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‫الشـعـبـيــة‬ ‫الديـمـقـراطـيــة‬ ‫الجـزائـريـة‬ ‫الجـمـهـوريـة‬
REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
M E M O I R E D E F I N D ’ E T U D E
Spécialité : Machines Electriques
Intitulé du sujet :
Présenté par :
FARES Houssem Dhia Eddine
BOUARGOUB Abdelkader
Soutenu publiquement, le / 07/ 2022, devant le jury composé de :
Année universitaire : 2021-2022
MOSTFOUI Imene Grade ESGEE Président
SEGHIOUR Abdelatif Grade ESGEE Examinateur
SELLAMNA Hamza Grade ESGEE Examinateur
HACHEMI Hachemi Grade ESGEE Encadrant
ÉTUDE PRÉLIMINAIRE EN SIMULATION DU SYSTÈME ÉOLIEN DE
PRODUCTION D’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE SELON LE CONCEPT DE WIND-
TREE
‫العلمـي‬ ‫والبحـث‬ ‫العالـي‬ ‫التعليـم‬ ‫وزارة‬
‫الكهربائية‬ ‫الهندسة‬ ‫في‬ ‫العليـا‬ ‫المـدرسـة‬
‫والطاقوية‬
-‫بوهران‬ -
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT
SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE
SCIENTIFIQUE
ÉCOLE SUPÉRIEURE EN GÉNIE
ÉLECTRIQUE ET ÉNERGÉTIQUE D’ORAN
Pour l’obtention du Diplôme d’Ingénieur d’Etat en Electrotechnique
DEDICACES
Je remercie dieu de m’avoir donné le courage et la volonté Tout au
long de mon cursus.
Je dédie ce modeste travail à :
Mes très chers parents ; Mes grands-mères et Mes grands-pères ;
Mon frère ; Ma sœur ;
Mes cousins ; Mes cousines ; Mes tantes ; Mes oncles ;
Toute la famille FARES et la famille BENAMAR ;
Mes amis ;
Tous les gens qui m’ont soutenu durant mes études.
Houssem
Je remercie dieu de m’avoir donné le courage et la volonté Tout au
long de mon cursus.
Je dédie ce modeste travail à :
Mes très chers parents ; Mes grands-mères et Mes grands-pères ;
Mes frères ; Mes sœurs ;
Mes cousins ; Mes cousines ; Mes tantes ; Mes oncles ;
Toute la famille BOUARGOUB et la famille GOURCHAL ;
Mes amis ;
Tous les gens qui m’ont soutenu durant mes études.
Abdelkader
REMERCIEMENTS
En premier lieu nous tenons à manifester nos louanges à Dieu le tout
puissant par aisance et excellence, de nous avoir donné la force et la
patience de réaliser ce travail.
Nous tenons à remercier toutes les personnes qui ont contribué au
succès de mon stage et qui m’ont aidée lors de la rédaction de ce
mémoire.
Nous voudrions remercier chaleureusement notre encadreur de
mémoire M. HACHEMI, professeur à l’école supérieur en génie
électrique et énergétique, pour sa patience, sa disponibilité et surtout
ses judicieux conseils, qui ont contribué à alimenter notre réflexion.
Nous remercions également toute l’équipe pédagogique de l’école
supérieur en génie électrique et énergétique et les intervenants
professionnels responsables de notre formation, pour avoir assuré la
partie théorique de celle-ci.
Enfin on ne peut oublier de remercier tous ceux qui ont contribué de
près ou de loin à la réalisation de ce modeste travail.
RESUME
L’énergie éolienne est parmi les sources d’énergie renouvelables les plus utilisée dans
le monde et le développement dans la technologie de conversion de cette énergie est
toujours continu. Dans ce mémoire nous avons choisi d’étudier un nouveau système de
conversion d’énergie éolienne en énergie électrique selon un concept qui s’appelle
« l’arbre à vent », pour cela notre étude se base sur la modélisation et la simulation de
toutes les composantes de ce système.
Mots clés : Energie éolienne, Turbine savonius, MSAP, Hacheur, Redresseur, Simulink.
SUMMARY
Wind energy is one of the most widely used sources of renewable energy in the world
and the development of the technology for converting this energy is still ongoing. In this
brief, we have chosen to study a new system for converting wind energy into electrical
energy using a concept called “the wind tree”, for which our study is based on modelling
and simulation of all the components of this system.
Keywords: Wind energy, Savonius turbine, MSAP, Chopper, Rectifier, Simulink.
‫ملخص‬
‫طاقةةةة‬
‫الريةةةةا‬
‫هةةةة‬
‫واحةةةة‬
‫مةةةة‬
‫أكثةةةةر‬
‫مصةةةةا‬
‫الطاقةةةة‬
‫المتجةةةة‬
‫ا‬‫ام‬ ً‫اسةةةةت‬
‫فةةةة‬
‫العةةةةال‬
‫ولةةةة‬
‫ا‬ ‫ة‬‫ة‬‫يةةةة‬
‫ير‬ ‫ة‬‫ة‬‫تطةةةة‬
‫ةا‬‫ة‬‫جيةةةة‬ ‫ل‬ ‫تكن‬
‫ة‬‫ة‬‫يةةةة‬ ‫تح‬
‫ة‬‫ة‬‫هةةةة‬
‫ة‬‫ة‬‫الطاقةةةة‬
‫ا‬‫ةتمر‬‫ة‬‫مسةةةة‬
.
‫ة‬‫ة‬‫فةةةة‬
‫ا‬ ‫ة‬‫ة‬‫هةةةة‬
‫ج‬ ‫ة‬‫ة‬‫المةةةة‬
‫ةا‬‫ة‬‫اخترنةةةة‬
‫ة‬‫ة‬‫اسةةةة‬
‫ةا‬‫ة‬‫نظةةة‬
‫ة‬‫ة‬‫يةةة‬ ‫ج‬
‫ة‬‫ة‬‫يةةة‬ ‫لتح‬
‫ة‬‫ة‬‫طاقةةة‬
‫ةا‬‫ة‬‫الريةةة‬
‫ة‬‫ة‬‫إلةةة‬
‫ة‬‫ة‬‫طاقةةة‬
‫ة‬‫ة‬‫كهربائيةةة‬
‫ا‬ ً‫ةت‬‫ة‬‫باسةةة‬
‫ة‬‫ة‬‫مفهةةة‬
‫ةم‬‫ة‬‫يسةةة‬
«
‫ةجر‬‫ة‬‫شةةة‬
» ‫الريا‬
‫ي‬ ‫وال‬
‫تستن‬
‫استنا‬
‫إليه‬
‫إل‬
‫ج‬ ‫نم‬
‫ومحاكا‬
‫جميع‬
‫نات‬ ‫مك‬
‫ا‬ ‫ه‬
‫النظا‬
.
‫ا‬‫ا‬‫الكلمااااا‬
‫ا‬‫ا‬‫حيااااا‬ ‫المفت‬
:
‫ا‬‫ا‬‫قااااا‬ ‫ط‬
‫ا‬‫ا‬‫الريااااا‬
‫ا‬‫ا‬‫العنفااااا‬
‫ا‬‫ا‬‫العموديااااا‬
‫الك‬ ‫ا‬‫ا‬‫المولااااا‬
‫ا‬‫ا‬‫هربااااا‬
‫ب‬ ‫ام‬ ‫ا‬‫ا‬‫المتااااا‬ ‫ئي‬
‫ط‬ ‫ا‬‫ا‬‫مغنااااا‬
‫يس‬
‫دائم‬
‫ط‬ ‫الق‬ ‫ل‬ ‫المع‬
‫ع‬
‫وب‬ ‫المتن‬
‫سيمولنك‬
.
