Génératrice, plage de fonctionnement

[invite78b5d3b8]

Bonjour à tous!

Dans le cadre de mon TIPE, je dois faire le choix du type de génératrice pour l'éolienne que j'étudie.
J'ai compris qu'une machine asynchrone n'avait un fonctionnement moteur que pour une petite plage de vitesse, légèrement supérieure à la vitesse de synchronisme (n=f/p, avec n la vitesse en tr/min, f la fréquence en Hz, et p le nombre de pôle).
J'imagine que cette "plage" de fonctionnement dépend de la génératrice.

Je comprends qu'en dessous de la vitesse de synchronisme, il soit impossible de créer de l'électricité, mais pourquoi la production chute-t-elle quand on est trop au dessus de la vitesse de synchronisme???

Autre question: mon éolienne ne dispose pas de dispositif d'adaptation de la vitesse. En gros, même si il y a des multiplicateurs, la vitesse de rotation du stator est toujours proportionnelle à celle de l'éolienne.
Serait-il donc beaucoup plus intéressant d'utiliser un générateur synchrone?

Et pour un générateur synchrone, a-t-on un production d'électricité quelle que soit la vitesse de rotation?


Merci d'avance
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[invite78b5d3b8]

Personne pour expliquer la chute de la production du générateur asynchrone??

[Tropique]

Je comprends qu'en dessous de la vitesse de synchronisme, il soit impossible de créer de l'électricité, mais pourquoi la production chute-t-elle quand on est trop au dessus de la vitesse de synchronisme???

Quand on est au-dessus de la vitesse de synchronisme, la courbe couple/vitesse est l'image inversée de celle sous le synchronisme: il y a une "bosse" de couple maximum à une certaine vitesse, et si on va au dela, le couple diminue, et donc la puissance mécanique absorbée sur l'axe.
La puissance électrique restituée suit donc la même tendance.

Autre question: mon éolienne ne dispose pas de dispositif d'adaptation de la vitesse. En gros, même si il y a des multiplicateurs, la vitesse de rotation du stator est toujours proportionnelle à celle de l'éolienne.
Serait-il donc beaucoup plus intéressant d'utiliser un générateur synchrone?

Avec une génératrice synchrone, la plage d'adaptation de vitesse est nulle: il faut être au synchronisme (si on veut injecter de la puissance dans un réseau alternatif)

Et pour un générateur synchrone, a-t-on un production d'électricité quelle que soit la vitesse de rotation?

Oui, mais fréquence et tension sont proportionnelles à la vitesse.
Pour travailler à vitesse variable, il faut un redresseur et un onduleur (ou un cycloconvertisseur, mais ce n'est pas envisageable pour des puissances <100KW)

[invite78b5d3b8]

Oui, je vois l'allure de la courbe, mais quel est le phénomène
electro-magnétique qui provoque cette chute?




Pour le générateur synchrone, merci de tes réponses, donc ce sera soit batterie, soit système d'adaptation de la vitesse!

[A voir en vidéo sur Futura]

[Tropique]

Oui, je vois l'allure de la courbe, mais quel est le phénomène
electro-magnétique qui provoque cette chute?

Difficile d'expliquer "avec les mains". Peut-être que d'autres pourront le faire mieux que moi, mais je fais une tentative.

On va faire un détour par le moteur (ou générateur) synchrone: si on est en dehors du synchronisme (au-dessus, en dessous, en moteur ou générateur, peu importe), les pôles du rotor glissent par rapport au champ tournant et le rotor a tantôt un couple positif, tantot un couple négatif en fonction de leurs positions relatives, mais la valeur moyenne est nulle, et le résultat est un couple vibratoire, qui ne peut pas produire de travail.
Dans le cas d'une machine asynchrone loin du synchronisme, la situation est presque la même.
Mais quand les vitesses sont proches, la fréquence de glissement est faible, et quand le pôle virtuel du champ tournant passe "d'un côté à l'autre" du champ rotorique, la valeur aura changé et la situation ne sera plus symétrique: il y aura un couple net qui va créer un entrainement.
Si le rotor a des pertes élevées (résistance sur rotor bobiné, ou encoches profondes sur cage d'écureuil), le champ rotorique va pouvoir varier rapidement (la constante de temps =L/R), et l'asymétrie de couple sera possible même avec un glissement important.
A l'inverse, une MAS ayant un rotor supraconducteur se conduirait comme une machine synchrone.

[invite78b5d3b8]

Mais comment le rotor d'une machine synchrone pourrait-il aller plus vite que le champ tournant, sachant que c'est lui-même qui le créé?

