Production d'énergie électrique à base de machine asynchrone à double alimentation (MADA)

08/02/2013
Auteurs :
Publication 3EI 3EI 2013-71
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2013-71:3425
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Résumé

Production d'énergie électrique à base de machine asynchrone à double alimentation (MADA)

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	    <date dateType="Created">Fri 8 Feb 2013</date>
	    <date dateType="Updated">Mon 25 Jul 2016</date>
            <date dateType="Submitted">Mon 17 Dec 2018</date>
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Gaëtan DIDIER* , **, Thierry LUBIN** et Edouard RICHARD*** * ESSTIN - Université de Lorraine 2, Rue Jean Lamour – 54519 Vandœuvre-Lès-Nancy, Cedex. ** Faculté des sciences et technologies – Université de Lorraine GREEN - BP 239 - 54506 Vandœuvre-Lès-Nancy, Cedex. Gaetan.Didier@green.uhp-nancy.fr Thierry.Lubin@green.uhp-nancy.fr *** IUT Henri Poincaré de Longwy Université de Lorraine Département GEII 186 rue de Lorraine 54400 Cosnes et Romain Edouard.Richard@univ-nancy.fr Résumé : L’ énergie éolienne est développée par de très nombreux pays et connaît une croissance très importante : +30% par an en moyenne sur les dix dernières années. La formation des futurs techniciens et ingénieurs doit en tenir compte et proposer des maquettes de travaux pratiques en lien avec ce sujet qui reste à l’heure actuelle en perpétuelle croissance. C’est dans cet objectif que des enseignants de l’Université de Lorraine ont développé une maquette de travaux pratiques permettant la compréhension d’un système éolien au travers des éléments habituellement étudiés dans leurs formations (machines électriques, électronique de puissance et de commande, …). Cet article décrit une maquette pédagogique permettant d’étudier simplement le fonctionnement d’une génératrice asynchrone en mode « double alimentation ». 1. INTRODUCTION. L’énergie renouvelable utilisée le plus massivement en France, reste, à ce jour, l’hydroélectricité. Cependant, la production d’énergie électrique à base d’éolienne connaît un essor important car c’est une énergie renouvelable : bon marché ; inépuisable ; disponible presque partout ; propre et sans impact sur le climat. En moyenne, depuis 1997, la capacité de production éolienne installée en Europe croit de 30% par an. Cette hausse est comparable à celle du nucléaire dans les années 1970. Si l’on se focalise sur le territoire Français, l’énergie éolienne se place à la 2ème place en terme de production électrique renouvelable (7,8 TWh après les 61,6 TWh de l’hydraulique) [1]. Grâce à cette forte croissance, les débouchés professionnels dans les domaines de l’électrotechnique, de l’électronique et de l’automatique en corrélation avec la production énergétique propre augmentent. Ces nouvelles données nous obligent à prendre en compte cette technologie dans nos programmes pédagogiques, que ce soit pour former nos futurs techniciens (BTS, DUT, Licences Professionnelles) ou ingénieurs (Masters, Ecoles d’ingénieurs). L’objectif de cet article est de présenter un banc expérimental simple destiné à mettre en œuvre la machine asynchrone double alimentation (MADA) dans un système de production d’énergie électrique. 