SYMBOLES ET ABREVIATIONS
VAWT Turbine éolienne à axe vertical
HAWT Turbine éolienne à axe horizontal
MSAP Machine synchrone à aimant permanent
GSAP Génératrice synchrone a aimant permanent
RFPM La machine synchrone à flux radia
AFPM La machine à aimants discoïdes à champ axial
FMM La force magnétomotrice
FEM La force électromotrice
(𝑑, 𝑞) Indice du repère de Park lié au rotor
𝐿𝑠𝑞 Inductance statorique quadratique
𝐿𝑠𝑑 Inductance statorique direct
𝑖𝑑 Courant statoriques sur l’axe direct
𝑖𝑞 Courant statoriques sur l’axe quadratique
𝑅𝑐ℎ , 𝐿𝑐ℎ Les paramètres de la charge
𝑣(𝑎,𝑏,𝑐) Les tensions des phases statoriques
𝐶𝑒𝑚 Le couple électromagnétique développé par le générateur
𝑃𝑒 La puissance électromagnétique
𝑉𝑉 La vitesse de vent (m/s)
𝑉
𝑚𝑜𝑦 La valeur moyenne de la vitesse du vent
𝑎𝑘 Amplitude de l'harmonique de l'ordre k
𝑤𝑘 Pulsation de l'harmonique de l'ordre k
𝐴 La surface balayée par la turbine (m²)
𝜌 La masse volumique de l’air
𝑃𝑇 La puissance mécanique fournit par la turbine
𝐶é𝑜𝑙 Le couple mécanique de la turbine
𝐶𝑝 Le coefficient de puissance
𝜆 La vitesse spécifique
𝜔 La vitesse angulaire de rotation des pales (rad/s)
𝑅 Le rayon de la voilure
𝐻 La hauteur de la turbine savonius
𝑓
𝑚 Le coefficient de frottement de la machine
𝑓𝑡 Le coefficient de frottement de la turbine
𝐽𝑚 L’inertie de la machine
𝐽𝑡 L’inertie de la turbine
AC Courant alternatif
DC Courant continue
D Diode
𝑈𝑟𝑒𝑑 La tension de la sortie du redresseur
𝐸 La tension à l’entrée de l’hacheur
𝑉
𝑠 La tension de la sortie d’hacheur
𝑉
𝑟 La tension référence dans la commande de l’hacheur
𝑅 Résistance
𝐿 Inductance
𝐶 Capacité
IGBT Transistor bipolaire a grille isolée
K Interrupteur
T Thyristor
MLI Modulation de largeur d’impulsions
PI Proportionnel Intégrale
LISTE DES FIGURES ET TABLES
Chapitre I
Figure I. 1 Demande énergétique mondiale depuis 1970 et estimation jusqu'en 2030 (Sur
la base des données de l’Agence internationale de l'énergie (AIE), Perspectives
énergétiques mondiales 2004, OCDE, Paris, France, 2004) ................................................... 15
Figure I. 2 Évolution annuelle (2000-2014) de la capacité de production d'énergie
renouvelable installée dans le monde sur la base des données disponibles dans « IRENA
STATISTICS »
Figure I. 3 Systèmes d'énergie solaire concentrée (CSP) : (a) système de production
d'énergie électrique, (b) central tour solaire en tant que récepteur pour générer de la
chaleur, et (c) la lumière du soleil concentrée par une structure de ligne de creux
parabolique, où la chaleur peut également être utilisée pour alimenter des réactions
thermochimiques en fonction du type de fluide....................................................................... 17
Figure I. 4 Les applications de l’énergie de la biomasse ....................................................... 18
Figure I. 5 Systeme de production d’energie electrique par l’energie solaire .................. 19
Figure I. 6 Système de conversion d'énergie éolienne activé par l'électronique de
puissance, où le générateur peut être générateurs synchrones à induction, à aimants
permanents ou à champ bobiné. .................................................................................................. 20
Figure I. 7 évolution de la taille des éoliennes et de l'impact de l'électronique de puissance
au cours des 35 dernières années (le cercle intérieur indique la couverture de puissance
par les convertisseurs d'électronique de puissance)............................................................... 21
Figure I. 8 Éoliennes à axe horizontal (a) et à axe vertical (b) ............................................. 22
Figure I. 9 Mécanisme d’interférence éoliennes avec les systèmes .................................... 25
Figure I. 10 Système éolien basé sur la machine asynchrone à cage (vitesse de rotation
fixe) (Müller et al, 2000)................................................................................................................. 26
Figure I. 11 Système éolien basé sur la machine asynchrone double alimentation-
régulation de la vitesse de rotation par chaîne rotor alimentation (Bauer et al, 2000).. 27
Figure I. 12 Système basé sur la machine synchrone et redresseur à diodes................... 27
Figure I. 13 Système éolien basé sur la machine synchrone à aimants permanents (Bauer
et al, 2000)......................................................................................................................................... 28
Chapitre II
Figure II. 1 Evolution de la densité d’énergie (BH)max des aimants permanents ......... 32
Figure II. 2 Différentes structures rotoriques pour une MSAP ........................................... 34
Figure II. 3 Schémas de bobinage............................................................................................... 34
Figure II. 4 Vue d’une machine à flux axial (différentes configurations).......................... 35
Figure II. 5 Représentation de la MSAP dans le repère (d, q) de Park............................... 38
Figure II. 6 Passage de Repère naturel du stator au repère (d, q) de Park....................... 39
Figure II. 7 Schéma bloc de simulation de la GSAP a vide .................................................... 41
Chapitre III
Figure III. 1 schéma bloc du modèle du vent sous Simulink ..................................................... 46
Figure III. 2 Le profil du vent ............................................................................................................46
Figure III. 3 Profil de vitesse et de pression d’air le long de tube de mesure.....................47
Figure III. 4 Le coefficient de puissance........................................................................................49
Figure III. 5 Une éolienne savonius avec les forces de traînée ...............................................50
Figure III. 6 Le schéma bloc du couple éolien..............................................................................51
Figure III. 7 Le couplage électromécanique entre la turbine et le générateur ..................51
Figure III. 8 Le modèle Simulink de la turbine savonius ..........................................................52
Figure III. 9 La vitesse angulaire de laturbine.............................................................................52
Figure III. 10 le couple éollien fournit par la turbine ................................................................53
Figure III. 11 Les tensions de la sorttie de génerateur .............................................................53
Figure III. 12 Le couple electromagnetique de la generatrice ................................................54
Chapitre IV
Figure IV. 1 Représentation du redresseur triphasé double alternance............................ 57
Figure IV. 2 Représentation d’un filtre passe bas.................................................................... 58
Figure IV. 3 Schéma bloc du redresseur et du filtre................................................................ 58
Figure IV. 4 Fonctionnement d’un hacheur dévolteur .......................................................... 60
Figure IV. 5 hacheur dévolteur................................................................................................... 60
Figure IV. 6 Fonctionnement d’un hacheur survolteur......................................................... 61
Figure IV. 7 Hacheur reéversible en courant ........................................................................... 62
Figure IV. 8 Hacheur en pont ....................................................................................................... 62
Figure IV. 9 Hacheur dévolteur ................................................................................................... 63
Figure IV. 10 phase de charge..................................................................................................... 63
Figure IV. 11 phase de décharge................................................................................................. 64
Figure IV. 12 e schéma bloc sous MATLAB/Simulink de l’hacheur dévolteur ................. 65
Figure IV. 13 Le courant dans la bobine.................................................................................... 66
Figure IV. 14 Le courant dans le condensateur ....................................................................... 68
Figure IV. 15 Schéma de contrôle en courant et de tension ................................................. 69
Figure IV. 16 Mode de contrôle en tension (a) Convertisseur plus régulateurs (b) Schéma
fonctionnel......................................................................................................................................... 72
Figure IV. 17 Mode de contrôle en courant (a) Convertisseur plus régulateurs (b) Schéma
fonctionnel......................................................................................................................................... 73
Figure IV. 18 schema bloc de l’hacheur et sa commande...................................................... 74
Figure IV. 19 la tension redressée.............................................................................................. 75
Figure IV. 20 la tension redressée filtrée.................................................................................. 75
Figure IV. 21 La tension de la sortie d’hacheur ....................................................................... 76
Figure IV. 22 Le courant dans la bobine.................................................................................... 76
Tableau IV. 1 Fonctonnement d’un redresseur triphasé double alternance.................... 57
Tableau IV. 2 Valeurs calculées de L et c du filtrage............................................................... 68
Tableau IV. 3 Paramètres des correcteur PI ............................................................................ 74
Annexes
Figure A. 1 d’un anticyclone vers UNE DEPRESSION ............................................................ 85
Figure A. 2 le Vent géostrophique............................................................................................... 86
Figure A. 3 (a) La variation de Cp avec le TSR(λ) pour deux et trois pales, (b) Variation de
Cp avec la vitesse du vent pour différents rapports d’aspect(α) .......................................... 88
Figure A. 4 Le modele complet du systeme sous simulink.................................................... 91
Figure A. 5 l’interface de pid tuner............................................................................................. 93
SOMMAIRE
Dédicaces
Résumé
Symboles et abréviations
Liste des figures
Sommaire
Introduction générale.................................................................................................................. 12
Chapitre I Généralités sur l’énergie renouvelable ..................................................... 14
I.1 Introduction 14
I.2 Notions et principes sur l’énergie renouvelables 14
I.3 Génération de l’énergie électrique 16
I.4 Définition de l’énergie éolienne 20
I.5 Historique et croissance de l’exploitation de l’énergie électrique 20
I.6 Les différents types des turbines éoliennes 22
I.7 Principales composantes d’une éolienne horizontale : 22
I.8 Avantages et inconvénients de l’énergie éolienne 24
I.9 Types des machines électriques dans les systèmes éoliens 25
I.10 Statistique de production de l’éolienne 28
I.11 conclusion 29
Chapitre II Présentation de la machine synchrone à aimant permanent............ 31
II.1 Introduction 31
II.2 Généralités sur les machines synchrones a aimants permanents 31
II.3 Constitution des machines synchrones a aimants permanents 32
II.4 Principe de fonctionnement de la msap 35
II.5 Avantages et inconvénients 36
II.6 Domain d’application 36
II.7 Modélisation de la génératrice synchrone à aimants permanents 37
II.8 Conclusion 42
Chapitre III modélisation et simulation de l’aérogénérateur ................................... 44
III.1 Introduction 44
III.2 Modélisation du vent 44
III.3 Modélisation de la turbine 47
III.4 Les résultats de la simulation d’aérogénérateur 52
III.5 Conclusion 54
Chapitre IV Modélisation et commande de la chaine de conversion électrique. 56
IV.1 Introduction 56
IV.2 Modélisation de redresseur triphasé double alternance à pont diodes 56
IV.3 Généralités sur les hacheurs 59
IV.4 Modèle mathématique de convertisseur DC/DC 63
IV.5 Dimensionnement du processus de filtrage du convertisseur série 66
IV.6 La commande et la régulation de l’hacheur dévolteur 68
IV.7 Les résultats de la simulation 74
IV.8 Conclusion 77
Conclusion générale ..................................................................................................................... 78
Bibliographie
12
INTRODUCTION GENERALE
L’énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais elle peut être transformée d’une forme
à une autre. Il y en a deux types de sources d’énergie disponibles, qui peuvent être utilisés
pour produire de l’électricité. Il y a les sources d’énergie renouvelables et les sources non
renouvelables. Les ressources énergétiques non renouvelables sont le charbon, le
nucléaire, le pétrole et les gaz naturels. Les sources d’énergie renouvelables sont la
lumière du soleil, le vent, la pluie, les marées, les vagues et la chaleur géothermique. Et ces
sources sont naturellement réapprovisionnées sur une échelle de temps humaine. Ce type
de ressource est très souhaitable à utiliser, parce que souvent une ressource se renouvelle
si vite qu’elle se régénère au moment où on l’utilise. Notre étude qui porte sur l’une des
énergies renouvelables en développement à ce moment qui est l’énergie éolienne. Nous
nous allons intéresser au processus de la conversion d’énergie cinétique a une énergie
électrique et les performances d’un système éolienne puis l’étude et la commande des
différents convertisseurs électriques utilisées dans l’exploitation de ce type d’énergie [1]
.
