Générateur à induction

Un générateur à induction ou générateur asynchrone est un type de générateur électrique à courant alternatif (CA) qui utilise les principes des moteurs à induction pour produire de l'énergie électrique. Les générateurs à induction fonctionnent en faisant tourner mécaniquement leurs rotors plus rapidement que la vitesse synchrone. Un moteur à induction à courant alternatif ordinaire peut généralement être utilisé comme générateur, sans aucune modification interne. Parce qu'ils peuvent récupérer de l'énergie avec des commandes relativement simples, les générateurs à induction sont utiles dans des applications telles que les mini- centrales hydroélectriques, les éoliennes ou pour réduire les flux de gaz à haute pression à une pression plus basse.

Un générateur à induction tire un courant d'excitation réactif d'une source externe. Les générateurs à induction ont un rotor à courant alternatif et ne peuvent pas démarrer en utilisant la magnétisation résiduelle pour démarrer à froid un système de distribution hors tension comme le font les machines synchrones. Des condensateurs de correction du facteur de puissance peuvent être ajoutés en externe pour neutraliser une quantité constante du courant d'excitation réactif variable. Après le démarrage, un générateur à induction peut utiliser une batterie de condensateurs pour produire un courant d'excitation réactif, mais la tension et la fréquence du système d'alimentation isolé ne sont pas autorégulatrices et se déstabilisent facilement.

Un générateur à induction produit de l'électricité lorsque son rotor tourne à une vitesse supérieure à la vitesse de synchronisme . Pour un moteur à quatre pôles (deux paires de pôles sur le stator) alimenté par une source de 60 Hz, la vitesse de synchronisme est de 1 800 tours par minute (tr/min) et de 1 500 tr/min alimenté à 50 Hz. Le moteur tourne toujours légèrement plus lentement que la vitesse de synchronisme. La différence entre la vitesse de synchronisme et la vitesse de fonctionnement est appelée « glissement » et est souvent exprimée en pourcentage de la vitesse de synchronisme. Par exemple, un moteur fonctionnant à 1 450 tr/min qui a une vitesse de synchronisme de 1 500 tr/min tourne avec un glissement de +3,3 %.

En fonctionnement moteur, le flux du stator tourne à la vitesse synchrone, qui est plus rapide que la vitesse du rotor. Le flux du stator tourne alors à la fréquence de glissement, ce qui induit un courant du rotor via l'inductance mutuelle entre le stator et le rotor. Le courant induit crée un flux du rotor avec une polarité magnétique opposée à celle du stator. De cette façon, le rotor est entraîné derrière le flux du stator, les courants dans le rotor étant induits à la fréquence de glissement. Le moteur tourne à la vitesse à laquelle le courant du rotor induit donne lieu à un couple égal à la charge de l'arbre.

En fonctionnement générateur, un moteur principal (turbine ou moteur) entraîne le rotor au-dessus de la vitesse de synchronisme (glissement négatif). Le flux statorique induit un courant dans le rotor, mais le flux rotorique opposé coupe alors les bobines du stator, un courant est induit dans les bobines du stator à 270° derrière le courant magnétisant, en phase avec la tension magnétisante. Le moteur fournit une puissance réelle (en phase) au système électrique.

Un moteur à induction nécessite un courant externe fourni aux enroulements du stator afin d'induire un courant dans le rotor. Étant donné que le courant dans un inducteur est intégré à la tension par rapport au temps, pour une forme d'onde de tension sinusoïdale, le courant est en retard de 90° sur la tension et le moteur à induction consomme toujours de la puissance réactive , qu'il consomme de l'énergie électrique et fournisse de l'énergie mécanique en tant que moteur ou qu'il consomme de l'énergie mécanique et fournisse de l'énergie électrique au système.

Une source de courant d'excitation pour le flux de magnétisation (puissance réactive) du stator est toujours nécessaire pour induire le courant du rotor. Celui-ci peut être fourni par le réseau électrique ou, une fois qu'il commence à produire de l'énergie, par une réactance capacitive. Le mode de génération des moteurs à induction est compliqué par la nécessité d'exciter le rotor, qui étant induit par un courant alternatif est démagnétisé à l'arrêt sans magnétisation résiduelle pour amorcer un démarrage à froid. Il est nécessaire de connecter une source externe de courant de magnétisation pour initialiser la production. La fréquence et la tension du réseau ne sont pas autorégulatrices. Le générateur est capable de fournir un courant déphasé par rapport à la tension, ce qui nécessite davantage d'équipements externes pour construire un système d'alimentation isolé fonctionnel. Le fonctionnement du moteur à induction en parallèle avec un moteur synchrone servant de compensateur de facteur de puissance est similaire. Une caractéristique du mode générateur en parallèle avec le réseau est que la vitesse du rotor est plus élevée qu'en mode entraînement. L'énergie active est alors transmise au réseau. Un autre inconvénient du générateur de moteur à induction est qu'il consomme un courant de magnétisation important I 0 = (20-35) %.

