Les alternateurs des éoliennes

 

 

Les alternateurs des éoliennes

 

Jean-Louis REMOUIT

Janvier 2020

 

Par définition, un alternateur est un “moteur” synchrone utilisé en génératrice. C’est une machine constituée d’un rotor ; (partie mobile) et d’un stator (partie fixe) générant un courant alternatif. Le rotor est constitué d’aimants permanents ou de bobinages.

Pour des raisons de coût et de rendement, l’alternateur est désormais utilisé dans la majorité des éoliennes. L’alternateur peut être une machine synchrone ou asynchrone, utilisée en vitesse fixe ou en vitesse variable.

Génératrice asynchrone

 

La Machine Asynchrone (MAS) est utilisée dans la plupart des cas car cette génératrice peut supporter de légères variations de vitesse ce qui est un atout pour les éoliennes où la vitesse du vent peut évoluer rapidement notamment lors de rafales. Ces variations de vitesses engendrent des sollicitations mécaniques importantes sur le système qui se trouvent plus réduites avec une machine asynchrone qu’avec une génératrice synchrone qui fonctionne à vitesse fixe. La machine asynchrone est peu utilisée sur site isolé car elle nécessite des batteries de condensateurs pour la fourniture d’énergie réactive. La génératrice asynchrone nécessite de fonctionner à une vitesse nominale de plusieurs centaines de tours par minute, ce qui implique l’utilisation d’un multiplicateur entre le rotor et la génératrice (stator). Cette chaîne cinétique implique des forces de frottements qui empêchent la rotation du rotor par vent faible, il faut donc vaincre ces forces d’inertie au démarrage grâce à un coup de vent plus important.

La génératrice asynchrone peut être :

  • A rotor bobiné ou à bagues. Les enroulements du rotor couplés en étoile sont reliés à un système de bagues/balais permettant ainsi l’accès à leurs bornes pour la connexion d’un convertisseur statique dans le cas d’un pilotage de la machine par le rotor.
  • A cage d’écureuil. Le rotor est constitué de barres court-circuitées par des anneaux aux deux extrémités de l’armature. Les enroulements rotoriques ne sont alors pas accessibles.

On peut reconnaître une éolienne utilisant une génératrice asynchrone par la forme allongée de la nacelle, qui abrite la chaîne cinétique (changements mécaniques de vitesse de rotation).

 

          1. Avantages
  • fonctionnement à vitesse variable
  • transfert bidirectionnel de la puissance rotorique
  • le convertisseur rotorique est de plus faible puissance
          1. Inconvénients
  • Coût plus élevé du à la présence de plus de composants

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 La génératrice synchrone

 

Exemple : Enercon E40

La génératrice synchrone ou Machine Synchrone (MS) peut être utilisée dans le cas d’un entraînement direct lorsque la liaison mécanique entre le moyeu de l’éolienne et la génératrice est directe, sans utiliser démultiplicateur. Il faut cependant que la génératrice soit raccordée au réseau par l’intermédiaire de convertisseurs de fréquence. Si la génératrice est à aimants permanents, elle peut fonctionner en mode autonome car elle n’a pas besoin d’excitation extérieure.

Le rotor est l’inducteur et le stator est l’induit. Le stator est constitué d’enroulements qui vont être le siège de courant électrique alternatif induit par la variation du flux du champ magnétique due au mouvement relatif de l’inducteur par rapport à l’induit. Cette technologie est privilégiée dans le cas des éoliennes offshore car la maintenance est réduite par rapport à une technologie utilisant une boite de vitesse.

 

2.1 Génératrice à aimants permanents

 

Le rotor est constitué d’aimants permanents ou MSAP (générant donc un champ constant), dans ce cas la tension délivrée par la machine n’est pas réglable (si on ne tient pas compte des pertes dans les conducteurs). Les alternateurs à aimants permanents produisent un courant et une tension de fréquence proportionnelle à la vitesse de rotation donc à la vitesse du vent. La source d’excitation du rotor est indépendante du réseau contrairement à la machine synchrone à électroaimant. Ce type de machine tend à être de plus en plus utilisé par les constructeurs d’éoliennes car elle peut fonctionner en mode autonome et sont beaucoup plus légères que les autres types de générateurs. Les coûts de ce type de génératrice sont les plus faibles. Ce type de génératrice est très fréquemment utilisé dans le petit éolien.

