Sur le fond

Le projet de recherche ET 4063, financé par le Ministère Fédéral Allemand de la Recherche, de la Technologie et l'Industrie [1], a clairement démontré que l'énergie éolienne peut apporter une contribution importante à garantir nos approvisionnements en énergie. La Fig. 1 montre une installation pilote utilisée à ce moment-là

Fig. 1 : L'installation entière comprend une éolienne à grande vitesse avec trois pales, un mât et un bâtiment séparé pour recevoir les matériels d'essai
Fig. 2 : Capteur de couple T30FN installé entre le rotor et le générateur
Fig. 3 : Diagramme Couple – Vitesse du vent

Capteurs de couple utilisés dans les années 80

Durant le projet de recherche, un capteur de couple T30FN d’une capacité nominale de 10 kNm a été utilisé.

Dans la référence de ce capteur, la lettre F caractérise le fait que la transmission du signal se fait par modulation de fréquence. Cela signifie que le signal de mesure et l'alimentation se font sans contact entre le rotor et le stator, sans aucune influence des éléments d'accouplement qui par exemple peuvent jouer sur des variations d'entrefer.

La lettre N indique qu’une mesure de vitesse de rotation (magnétique) est intégrée au capteur. Il est donc possible avec ce capteur de déterminer la puissance à du couple et de la vitesse de rotation.

La Fig. 2 montre le capteur de couple installé sur le mât.

La Fig. 3 montre clairement la relation existante entre la vitesse du vent et le couple [2]. Le couple augmente avec l'augmentation de la force du vent, alors que la vitesse de rotation reste inchangée. Nous avons donc au résultat une puissance mécanique additionnelle qui est générée. Et cela signifie également que le générateur peut produire plus de courant électrique.

Statu quo : L’énergie éolienne aujourd'hui

Aujourd'hui, l'énergie éolienne est l'une des principales énergies renouvelables et continue à être un marché d’avenir avec des taux de croissance encourageants. De plus, les besoins en énergie ont rapidement augmenté et la demande en énergies alternatives a pratiquement explosée, en raison principalement de la diminution progressive du nucléaire.

Au début des années 90, une éolienne moyenne développait 200 kW. Aujourd'hui, la puissance s‘élève à 2 MW. En une vingtaine d’années, le rendement a progressé de 10 fois. Cette augmentation résulte essentiellement des diamètres de rotor plus grands. Le doublement du diamètre rotor quadruple la zone active.

Grandeurs mécaniques mesurées dans une éolienne

La puissance d'un corps tournant est obtenu à partir du produit du couple et de la vitesse angulaire.

P = Puissance en Nm/s (1Nm/s = 1 W = 0.00136 ch)
M = Couple in N m
ω = Vitesse angulaire en rd/s
N = Vitesse de rotation en tr/mn

Avec

La formule devient pour la grandeur à mesurer : le couple.

Le couple calculé ne doit pas être pris en considération pour faire la sélection du couplemètre quand au choix de sa portée nominale. Il faut en plus tenir compte des facteurs influents supplémentaires comme les couples de démarrage ou bien encore les vibrations du banc. Les informations générales sur la mesure de couple sont fournies dans le livre référence [3].

Fig. 4 : Capteur de couple T10FM dans un banc d'essai Rexroth (Werksbild Bosch Rexroth/Witten)

Réducteur

Dans les éoliennes, il y a un « conflit d'intérêt » entre la vitesse d'entraînement du rotor, limitée par exemple par la vitesse de démarrage et la vitesse de rotation exigée du générateur. Avec deux paires de pôle, une vitesse de rotation de 1500 t/mn est requise pour une fréquence principale de 50 Hertz. [4].

La solution est d'utiliser un réducteur. Ils convertissent la vitesse et le couple de rotation et transmettent une puissance élevée. Dans une éolienne moderne de plusieurs mégawatts [5], le réducteur est employées pour convertir la vitesse de rotation du rotor très basse d’env 14 tr/mn en une vitesse de rotation élevée sur l'axe du générateur à env 1400-1650 tr/mn. Cette conversion entraine une réduction du couple élevé de rotor selon le rapport de vitesse. La Fig. 4 montre un capteur de couple HBM (à brides) du type T10FM* d’une portée nominale de 40 kNm monté sur un générateur.

Compacte, le réducteur d’une éolienne pèse plusieurs tonnes et dans la plupart des cas c’est un réducteur planétaire à engrenages cylindriques. Encore que les éoliennes sans réducteur soient discutables aujourd'hui, le couple généré par les pales de rotor devra toujours être très élevé pour produire suffisamment de courant électrique.

* HBM ne fabrique plus le couplemètre T10FM. Son successeur est le couplemètre numérique T40FM.

Couple

Le couple à mesurer se situe souvent dans la gamme du kNm jusqu'à plusieurs Méga-Newton (MNm).

Cela peut être illustré par l'exemple suivant :

Générateur:    P=2 MW
Réducteur:    1:100

La puissance d’un générateur de 2 MW et une vitesse de rotation de 1500 t/mn donnent le couple suivant :

(1)     M =12.74 kNm / n=1500 tr/mn

(2)     M =1.3 kNm / n=15 tr/mn

De plus grands générateurs avec des vitesses de rotation inférieures sont en pourparler. Cependant, les capteurs de couple atteindront alors leurs limites. La Fig. 5 montre la réalisation d’un capteur de couple de 1.5 MNm et une proposition de conception pour des couples nominaux plus élevés.

Fig. 5 : Capteur de couple de 1,5 MNm et conception au delà de cette portée

Toutefois, la traçabilité par un étalonnage de cet énorme capteur n'est pas garantie. L'Institut National Allemand de Métrologie (PTB) à Brunswick, en Allemagne, possède actuellement la plus grande machine d’étalonnage en couple au monde. Il est possible d’étalonner des couples jusqu’à 1.1 MNm avec une  incertitude de mesure de 0.1% [6]. Les offres HBM dans le domaine de l’étalonnage de couple sont présentées dans le document de la fig. 6.

Fig. 6 : Offre d’étalonnage HBM

Conclusion

Cet article montre clairement à quel point la mesure de couple dans les éoliennes était importante dans le passé et l’est toujours aujourd'hui. Il n'y a aucune production d'électricité sans rotation, par conséquent, il ne peut y avoir aucune puissance sans une vitesse angulaire et un couple.

References

[1]    Herbert Lauer: Die Windkraft meßtechnisch erfaßt, Markt&Technik No. 44 dated October 30, 1981

[2]    MESSTECHNISCHE BRIEFE, MTB 17 (1981) Issue 2,  Published by Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, 64293 Darmstadt

[3]    Rainer Schicker, Georg Wegener: Measuring Torque Correctly, ISBN 3-00-008945-4
    Published by Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, Darmstadt

[4]    http://www.energiewelten.de/

[5]    Christian Scheer, Rainer Schicker: Energie wird knapp. Getriebe und moderne Drehmomentmesstechnik tragen zur Energieerzeugung aus Windenergie bei, Windkraftkonstruktion, http://www.windkraftkonstruktion.vogel.de/automation/articles/327594/

[6]    http://www.ptb.de/cms/index.php?id=2447

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