extraite
par une éolienne en fonction de la vitesse du vent explique à elle seule l’intérêt de
réguler la puissance de l’éolienne.
En effet, le fait de réguler la puissance de l’éolienne permet d’obtenir la puissance
nominal de l’éolienne sur une plage de vent importante et donc de générer une
production électrique plus stable indispensable à la mise en réseau. Mais l’aspect
sécurité est aussi pris en compte et impose une gestion particulière lorsque le vent
atteint des vitesses pouvant détériorer l’éolienne.
Il existe plusieurs systèmes passif ou actif permettant de réaliser le contrôle de la
puissance de l’éolienne et de palier aux problèmes de l’éolien.
II. Problèmes rencontrés en éolien :
Les éoliennes sont soumises à des problématiques qui leur sont propres :
D’ordre mécanique ou aérodynamique :
" Vent violent
" Vent faible
" Variabilité d’intensité ou de direction et Instabilité du vent
" Effet de masquage des pales par le mat
D’ordre électrique ou électronique :
" Perturbation du réseau du fait des connexions/déconnexions
" Nécessité d’une alimentation pour magnétiser les GAS
" Nécessité d’une alimentation pour polariser le rotor des GS
" Production d’électricité devant être régulière et de qualité
67
III. Pourquoi une régulation de vitesse : [f]
• G est la droite de puissance d’une
génératrice asynchrone, la pente de cette
droite est légèrement incliné prenant en
compte le glissement.
• La droite G/K est celle rapportée via le
multiplicateur K à la vitesse du rotor de
l’éolienne.
• PM correspond à la puissance mécanique
maximum obtenue en fonction de la vitesse
du vent et du rotor
On observe l’intérêt du multiplicateur qui permet d’adapter la vitesse du rotor afin de
se rapprocher de la courbe PM.
On peut aussi se rendre compte que afin d’optimiser la puissance délivrée par la
génératrice d’une éolienne, il faudrait suivre au plus prés la courbe PM. Pour cela, il
faut donc adapter la vitesse de rotation du rotor en fonction de la vitesse du vent, d’où
l’intérêt d’utiliser des machines à vitesse variable.
Cela peut être réalisé de plusieurs manières, comme nous l’avons déjà vu
précédemment, on peut agir sur le nombre de pôles mais cela implique que la
génératrice fonctionnera avec plusieurs vitesses fixes. Sinon, on peut utiliser un
variateur de fréquence comme nous allons le voir dans la partie Système de
régulation électronique.
68
IV. Systèmes de régulation mécanique : [u] [r] [b] [h]
A. Le positionnement de la nacelle :
Comme nous l’avons vu précédemment, les éoliennes sous le vent et celle à axe
vertical peuvent s’affranchir de ce type de système.
En fonction de la direction du vent, la nacelle est positionné à l’aide d’un système
motorisé qui peut selon la taille de l’éolienne être très imposant et coûteux vu le poids
à déplacer.
Exemple de réalisation :
Ce système est en place sur l’éolienne de
petite puissance de l’université CUST de
Clermont-ferrand (1,5 kWatt).
Il permet de voir la roue dentée interne de
l’éolienne avec le moteur d’entraînement.
On peut donc imaginer la taille du moteur et
de la roue dentée sur des éoliennes de
plusieurs Mégawatts
B. Le système à pas ou calage variable :
L’angle de calage des pales est modifié afin de diminuer ou d’augmenter la portance
et inversement pour la traînée des pales de l’éolienne. Cela a pour effet de diminuer
ou d’augmenter la puissance transférée à la génératrice.
La modification du calage est réalisée à l’aide de puissant vérin et un asservissement
de position électronique (actif) sur les machines de puissances importante ou de façon
mécanique et automatique par des masselottes centrifuges (passif).
Pâle
'
Angle de calage
Vent
Lorsque l’angle augmente la portance et la traînée diminue et inversement lorsque
l’angle diminue.
69
Ce système, appelé système Pitch en anglais, permet d’améliorer plusieurs points :
#
#
#
Démarrage avec des vents faibles par augmentation de la portance des pales
lorsque la vitesse du vent diminue, favorisant donc le couple maximum.
Réduction des efforts sur les pales, en adaptant la puissance mécanique fournit à
la génératrice, cela permet de rendre les pales plus légères par construction.
Réduire le dimensionnement des freins de secours en mettant les pales en
drapeau (' à 90°) lorsque le vent est trop important, la portance est donc
minimum.