Les génératrices à aimants permanents ont l’inconvénient de toujours produire la même densité de flux magnétique quelle que soit la vitesse de rotation du rotor. Le rotor est donc difficile à démarrer car la résistance au mouvement est importante, son démarrage nécessite un vent relativement important. La construction de ces aimants est particulièrement gourmande en terres rares (lanthanides) notamment ceux à base de néodyme qui peuvent nécessiter jusqu’à 600 kg pour une éolienne de 3,5 mégawatts. Les éoliennes du fabricant Enercon fonctionnent avec un générateur annulaire à excitation indépendante ne nécessitant pas l’utilisation de néodyme, les champs magnétiques requis pour la production d’électricité dans le générateur sont produits électriquement.

 

Avantages

  • Gain important en poids (pas de multiplicateur)
  • Réduction du nombre de pièces en rotation
    • moins de bruit
    • réduction de la charge
    • augmentation de la durée de vie de la machine
    • diminution de la maintenance
  • coûts de maintenance relativement faibles
  • les aimants étaient beaucoup moins chers que les bobinages de cuivre, mais le prix des aimants a récemment explosé !
  • bon rendement

 

 

 

Inconvénients

 

 

  • Nécessite une conversion électrique afin de garder une fréquence constante (Courant alternatif→Courant continu→Courant alternatif)
  • La construction de la génératrice requiert des aimants permanents particulièrement gourmands en terres rares (lanthanides)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Génératrice à électro-aimants

 

 

Un électroaimant crée le champ magnétique et assure l’induction, il est constitué d’un enroulement de cuivre autour d’un noyau en fer. Ce bobinage est alimenté en courant continu, soit à l’aide d’un collecteur à bague rotatif (une double bague avec balais) amenant une source extérieure, soit par un excitateur à diodes tournantes et sans balais. Un système de régulation permet l’ajustement de la tension et de la phase du courant produit.

 

 

 

 

 

 

 

 

FAMILLES D’AIMANTS PERMANENTS

 

Les quatre familles d’aimants permanents

Ferrites céramiques ou dures: Les aimants en ferrite dure frittée ou «céramiques» sont fabriqués à partir d’une combinaison de ferrite de baryum ou de strontium et d’oxyde de fer, et présentent un degré élevé de force coercitive, ce qui les rend plus résistants à la démagnétisation. Les aimants en ferrite sont le seul type d’aimants qui deviennent sensiblement plus résistants à la démagnétisation à mesure que la température augmente.

Tableau 1: Propriétés des principaux matériaux magnétiques utilisés dans les PMG [4].
Matériel BH max (kJ / m 3 ) B r (T) H c (kA / m)
NdFeB 220-500 0,97-1,45 740-1000
SmCo 120-240 0,85-1,1 620-840
Ferrite 7-42 0,2-0,48 120-360
AlNiCo 10-35 0,6-1,16 40-120

Alnico: Alnico est un alliage fabriqué principalement à partir d’une combinaison d’aluminium, de nickel, de cobalt et de fer plus des niveaux variables de cuivre, de titane et de niobium. Les matériaux constitutifs ne sont pas rares et donc le prix des produits alnico a tendance à être bas.

Samarium cobolt: Parmi tous les aimants permanents de terres rares, le samarium cobalt a la température de Curie la plus élevée. Les principaux composants sont le samarium, le cobolt et le fer, avec l’ajout de petites quantités d’autres métaux tels que le cuivre, l’aluminium et le zinc. Les aimants SMCo ont une haute résistance à la corrosion

Néodyme fer-bore: il s’agit d’un alliage de néodyme, de fer et de bore, avec l’ajout de petites quantités d’autres métaux des terres rares. Il a le produit énergétique le plus élevé de tous les matériaux magnétiques utilisés dans le commerce, mais a une température de curie inférieure à celle des autres matériaux et a une faible résistance à la corrosion.

 

 

Le NdFeB est la norme de l’industrie dans les PMG pour les éoliennes car il a le produit énergétique le plus élevé (jusqu’à 477,5 kJ / m3), donc moins de volume de NdFeB est nécessaire pour fournir une densité de flux spécifiée que les autres matériaux à aimants permanents. Le poids du générateur est une considération de conception importante dans les éoliennes, donc la diminution du poids des aimants permanents est un objectif de conception. Le NdFeB a des limites sur sa température de fonctionnement en raison de sa température de Curie de 312 ° C, ce qui signifie effectivement que sa température de fonctionnement pratique la plus élevée est d’environ 170 ° C. D’autres matériaux permanents tels que SmCo offrent une température de fonctionnement et une coercivité plus élevées. Le NdFeB est préféré pour les applications éoliennes PMG en raison de son produit énergétique maximal plus élevé, du coût élevé du Co et du prix relativement bas du Nd par rapport au Sm.