« L’ARBRE À VENT » ou bien « THE WIND TREE » est un système de production
d’électricité en forme d’arbre dont chaque feuille est une mini éolienne. Il peut exploiter
tous les types de vent sur 360˚, qu’ils soient turbulents ou laminaires, en milieu urbain
aussi bien qu’en milieu naturel. Chaque feuille appelée « AEROLEAF » contient un macro-
générateur synchrone à aimants permanents, ces Aéroleaf ont un fonctionnement
parfaitement silencieux grâce au faible rayon de leur pâle (peu d’air brassé) et à l’absence
d’engrenage (aucun bruit mécanique). Cet aérogénérateur est suivi par une chaine de
conversion électrique composé d’un redresseur triphasé a pont de diodes, un hacheur
dévolteur pour abaisser la tension pour des raisons de sécurité, et des filtres pour
l’amélioration des signaux de sortie.
L'objectif de ce mémoire de fin d’étude est de présenter le modèle global du système de
production d’énergie électrique selon le concept de « L’ARBRE À VENT ». Ce modèle
permet de comprendre le fonctionnement de ce système de production d’électricité et la
régulation de la chaine de conversion électrique pour obtenir une sortie constante. Le
modèle sera développé par le logiciel MATLAB/Simulink.
13
14
Chapitre I
GENERALITES SUR L’ENERGIE RENOUVELABLE
I.1 INTRODUCTION
L’approvisionnement énergétique durable reste une exigence essentielle de la société
moderne pour répondre à la demande accrue d’énergie causée par la consommation plus
importante, en particulier en raison de la croissance démographique. Depuis longtemps,
la production d’énergie électrique est basée sur les énergies fossiles. Malheureusement,
non seulement l’offre de pétrole, de charbon et de gaz naturel est limitée, mais il existe
aussi d’importantes préoccupations en matièrede pollution et d’environnement associées
à l’utilisation des sources d’énergie traditionnelles et les solutions de rechange sont
importantes.
L’énergie éolienne est parmi les sources d’énergie renouvelables les plus utilisée dans le
monde et le développement dans la technologie de conversion de cette énergie est
toujours continu.
Dans ce chapitre, nous allons présenter quelques notions générales sur les énergies
durables et précisément sur l’énergie éolienne.
I.2 NOTIONS ET PRINCIPES SUR L’ENERGIE RENOUVELABLES
On entend par énergie renouvelable, des énergies issues du soleil, du vent, de la chaleur
de la terre, de l’eau ou encore de la biomasse. A la différence des énergies fossiles, les
Energies renouvelables sont des énergies à ressource illimitée. Les énergies
renouvelables telles que l'énergie éolienne, l'énergie solaire, l’énergie biomasse et
l’énergie hydroélectrique, sont des solutions prometteuses pour concurrencer les sources
d’énergies de masse telle que l’énergie fossile et nucléaire. [1]
La plupart des technologies renouvelables dépendent de conditions météorologiques, et
ils sont difficiles en ce qui concerne l'intégration dans le système de réseau. Ces problèmes
doivent être entièrement résolus - comment créer un système électrique capable de faire
face à une forte pénétration des énergies renouvelables, ce qui implique également le
développement de systèmes de réseaux intelligents. Telles systèmes peuvent inclure des
micro-réseaux et des installations de stockage d'énergie, et, dans de nombreux cas, ils
combineront le système d'alimentation électrique avec d'autres vecteurs énergétiques
Chapitre I
tels que le chauffage/refroidissement et le gaz, ainsi que d'examiner comment utiliser le
transport comme ressource. [2]
FIGURE I.1 2030
JUSQU'EN
ESTIMATION
ET
1970
DEPUIS
MONDIALE
ENERGETIQUE
DEMANDE
.
FIGURE 2
I. ÉVOLUTION INSTALLEE
RENOUVELABLE
D'ENERGIE
PRODUCTION
DE
CAPACITE
LA
DE
(2000-2014)
ANNUELLE
Chapitre I
16
FIGURE I.1 montre la demande mondiale d'énergie au cours des dernières décennies
ainsi que l'énergie estimée demande jusqu'en 2030. Comme on peut le constater, en
raison de l'augmentation continue du produit intérieur brut, la demande énergétique
globale devrait augmenter de plus de 50 % d'ici 2030. Pour y parvenir objectif principal,
les énergies renouvelables joueront un rôle important dans la production d'énergie future
(hydraulique, renouvelable et biomasse, etc. et
). annuelle
l'évolution
montre
I.2
FIGURE
la
I.3 GENERATION DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
Les énergies renouvelables peuvent permettent de produire soit de la chaleur seule :
eau chaude pour le chauffage ou la production d'eau chaude sanitaire (géothermie, bois
énergie, solaire, biogaz utilisé en chaudière), soit de l'électricité seule (éolien, biogaz
utilisé dans des moteurs, solaire photovoltaïque, hydroélectricité, ..) soit en cogénération
(biogaz dans des moteurs avec récupération de chaleur sur le circuit de refroidissement,
turbines à vapeur à partir de bois, géothermie, ..). [3]
I.3.1 Génération de la chaleur :
La grande partie de l’énergie électrique qui existe aujourd’hui est à la base de chaleur soit
les sources conventionnelles ou bien sources renouvelables, Une description quelques
sources renouvelables sont proposées ci-dessous.
a. Thermo solaire :
L'énergie solaire thermique est une énergie renouvelable qui a pour principe de convertir
en chaleur le flux solaire par le biais de capteurs solaires thermique. Cette énergie peut
être utilisée pour le chauffage, mais également pour produit l'électricité. L'énergie solaire
thermique est également utilisée dans des installations solaires thermodynamiques, fours
solaires, ou cheminées solaires.
La technologie thermo solaire plus évoluée utilisant des concentrateurs optiques (jeu de
miroirs) permet d’obtenir les températures très élevées du fluide chauffé. Une turbine
permet alors de transformer cette énergie en électricité à l’échelle industrielle. Cette
technologie est néanmoins très peu utilisée et demande un ensoleillement direct et
permanent.
Chapitre I
17
a La géothermie
La géothermie utilise la chaleur des aquifères du sous-sol, voire des roches sèches, captée
à plus ou moins grande profondeur, pour alimenter des quartiers urbains, des bâtiments
ou des usines, ou encore produire de l’électricité via des centrales. Certains pays dont les
conditions géologiques sont favorables l’utilisent de façon massive, comme l’Islande ou
les Philippines, deux pays volcaniques. La chaleur d’autres sources peut aussi être captée
et utilisée dans des réseaux ou des processus industriels.
FIGURE I. 3 SYSTEMES D'ENERGIE SOLAIRE CONCENTREE (CSP) : (A) SYSTEME DE PRODUCTION D'ENERGIE ELECTRIQUE, (B) CENTRAL TOUR
SOLAIRE EN TANT QUE RECEPTEUR POUR GENERER DE LA CHALEUR, ET (C) LA LUMIERE DU SOLEIL CONCENTREE PAR UNE STRUCTURE DE LIGNE
DE CREUX PARABOLIQUE, OU LA CHALEUR PEUT EGALEMENT ETRE UTILISEE POUR ALIMENTER DES REACTIONS THERMOCHIMIQUES EN
FONCTION DU TYPE DE FLUIDE
Chapitre I
18
b La biomasse
La biomasse est constituée de toutes les matières organiques d'origine végétale
(microalgues incluses), animale, bactérienne ou fongique (champignons). Le bois a
pendant des siècles constitués, via sa combustion, la principale source d’énergie avant
d’être détrôné par le charbon puis le pétrole et le gaz. Mais il y a d’autres formes
d’utilisation de la biomasse. La méthanisation produit du biogaz à partir de nos déchets
ménagers ou agricoles. Le raffinage de la biomasse végétale permet la production de
biocarburants. [4]
I.3.2 Génération d’électricité :
Dans ce cas l’énergie produite est directement sous la forme électrique. A l’aide des
panneaux solaires ou de génératrices hydrauliques et éoliennes, Une description quelques
sources renouvelables sont proposées ci-dessous.
FIGURE I. 4 LES APPLICATIONS DE L’ENERGIE DE LA BIOMASSE
Chapitre I
19
a Hydraulique :
L'énergie produite par l’eau est déjà utilisée depuis de nombreuses années. L’eau est en
effet 800 fois plus dense que l'air, ce qui implique que même un ruisseau qui coule
lentement peut produire une quantité considérable d'énergie.
L’énergie hydraulique servir à produire de l’électricité par plusieurs méthodes par
exemple Les centrales hydroélectriques qui utilisent l’énergie produite par une chute
d’eau (barrages hydroélectriques), L’énergie des marées est utilisée dans les centrales
marémotrices Ou Les hydroliennes sont placées sous l’eau et utilisent la force des
courants marins. L’hydroélectricité ne produit pratiquement pas de dioxyde de carbone
ou d'autres émissions nocives, contrairement à la combustion de combustibles fossiles.
L'hydroélectricité peut être beaucoup moins coûteuse que l'électricité produite à partir
de combustibles fossiles et l'énergie nucléaire. [5]
b Photovoltaïque :
Les cellules photovoltaïques, ou cellules solaires, sont des dispositifs semi-conducteurs
qui convertissent l'énergie solaire directement en courant continu énergie. Dans les
années 1950, les cellules PV étaient initialement utilisées pour des applications spatiales
pour alimenter des satellites, mais dans les années 1970, ils ont également commencé à
être utilisés pour des applications terrestres.