On observe, sur cette courbe, que
lorsque l’angle ' augmente alors la
puissance disponible diminue.
Remarque : ! est le rapport de la
vitesse en bout de pale sur la vitesse
du vent donc
lorsque la vitesse du vent ! alors ! "
L’effet d’une modification faible de
l’angle n’a plus d’influence lorsque le
vent est trop important.
Par contre, afin de réaliser une régulation optimale, il peut être intéressant de
connaître les conditions climatiques d’où la mise en place de capteurs adaptés. Ce
système est coûteux et donc pas utilisé pour des éoliennes de petites puissances ni
pour des grosses puissances car il devient alors trop fragile.
a) Le système à décrochage dynamique passif :
Dans ce cas, il s’agit d’un système passif, en effet, c’est la forme des pales qui permet
d’atteindre le décrochage en fonction de la vitesse du vent. Ce système est donc peu
coûteux, il ne nécessite aucune régulation de position.
Ecoulement autour d’une pale en
régime normal (' à 90°)
Ecoulement autour d’une pale en
décrochage aérodynamique
(0 < ' < 90°)
70
Ce système est appelé le système Stall passif en anglais et permet principalement de
gérer la puissance maxi de l’éolienne et d’assurer la sécurité par perte de portance
lorsque la vitesse du vent est trop importante.
C. Le système par décrochage aérodynamique actif :
C’est une combinaison du système Stall passif et du système pitch, par contre,
comme le décrochage est recherché, l’asservissement de position va diminuer l’angle
de calage contrairement au système pitch classique. La rotation étant très faible, le
système de positionnement est plus simple et robuste que le système pitch
D. Autres systèmes mécaniques :
D’autres systèmes existent, tel que l’inclinaison verticale de l’éolienne ou la
modification d’orientation de la nacelle en fonction de la vitesse du vent ainsi on
modifie la portance des pales, mais ces systèmes sont uniquement adaptés aux
petites éoliennes de faible puissance car sur des puissances plus fortes les efforts
engendrés seraient destructeurs.
71
V. Systèmes de régulation électronique : [r] [b] [h] [n]
Les génératrices asynchrones sont les plus utilisées actuellement. Nous allons traiter,
bien sur, les deux types de génératrice dans ce chapitre.
A. Variation de la résistance rotorique :
Ce type de asservissement est utilisé uniquement sur les génératrices asynchrones.
On peut agir donc sur le glissement en augmentant ou diminuant la résistance interne
du rotor. Cela ne peut être réalisé que sur des génératrices à rotor bobiné car les
rotors à cage ne sont pas modifiables.
Ces systèmes obligent généralement à utiliser des montages bagues-balais triphasés
car la modification de la résistance du rotor est réalisé en externe, le système
d’asservissement étant placé dans la nacelle, et nécessite donc une maintenance plus
importante.
Il apparaît, notamment chez VESTAS, des systèmes entièrement compris dans le
rotor et piloté via une liaison optique (Optislip) afin d’éliminer ces montages, lourds
d’entretien.
Le glissement peut alors varier de 1 à 10%, ce n’est donc pas une réelle régulation de
vitesse, mais permet d’absorber les rafales de vents sans soumettre la mécanique à
des efforts trop important et de diminuer les effets de flicker tout en gardant un
rendement global de la machine élevé.
Exemple de montage à variation de résistance rotorique :
Structure à réglage électronique de la
résistance rotorique
Effet de l'accroissement de la résistance
rotorique sur la courbe couple-vitesse
72
B. Variation de vitesse :
Nous avons vu précédemment l’intérêt d’un système à variation de vitesse. Cela peut
être réalisé sous les différents modes suivants :
1. Modification du nombre de pôles :
Cette méthode est utilisée principalement sur les génératrices asynchrones à cage ou
les génératrice synchrone afin de leur permettre de fonctionner à plusieurs vitesses
constantes.
Cela améliore donc le rendement de l’éolienne mais bien sur pas autant qu’une
vitesse continûment variable car on ne peut suivre parfaitement la courbe de
puissance maximale.
2. Génératrice à double alimentation :
Ce système n’est valable que pour les génératrices asynchrones, au lieu de gérer la
puissance du rotor via une résistance et un hacheur commandé (chap. A), le principe
est de la transférer sur le réseau ou de l’augmenter via le réseau.