2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UNE MADA. La MADA (Machine Asynchrone à Double Alimentation) est une machine asynchrone à rotor bobiné dont le stator est directement connecté au réseau (Fig. 1). Le rotor, quant à lui, est connecté au réseau via deux convertisseurs, l’un permettant la conversion des tensions du réseau (de fréquence et d’amplitude fixes) en une tension continue (bus DC), l’autre permettant la conversion de la tension continue en trois tensions alternatives variables en fréquence, en amplitude et en phase. Ces deux convertisseurs ont la particularité de pouvoir fonctionner dans les deux sens, c’est à dire que le transfert de puissance peut aussi bien se faire du rotor vers le réseau (fonctionnement de la MADA en mode hyper-synchrone) que du réseau vers le rotor (fonctionnement de la MADA en mode hypo- synchrone). Le système MADA permet de transférer la totalité de la puissance générée par l’éolienne Pm (aux pertes prés) à travers le stator et le rotor. En sachant que la puissance transitée par le rotor est plus faible que celle transitée par le stator, il est évident que l’avantage de la MADA réside dans le fait qu’à puissance identique, le dimensionnement des convertisseurs de puissance sera moindre (environ 1/3 de la puissance de la machine) que dans un système direct (alternateur synchrone + convertisseurs) [3]. Etant donné que le champ rotorique d’une MADA peut tourner dans les deux sens grâce à la commande du convertisseur, la machine asynchrone peut produire de l’énergie dans deux modes de fonctionnements différents : PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUE A BASE DE MACHINE ASYNCHRONE A DOUBLE ALIMENTATION (MADA) Hypo-synchrone (g > 0) Hyper-synchrone (g < 0) Le choix d’un des deux modes de fonctionnement sera fonction de la quantité de puissance mécanique Pm fournie par les pâles de l’éolienne à l’arbre de la machine et donc de la vitesse du vent [2] : (1) où , Cp( ), S et v représentent respectivement la masse volumique de l’air (environ 1,25 kg/m3 ), le coefficient de puissance de l’éolienne, qui est fonction de l’angle de calage des pâles et de la vitesse spécifique donnée par l’équation (2), la surface balayée par les pâles et la vitesse du vent en m/sec. (2) où et R représentent respectivement la vitesse de rotation de la turbine en rad/sec et le rayon de la turbine (ou longueur des pales). Le fait de pouvoir fixer la fréquence des tensions appliquées au stator et au rotor, que nous appellerons respectivement fs et fr, permet de fixer le glissement g de la machine, donc la vitesse de rotation de la génératrice en utilisant les relations habituelles : (3) (4) où s représente la vitesse de synchronisme de la machine asynchrone (en rad/sec). Le schéma électrique équivalent de la MADA est donné à la figure 2 en prenant une convention générateur au stator et au rotor. Pour une MADA, le modèle équivalent fait apparaître la tension aux bornes d’une phase statorique Vs et la tension aux bornes d’une phase rotorique Vr. A partir de ce schéma équivalent, le bilan de puissance nous donne : (5) La puissance transmise au stator Pts s’écrit : (6) On en tire les relations suivantes : (7) (8) En négligeant les pertes mécaniques de la machine, nous trouvons : (9) Dans le cas où toutes les pertes sont négligeables (pertes Joules, pertes fer de la machine et pertes dans le convertisseur statique) : De (7), on obtient Ps = Pts De (8), on obtient Pr = -gPts Ce qui donne les relations simplifiées entre la puissance mécanique Pm, la puissance statorique Ps et la puissance rotorique Pr (avec les conventions adoptées ici) : (10) (11) Pour un fonctionnement en mode hypo-synchrone (g>0 et Pm >0 d’après les conventions), nous obtenons Ps >0 et Pr <0 : le stator fournit de la puissance au réseau alors que le rotor en absorbe. Pour un fonctionnement en mode hyper- synchrone (g<0 et Pm >0 d’après les conventions), nous obtenons Ps >0 et Pr >0 : le stator fournit de la puissance au réseau tout comme le rotor. De plus, en considérant RsIs<http://eolienne.f4jr.org/eolienne_etude_theorique [3]llProduction d’énergie électrique à base d’éolienne – Raccordement au réseau, G. Didier, T. Lubin, J. M. Chambaud, Revue 3EI n°62, pages 65-72. [4],jAérogénérateurs électriques, B. Multon, X. Roboam, B. Dakyo, C. Nichita, O. Gergaud et H. Ben Hamed, Techniques de l’ingénieur, D 3-96