Aujourd'hui, les cellules photovoltaïques sont utilisées pour fournir de l'énergie dans une
grande variété d'applications, y compris les systèmes connectés au réseau (par exemple,
l'échelle des services publics et résidentiel), les bâtiments éloignés, les équipements
extérieurs liés à la circulation et les satellites. [2]
c L’Eolien :
L'énergie éolienne est une énergie mécanique obtenue par les déplacements de masse
d'air à l'intérieur de l'atmosphère (le vent), puis est utilisée soit directement, soit
FIGURE I. 5 SYSTEME DE PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUE PAR L’ENERGIE SOLAIRE
Chapitre I
20
transformée en énergie électrique. Les moulins à vent célèbres aux Pays-Bas utilisaient
déjà cette énergie pour moudre le grain.
Cela fait maintenant une trentaine d’années que l’éolien génère de l’électricité grâce à la
force du vent. Il existe des éoliennes on-shore, implantées à l’intérieur des terres, par
opposition aux éoliennes off-shore, qui sont installées en mer. [5]
I.4 DEFINITION DE L’ENERGIE EOLIENNE
La ressource éolienne provient du déplacement des masses d’air qui est dû
indirectement à l’ensoleillement de la Terre. Par le réchauffement de certaines zones de
la planète et le refroidissement d’autres, une différence de pression est créée et les masses
d’air sont en perpétuel déplacement. Après avoir pendant longtemps oublié cette énergie
pourtant exploitée dès l’antiquité. [6]
Cela fait maintenant une trentaine d’années que l’éolien génère de l’électricité grâce à la
force du vent. Il existe des éoliennes on-shore, implantées à l’intérieur des terres, par
opposition aux éoliennes off-shore, qui sont installées en mer. Les détracteurs de l’énergie
éolienne évoquent les coûts d’investissement importants de cette énergie (de l’ordre de
1,5 million d’euros par MW installé) et le fait que ces géants d’acier doivent s’intégrer dans
l’environnement, avec les nuisances sonores et visuelles dont se plaignent certains. Il
s’agit également d’une source d’énergie intermittente, puisque dépendante de la force du
vent, ce qui implique qu’elle soit intégrée dans un mix énergétique diversifié qui puisse
suppléer la production d’électricité quand le vent souffle faiblement. [7]
I.5 HISTORIQUE ET CROISSANCE DE L’EXPLOITATION DE L’ENERGIE
ELECTRIQUE
L’exploitation de l’énergie éolienne pour produire de l’électricité a eu des hauts et des
bas. Les causes de ces fluctuations sont diverses : guerres, crises d’autres types d’énergie,
volonté de préserver l’environnement, évolution de la technologie, changement de
FIGURE I. 6 SYSTEME DE CONVERSION D'ENERGIE EOLIENNE ACTIVE PAR L'ELECTRONIQUE DE PUISSANCE, OU LE GENERATEUR PEUT ETRE
GENERATEURS SYNCHRONES A INDUCTION, A AIMANTS PERMANENTS OU A CHAMP BOBINE.
Chapitre I
21
politique énergétique etc. A la suite de la fabrication du premier aérogénérateur, les
ingénieurs danois améliorèrent cette technologie durant la 1ère et 2ème guerre mondiale
pour faire face à la pénurie d’énergie électrique. Malgré certains succès technologiques
obtenus à cette époque, l’intérêt pour l’exploitation de l’énergie éolienne à grande échelle
déclina à la fin de la 2ème guerre mondiale. C’est avec la crise pétrolière des années 70
que cet intérêt ressurgit. Les gouvernements occidentaux commencèrent à investir de
l’argent pour notamment améliorer la technologie des aérogénérateurs, ce qui donna
naissance aux aérogénérateurs modernes. Le premier marché véritablement significatif
fut celui de la Californie, entre 1980 et 1986, où l’industrie de l’énergie éolienne put se
développer. Ensuite les aides financières diminuèrent aux USA mais augmentèrent en
Europe, ce qui permit un développement important de cette industrie dans des pays tels
que l’Allemagne et le Danemark. Le marché mondial passa de 200 MW/an en 1990 à 5500
MW/an en 2001. Nous avons ainsi pu observer une évolution significative de la
production électrique d’origine éolienne entre 1999 et 2003. Au cours de cette période, la
production a doublé s’élevant à 40000 MW. Il est espéré qu’en 2020 la production
électrique provenant de l’éolien atteigne 12% de la production mondiale d’électricité. [8]
FIGURE I. 7 EVOLUTION DE LA TAILLE DES EOLIENNES ET DE L'IMPACT DE L'ELECTRONIQUE DE PUISSANCE AU COURS DES 35 DERNIERES
ANNEES (LE CERCLE INTERIEUR INDIQUE LA COUVERTURE DE PUISSANCE PAR LES CONVERTISSEURS D'ELECTRONIQUE DE PUISSANCE)
Chapitre I
22
I.6 LES DIFFERENTS TYPES DES TURBINES EOLIENNES
Il existe deux types d’éolienne, les HAWTs et les VAWTs. Ces deux configurations
d’éoliennes sont montrées à IGURE
F
la ci
I.8 -dessous. La plupart des fermes éoliennes
onshore et offshore sont équipées des HAWTs bi et tripales. Les HAWTs sont des
éoliennes rapides et très performantes. Par contre, les VAWTs sont moins rapides, mais
présentent une bonne stabilité en condition de vent complexe. Les VAWTs sont lentes,
mais ils développent un important couple de démarrage. Le critère de choix d’un
aérogénérateur repose avant tout sur sa capacité à extraire un maximum d’énergie du
vent.
Dans le commerce, on peut trouver une large gamme de VAWT selon le besoin
énergétique. Les quatre gammes d’éoliennes de faibles puissances sont : – Le micro éolien
qui va de 20 à 300 W, – Le mini éolien qui va de 300 à 1000 W, – La petite éolienne qui va
de 1 à 30 kW, – L’éolienne de moyenne puissance qui va 30 à 300 kW.
I.7 PRINCIPALES COMPOSANTES D’UNE EOLIENNE HORIZONTALE :
Il existe plusieurs configurations possibles d'aérogénérateurs qui peuvent avoir des
différences importantes. Néanmoins, une éolienne "classique" est généralement
constituée de trois éléments principaux :
FIGURE I. 8 ÉOLIENNES A AXE HORIZONTAL (A) ET A AXE VERTICAL (B)
Chapitre I
23
a Le mât
Généralement un tube d'acier, ou éventuellement un treillis métallique, doit être le plus
haut possible pour éviter les perturbations près du sol. Toutefois, la quantité de matière
mise en œuvre représente un coût non négligeable et le poids doit être limité. Un
compromis consiste généralement à prendre un mât de taille très légèrement supérieure
au diamètre du rotor de l'aérogénérateur (exemple : éolienne NORDEX N90 2,3 MW :
diamètre de 90m, mât de 80 m de hauteur).
b La nacelle
La nacelle, regroupe tous les éléments mécaniques permettant de coupler le rotor éolien
au générateur électrique : arbres lent et rapide, roulements, multiplicateur. Le frein à
disque, frein aérodynamique, qui permet d'arrêter le système en cas de surcharge. Le
générateur qui est généralement une machine synchrone ou asynchrone et les systèmes
hydrauliques ou électriques d'orientation des pales (frein aérodynamique) et de la nacelle
(nécessaire pour garder la surface balayée par l'aérogénérateur perpendiculaire à la
direction du vent). A cela viennent s'ajouter le système de refroidissement par air ou par
eau, un anémomètre et le système électronique de gestion de l'éolienne.
c Le rotor
Le rotor, formé par les pales assemblées avec leur moyeu. Pour les éoliennes destinées à
la production d'électricité, le nombre de pales varie classiquement de 1 à 3, le rotor tripale
(concept danois) étant de loin le plus répandu car il représente un bon compromis entre
le coût, le comportement vibratoire, la pollution visuelle et le bruit.
Les rotors à vitesse fixe sont souvent munis d'un système d'orientation de la pale
permettant à la génératrice (généralement une machine asynchrone à cage d'écureuil) de
fonctionner au voisinage du synchronisme et d'être connectée directement au réseau sans
dispositif d'électronique de puissance.
Les rotors à vitesse variable sont souvent moins coûteux car le dispositif d'orientation des
pales est simplifié voire supprimer (La société Jeumont Industrie utilise un rotor à pas
fixe). Toutefois, une interface d'électronique de puissance entre le générateur et le réseau
ou la charge est nécessaire. Les pales se caractérisent principalement par leur géométrie
dont dépendront les performances aérodynamiques et les matériaux dont elles sont
constituées (actuellement, les matériaux composites telle la fibre de verre et plus
récemment la fibre de carbone sont très utilisés car ils allient légèreté et bonne résistance
mécanique). [9]
Chapitre I
24
I.8 AVANTAGES ET INCONVENIENTS DE L’ENERGIE EOLIENNE
I.8.1 Les avantages :
• L’énergie éolienne est une énergie renouvelable, c’est-à-dire que contrairement
aux énergies fossiles, Les générations futures pourront toujours en bénéficier.
• L’exploitation de l’énergie éolienne n’est pas un procédé continu puisque les
éoliennes en fonctionnement peuvent facilement être arrêtées.
• L’énergie éolienne est une énergie propre puisque les éoliennes ne créent pas
de déchets toxiques ou radioactif.
• Les parcs éoliens se démontent très facilement et ne laissent pas de trace.
L’énergie éolienne possède d’autre part des atouts économiques certains.
• C’est une source d’énergie locale qui répond aux besoins locaux en énergie. Ainsi
les pertes en lignes dues aux longs transports d’énergie sont minimes.
• La production éolienne d'électricité suit notre consommation d’énergie : le vent
souffle plus souvent en hiver, cette saison étant celle où la demande d'électricité
est la plus forte.
I.8.2 Les inconvénients :
• La nature stochastique du vent a une influence sur la qualité de la puissance
électrique produite, ce qui représente une contrainte pour le raccordement au
réseau.
• Le cout de l’énergie éolienne reste plus élevé par rapport aux autres sources
d’énergie classiques surtout sur les sites moins ventés.