Cela peut être réalisé totalement ou en partie selon le système utilisé :
" Le pont à diodes et pont à thyristors :
Onduleur simple et peu coûteux mais pas d’asservissement possible de la
vitesse et génération d’harmoniques sur le réseau.
" Pont à diodes et pont à transistors (onduleur MLI)
Pas de génération d’harmoniques sur le réseau, possibilité d’asservissement
du flux de puissance réactive mais pas d’asservissement de la vitesse
" 2 convertisseurs MLI :
Idem précédemment mais flux rotorique bidirectionnel, donc possibilité
d’asservissement du flux et de la vitesse coté machine et du flux de puissance
réactive et actives coté réseau.
Le stator et le rotor sont donc alimentés de façon différente même si la source est
identique au départ. L’ensemble de l’électronique de puissance est donc dimensionné
pour la puissance (glissement x Pméca).
73
Génératrice asynchrone GAS avec multiplicateur et à variation de vitesse par le rotor
L’intérêt de ce principe est que l’on peut diminuer le coût du convertisseur de
fréquence, le plus utilisé étant composé deux ponts triphasés d’IGBT (Insulated Gate
Bipolar Transistor) commandables par modulation de largeur d’impulsion
(convertisseur MLI)
En effet, si vous voulez faire varié la vitesse, autour de celle de synchronisme #s
symétriquement, d’une certaine valeur, disons entre #min et #max avec :
! max
k! =
= 2 . Alors le glissement va varié de -33 à +33%
! min
La puissance de dimensionnement du convertisseur statique est pratiquement égale
k "1
à: !
x Pméca turbine
2.k !
On obtient alors une puissance transitant par le rotor représentant 25% de la Pméca
fournit à la turbine. Le convertisseur est donc dimensionné pour cette puissance.
Un extrait de ‘’L’état des aérogénérateurs 2002’’ est disponible en annexe 3 pour de
plus amples informations sur le fonctionnement de l’ensemble convertisseurs MLI et
génératrice asynchrone
74
3. Génératrice avec convertisseur de fréquence :
Génératrice à attaque directe à convertisseur de fréquence sur le stator.
Sur les génératrices asynchrones, ce système, qui ne pose, techniquement, pas de
problème particulier, n’est cependant pas utilisé car le coût du convertisseur de
fréquence pour de grande puissance devient plus élevé que celui de la génératrice
même.
Les génératrices synchrones sont très intéressantes en terme de couple, surtout
lorsque le nombre de pôles est important, par contre, pour les raccordements en
direct, il est alors nécessaire d’ajouter un convertisseur de fréquence permettant d’être
en permanence à la puissance maxi. Ce montage est donc largement utilisé et
notamment par Enercon.
4. Génératrice en raccordement indirect :
Redresseur
Onduleur
Génératrice synchrone GS via un multiplicateur.
Ce type de raccordement est le plus utilisé, il permet de travailler en vitesse variable
avec une génératrice, un multiplicateur et surtout un ensemble composé d’un
convertisseur AC/DC (redresseur MLI) et DC/AC (onduleur MLI). La tension est
ensuite adaptée par un transformateur au réseau.
75
C. Démarreur à gradateur :
Ce système est utilisé sur les machines asynchrones à cage raccordées en direct sur
le réseau. L’ajout dans l’installation d’un démarreur automatique progressif à
gradateur (gradateur triphasé à thyristors) permet la mise sous tension progressive du
bobinage statorique et de diminuer l’impact sur réseau lors de la connexion.
Sur les installations équipés de convertisseur MLI, il n’est pas nécessaire car cela est
réalisé par les convertisseurs.
D. Batterie de condensateur :
La mise en place dans l’installation d’une batterie de condensateur permet de fournir à
la génératrice asynchrone et notamment au stator, la puissance réactive nécessaire.
Pour les machines raccordées directement au réseau, cette puissance évolue avec la
charge et l’utilisation de condensateur réglable (par gradins) permet encore
d’améliorer le fonctionnement.
76
VI. Stratégie de régulation : [h] [r] [n]
A. Association de système de contrôle :
Le système pitch, qui permet le contrôle de la puissance mécanique transféré à la
génératrice, est relativement lent et donc pas adapté à la gestion des rafales de vents.
Sur les génératrice asynchrone, il peut être couplé à une régulation du glissement
ainsi le système détecte une augmentation brusque du couple, il modifie le glissement
et le calage des pales puis lorsque le calage est réglé, il re-modifie le glissement afin
d’obtenir toujours le meilleur rendement. L’ensemble réagit donc plus rapidement et
efficacement.