Dans le cas d'une machine asynchrone je comprends, car le champ est dût à l'alimentation, et la force électro-motrice est dût à l'induction de Lorentz

[Tropique]

Ce sont des cas d'école, où l'on essaye de coupler un alternateur synchrone tournant trop vite ou trop lentement au réseau, ou bien quand un moteur synchrone décroche, à cause d'une sous-vitesse de ce qui est entrainé (cas le plus courant), ou à cause d'une survitesse.
Dans ces cas, la vitesse mécanique du rotor est différente du champ tournant.

Quand un alternateur synchrone alimente seul une charge passive, le problème ne se pose pas: c'est effectivement lui qui impose le champ tournant, et la charge ne peut que modifier la tension et le déphasage, pas la fréquence.

[invite78b5d3b8]

Donc, au final, si un générateur synchrone peut remplir un accu "à son rythme", la génératrice asynchrone, elle ne marche que pour très peu de vitesses?

[Tropique]

Il faudrait savoir ce que tu veux faire: les notions de vitesse de synchronisme ne s'appliquent que par rapport à une référence externe (réseau).
Si tu travailles en stand-alone, tu peux tout oublier, ça ne s'applique pas à toi.

Mais une génératrice asynchrone ne va pas pouvoir fonctionner sans une "réserve externe" d'énergie, et si ce n'est pas le réseau, il faudra quelque chose de local: soit des condensateurs, cas le plus courant, soit un circuit électronique avec des batteries ou condensateurs (mais en DC), soit théoriquement des inductances, mais à ma connaissance, ça ne s'emploie pas, vraisemblablement pour des raisons pratiques.
Mais tous les générateurs dans ces conditions travaillent aux vitesses que tu choisis. Je ne sais pas pourquoi tu as l'idée que les génératrices asynchrones sont limitées.

Cela dit, si tu as de toutes manières une batterie, c'est plus simple de travailler avec une machine synchrone et un convertisseur adapté: tu évites l'étape condensateurs ou autre.
Une génératrice asynchrone a le gros avantage de pouvoir se synchroniser d'elle-même au réseau, dans certaines limites.
Si ce n'est pas pour injecter de la puissance dans le réseau, ça n'a pratiquement aucun intérêt, à part le coût et la robustesse.

[invite78b5d3b8]

Je croyais avoir compris que l'asynchrone ne fonctionne que sur un certaine plage de vitesse, alors que la synchrone produit quelle que soit la vitesse....

[invite78b5d3b8]

Je vais essayer de résumer ce que je crois avoir compris, et tu me diras si ça correspond.

On fait circuler du courant dans le rotor, ce qui créé un champ magnétique tournant. Le rotor tourne dans ce champ magnétique, ce qui par induction de Lorentz, induit un courant dans le stator, que l'on récupère, et cela quelque soit la vitesse du rotor?

Le phénomène de chute du couple selon la vitesse n'est la que pour un fonctionnement moteur, et n'a rien à voir avec la production d'électricité, non?

[Tropique]

Tu parles du synchrone ou de l'asynchrone?

[invite78b5d3b8]

De l'asynchrone. Il n'y a que dans l'asynchrone où l'on fait circuler du courant non?

[invite78b5d3b8]

Quand on est au-dessus de la vitesse de synchronisme, la courbe couple/vitesse est l'image inversée de celle sous le synchronisme: il y a une "bosse" de couple maximum à une certaine vitesse, et si on va au dela, le couple diminue, et donc la puissance mécanique absorbée sur l'axe.
La puissance électrique restituée suit donc la même tendance.

Pour moi, ça veut dire que même pour une éolienne fonctionnant en autonomie, avec une source externe pour l'alimenter, on ne produira de l'électricité avec un générateur asynchrone, que pour une petite plage de vitesse.
C'est ça où je n'ai toujours pas compris? :S

PS: Désolé pour le double post, encore

[Tropique]

De l'asynchrone. Il n'y a que dans l'asynchrone où l'on fait circuler du courant non?

C'est dans le synchrone que l'on fait circuler un courant (d'excitation).
Un asynchrone génère lui-même des courants par induction, à partir du champ statorique.
Il serait bon de revoir quelques notions de base.

Pour moi, ça veut dire que même pour une éolienne fonctionnant en autonomie, avec une source externe pour l'alimenter, on ne produira de l'électricité avec un générateur asynchrone, que pour une petite plage de vitesse.
C'est ça où je n'ai toujours pas compris? :S

Ça ne m'étonne pas, moi non plus: autonomie et source externe, c'est mutuellement exclusif.

