Comment les générateurs synchrones à aimant permanent sont utilisés dans les éoliennes
La technologie synchrone à aimant permanent est largement utilisée dans les machines électriques modernes, des moteurs industriels aux générateurs éoliens.
Cependant, dans une éolienne, la machine à aimant permanent fonctionne normalement comme un générateur et non comme un moteur. Pour cette raison, le terme générateur synchrone à aimant permanent (PMSG) est plus précis que PMSM lorsqu'il s'agit de l'unité principale de production d'électricité à l'intérieur d'une éolienne.
Les principes électromagnétiques sont étroitement liés, mais la direction de la conversion de l’énergie est différente.
Un PMSM convertit l'énergie électrique en rotation mécanique. Un PMSG fait le contraire : la transmission rotative de l’éolienne fournit de l’énergie mécanique au générateur, qui la convertit en énergie électrique.
Comprendre cette distinction permet de voir beaucoup plus facilement où la technologie à aimant permanent s'intègre dans les systèmes éoliens modernes.
Où se trouve le générateur à aimant permanent dans une éolienne ?
Le vent fait tourner les pales et le rotor de la turbine.
Cette rotation mécanique doit ensuite être convertie en électricité par le générateur.
Il existe deux grandes configurations de transmission.
Éoliennes à engrenages
Dans une transmission à engrenages, le rotor de la turbine tourne relativement lentement.
Une boîte de vitesses augmente la vitesse de rotation avant que la puissance mécanique n'atteigne le générateur.
Cela permet au générateur de fonctionner à une vitesse de rotation plus élevée que le rotor de la turbine.
Le but de la boîte de vitesses est donc de répondre aux exigences mécaniques de vitesse du rotor et du générateur. Il ne faut pas simplement le décrire comme « l'adaptation à la fréquence du réseau », car les turbines modernes à vitesse variable utilisent normalement de l'électronique de puissance entre le générateur et le réseau.
Éoliennes à entraînement direct
Un système à entraînement direct supprime la boîte de vitesses principale.
Le générateur est connecté beaucoup plus directement au rotor de la turbine et doit donc fonctionner à une vitesse beaucoup plus faible tout en produisant un couple élevé.
Cela modifie considérablement la conception du générateur.
Les générateurs à aimant permanent à entraînement direct ont généralement un diamètre plus grand et utilisent plusieurs pôles magnétiques afin qu'une production électrique utile puisse être produite à faible vitesse de rotation.
Pourquoi utiliser des aimants permanents ?
Un générateur synchrone à aimant permanent crée son champ magnétique de rotor avec des aimants permanents plutôt qu'un enroulement d'excitation de rotor.
Cela offre plusieurs caractéristiques utiles pour les applications éoliennes.
Pas de courant d'excitation du rotor
Le champ magnétique étant produit par des aimants permanents, le rotor ne nécessite pas de système d’excitation électrique séparé.
Cela peut réduire les pertes électriques du rotor et simplifier une partie de la structure du générateur.
Convient aux conceptions à faible vitesse et à couple élevé
Les machines à aimant permanent peuvent être conçues avec de nombreux pôles et une densité de couple élevée.
Cela est particulièrement pertinent pour les systèmes éoliens à entraînement direct, où la vitesse du générateur est faible et le couple mécanique est élevé.
Compatible avec le fonctionnement à vitesse variable
La vitesse du vent change continuellement.
Le fonctionnement de la turbine à vitesse variable peut permettre au rotor de rester plus proche de sa condition de fonctionnement aérodynamique préférée dans une plus large gamme de conditions de vent.
Les générateurs à aimant permanent sont couramment utilisés avec des convertisseurs électroniques pleine puissance, permettant à la fréquence du générateur de varier indépendamment de la fréquence du réseau.
Cela rend possible un fonctionnement à vitesse variable sans nécessiter que le rotor mécanique tourne à une vitesse synchrone fixe directement liée au réseau.
Quel rôle joue le convertisseur de puissance ?
Le générateur n’est qu’une partie du système électrique de l’éolienne.
Dans de nombreuses éoliennes à aimant permanent, l’énergie électrique provenant du générateur passe par un convertisseur AC/DC/AC à grande échelle avant d’atteindre le réseau.
Ce convertisseur remplit plusieurs fonctions importantes.
Il permet au générateur de fonctionner à vitesse variable, convertit la sortie du générateur à fréquence variable en énergie électrique compatible avec le réseau et permet de contrôler la puissance active et réactive aux bornes de la turbine.
Cette distinction est importante car la capacité de support du réseau ne doit pas être attribuée aux aimants permanents eux-mêmes.
Le générateur produit de l'énergie électrique, tandis que le système de contrôle du convertisseur et de la turbine gère la manière dont cette énergie est livrée au réseau.
Direct Drive ne signifie pas « toujours mieux »
Le retrait de la boîte de vitesses peut réduire le nombre de composants de la transmission et éliminer un sous-système mécanique majeur.
Cela peut s’avérer intéressant là où l’accès à la maintenance est difficile.
Cependant, les générateurs à entraînement direct comportent également leurs propres défis techniques.
Un générateur à basse vitesse a généralement besoin d’une structure électromagnétique plus grande pour produire le couple requis. Les systèmes à entraînement direct à aimant permanent peuvent également utiliser des quantités importantes de matériaux magnétiques de terres rares.