• L’éolienne a des effets sur le paysage (au niveau de l’esthétique).
• L’entretient d’une éolienne est très coûteux, surtout si elle est en pleine mer
(off-shore)
• Les éoliennes produisent des interférences électromagnétiques.
• Le bruit : la source essentielle du bruit dans les éoliennes est le multiplicateur,
ce dernier commence à disparaitre après l’apparition des éoliennes à attaque
directe. [3] [10]
Chapitre I
25
I.9 TYPES DES MACHINES ELECTRIQUES DANS LES SYSTEMES EOLIENS
Nombreuses sont les machines électriques qui peuvent être utilisées comme
générateur pour une éolienne. On peut citer les machines asynchrones, les génératrices
synchrones et les moteurs à courant continu. Dans l’industrie éolienne, les génératrices
synchrones et asynchrones sont les plus utilisées. Il existe des génératrices synchrones à
pôles lisse et à pôle saillant.
I.9.1 Les génératrices asynchrones à cage :
C’est dans les grandes puissances (au-delà de 100 kW) que l’on rencontre des systèmes
reliés au réseau et produisant “au fil du vent”. Au départ, le faible coût et la
standardisation des machines asynchrones a conduit à une très large domination des
génératrices asynchrones à cage directement couplées au réseau (sans interface
électronique de puissance) jusqu’à des puissances dépassant le mégawatt. Les machines
asynchrones à cage ne nécessitent qu’une installation assez sommaire. Elles sont souvent
associées à une batterie de condensateurs de compensation de la puissance réactive, et à
un démarreur automatique progressif à gradateur ou à résistances permettant de limiter
le régime transitoire d’appel de courant au moment de la connexion au réseau. Dans le cas
FIGURE I. 9 MECANISME D’INTERFERENCE EOLIENNES AVEC LES SYSTEMES
Chapitre I
26
des aérogénérateurs de dimensions importantes (puissance, rayon des pales), la vitesse
de rotation est peu élevée, ce que nécessite d’insérer un multiplicateur mécanique de
vitesse comme la montre la FIGURE I.10. [11]
I.9.2 Les génératrices asynchrones à double alimentation (MADA) :
La machine asynchrone à rotor bobiné à double alimentation présente un atout
considérable. Son principe est issu de celui de la cascade hyposynchrone : le stator (ou le
rotor) est connecté à tension et fréquence fixes au réseau alors que le rotor (ou le stator)
est relié au réseau à travers un convertisseur de fréquence (plus ou moins élaboré). Si la
variation de vitesse requise reste réduite autour de la vitesse de synchronisme, le
dimensionnement du convertisseur de fréquence (électronique de puissance) peut être
réduit.
Ces machines sont un peu plus complexes que des machines asynchrones à cage avec
lesquelles elles ont en commun de nécessiter un multiplicateur de vitesse. Leur
robustesse est légèrement diminuée par la présence de système à bagues et balais, mais
le bénéfice du fonctionnement à vitesse variable est un avantage suffisant pour que de
très nombreux fabricants (Vestas, Gamesa…) utilisent ce type de machine.
Une des solutions très intéressantes et permettant d’obtenir une variation de la vitesse de
rotation d’environ 30% autour de la vitesse de synchronisme consiste à coupler le rotor
de la génératrice à double alimentation au rotor à travers deux onduleurs MLI triphasés,
l’un en mode redresseur, l’autre en onduleur réseau . En général, le
dimensionnement de la chaîne rotorique se limite à 25% de la puissance nominale du
stator de la machine électrique, ce qui suffit à assurer une variation de 30% de la plage de
vitesse. Ceci constitue le principal avantage de cette structure. Par contre son
inconvénient majeur est lié aux interactions avec le réseau, en particulier les surintensités
engendrées par des creux de tension du réseau. [11]
FIGURE I. 10 SYSTEME EOLIEN BASE SUR LA MACHINE ASYNCHRONE A CAGE (VITESSE DE ROTATION FIXE) (MÜLLER ET AL, 2000)
Chapitre I
27
I.9.3 Les génératrices synchrones :
Les génératrices synchrones diffèrent des génératrices asynchrones, car elles tournent
à la vitesse de synchronisme. Les machines asynchrones tournent légèrement en dessous
de sa vitesse nominale. Les génératrices synchrones sont compliquées à fabriquer et plus
cher sur le marché, comparé aux génératrices asynchrones. Ces génératrices peuvent être
à pôle lisse et à pôle saillant. La machine à pôle saillant est surtout utilisée pour des
applications qui nécessitent une faible vitesse de rotation. Les génératrices à pôle lisse
sont utilisées pour des vitesses importantes. Les génératrices à pôle saillant trouvent
leurs applications dans les turbines hydrauliques. [7]
I.9.4 Les génératrices synchrones à aimant permanent :
La machine synchrone à aimant permanent offre la possibilité de couplage direct entre
le rotor de l’éolienne et la MSAP sans réducteur de vitesse. Cette technologie résout les
problèmes des éoliennes fonctionnant à faible vitesse. Dans cette catégorie, on peut citer
les VAWTs. La différence entre la machine synchrone classique et la machine synchrone à
aimant permanent c’est le remplacement de l’inducteur de la machine synchrone par un
aimant permanent. Le choix préférentiel de cette machine parmi tant d’autres vient au fait
FIGURE I. 11 SYSTEME EOLIEN BASE SUR LA MACHINE ASYNCHRONE DOUBLE ALIMENTATION- REGULATION DE LA VITESSE DE ROTATION PAR
CHAINE ROTOR ALIMENTATION (BAUER ET AL, 2000)
FIGURE I. 12 SYSTEME BASE SUR LA MACHINE SYNCHRONE ET REDRESSEUR A DIODES
Chapitre I
28
qu’elle est fabriquée avec une large gamme de vitesse. La gamme de vitesse avec un
nombre de pair de pôle élevée donne une vitesse de rotation lente. [7]
I.10 STATISTIQUE DE PRODUCTION DE L’EOLIENNE
I.10.1 Production de l’éolienne dans le monde :
L’expansion de l'énergie éolienne a presque doublé en 2020 par rapport à 2019 (111
GW contre 58). La Chine s'est dotée de 72 GW de capacités nouvelles et les États Unis
d'Amérique de 14 GW.
Dix autres pays ont augmenté leur capacité de production d'énergie de source éolienne
de plus de 1 GW en 2020. L'éolien offshore s'est développé pour atteindre environ 5 % de
la capacité éolienne totale en 2020. [12]
I.10.2 L'éolienne en Algérie :
En Algérie, la première tentative de raccorder les éoliennes au réseau de distribution
d'énergie électrique date de 1957, avec l'installation d'un aérogénérateur de 100 kW sur
le site de Grand Vent (Alger). Conçue par l'ingénieur français ANDREAU, ce prototype
avait été installé initialement à St-ALBAN en Angleterre.
Par la suite, de nombreux autres aérogénérateurs, de plus petites puissances, ont été
installés en différentes locations, notamment pour l’alimentation de localités isolées ou
d’accès difficiles telles que les installations de relais de télécommunications. Cependant,
la technologie des éoliennes n’étant pas encore mature.
Le ministère de l’énergie et des mines a projeté, dans son nouveau programme des
Energies Renouvelables, d’installer d’autres parcs éoliens d’une puissance totale de 1000
MW à moyen terme (2015-2020) pour atteindre 5010 MW à l’horizon 2030. A noter que
ce nouveau programme vise aussi bien les installations connectées au réseau électrique
que le petit éolien, i.e. les petites éoliennes destinées au pompage de l’eau ou à
l’alimentation en électricité des localités isolées, à l’instar des développements dans le
FIGURE I. 13 SYSTEME EOLIEN BASE SUR LA MACHINE SYNCHRONE A AIMANTS PERMANENTS (BAUER ET AL, 2000)
Chapitre I
29
monde où les installations de petites éoliennes ont augmenté ces dernières années. En
effet, fin 2012, celles-ci ont atteint le nombre de 806 000, ce qui représente environ 35%
de l’ensemble des éoliennes installées. Les petites éoliennes actuelles sont pour la plupart
des machines à axe horizontal à 3 pales, équipées d’alternateurs à aimants permanents et
d’un dispositif d’orientation passif. Mais on trouve également des aérogénérateurs à axe
vertical (2 à 5% des petites éoliennes installées).
La ferme éolienne de Kaberten (Adrar) :
Une puissance totale installée de 10.2 MW, la ferme pilote de Kaberten affichait, en
octobre 2015, les performances suivantes : Production énergétique : 19 GWhs, Durée de
fonctionnement : 1900 heures Capacity factor : 22 % A noter que certains jours la
puissance fournie atteint sa puissance nominale à savoir 10.2 MW et la puissance
moyenne consommée par chaque éolienne est de 10 kW environ. Par ailleurs, les vitesses
du vent et la température enregistrées au niveau de la nacelle ont montré que lorsque la
température ambiante est supérieure à 46°C, les vitesses du vent sont faibles (inférieures
à 5 m/s). La mise à l’arrêt des éoliennes lorsque la température est élevée s’est donc
traduite par une perte globale de l’ordre de 10. [13]
I.11 CONCLUSION
Dans ce chapitre nous avons donné quelques généralités sur l’énergie électrique et les
différentes sources renouvelables de cette énergie qui existe dans le monde, Après une
notion générale sur l’énergie éolienne, son principe de fonctionnement, ses avantages et
inconvénients et les différents types des machines électriques utilisées dans les
aérogénérateurs, on a aussi mentionné les statistiques de ce type d’énergie dans le monde
et en Algérie.
30
31
Chapitre II
PRESENTATION DE LA MACHINE SYNCHRONE A
AIMANT PERMANENT
II.1 INTRODUCTION
Dans notre travail, nous avons choisi une génératrice synchrone à aimants permanents.