B. Système MPPT :
Le système MPPT, Maximum Power Point Tracking, est une fonction
d’asservissement gérée par microprocesseur, basé sur la logique floue, qui permet
d’obtenir le couple maximum quelque soit la vitesse du vent et cela sans la mesurer.
Système de « tracking » de la puissance maximale pour un générateur débitant
sur une source de tension continue
77
VII.
Systèmes d’urgence : [r] [h]
A. Frein aérodynamique :
Le freinage aérodynamique est utilisé pour stopper
l’éolienne si elle rencontre une anomalie telle que, par
exemple, la perte de pression du circuit hydraulique, un
défaut électrique, …. Ce système est en bout de pale sur
les éoliennes à pas fixe ou utilise le système en place pour
celles à pas variable, la pale se positionne à 90° grâce à
l’action d’un ressort cela afin d’être toujours actif même en
cas de perte de tension.
B. Frein mécanique :
Ce système est en secours du système aérodynamique et
permet lors des phases d’arrêt de l’éolienne de travailler en
sécurité.
C. Frein électronique :
Un freinage électrique est à l’essai sur les installations raccordées au réseau en
indirect donc équipé de 2 convertisseurs MLI.
Il comprend un module de dissipation en parallèle sur le condensateur intermédiaire
entre les deux convertisseurs. Il s’agit d’une résistance de puissance réglée
électroniquement par hachage. Le freinage est possible même en cas de disparition
réseau. L’inducteur à aimants garantit la présence des forces électromotrices et la
possibilité de freiner dans la quasi-totalité des situations.
D. Détection vibration :
Un système arrête l’éolienne en cas de vibration
trop importante, celui-ci est très simple et est
composé uniquement d’une boule en équilibre
sur un support, lorsqu’elle tombe, elle tire sur un
câble qui actionne un contact mécanique.
78
PARTIE IV
SYSTEME EN DEVELOPPEMENT
79
80
I. Machine à reluctance variable (MRV) [h] [g]
.
A. Principe.
La conversion d’énergie mécanique en énergie électrique par «variation de
réluctance» consiste à modifier l’inductance propre d’une bobine, ou l’inductance
mutuelle de plusieurs bobines judicieusement alimentées, par déplacement d’une
pièce en matériau ferromagnétique.
Schéma du circuit élémentaire.
Considérons un circuit magnétique comprenant une culasse ferromagnétique fixe et
une pièce ferromagnétique mobile autour d’un axe perpendiculaire au plan de figure.
La pièce mobile ne possède pas de symétrie de rotation, mais elle possède un plan
de symétrie, repéré par l’angle (, suivant lequel la pièce est plus allongée que dans la
direction perpendiculaire. Le circuit magnétique est embrassé par un bobinage fixe. Il
s’agit là de la structure de base d’une machine à réluctance variable non excitée, dans
laquelle la rotation de la pièce mobile produit une variation de l’inductance du
bobinage, appelé induit. Sous certaines conditions, on peut avoir une conversion de
puissance mécanique de rotation en puissance électrique aux bornes du bobinage, et
vice-versa.
Dans les machines à réluctance variable excitées par un bobinage inducteur, la
rotation de la pièce mobile produit une variation de l’inductance mutuelle entre un
bobinage d’excitation, parcouru par un courant continu, et un bobinage d’induit.
circuit magnétique à double bobinage.
Le schéma ci-dessus dans laquelle la rotation de la pièce mobile crée une variation à
la fois de l’inductance propre de chacun des bobinages 1 et 2 et de l’inductance
mutuelle entre ces deux bobinages. Si l’un des bobinages est parcouru par un courant
continu, la rotation de la pièce mobile induit aux bornes de l’autre une différence de
potentiel (ddp) alternative. En utilisant un circuit magnétique de structure plus
81
compliquée (avec une excitation), on peut réaliser une machine telle que l’inductance
propre de chacun des bobinages ne dépend pas, ou dépend très peu, de !, alors que
l’inductance mutuelle en dépend fortement : on obtient l’équivalent d’une machine
synchrone excitée à entrefer constant. Les machines excitées peuvent l’être au moyen
d’aimants permanents. On a alors affaire à des machines hybrides, dites aussi
réluctances polarisées. Le développement de nouveaux aimants permanents à
caractéristiques magnétiques « rigides » et à haute énergie volumique a conduit à leur
adoption dans de très nombreux dispositifs à réluctance variable, généralement de
petite taille. De multiples variantes, que nous ne pourrons toutes examiner, sont
possibles à partir de ces structures de base.
