DE L'ENERGIE MECANIQUE A L'ENERGIE ELECTRIQUE

L'énergie cinétique est transformée en énergie mécanique via le rotor : cette énergie mécanique se traduit par la rotation de l'arbre lent. Cette rotation est décuplée par le multiplicateur : l'arbre rapide a donc une vitesse de rotation plus élevée. Cet arbre est relié directement à la génératrice ...

         

I) Les génératrices de l'éolienne.

 

Il faut savoir qu'il existe plusieurs génératrices : les génératrices dites synchrones et les génératrices dites asynchrones. Nous nous concentrerons sur les génératrices asynchrones étant donné qu'elles sont les plus fréquentes.

La plupart des éoliennes du monde utilisent une génératrice asynchrone triphasée à cage d'écureuil, appelée aussi une génératrice à induction, pour produire du courant alternatif.

        1) Fonctionnement des génératrices

 

Ce qui différencie les génératrices synchrones et asynchrones est le rotor. En effet, le rotor des génératrices asynchrones est un rotor que l'on appelle aussi cage à écureuil.
Cette cage à écureuil est fixée à l'arbre rapide, et possède donc un mouvement de rotation. Le rotor est placé au centre du stator : Le stator est une carcasse constituée d'un circuit magnétique sur lequel on a réalisé des bobinages.

 

La génératrice comporte une partie fixe : le stator (en vert), et une partie mobile : le rotor (en rouge)

Le rotor développe un champ magnétique. Lorsque la vitesse de rotation du rotor est égale à celle du champ magnétique alors il n’y aucune interaction avec le stator, cependant si la vitesse de rotation est plus grande que celle du champ magnétique alors il se développe une force électromagnétique. Le cas le plus fréquent dans les éoliennes à génératrice asynchrone est de trouver une génératrice à moteur triphasé constitué :

  •         d’un rotor à cage d’écureuil
  •         d’un stator ou il y a des bobinages

 

Le champ magnétique développé par le rotor est capté par les bobinages du stator et celà crée un courant autrement dit :

un courant induit

Ce courant induit résulte du phénomène d’induction.

 

 

 

      2) Caractéristiques des génératrices


                    a) Tension aux bornes de la
                         génératrice de l'éolienne

 

Sur les grandes éoliennes (supérieures à 100 à 150 kW), la tension générée par l'éolienne est le plus souvent une tension alternative triphasée de 690 V (CA). Le courant est ensuite conduit à travers un transformateur situé juste à côté de l'éolienne (ou bien à l'intérieur) pour augmenter la tension approximativement entre 10.000 à 30.000 V, selon le standard du réseau électrique local.
Les grands constructeurs fournissent plus de modèles d'éoliennes de 50 Hz (pour la quasi- totalité des réseaux électriques du monde) que de modèles de 60 Hz (pour le réseau électrique américain).

 

 

                b) Le système de refroidissement

Il faut refroidir les génératrices lorsqu'elles travaillent. Sur la plupart des éoliennes, on assure ce refroidissement en enrobant la génératrice dans un conduit et en installant dans celui-ci un grand ventilateur qui refroidit l'air. Il y a cependant un petit nombre de constructeurs d'éoliennes qui à la place utilisent des génératrices refroidies par eau.

 

II) Le phénomène d'induction

 

           1)Travaux pratiques.


                    a) Une bobine en mouvement
                         et un aimant fixe

 

Quelle est l'action du champ magnétique, créé par un aimant fixe, sur une bobine que l'on maintient en mouvement ?


Lors du déplacement de la bobine devant un aimant fixe (et uniquement pendant la durée de ce déplacement), une tension apparaît aux bornes de la bobine, qui se comporte alors comme un générateur.

 

On observe sur l’écran une tension alternative et périodique.

                   b) Une bobine fixe et un
                        aimant en mouvement.

Un alternateur constitué par deux bobines fixes (stator) et un aimant mobile (rotor), fonctionne sur ce principe: Il convertit l’énergie mécanique en énergie électrique.

On remarque que ce cas ressemble au celui des génératrices asynchrones .

        2) Le phénomène d'induction

 

Michael FARADAY
Michael FARADAY

 

En 1831, Michael Faraday met en évidence le phénomène d’induction électromagnétique. Ce phénomène est à la base du principe des fonctionnements de nombreux appareils industriels ; transformateurs, alternateurs…


Reprenons l’expérimentation précédente, on remarque que le mouvement de l’aimant devant la bobine crée un courant alternatif ;

 

  • En réalité, l’aimant crée dans son environnement un champ magnétique inducteur.

 

  • Lors du déplacement relatif de l’aimant, la bobine <<voit>> un champ magnétique inducteur variant au cours du temps.

 

  • La variation de la valeur du champ magnétique inducteur dans la bobine est à l’origine du courant induit dans le circuit comportant la bobine et la résistance.

 

  • Durant le phénomène d’induction, l’induit (bobine) se comporte comme un générateur ; la force électromotrice apellée "e" de ce générateur est appelée force électromotrice induite

La tension Uab s'exprime la manière suivante:

 Uab =  r.i-e

où e est la force électromotrice induite

r, la résistance interne de la géneratrice

notons que "r.i" selon la loi d'OHM représente "l'effet joul" ( autrement dit : la chaleur dissipée)

 

 

III) Conclusion partielle du TPE

 

    Reprenons les parties essentielles du fonctionement des éoliennes:

  • Les éoliennes réceptionnent donc l'énergie cinétique du vent grâce aux pales de l'éolienne.
  • Cette énergie cinétique est transformée grâce au rotor en énergie mécanique qui s'illustre par la rotation de l'arbre lent. Puis le multiplicateur décuple cette vitesse de rotation.
  • Enfin le rotor (cage d'écureuil) fixé sur l'arbre rapide tourne dans une carcasse comportant des bobinages (stator). Ce rotor dégage un champ magnétique et par phénomène d'induction : Les bobinages du stator se comportent comme des générateurs.
  • Ce courant induit est ensuite envoyé au transformateur qui augmente la valeur du courant afin qu'il soit envoyé aux réseaux électriques.