En effet, il est supérieur aux autres types de générateurs tels que : Faibles coûts de
maintenance, possibilité d’éliminer les multiplicateurs et les interférences, bruits et
pertes d'énergie qui en résultent. [14]
De plus, les éoliennes basées sur des génératrices asynchrones à rotor bobiné présentent
l'inconvénient de nécessiter un système à bagues et balais et un multiplicateur de vitesses.
[15].
Il en résulte des coûts de maintenance importants. Pour limiter ces inconvénients,
certains constructeurs ont développé des éoliennes basées sur des machines synchrones
à aimants permanents directement couplées à la turbine. [16]
Cela réduit l'entretien et augmente la robustesse du système éolien. Cet avantage couvrait
le coût élevé des aimants [17] et en faisait un concurrent sérieux des générateurs
asynchrones à double alimentation [18]
Dans le présent chapitre, nous nous concentrerons sur une éolienne à vitesse variable à
l'aide d'un générateur synchrone à aimant permanent.
II.2 GENERALITES SUR LES MACHINES SYNCHRONES A AIMANTS
PERMANENTS
Depuis plusieurs décennies, l'utilisation des synchroniseurs à aimants permanents
(PMSM) n'a cessé d'augmenter dans de nombreux secteurs industriels. En effet, dans les
années 1980, l'avènement de nouveaux matériaux magnétiques plus performants
(comme le SamariumCobalt ou le NéodymeferBore) pour la conception d'aimants
permanents, a rendu la MSAP très compétitive par rapport aux autres types de machines
(machine à courant continu, machine synchrone à rotor bobiné ou machine asynchrone).
De plus, les avancées technologiques parallèles en électronique de puissance ont élargi le
Chapitre II
32
spectre des performances en termes de dynamique et de puissance contrôlable,
permettant à MSAP d'occuper une place importante dans les applications à vitesse
variable. [19]
II.3 CONSTITUTION DES MACHINES SYNCHRONES A AIMANTS
PERMANENTS
Comme toutes les autres machines électriques, les machines synchrones à aimants
permanents sont composées d'un rotor et d'un stator constitué de bobinages électriques,
permanents reliés au rotor de la machine pour créer un champ magnétique tournant.
II.3.1 Les aimants permanent
L'émergence de nouveaux types d'aimants permanents dans les années 1980 a
permis à MSAP de concurrencer d'autres machines électriques. Ces nouveaux aimants,
appelés "terres rares", sont constitués soit de SamariumCobalt ( 𝑆𝑚𝐶𝑜 ) soit de
𝑁𝑒𝑜𝑑𝑦𝑚𝑒_𝐹𝑒𝑟_𝐵𝑜𝑟𝑒(𝑁𝑑𝐹𝑒𝐵). Ils ont une densité d'énergie beaucoup plus élevée que les
autres types d'aimants (ferrite ou 𝐴𝑙𝑁𝑖𝐶𝑜) ce qui les rend beaucoup plus efficaces (Figure
21). Malgré une densité d'énergie plus élevée que les aimants de type 𝑆𝑚𝐶𝑜, les aimants
de type 𝑁𝑑𝐹𝑒𝐵 ont l'inconvénient d'avoir une faible résistance à la température (160°C
𝑁𝑑𝐹𝑒𝐵 et 350°C pour 𝑆𝑚𝐶𝑜).
Par conséquent, le type d'aimant utilisé varie considérablement en fonction de
l'application. Pour machines Pour de faibles performances et un faible coût, les aimants
de type "ferrite" sont plus susceptibles d'être sélectionnés, mais pour les machines à
hautes performances, les aimants de type 𝑁𝑑𝐹𝑒𝐵 ou SmCo (pour les applications à haute
température) sont recommandés. [19]
FIGURE II. 1 EVOLUTION DE LA DENSITE D’ENERGIE (BH)MAX DES AIMANTS PERMANENTS
Chapitre II
33
II.3.2 Structure du rotor
Il existe plusieurs types de MSAP qui dépendent du placement des aimants permanents
sur le rotor de la machine. En effet, la disposition des aimants a une influence directe sur
la saillance de la machine (rapport entre les inductances de l’axe direct 𝐿𝑠𝑑et de l’axe en
quadrature 𝐿𝑠𝑞). [19]
Les principales structures des rotors utilisées dans les MSAP sont les suivantes : [19] [20]
a Aimants montés en surface (machine à pôles lisses)
Dans ce type de machine montré dans FIGURE II.2(a), les aimants sont collés directement
sur la surface du rotor. La perméabilité de l'aimant étant proche de celle de l'air, l'entrefer
de la machine peut être supposé constant. Ainsi, la machine est à pôles lisses (pas de
𝐿𝑠𝑑 = 𝐿𝑠𝑞 ). Cette structure est souvent utilisée pour sa simplicité de fabrication et de
contrôle mais aussi en raison de son rapport poids/puissance favorable, ce qui rend cette
solution bien adaptée aux applications embarquées. Cependant, les aimants de surface
sont susceptibles de se séparer à des vitesses élevées car ils sont directement soumis à la
force centrifuge. Une solution à ce problème consiste à renforcer la liaison des aimants
avec un tube en matériau amagnétique.
b Aimants insérés (machine à pôles saillants)
Cette structure montrée dans FIGURE II.2(b), est similaire à celle d'un aimant à montage
en surface. Cependant, les espaces entre les aimants sont remplis de fer pour induire une
saillance ( 𝐿𝑠𝑞 > 𝐿𝑠𝑑 ). Cette machine à pôles saillants a également un bon rapport
poid/puissance et la liaison des aimants n'a plus besoin d'être renforcée.
c. Aimants enterrés (machine à pôles saillants)
Dans ce type de machine qui est représenté dans Figure II.2(c), l'aimant permanent est
enterré directement dans le rotor. Cette structure a un taux de saillance plus élevé que la
structure avec l'aimant d'insertion (𝐿𝑠𝑞 >> 𝐿𝑠𝑑). Il n'y a aucun risque de séparation de
l'aimant, cependant, le rapport poids/puissance est réduit. Par conséquent, cette
topologie convient aux opérations à grande vitesse où l'espace n'est pas limité.
c Aimants à concentration de flux (machine à pôles saillants)
Cette structure montrée dans FIGURE II.2(d), utilise une distribution d'aimantation
tangentielle (au lieu de la distribution radiale dans les structures précédentes), ce qui
implique une forte concentration de flux dans le rotor. Cela peut augmenter
considérablement l'induction dans l'entrefer. Cette topologie utilise principalement des
Chapitre II
34
aimants de type « ferrite » pour éviter de saturer le magnétisme de l'acier et est donc
applicable aux applications où la masse n'est pas une limitation.
II.3.3 Structure du stator
Le stator du MSAP est constitué d'un certain nombre d'enroulements répartis dans les
encoches du stator. Il existe d'innombrables topologies utilisées pour les enroulements
de stator dans les machines électriques. Pour MSAP, deux types de bobines sont
couramment utilisés : les bobines distribuées et les bobines concentriques.
Le bobinage concentrique (FIGURE II.3) est adapté pour des applications de grande
puissance avec un nombre de phases et de pôles élevés. Le bobinage distribué (imbriqué)
(FIGURE II.3) est plutôt utilisé pour des applications où le nombre de pôles est réduit.
[19]
II.3.4 Topologies des machines à aimants permanents
Il y a plusieurs concepts de machines synchrones à aimant permanent pour l'énergie
éolienne. Nous pouvons classer en fonction de la disposition des aimants par rapport au
rotor et du type de champ tournant.
FIGURE II. 2 DIFFERENTES STRUCTURES ROTORIQUES POUR UNE MSAP
FIGURE II. 3 SCHEMAS DE BOBINAGE
Chapitre II
35
a Machines à aimants cylindriques à champ radial
La machine synchrone à flux radial (RFPM) est la machine à aimant la plus courante. Il
est largement utilisé pour l'entraînement direct. Son stator est identique à celui d'une
machine à induction classique. Ces structures peuvent venir avec un rotor interne ou
externe. Différents types de rotors de machines à flux radial ont des aimants à montage
en surface, encastrés (insérés) ou enterrés. [18]
b Machines à aimants discoïdes à champ axial (discoïdales)
Ces machines dites (AFPM) représentent une autre solution possible pour des
entraînements directs à faible vitesse. Ils sont constitués d'un ou plusieurs disques fixes
d'enroulement et d'un ou plusieurs disques mobiles supportant des aimants permanents.
La construction à disques offre également une excellente modularité naturelle en
juxtaposant les modules dont la capacité est déterminée par le nombre de disques pour
un diamètre donné. Cette structure fait l'objet d'une attention particulière. Malgré la
puissance spécifique élevée, l'existence de contraintes mécaniques liées à la poussée
axiale et de contraintes thermiques dues à la difficulté à échapper aux pertes statoriques
est soulignée
II.4 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE LA MSAP
L'inducteur du générateur synchrone entraîné mécaniquement crée un champ avec
une distribution spatiale variable dans les enroulements du stator, les f.é.m. induites dans
ces bobinages provoquent la circulation des courant induit qui créent à leur tour un
champ statorique dans l’entrefer, qui tourne à la même vitesse que celle de champ
inducteur.
FIGURE II. 4 VUE D’UNE MACHINE A FLUX AXIAL (DIFFERENTES CONFIGURATIONS)
Chapitre II
36
La conversion d'énergie en MSAP se fait dans les deux sens : en convertissant énergie
électrique en énergie mécanique (mode moteur), et celles-ci sont appelées alors "moteur
synchrone à aimant permanent (MSAP)", et en convertissant énergie mécanique en
l'énergie électrique (mode générateur) et dans ce cas, ils sont appelés générateurs
synchrones à aimants permanent (GSAP).
II.5 AVANTAGES ET INCONVENIENTS
II.5.1 Les avantages
• Absence de pertes joules au niveau du rotor.