B. Intérêt.
Parmi les génératrices à l’étude, plus particulièrement pour les entraînement direct,
figurent les machines à réluctance variable pure ou excitée. C’est leur potentiel de
faible coût et de robustesse qui conduit à ces recherches.
Des machines à réluctance variable excitées par des bobinages inducteurs ou par des
aimants peuvent également être envisagées. Dans ce cas, il est plus intéressant de
les « alimenter » en courants bidirectionnels, on utilise alors de «traditionnels»
onduleurs à MLI triphasés.
II. Un exemple de perspective future.
Des études et réflexions sont en cours
afin d’intégrer des éoliennes dans la
construction de bâtiment.
On peut observer ci-contre, une
représentation
virtuelle,
d’une
installation
d’éoliennes
dans
un
bâtiment destiné à recevoir des
bureaux. On peut obtenir plus
d’informations sur le site suivant.
http://www.eru.rl.ac.uk/web.htm
82
PARTIE V
EXEMPLES DE REALISATION
83
84
85
CONCLUSION
__________
Suite à l’ensemble de l’étude réalisée, il ressort que le domaine éolien est en pleine
phase de croissance et de changement. La nécessité d’utiliser d’autres sources
d’énergie et donc de relier l’éolien au réseau et non plus en site isolé uniquement,
obligent les constructeurs à toujours plus d’inventivité.
Actuellement les génératrices asynchrones ont toujours une longueur d’avance en
termes de coût et du nombre d’installations réalisées mais il semble que certain
constructeur (Enercon) misent sur les génératrices synchrones en montage direct. De
ce fait, on observe bien la recherche permanente de solutions toujours plus adaptées.
Nous avons commencé à aborder les asservissements des éoliennes ainsi que les
méthodes de gestion des parcs, fermes éoliennes reliés au réseau ou en site isolé. La
recherche dans ce domaine est abondante et il serait intéressant de pousser plus en
avant dans ce domaine
Nous avons, en tous cas, apprécié grandement de réaliser cette étude car elle nous a
apporté beaucoup sur la compréhension des moteurs, des générateurs, des méthodes
de connexion au réseau ainsi que sur les éoliennes en général.
86
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
__________
- Articles de périodique :
[a] -
Technique de l’ingénieur - Energie éoliennes – B 8585
par Jean MARTIN Ingénieur de l’École nationale supérieure des arts et métiers
[b] -
Technique de l’ingénieur - Aérogénérateurs électriques – D 3960
par Bernard
MULTON,
Xavier
ROBOAM,
Brayima
DAKYO,
Cristian NICHITA, Olivier GERGAUD, Hamid BEN AHMED
[c]
IEEE Canadian Review – Summer 2002
Systèmes de conversion de l'énergie éolienne
par Liuchen Chang, Université du Nouveau-Brunswick, NB
[d]
Technique de l’Ingénieur, Machines Synchrones – réf D 3 545
Traité Génie électrique
[e]
Technique de l’Ingénieur, Machines Synchrones – réf D 3 520
Traité Génie électrique
[f] -
Technique de l’ingénieur - Eolienne – BM 4640
par Philippe LECONTE Ingénieur de l’ENSAM et de l’ESTA
Marc RAPIN Ingénieur de l’ENSAM
Edmond SZECHENYI Directeur de l’Institut Aérotechnique
[g]
Technique de l’Ingénieur, Machine à reluctance variable – réf D 3 680
Traité Génie électrique
- Rapport
[h] -
ÉTAT DE L’ART DANS LES AÉROGÉNÉRATEURS ÉLECTRIQUES
par Bernard MULTON, Olivier GERGAUD, Hamid BEN AHMED,
Xavier ROBOAM, Stéphan ASTIER, Brayima DAKYO, Cristian NICHITA
Extrait du rapport de synthèse ECRIN « L’électronique de Puissance Vecteur
d’Optimisation Pour les Energies Renouvelables », paru mai en 2002
ISBN 2-912154-8-1
[i] -
Large scale integration of wind energy in the European power supply :
analysis, issues and recommendations”, December 2005
by Frans Van Hulle, Technical Director, EWEA
Policy conference, 7 - 8 November 2006, Brussels
[j] –
INFORMATIONS SUR L’ÉNERGIE
ENERGY HANDBOOK, ÉDITION 2004, CEA
www-physique.u-strasbg.fr/ufr/cours/deug_sm/radioactivite/documents/infoEnergie2004.pdf
87
[k] –
Séminaire Électrotechnique de l’Académie de Rennes 9 mars 2004
ENS cachan ––Antenne de Bretagne Généralités sur l’énergie éolienne et
convertisseurs associés
Exemple du site de Ker Lann Présenté par H. Ben Ahmed
http://www.mecatronique.bretagne.ens-cachan.fr/DocPedagogiques/EnergieEolienne_HBA_ProfSecondaire_9mars04.pdf
- Ouvrages
[l]
LE GOURIERES Desire.- Energie Eolienne
Edition Eyrolles 1980 .- 267 p.
