GENERATRICES ASYNCHRONES


Qu'est-ce qu'une génératrice asynchrone
Quelle est son utilisation
Fonctionnement d'une génératrice asynchrone

Particularités
Fonctionnement sur le réseau
Démarrage de la génératrice
Dimmensionnement
Exemple numérique
Le réactif , les consensateurs
Les protections
Le fonctionnement en autonome

 

QU'EST-CE QU'UNE GÉNÉRATRICE ASYNCHRONE ?

C'est une machine à induction asynchrone qui transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique . Pour réaliser cette transformation elle doit pour cela être entraînée au-delà de la vitesse de synchronisme (variable suivant la charge).  Son rotor est généralement à cage d'écureuil ; elle bénéficie donc de la robuste simplicité du moteur a cage et des mêmes moyens de fabrication. La puissance nécessaire à sa magnétisation est fournie par le réseau lorsqu'elle est couplée en parallèle ou par une batterie de condensateurs dans le cas d'une utilisation isolée.
 

QU'ELLE EST SON UTILISATION ?

Elle équipe généralement, soit :
 
bulbekaplansmall

Photos Général Electric

plus de détails sur : http://www.dfj.vd.ch/gyyver/copie_de_physique/hydro.htm
 

nacelle Nordex

plus de détails sur : http://www.eole.org/SitIngF.htm
 

turbine à gaz Général Electric

plus de détails sur : http://www.ifrance.com/ngv3/lm2500+f.htm
 
 

groupe électrogène Perkins

FONCTIONNEMENT D'UNE GÉNERATRICE ASYNCHRONE

 

1 - Particularités


Une génératrice synchrone (alternateur) est entraînée en fonctionnement normal à sa vitesse de synchronisme (par exemple 1500 min-1 pour un 4 pôles). La génératrice asynchrone elle, doit être entraînée au-delà de sa vitesse de synchronisme pour fournir de l'énergie électrique. 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; il ne s'agit pas d'une puissance utilisable, appelée puissance active, mais d'une puissance fictive, puissance réactive, correspondant à une composante du courant à facteur de puissance nul. Ce courant peut être emprunté au réseau mais peut aussi bien être obtenu de façon statique en branchant en parallèle à la machine une batterie de condensateurs. En outre, en ajustant ces condensateurs de façon précise, il est possible, dans certaines conditions, d'utiliser une génératrice asynchrone en dehors d'un réseau, fonctionnement autonome pour alimenter une charge isolée.
 

2. - Fonctionnement sur réseau


Dans un moteur d'induction alimenté à partir d'un réseau, la tension appliquée aux bornes du bobinage induit dans le circuit magnétique un flux tournant par rapport au stator qui tend à entraîner le rotor conformément aux lois de l'induction. Si ce dernier n'est pas accouplé, il tourne pratiquement à la vitesse de ce flux, soit la vitesse de synchronisme Nsy. Si on lui applique une charge, le couple résistant provoque un effet de freinage qui le fait glisser par rapport au flux tournant ; l'écart de vitesse  est, pour les moteurs classiques, relativement faible et le glissement  ne dépasse pas quelque pour-cent pour sa valeur nominale .

Au lieu de charger la machine, il est également possible de l'entraîner à l'aide d'un moteur, une turbine hydraulique par exemple. A ce moment le couple appliqué va l'entraîner un peu plus vite que le flux tournant : le glissement change de signe en même temps que la puissance active électrique :

Cependant pour produire le flux, dans un cas aussi bien que dans l'autre, le circuit magnétique doit recevoir une énergie de magnétisation ; celle-ci toujours fournie à la machine, est réactive car elle correspond à une composante du courant (ampère-tours de magnétisation) en quadrature avec la tension. Afin d'éviter de pénaliser le réseau, on utilise souvent une batterie de condensateurs branchée en parallèle avec la machine et qui fournit tout ou partie de la puissance réactive nécessaire, la puissance nécessaire en kVAR est donnée dans les tableaux de caractéristiques électriques.
 

3. - Démarrage de la génératrice

Celui-ci est habituellement assuré par la machine d'entraînement : aussi dans leur grande généralité, les génératrices asynchrones sont des machines a cage. II  est  toutefois  possible,  dans  certains  cas  particuliers,  de les utiliser momentanément en moteurs pour assurer ou faciliter le lancement du groupe générateur ; dans ce cas l'insertion temporaire de résistances en série avec la machine permet de limiter l'appel de courant tout en assurant un couple réduit mais suffisant pour un démarrage à vide. Ces mêmes résistances seront d'ailleurs normalement utilisées, même lorsque le démarrage est effectué par la seule machine d'entraînement, pour faciliter le couplage sur le réseau en réduisant la pointe due à la magnétisation.
 