• Augmentation de la constante de temps thermique et de la fiabilité grâce à
l’élimination des bagues et des balais.
• Couple volumique et puissance massique élevés.
• Robustesse incontestable comparée à la machine CC.
• Construction simple et frais d'entretien réduits (absence de collecteurs et
balais).
• La densité de flux, relativement élevée dans l'entrefer, assure de très bonnes
performances dynamiques et un très bon rendement.
• Elle n'a pas besoin d'alimentation si la machine fonctionne en mode
générateur. [18]
II.5.2 Les inconvénients
• Le gros inconvénient de cette machine est le placement des aimants.
• Les applications à haute vitesse sont difficiles.
• Coût élevé de l’aimant.
• Les aimants sont soumis à des forces centrifuges qui peuvent causer leur
décollement du rotor.
• L’exposition des aimants permanents aux champs démagnétisant. [18]
II.6 DOMAIN D’APPLICATION
a Industrie de pétrochimie :
MSAP est conçu pour une puissance élevée (plusieurs MW) et un fonctionnement à grande
vitesse (> 10.000 tr/min).
Chapitre II
37
b Industrie des énergies renouvelables :
Notamment dans le domaine de l'énergie éolienne. MSAP est conçu pour un
fonctionnement à haute puissance (plusieurs MW) et à basse vitesse (environ 1000
tr/min).
c Industrie automobile :
Conception de véhicules hybrides ou tout-électriques. MSAP est conçu pour fonctionner à
faible puissance (limitée à quelques dizaines de kW).
d Industrie aéronautique :
Développer des avions plus électriques qui constituent l'un des principaux axes de
recherche dans le domaine. La puissance associée peut atteindre 175kW.
e Industrie ferroviaire :
Les MSAP sont conçus pour fonctionner à puissance moyenne pour la traction, où un
générateur à aimants permanents a été dimensionné pour une puissance nominale de
250kW. [19]
II.7 MODELISATION DE LA GENERATRICE SYNCHRONE A AIMANTS
PERMANENTS
II.7.1 Hypothèses simplificatrices
Un générateur synchrone à aimants permanents est caractérisé par un certain nombre
de paramètres qui affectent son fonctionnement, parmi lesquels certains paramètres non
linéaires, qui compliquent le modèle mathématique de la machine ; Pour cela la plupart
de la littérature propose quelques hypothèses simplificatrices afin de simplifier ce modèle
mathématique et de le rendre utilisable dans l'étude du comportement des générateurs.
[14]
• Des enroulements statoriques connectés en toiles (neutre isolé pour éliminer la
composante homopolaire des courants.)
• Un circuit magnétique non saturé (saturation négligée)
• Une répartition sinusoïdale de la FMM
• Les pertes par courants Foucault et par hystérésis négligeables
• L'effet de peau de la température négligé
• Entrefer constant
Chapitre II
38
II.7.2 Principe de la transformation de Park :
La transformation directe de Park, est définie par la matrice [𝑃] , aux vecteurs
originaux [𝑉𝑎𝑏𝑐] [𝐼𝑎𝑏𝑐] [𝜑𝑎𝑏𝑐] la transformation de Park, fait correspondre les vecteurs
[𝑉𝑑𝑞𝑜] [𝐼𝑑𝑞𝑜] [𝜑𝑑𝑞𝑜]
{
[𝑋𝑎𝑏𝑐] = [𝑃]−1
[𝑋𝑑𝑞𝑜]
[𝑋𝑑𝑞𝑜] = [𝑃] [𝑋𝑎𝑏𝑐]
} ………………………………………………..………………………...…………(II. 1)
Telles que [𝑃] 𝑒𝑡 [𝑃]−1
sont les matrices de passage directe et inverse, elles sont données
comme suite :
[𝑃] = √
2
3
(
𝑐𝑜𝑠 (𝜃) 𝑐𝑜𝑠 (𝜃 − 2𝜋
3
⁄ ) 𝑐𝑜𝑠 (𝜃 + 2𝜋
3
⁄ )
−𝑠𝑖𝑛 (𝜃) −𝑠𝑖𝑛 (𝜃 − 2𝜋
3
⁄ ) −𝑠𝑖𝑛 (𝜃 + 2𝜋
3
⁄ )
1
√2
⁄ 1
√2
⁄ 1
√2
⁄
)
...……………...……...………(II. 2)
[𝑃]−1
= √
2
3
(
cos (𝜃) −sin (𝜃) 1
√2
⁄
cos (𝜃 − 2𝜋
3
⁄ ) −sin (𝜃 − 2𝜋
3
⁄ ) 1
√2
⁄
cos (𝜃 + 2𝜋
3
⁄ ) −sin (𝜃 + 2𝜋
3
⁄ 1
√2
⁄ )
...…………………………………(II.3)
II.7.3 Passage au repère de Park :
Pour simplifier le modèle dynamique de la machine, le changement du repère est
appliqué. Cette transformation mathématique transforme les trois enroulements
statoriques fixes déphasés de
𝜋
2
en deux enroulements équivalents fictifs déphasés par
𝜋
2
et reposant sur le rotor.
FIGURE II. 5 REPRESENTATION DE LA MSAP DANS LE REPERE (D, Q) DE PARK
Chapitre II
39
Les deux bobines d et q tournent avec le rotor, produisant le même effet que les trois
bobines fixes. Cette nouvelle variation de repère (d, q) nous permet de passer du repère
naturel au repère park, ce qui rend le modèle de la machine relativement simple.
II.7.4 Equations électriques :
Les équations électriques des machines électriques dans un repère fixe lié au stator
sont décrites par :
(
𝑣𝑎
𝑣𝑏
𝑣𝑐
) = 𝑅𝑠 (
𝑖𝑎
𝑖𝑏
𝑖𝑐
) +
𝑑
𝑑𝑡
(
𝜙𝑎
𝜙𝑏
𝜙𝑐
) …………………….…………..…....……………………………….....………(II. 4)
(𝑣𝑎, 𝑣𝑏 ,𝑣𝑐)𝑡
; Vecteur tension de phases statoriques.
(𝑖𝑎, 𝑖𝑏, 𝑖𝑐)𝑡
; Vecteur courant de phases statoriques.
(𝜙𝑎,𝜙𝑏, 𝜙𝑐)𝑡
; Vecteur des flux totaux traversant les bobines statoriques.
Les enroulements statoriques de la machine synchrone considérée sont connectés en
étoile avec un fil neutre isolé, de sorte que la somme instantanée des courants statoriques
est nulle et qu'il n'y a pas de courant homopolaire. Par conséquent, si la composante de
tension ou de flux magnétique est nulle, elle ne contribue pas au couple. [21]. Donc le
comportement de la machine est représenté par deux variables indépendantes.
II.7.5 Modélisation de la GSAP dans le repère de Park :
En appliquant la transformation de Park aux équations simultanées, on peut
représenter tous les vecteurs du repère associé au rotor. Si θ est l'angle électrique qui
donne la position du rotor par rapport au stator.
FIGURE II. 6 PASSAGE DE REPERE NATUREL DU STATOR AU REPERE (D, Q) DE PARK
Chapitre II
40
En utilisant la convention génératrice ; on inverse le sens des courant 𝑖𝑑 et 𝑖𝑞 dans le
repère de Park, on peut écrire l'équation sous la forme :
{
𝑣𝑑 = −𝑅𝑠𝑖𝑑 +
𝑑𝜙𝑑
𝑑𝑡
+ 𝜔𝜙𝑞
𝑣𝑞 = −𝑅𝑠𝑖𝑞 +
𝑑𝜙𝑞
𝑑𝑡
+ 𝜔𝜙𝑑
………………….….…………..……………...…………………….....………(II. 5)
Equations magnétiques :
{
𝜙𝑑 = 𝐿𝑑𝑖𝑑 + 𝜙𝑓
𝜙𝑞 = 𝐿𝑞𝑖𝑞
………………….….…………..………..…………………………….....……………………(II. 6)
En remplaçant les flux par leurs valeurs, on trouve :
{
𝑣𝑑 = −𝑅𝑠𝑖𝑑 − 𝐿𝑑
𝑑𝑖𝑑
𝑑𝑡
+ 𝐿𝑞𝜔𝑖𝑞
𝑣𝑞 = −𝑅𝑠𝑖𝑞 − 𝐿𝑞
𝑑𝑖𝑞
𝑑𝑡
+ 𝐿𝑑𝜔𝑖𝑑 + 𝜙𝑓𝜔
………………….….………..……….....……..…….....………(II. 7)
II.7.6 Expression du couple électromagnétique :
Le couple électromagnétique Cem est exprimé comme la dérivée partielle de stockage
d'énergie électromagnétique par rapport à l'angle géométrique de rotation du rotor. [22]
𝐶𝑒𝑚 =
𝑑𝑊𝑒
𝑑𝜃𝑔𝑒𝑜
= 𝑝
𝑑𝑊𝑒
𝑑𝜃𝑒
…………………….…….….…...………..………………………………….....………(II. 8)
𝑊
𝑒 : Energie emmagasinée dans le circuit magnétique.
𝜃𝑔𝑒𝑜 : Ecart angulaire de la partie mobile (rotor par rapport au stator).
𝑝 : Nombre de pair de pôle.
L’expression de la puissance transmise dans le repère de Park est comme suite :
𝑃(𝑡) =
3
2
(𝑣𝑑𝑖𝑑 + 𝑣𝑞𝑖𝑞) ………………..……….…………………………………………………..……….…(II. 9)
En remplaçant 𝑣𝑑, 𝑣𝑞 par leurs expressions, donnera :
𝑃(𝑡) =
3
2
[−𝑅𝑠(𝑖𝑑² − 𝑖𝑞²) − (𝑖𝑑
𝑑𝜙𝑑
𝑑𝑡
+ 𝑖𝑞
𝑑𝜙𝑞
𝑑𝑡
) +
𝑑𝜃
𝑑𝑡
(𝜙𝑑𝑖𝑞−𝜙𝑞𝑖𝑑)] …………………………(II. 10)
−
3
2
𝑅𝑠(𝑖𝑑² − 𝑖𝑞²) : Représente la puissance dissipée en pertes Joule dans les enroulements
du stator.