La puissance active délivrée à la ligne est proportionnelle au glissement au-dessus de la vitesse synchrone. La puissance nominale maximale du générateur est atteinte à de très faibles valeurs de glissement (dépendant du moteur, généralement 3 %). À une vitesse synchrone de 1 800 tr/min, le générateur ne produit aucune puissance. Lorsque la vitesse d'entraînement est augmentée à 1 860 tr/min (exemple typique), la puissance de sortie maximale est produite. Si le moteur principal n'est pas en mesure de produire suffisamment de puissance pour entraîner complètement le générateur, la vitesse restera quelque part entre 1 800 et 1 860 tr/min.

Une batterie de condensateurs doit fournir une puissance réactive au moteur lorsqu'elle est utilisée en mode autonome. La puissance réactive fournie doit être égale ou supérieure à la puissance réactive que le générateur consomme normalement lorsqu'il fonctionne comme moteur.

Le principe de base des générateurs à induction est la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique. Cela nécessite un couple externe appliqué au rotor pour le faire tourner plus vite que la vitesse de synchronisme. Cependant, l'augmentation indéfinie du couple n'entraîne pas une augmentation indéfinie de la production d'énergie. Le couple du champ magnétique rotatif excité par l'armature agit pour contrer le mouvement du rotor et empêcher une survitesse due au mouvement induit dans la direction opposée. Lorsque la vitesse du moteur augmente, le contre-couple atteint une valeur maximale de couple (couple de rupture) jusqu'à laquelle il peut fonctionner avant que les conditions de fonctionnement ne deviennent instables. Idéalement, les générateurs à induction fonctionnent mieux dans la région stable entre la condition à vide et la région de couple maximal.

La puissance maximale pouvant être produite par un moteur à induction fonctionnant comme générateur est limitée par le courant nominal des enroulements du générateur.

Dans les générateurs à induction, la puissance réactive nécessaire pour établir le flux magnétique de l'entrefer est fournie par une batterie de condensateurs connectée à la machine dans le cas d'un système autonome et dans le cas d'une connexion au réseau, elle tire la puissance réactive du réseau pour maintenir son flux d'entrefer. Pour un système connecté au réseau, la fréquence et la tension de la machine seront dictées par le réseau électrique, car elles sont très faibles par rapport à l'ensemble du système. Pour les systèmes autonomes, la fréquence et la tension sont une fonction complexe des paramètres de la machine, de la capacité utilisée pour l'excitation et de la valeur et du type de charge.

Les générateurs à induction sont souvent utilisés dans les éoliennes et certaines micro-centrales hydroélectriques en raison de leur capacité à produire de l'énergie utile à différentes vitesses de rotor. Les générateurs à induction sont mécaniquement et électriquement plus simples que les autres types de générateurs. Ils sont également plus robustes, ne nécessitant ni balais ni commutateurs .

Un générateur à induction connecté à un système de condensateurs peut générer suffisamment de puissance réactive pour fonctionner de manière indépendante. Lorsque le courant de charge dépasse la capacité du générateur à fournir à la fois la puissance réactive de magnétisation et la puissance de charge, le générateur cesse immédiatement de produire de l'énergie. La charge doit être retirée et le générateur à induction redémarré soit avec un moteur à courant continu externe, soit, s'il est présent, avec un magnétisme résiduel dans le noyau.

Les générateurs à induction sont particulièrement adaptés aux parcs éoliens, car dans ce cas, la vitesse est toujours un facteur variable. Contrairement aux moteurs synchrones, les générateurs à induction dépendent de la charge et ne peuvent pas être utilisés seuls pour réguler la fréquence du réseau.

À titre d'exemple, considérons l'utilisation d'un moteur à induction triphasé de 10 ch, 1 760 tr/min, 440 V (également appelé machine électrique à induction dans un régime de générateur asynchrone) comme générateur asynchrone. Le courant à pleine charge du moteur est de 10 A et le facteur de puissance à pleine charge est de 0,8.

Capacité requise par phase si les condensateurs sont connectés en delta :

Puissance apparente

Puissance active

Puissance réactive

Pour qu'une machine fonctionne comme un générateur asynchrone, la batterie de condensateurs doit fournir au moins 4567 / 3 phases = 1523 VAR par phase. La tension par condensateur est de 440 V car les condensateurs sont connectés en triangle.

Courant capacitif Ic = Q/E = 1523/440 = 3,46 A

Réactance capacitive par phase Xc = E/Ic = 127 Ω

Capacité minimale par phase :

C = 1 / (2*π*f*Xc) = 1 / (2 * 3,141 * 60 * 127) = 21 μF.

Si la charge absorbe également de la puissance réactive, la taille de la batterie de condensateurs doit être augmentée pour compenser.

La vitesse du moteur principal doit être utilisée pour générer une fréquence de 60 Hz :

En règle générale, le glissement doit être similaire à la valeur à pleine charge lorsque la machine fonctionne en tant que moteur, mais négatif (fonctionnement en générateur) :

si Ns = 1800, on peut choisir N=Ns+40 rpm

Vitesse de rotation requise du moteur principal N = 1800 + 40 = 1840 tr/min.