[m]
CUNTY Guy – Eoliennes et Aérogénérateurs
Edition Edisud 2001. -167 p.
- Thèses et mémoires
[n] -
Eolienne à vitesse variable basée sur machine asynchrone à double alim.
Université de Lille 1
www.univ-lille1.fr/l2ep/th_sa_al_mem3.pdf
- sites internet :
[o]
Wikipédia : Encyclopédie libre
http://fr.wikipedia.org/wiki/Éolienne#Fonctionnement
http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Magnus
[p]
Mon petit Web, Enseignement des sciences physiques et informatique
Bruno BROLIS
http://perso.id-net.fr/~brolis/softs/domodidac/eole.html
[q]
Alternateur, EPSI Ecole professionnel de Lausanne
Bruno BROLIS
http://www.epsic.ch/Branches/electrotechnique/theorie/altermono/250.html
[r] –
Danish Wind Industry Association
http://www.windpower.org/fr/tour/wres/index.htm
[s] -
Carnet de Vol : Site sur les Cerfs-volants
http://www.carnetdevol.org/actualite/cargo/skysails.htm
[t] -
Fondation Cousteau
http://www.cousteau.org/fr/heritage/inventions/turbosail.php?sPlug=1
[u] –
Université de Clermont-Ferrand – département génie physique
http://cust.univ-bpclermont.fr/partenariat-industriel/travaux/gp/eolienne/eolienne.html
88
[v] –
Paul Gipe & Assoc.
http://www.wind-works.org/
[w] – Bulletin des énergies renouvelables - N° 2 Décembre 2002
Le pompage éolien par K. AMEUR, Attaché de recherche
www.cder.dz/vlib/bulletin/pdf/bulletin_002_09.pdf
[x] –
Séminaire SRBE – SEE – L2EP ‘’Eolien et réseaux : Enjeux’’ 22 Mars 2005
Contribution du stockage de l’énergie électrique à la participation au service
système des éoliennes
www.univ-lille1.fr/l2ep/05_03_22_see_SRBE_Robyns_actes.pdf
[y] –
Université de Liège, http://www.lhm.ulg.ac.be/
APPLICATION DU THEOREME DES QUANTITES DE MOUVEMENT
www.lhm.ulg.ac.be/chap4%20bach.pdf
Effet Magnus (Cas d'un fluide réel)
- actes de congrès :
[z] –
Paul Gipe & Assoc. : Colloque sur L'Energie Eolienne du 8 Decembre 2005 à
imouski, Quebec
http://www.wind-works.org/
89
GLOSSAIRE
__________
AC :
Alternative Current
BT :
Basse Tension
DC :
Direct Current
GAS :
Génératrice Asynchrone
GS :
Génératrice Synchrone
HVDC :
High Voltage Direct Current
IGBT :
Insulated Gate Bipolar Transistor
MLI :
Modulateur de Largeur d’Impulsion
UPFC :
Unified Power Flow Controler
ANNEXES
__________
ANNEXE 1 : Les THYRISTORS
.
I Description
Le thyristor est un composant qui devient totalement conducteur, en courant continu, à
la suite d'une impulsion électrique sur son électrode appelée "gâchette" ou "G".Non
seulement cette conduction est franche et brutale mais elle est permanente même
après cessation de ce courant de gâchette.
II Symbole
II Unité-formule
Le thyristor est un élément unidirectionnel contrairement au triac qui est bidirectionnel,
le composant est assimilable à une diode commandé donc le courant passe dans un
seul sens de l' anode vers la cathode .La troisième électrode la gâchette permet de
commander le déclenchement , d' ou le nom en anglais Silicon Controlled Rectifier
SCR .