4. - Détermination approximative d'une génératrice asynchrone (1)

Les fonctionnements en moteur et en génératrice d'une machine asynchrone d'induction sont très voisins. Considérons les courbes de couple et d'intensité en fonction du glissement absolu (écart de vitesse en tr/min par rapport g la vitesse de synchronisme).
La courbe de couple est sensiblement symétrique par rapport à l'origine des axes. La courbe de l'intensité est sensiblement symétrique par rapport à l'axe des ordonnées.
Ainsi une même machine pourra être utilisée en moteur (point de fonctionnement M) ou en génératrice (point de fonctionnement G).
La vitesse légèrement supérieure g celle du fonctionnement en moteur assurera une autoventilation un peu améliorée; ceci joint g des valeurs du même ordre du rendement et du facteur de puissance conduira à des échauffements comparables.

(1) NOTA : l'utilisation prévue à l'origine en génératrice asynchrone, en particulier pour une grosse machine, entraîne généralement des particularités constructives et un dimensionnement pouvant être assez différent entre autres, à cause de la vitesse d'emballement qui peut avoir une valeur importante.
 
 
 

5/ Exemple numérique


Considérons un moteur de puissance utile de 75 kW
 

U = 380V , f = 50 Hz , I = 140A , cos\( \varphi \) = 0,85 (donc sin\( \varphi \)= 0,527)

N = 1475 min-1 donc g = 1500 - 1475 = 25 min-1
 


Les puissances actives et réactives fournies par le réseau sont :
 

P = \( \sqrt{3} \) U I cos\( \varphi \) = \( \sqrt{3} \). 380 . 140 . 0,85 = 78500 W

Q = \( \sqrt{3} \) U I sin\( \varphi \) = \( \sqrt{3} \). 380 . 140 . 0,527 = 48700 VAr


Si la machine est utilisée en génératrice elle fournira P en absorbant Q sous 380V et 50 Hz en tournant à la vitesse N' = Nsyn+ g , soit 1500 + 25 = 1525 min-1
 
 


 

Le réactif , les condensateurs.


Pour fournir le réactif on utilisera normalement des condensateurs triphasés prévus pour la tension de service et la puissance convenable. Il sera également possible de constituer la batterie à partir de capacités monophasées C couplées en triangle ou en étoile. Dans le premier cas, chaque branche supporte la tension composée U et on peut écrire :

Qt= 3 . U2 . C                               (1)

 

Dans le second cas les branches ne supportent plus que la tension simple V ;  on écrira cette fois :

Qe= 3 . V2 . C                               (2)


 

Supposons maintenant que la charge soit composée de différents points d'éclairage et de chauffage pour lesquels il n'y a pas de réactif à fournir, et d'un moteur à cage de 30 ch dont les caractéristiques nominales sont :
U = 380 V     ,    f = 50 Hz      , I = 48 A.
cos = 0,78      donc sin  = 0,625
Id/In= 5,8            Cd/Cn = 2    (sind= 0,90)

Les puissances réactives en régime et au démarrage sont donc :

Q = U . I . sin  = 380 . 48 .  . 0,625 = 19800 VAr
Qd = U . Id .  sin d = 380 . 48 . 5,8 .  . 0,9 = 165000 VAr

II faudra donc un échelon de 19,8 kVAr. restant en permanence aux bornes du moteur et un échelon correspondant à la différence soit sensiblement :
Q'd = 165 - 20 = 145 kVAr qui sera éliminé dés que la mise en vitesse sera assurée. Bien entendu, ces valeurs constituent essentiellement des approximations et il sera nécessaire d'ajuster expérimentalement les capacités (fournies d'ailleurs le plus souvent avec des tolérances pouvant atteindre 10% dans le cas du fonctionnement hors réseau.  Enfin si on veut laisser fournir une partie du réactif par le réseau et qu'au niveau de celui-ci le facteur de puissance soit alors, par exemple :

cos = 0,95    donc sin = 0,312

II faudra  retrancher :
Q' = P. tg  = 78,5 . 0,312 / 0.95 = 25,8 kVAr

L'échelon correspondant à la génératrice sera donc seulement :

Qg = Q - Q' = 48,7 - 25,8 = 22,9 kVAr.
 

Une adresse traitant du raccordement des condensateurs : http://www.a3i.fr/note1.htm
 


Documents Leroy Somer , General Electric .