Pour résumer: si on est asservi à une source externe, la plage de variation de vitesse possible en synchrone est 0, et quelques % en asynchrone.

Si on est en autonome, on produit à toutes les vitesses dans les deux cas, mais tension et fréquence varient si on n'asservit pas quelque chose: excitation pour une machine synchrone, phase du compensateur pour une machine asynchrone.
Et si c'est un alternateur synchrone à aimant permanent, on n'a aucune possibilité de correction de la tension.

[invite78b5d3b8]

J'aimerais avoir quelques notions de bases à revoir, mais les seules que j'ai sont celles glanées sur Internet.

A la page sur la génératrice synchrone à aimants permanents , nous avons vu comment une telle génératrice peut fonctionner sans être raccordée au réseau électrique.
Il n'en est pas de même pour la génératrice asynchrone, son stator ayant besoin d'être alimenté en courant afin de créer le champ magnétique nécessaire pour le fonctionnement de la génératrice.

Source : http://guidedtour.windpower.org/fr/tour/wtrb/async.htm


Un coup c'est l'asynchrone à qui on injecte du courant, un coup c'est la synchrone :S

(Trés bon jeu de mot)

[Tropique]

J'aimerais avoir quelques notions de bases à revoir, mais les seules que j'ai sont celles glanées sur Internet.

C'est un peu faible; pourtant, il y a moyen de trouver des cours très décents, j'en ai déjà vu passer, à diverses occasions, mais je n'ai pas noté malheureusement.
Peut-être d'autres membres auraient-ils des liens à proposer?
Si rien n'apparait, cela vaudrait la peine de créer un nouveau sujet.

A la page sur la génératrice synchrone à aimants permanents , nous avons vu comment une telle génératrice peut fonctionner sans être raccordée au réseau électrique.
Il n'en est pas de même pour la génératrice asynchrone, son stator ayant besoin d'être alimenté en courant afin de créer le champ magnétique nécessaire pour le fonctionnement de la génératrice.

Une génératrice asynchrone ne doit pas être raccordée au réseau pour produire, même si c'est le cas le plus simple.
Des groupes électrogènes de bas de gamme emploient des génératrices asynchrones + condensateurs, avec une "régulation" par saturation du fer.
Mais il y a des méthodes plus sophistiquées, il faut quelque part une réserve temporaire d'énergie ( pour une durée d'un demi-cycle, c'est suffisant), il y a des controleurs électroniques qui le font.

Mais il faudrait savoir exactement ce que tu veux faire, à quel niveau de puissance, etc, parce que là on part dans différentes hypothèses vasouillardes, sans savoir ce que tu veux, sur quel matériel tu te bases, etc.
P.ex., si ton générateur est à aimants permanents, il n'y a que l'option redresseur + convertisseur viable, rien ne sert de s'encombrer l'esprit avec des choses inutiles.

[invite78b5d3b8]

D'accord, donc, une génératrice synchrone n'a pas besoin qu'on lui injecte du courant pour fonctionner, mais seulement pour démarrer, ensuite le phénomène s'auto entretient, c'est ça?

Enfait, ce que je cherche à faire, c'est surtout comprendre et synthétiser les intérêts de chacun des générateurs.

Pour l'instant il m'apparaît que:

-La génératrice synchrone (à aimant permanent) est plus fragile est plus coûteuse, mais qu'elle permet une utilisation en stand-alone simple, ou un raccordement au réseau avec redresseur / convertisseur

-La génératrice asynchrone est moins coûteuse, mais il faut l'alimenter pour démarrer / entretenir? le phénomène d'induction. Ensuite, elle ne produit de l'énergie que sur une certaine plage de vitesse, c'est pourquoi les éoliennes utilisent souvent un système de régulation sur les pâles, afin de maintenir une production la plus constante possible.


Plus d'informations sur ce que je veux faire: Mon éolienne est à axe vertical, donc pas de système de décrochage des pâles pour adapter la vitesse. Je pourrais envisager un système pour adapter la vitesse sur l'axe de rotation, mais ça semble quand même compliqué...

Je pense donc que je vais me diriger vers un générateur à aimant permanent...

PS: Un cours m'intéresserait bien en effet =) Apparemment c'est plus niveau école d'ingé que prépa...