C’est pourquoi les architectures d’éoliennes à engrenages et à entraînement direct continuent d’exister.
Le choix approprié dépend de la puissance nominale de la turbine, de la vitesse du rotor, de la conception du générateur, du poids, de la stratégie de maintenance, du coût des matériaux et de la rentabilité globale du système.
Où s'adapte la technologie à aimant permanent à flux axial
La plupart des gens associent les grandes éoliennes aux machines à flux radial, mais la technologie à aimant permanent à flux axial est également pertinente pour les conceptions de générateurs compacts et spécialisés.
Dans une machine à flux axial, le flux magnétique se déplace principalement le long de l'axe du moteur ou du générateur plutôt que radialement à travers une structure cylindrique conventionnelle.
L'architecture peut offrir une densité de couple élevée et une longueur axiale relativement courte.
Pour les petits générateurs à entraînement direct ou les applications où le conditionnement et la densité de couple sont importants, la technologie à flux axial mérite d'être envisagée.
Jiangnan Electric développe actuellement des machines à aimants permanents à flux axial en plus des produits PMSM conventionnels. La gamme de flux axiaux publiée par la société couvre plusieurs configurations de tension, de vitesse, de refroidissement et de montage.
La même plate-forme électromagnétique peut être pertinente pour le développement de moteurs et de générateurs, mais un produit moteur ne doit pas automatiquement être présenté comme un générateur éolien sans validation électromagnétique, thermique et mécanique spécifique à l'application.
Applications électriques et éoliennes à aimant permanent de Jiangnan
Hangzhou Jiangnan Electric Motor Co., Ltd. fabrique actuellement plusieurs familles de moteurs synchrones à aimant permanent, notamment des PMSM conventionnels, des conceptions à faible vitesse et à couple élevé et des machines à aimant permanent à flux axial.
Certaines des plateformes de produits existantes présentent des caractéristiques qui sont également importantes pour le développement de générateurs éoliens.
Par exemple, la plate-forme JNPM520-45 de Jiangnan est évaluée à 45 kW et 245 tr/min avec un couple nominal de 1 754 N·m. Bien que développée pour une application industrielle à entraînement direct plutôt que présentée ici comme un générateur d'éolienne, la combinaison d'une faible vitesse et d'un couple élevé illustre le type de défi de conception électromagnétique que l'on retrouve également dans les systèmes de génération à entraînement direct.
La gamme à flux axial de Jiangnan comprend également des machines à aimant permanent conçues autour de structures axiales compactes et d'un fonctionnement à vitesse variable.
Le site Web actuel de la société répertorie également les produits à aimant permanent destinés aux applications éoliennes à faible vitesse et à petite et moyenne échelle.
Cependant, pour un véritable projet éolien, le processus de sélection doit commencer par les exigences du générateur plutôt que de choisir un moteur existant uniquement en fonction de sa puissance nominale.
Quelles informations sont nécessaires pour un projet de générateur éolien ?
Avant d'évaluer un générateur à aimant permanent, plusieurs conditions de fonctionnement doivent être définies.
Les informations importantes comprennent :
- puissance électrique nominale ;
- vitesse nominale et maximale du rotor ;
- couple continu et maximal ;
- tension de sortie requise ;
- plage de fréquences du générateur ;
- méthode de refroidissement;
- agencement de montage;
- interface à arbre ou à entraînement direct ;
- conditions ambiantes attendues ;
- niveau de protection ;
- topologie du convertisseur ;
- service de fonctionnement continu.
Pour un projet à entraînement direct, la vitesse et le couple du rotor sont particulièrement importants car le générateur doit gérer la charge de la turbine sans recourir à une boîte de vitesses à rapport élevé.
Pour les systèmes éoliens de petite et moyenne taille, l'emballage, le poids du générateur, le coût du convertisseur et les exigences de maintenance peuvent également affecter fortement la conception finale.
PMSM ou PMSG : la terminologie compte
Les moteurs synchrones à aimant permanent et les générateurs synchrones à aimant permanent sont basés sur des principes électromagnétiques étroitement liés.
Mais leurs rôles opérationnels sont différents.
Un PMSM convertit normalement l’énergie électrique en sortie mécanique.
Un PMSG convertit les apports mécaniques en énergie électrique.
Dans les éoliennes, la principale machine de conversion d’énergie est donc plus précisément décrite comme un PMSG.
Pour les clients développant des équipements éoliens, la question importante n’est pas simplement de savoir si un PMSM existant peut être installé dans une éolienne.
L'approche correcte consiste à définir d'abord la vitesse du générateur, le couple, la tension, les conditions thermiques, l'interface mécanique et le système de convertisseur requis, puis à concevoir ou à sélectionner la machine à aimant permanent en fonction de ces exigences.
Clause de non-responsabilité
Les informations contenues dans cet article sont fournies à titre de référence générale uniquement. Les spécifications du produit, ses performances, ses options de configuration et son adéquation doivent être évaluées en détail pour l'application prévue et les conditions de fonctionnement réelles. Avant de sélectionner, d'acheter ou d'utiliser un produit, veuillez confirmer les détails pertinents auprès de Jiangnan Electric et vous référer à la documentation technique applicable et aux spécifications convenues. Cet article ne remplace pas les instructions spécifiques au produit ni une évaluation technique professionnelle.