Le thyristor est redresseur du fait de sa conduction dans un seul sens , et il s'
apparente à une diode .!Il sert d' interrupteur , en appliquant un signal sur son
électrode de contrôle G ( Gâchette ) il passe de l' état bloqué à l' état passant et peut
ainsi remplacer un contacteur .!Le thyristor se comporte comme un amplificateur de
puissance car le courant de commande de l'ordre du milliampère permet de
commander le courant principal de plusieurs Ampères .
En alternatif le thyristor peut servir de régulateur, par exemple dans un montage de
type gradateur de lumière.
ANNEXES
__________
ANNEXE 2 : Extrait de certaines NORMES
ANNEXES
__________
ANNEXE 3 : Extrait de ‘’ÉTAT DE L’ART DANS LES AÉROGÉNÉRATEURS
ÉLECTRIQUES’’
4.2- Machine à génératrice asynchrone à rotor bobiné et double alimentation
La machine adaptée au système de contrôle INGECON-W possède 2 bobinages triphasés au
stator et au rotor. Le stator est alimenté par le réseau à fréquence fixe fe. A partir d’un
onduleur de tension à IGBT, on impose 3 courants sinusoïdaux déphasés de 120° au rotor
avec une fréquence contrôlée. Ce système génère un champ tournant au rotor de fréquence fr
pour un observateur situé sur le rotor.
La fréquence électrique de rotation fM est liées aux fréquences statorique et rotorique par
l’expression : fe= fM+fr.
Les courants rotoriques sont asservis en amplitude et à la fréquence fr (autopilotage) pour
contrôler le couple électromagnétique. La fréquence des courants rotor peut être soit négative
soit positive, c’est à dire que la machine peut être contrôlée en mode subsynchrone (" < 1500
tr/mn, 4 pôles) ou hypersynchrone (" > 1500 tr/mn). Notons que l’inversion de fréquence
correspond simplement à une opposition de phase des courants. En pratique, pour une
éolienne, il n’est pas nécessaire de couvrir la totalité de la gamme de vitesse de l’arrêt à la
vitesse maximale. Ainsi, pour un prototype de 500 kW réalisé par Ingelectric Team, la gamme
de vitesse est 1100 à 1700 tr/mn (pour une machine 4 pôles, 50 Hz), ce qui ne correspond
qu’à une partie de la gamme exploitable en hypersynchrone.
C’est là tout l’intérêt de ce système, dérivé de la cascade hyposynchrone, dans lequel le
dimensionnement en puissance du convertisseur statique alimentant le rotor est lié au produit
du couple par la plage de vitesse comptée à partir de la vitesse de synchronisme. Autrement
dit, pour une plage de vitesse de + ou – 20% autour de la vitesse de synchronisme, la
puissance de dimensionnement est environ égale à 20% de la puissance transitant au stator
au voisinage du synchronisme. Ce système permet donc une économie substantielle sur le
coût du convertisseur statique par rapport à une solution dans laquelle toute la puissance doit
être contrôlée électroniquement, comme c’est le cas dans les machines asynchrones à cage
ou les machines synchrones qu’elles soient à inducteur bobiné ou à aimants.
Le système de contrôle pilote non seulement la fréquence fr, mais règle aussi l’angle de
phase du courant rotor, ce qui permet de faire fonctionner la machine à rendement optimal.
Côté réseau, le découplage des fréquences entre les deux onduleurs (côté rotor de la
machine et côté réseau) permet de choisir indépendamment de la phase des courants
rotoriques, la phase des courants prélevés ou renvoyés au réseau c’est-à-dire la puissance
réactive (Q). On peut ainsi notamment compenser la consommation de puissance réactive de
la machine asynchrone, et fournir au réseau de la puissance réactive en fonction de la
demande.
D’après Ingelectric, on obtient avec ce principe :
- une onde statorique parfaitement synchronisée sur le réseau, assurant une bonne stabilité
même en présence de variations brutales de vent;
- un dimensionnement minimal des composants électroniques permettant la variation de
vitesse ;
- une augmentation de la durée de vie par rapport à un système identique à vitesse fixe ;
- une compensation automatique du réactif ;
- la possibilité de fonctionner en mode autonome (déconnecté du réseau).