 

 

 

Risques de démagnétisation

Les matériaux à aimants permanents sont stables dans certaines limites physiques. Les aimants NdFeB doivent cependant être protégés contre la démagnétisation et la corrosion. Les principales menaces pesant sur les aimants NdFeB sont la corrosion et la tolérance aux températures élevées. À des températures inférieures à la température de Curie (310 à 400°C pour le NdFeB selon le grade), une démagnétisation possible est causée par une intensité de champ magnétique démagnétisant.

 

 

 

 

MODELES D’EOLIENNES

 

 

Voir les éoliennes à aimants permanents :

https://www.youtube.com/watch?v=afFLrj6Ebm8

 

 

 

D’après l’ADEME, parmi les filières renouvelables, « certains segments du marché de l’éolien » consomment des terres rares, à savoir les unités de production équipées de générateurs synchrones à aimants permanents. Apparus dans les années 2000, ces derniers visent à « améliorer les rendements de conversion, réduire le poids et les besoins de maintenance, et allonger la durée de vie des systèmes ». Les aimants permanents contiennent deux types de terres rares : du néodyme (à hauteur de 29% à 32% par kg)(4) et du dysprosium (3% à 6% par kg)(5).

Environ 3% des éoliennes terrestres en France seulement seraient équipées d’aimants permanents. L’Ademe estime que les éoliennes du parc français en service à fin 2018 contiendraient « environ 70 tonnes de néodyme et 13 tonnes de dysprosium »(6).

Dans l’éolien offshore, les aimants permanents sont beaucoup plus développés, compte tenu de la nécessité « de réduire les coûts des opérations de maintenance, mais également de réduire la masse et l’encombrement des nacelles, permettant ainsi de diminuer le dimensionnement global du mât et des fondations ».

 

 

La masse des aimants permanents dans les aérogénératrices synchrones à entrainement direct qui comportent des aimants permanents fait l’objet d’évaluations variées : 160 kg/MW selon l’Ademe , 600 kg/MW selon le BRGM22, 820 kg/MW selon la Technical University of Denmark, de 600 kg/MW à 1000 kg/MW selon le Syndicat des énergies renouvelables (SER). La mission a retenu 800 kg/MW pour élaborer les tableaux ci-dessous.

 

Les aimants permanents comportant des terres rares ont été commercialisés en 2011 par Siemens Wind Power. Ayant une durée de vie de 25 à 30 ans, les turbines de Siemens ne seront pas démantelées avant 2035, et il n’y aura donc pas de marché pour les aimants permanents d’ici 15 ans au moins.

 

 

 

 

 

 

TYPES D’AEROGENERATEURS

 

 

 

On reconnaît le mode de production de la nacelle à distance :

-Très allongée : asynchrone , sans aimants et à chaîne cinétique

-Ovale et ramassée : synchrone à aimants permanents

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Type Aim. Perm. Fabricant Générateur

 

MM92/2050 NON Senvion DFIG : Asynchronous double-fed generator

 

MM100 NON Senvion Double-fed-induction generator

 

E92 NON Enercon synchrone sans aimant

 

E115 NON Enercon idem

 

V90 Vestas 4-pole (50 Hz)/6-pole (60 Hz) doubly fed generator, slip rings

 

V100 OUI Vestas

 

V110 OUI Vestas synchronous, permanent magnet, liquid-cooled

 

MD77 Senvion boite de vitesse à 3 rapports

ex Repower

ex Jacobs

[turbine Furhlander]

 

3M122 NON Repower asynchrone

 

N117 NON Nordex Doubly-fed asynchronous generator

 

GE 2.75-120 GE Energy asynchronous, double fed induction

 

SWT 3.2-113 OUI Siemens

 

G80 OUI GAMESA

 

G87 OUI GAMESA

 

G90 OUI GAMESA

 

G97 NON GAMESA Async DF

 

G114 OUI Gamesa Double alimentation

 

LW100 OUI Lagerwey

 

M24 OUI Xant

 

ECO122 NON Alsthom

 

 

 

 

 

Ressources :

 

https://energieplus-lesite.be/techniques/eolien6/generatrice-et-dynamique-du-rotor/

 

 

 

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