[Tropique]

Visiblement, tu n'as rien compris.
Il aurait fallu faire un minimum de recherche de base avant de lancer le sujet.
Admettons que tu n'aies pas réussi à trouver de cours, mais taper "génératrice synchrone" sur Wikipedia, c'est à la portée de n'importe qui.
Un forum est un lieu ou on pose des questions spécifiques, il n'est pas possible de donner un cours de base.
http://voltaweb.elec.free.fr/GA/ga.html
http://fr.wikipedia.org/wiki/Machine_asynchrone

[invite78b5d3b8]

J'accepte de me faire taper sur les doigts, mais pour le coup, ces deux pages que tu m'as envoyées font partie de mes marques-pages, et ce ne sont pas les seules sur les machines asynchrones!

Peux-tu m'expliquer la différence qu'il y a entre:

http://voltaweb.elec.free.fr/GA/ga.html

Cependant, ces machines asynchrones ne possèdent pas comme les alternateurs un circuit d'excitation. II faut néanmoins fournir la puissance de magnétisation aussi bien en génératrice qu'en moteur.[..] Ce courant peut être emprunté au réseau

et ce que je dis :

-La génératrice asynchrone est moins coûteuse, mais il faut l'alimenter pour entretenir le phénomène d'induction

Alors une fois pour toutes: Est-il bien nécessaire d'alimenter en continu une génératrice asynchrone pour qu'elle produise de l'électricité, oui ou non? (que cette alimentation soit dût au réseau ou à un bouclage quelconque)

[Tropique]

Alors une fois pour toutes: Est-il bien nécessaire d'alimenter en continu une génératrice asynchrone pour qu'elle produise de l'électricité, oui ou non? (que cette alimentation soit dût au réseau ou à un bouclage quelconque)

Il n'est pas nécéssaire d'alimenter de façon externe une génératrice asynchrone (ce serait impossible, on n'a comme accès électrique que les trois enroulements statoriques).
La puissance d'excitation du rotor est simplement soustraite de façon transparente de la puissance produite, l'alimentation est donc implicite.
Pour que cela puisse se produire, il faut que la charge soit suffisamment capacitive, ou qu'un circuit électronique émule ce comportement.
Il n'y a donc pas d'alimentation ni de circuit d'excitation, contrairement à un alternateur synchrone.

[invite78b5d3b8]

Donc le seul à avoir besoin d'alimentation est le générateur synchrone, si il est à electro-aimant, et pas à aimant permanent...

Désolé d'avoir autant insisté, mais ça ne m'a pas sauté aux yeux dans les multiples sites que j'ai consulté. (J'aurais dût commencer par Wikipedia, dessus c'était, je l'avoue, beaucoup plus clair sur les machines synchrones....)


Mais pourquoi disent-ils que l'on peut "emprunter ce courant au réseau", en parlant d'une machine asynchrone? Cela a-t-il un intérêt quelconque?

Et donc, au final, une génératrice synchrone peut produire quelle que soit sa vitesse de rotation?
La vitesse du premier champ magnétique "s'adapte toute seule", pour maintenir la vitesse de glissement à un bon niveau?

[Tropique]

Mais pourquoi disent-ils que l'on peut "emprunter ce courant au réseau", en parlant d'une machine asynchrone? Cela a-t-il un intérêt quelconque?

Si cette machine est connectée au réseau, elle va établir un courant avec le bon cos phi pour y injecter la puissance produite.
Dire qu'on "emprunte au réseau" est un peu limite, vu qu'elle donne plus que ce qu'elle consomme.
L'avantage, c'est la facilité et la souplesse: pas besoin de synchronisation délicate ou de vitesse exacte, elle s'adapte d'elle-même.

Et donc, au final, une génératrice synchrone peut produire quelle que soit sa vitesse de rotation?

Pour la nième fois, oui, mais la tension va dépendre de la vitesse: si elle sortait 230V à 3000t/min, elle ne sortira plus que 115V à 1500t/min (et à 25Hz)

La vitesse du premier champ magnétique "s'adapte toute seule", pour maintenir la vitesse de glissement à un bon niveau?

Il n'y a rien qui s'adapte, tout est rigide, une machine synchrone n'a pas de glissement (sauf si elle décroche, mais alors elle n'est plus bonne à rien).

[invite78b5d3b8]

Ah mince, excuse moi, j'ai fait une faute de frappe..........

Dans les deux dernières lignes je voulais parler d'une génératrice Asynchrone...........

[Tropique]

Une génératrice asynchrone peut théoriquement produire quelque soit sa vitesse de rotation, mais en pratique, si on descend beaucoup sous sa vitesse nominale, ce sera difficilement exploitable à cause de la compensation (sauf si c'est fait de manière électronique) et du rendement.

[invite78b5d3b8]

D'accord, merci infiniment pour ta patience!