3
2
(𝑖𝑑
𝑑𝜙𝑑
𝑑𝑡
+ 𝑖𝑞
𝑑𝜙𝑞
𝑑𝑡
) : Représente la variation de l'énergie magnétique stocké dans les
enroulements du stator.
𝑑𝜃
𝑑𝑡
(𝜙𝑑𝑖𝑞−𝜙𝑞𝑖𝑑) : Représente la puissance électromagnétique, avec : 𝑝Ω = 𝜔 et 𝑃
𝑒 = 𝐶𝑒𝑚Ω
Et donc l’expression devient :
Chapitre II
41
𝐶𝑒𝑚 =
3
2
𝑝(𝜙𝑑𝑖𝑞−𝜙𝑞𝑖𝑑) ………..……….……………………………..………………………..……….…(II. 11)
Puis en remplaçant (3) dans (8) on trouve l'équation suivant :
𝐶𝑒𝑚 =
3
2
𝑝[(𝐿𝑑𝐿𝑞)𝑖𝑞𝑖𝑑 + 𝑖𝑞𝜙𝑓] ….………………………………...…………………………..……….…(II. 12)
II.7.7 Le modèle de la génératrice synchrone a aimant permanent
a La génératrice à vide :
{
𝑖𝑑 = 0
𝑖𝑞 = 0
Les expressions des tensions et du couple deviennent :
{
𝑣𝑑 = 0
𝑣𝑞 = 𝜔𝜙𝑓
𝐶𝑒𝑚 = 0
….……………………………………….…………………...………………...………..……….…(II. 13)
b La génératrice en charge (Rch, Lch) :
Le générateur alimente la charge électrique (Rch, Lch). Pour obtenir la tension et le
courant résultant de l'application de cette charge au générateur, on applique d’une part,
les équations données par : [22]
FIGURE II. 7 SCHEMA BLOC DE SIMULATION DE LA GSAP
Chapitre II
42
{
𝑣𝑑 = −𝑅𝑠𝑖𝑑 − 𝐿𝑑
𝑑𝑖𝑑
𝑑𝑡
+ 𝐿𝑞𝜔𝑖𝑞
𝑣𝑞 = −𝑅𝑠𝑖𝑞 − 𝐿𝑞
𝑑𝑖𝑞
𝑑𝑡
− 𝐿𝑑
𝑑𝑖𝑑
𝑑𝑡
+ 𝜙𝑓𝜔
...….………………...…..………..……....……………..….…(II. 14)
D’autre part, l’application des tensions 𝑣𝑑 et 𝑣𝑞 sur la charge donne :
{
𝑣𝑑 = −𝑅𝑐ℎ𝑖𝑑 + 𝐿𝑐ℎ
𝑑𝑖𝑑
𝑑𝑡
− 𝐿𝑐ℎ𝜔𝑖𝑞
𝑣𝑞 = −𝑅𝑐ℎ𝑖𝑞 + 𝐿𝑐ℎ
𝑑𝑖𝑞
𝑑𝑡
− 𝐿𝑐ℎ𝜔𝑖𝑑
….……………………………….…...……....………..……….…(II. 15)
En remplaçant les expressions de (II.14) dans (II.15), on aura le système suivant :
{
0 = −(𝑅𝑠 + 𝑅𝑐ℎ)𝑖𝑑− (𝐿𝑑 + 𝐿𝑐ℎ)
𝑑𝑖𝑑
𝑑𝑡
+ 𝜔(𝐿𝑞 + 𝐿𝑐ℎ)𝑖𝑞
0 = −(𝑅𝑠 + 𝑅𝑐ℎ)𝑖𝑞 − (𝐿𝑞 + 𝐿𝑐ℎ)
𝑑𝑖𝑞
𝑑𝑡
+ 𝜔(𝐿𝑞 + 𝐿𝑐ℎ)𝑖𝑑 + 𝜙𝑓𝜔
.……………..…..……….…(II. 16)
Donc,
{
𝑑𝑖𝑑
𝑑𝑡
=
1
(𝐿𝑞+𝐿𝑐ℎ)
[−(𝑅𝑠+𝑅𝑐ℎ)𝑖𝑑𝜔(𝐿𝑞+𝐿𝑐ℎ)𝑖𝑞]
𝑑𝑖𝑞
𝑑𝑡
=
1
(𝐿𝑞+𝐿𝑐ℎ)
[−(𝑅𝑠+𝑅𝑐ℎ)𝑖𝑞−𝜔(𝐿𝑞+𝐿𝑐ℎ)𝑖𝑑+𝜙𝑓𝜔]
………….…………....….…………………....…(II. 17)
II.8 CONCLUSION
Dans ce chapitre, nous avons présenté la machine synchrone a aimant permanent
(MSAP) qui est la machine utilisée dans la conversion de l’énergie mécanique du vent en
énergie électrique dans notre travail, nous avons donné son principe de fonctionnement,
ses domaines d’utilisation et aussi les avantages et les inconvénients de ce type des
machines électriques.
Dans cette partie nous avons établir aussi le modèle mathématique équivalent de la
machine synchrone a aimant permanent (MSAP) et la modélisation sous MATLAB de cette
machine.
43
44
Chapitre III
MODELISATION ET SIMULATION DE
L’AEROGENERATEUR
III.1 INTRODUCTION
L’énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais elle peut être transformée d’une forme
à une autre et l’énergie éolienne est parmi les sources d’énergie que peut être transformer
à une énergie électrique.
Après la présentation des généralités sur l’énergie éolienne et les différents types des
éoliennes dans le premier chapitre, nous nous intéressons à la modélisation de chaine de
conversion de l’énergie cinétique du vent a une énergie mécanique.
Dans la première partie de ce chapitre on va s’intéressé a la modélisation de la source de
cette énergie qui est le vent avec un modèle mathématique et un schéma bloc équivalent
sous MATLAB/Simulink. Par suite, le but de notre travail est l’utilisation des équations
mécaniques et électriques du système de conversion d’énergie et établir un modèle
mathématique équivalent, ce modèle est utilisé pour étudier le comportement de la
voilure savonius par rapport à la variation du vent, ce modèle va nous permettre de
calculer la quantité d’énergie maximale que la turbine peut être transmettre en énergie
mécanique, aussi le couple et la vitesse de sortie.
Les modèles qui nous seront présentés dans ce chapitre, on pour donner la simulation
comportementale de notre système éolienne.
III.2 MODELISATION DU VENT
III.2.1 Généralités sur le vent
Le vent est le mouvement de l'air du aux gradients de pression atmosphérique, il
s’écoule à partir des régions de haute pression vers les régions de basse pression et plus
le gradient de pression atmosphérique est grand, plus la vitesse du vent est élevée et donc,
plus la puissance éolienne qui peut être captée par les machines de conversion d'énergie
du vent est grande.
Les molécules d’air ne sont pas solidaires les unes sur les autres comme les autres fluides,
donc, il est difficile de prédire sa trajectoire, mais le vent est décrit par sa vitesse et sa
direction (son origine). [23]
Chapitre III
45
La génération et le mouvement du vent sont compliqués car ils sont influencés par certain
facteurs importants, parmi ces facteurs : le chauffage solaire inégal et l’effet Coriolis
(Annexe 1) du a l’autorotation de la terre et les conditions géographiques locales. [24]
III.2.2 La modélisation du vent
Le vent peut être décrit de trois façons différentes : La première consiste à utiliser les
lois de la dynamique des fluides et les équations primitives atmosphériques, la deuxième
méthode est la représentation en série de Fourier qui présente le vent comme un signal
constitué par une superposition de plusieurs harmoniques, et finalement l’utilisation de
la méthode des statistiques de Wei bull (Annexe 2). [25]
Pour des raisons de complexité de couplages des équations d’aérodynamiques et de
mécanique des fluides, il sera plus simple d’utiliser la méthode de statistiques de Wei bull
ou bien la décomposition en série de Fourier.
III.2.3 La décomposition en série de Fourier
La définition d'un modèle de vent nécessite des données sur le climat et la géographie
du site concerné, ainsi que la période de l'année pour laquelle l'étude est concernée. Le
modèle de vent est donné par une représentation en série de Fourier, représentant le vent
comme un signal constitué d'une superposition de plusieurs harmoniques. Il est donné
par l'équation suivante :
𝑉𝑉 = 𝐴 + ∑ 𝑎. 𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑘. 𝑡)
𝑖
𝑘=1 …………………….………………………………..…………………......…(III. 1)
Avec,
𝑉
𝑚𝑜𝑦: la valeur moyenne de la vitesse du vent
𝑎𝑘: amplitude de l'harmonique de l'ordre k
𝜔𝑘: pulsation de l'harmonique de l'ordre k
𝑖 : le rang du dernier harmonique retenu dans le calcul du profil du vent
Dans notre cas la valeur moyenne de la vitesse du vent égale à 10m/s et pour la
construction des perturbations dans notre signal on utilise quatre harmoniques avec des
paramètres aléatoires, remplaçant ces valeurs dans l’équation (III.3) on obtient
l’équation suivante :
𝑉𝑉 (𝑡) = 10 + 0.2 𝑠𝑖𝑛( 0.1047𝑡) + 2𝑠𝑖𝑛( 0.2665𝑡) + 𝑠𝑖𝑛( 1.2930𝑡) + 0.2𝑠𝑖𝑛( 0.36645𝑡) …
…………………………………………………………………………………………………………………….……(III. 2)
tell i=4
que
Chapitre III
46
III.2.4 Le modèle du vent sous MTLAB/Simulink
La vitesse du vent est modélisée sous la forme déterministe par une somme de
plusieurs harmoniques comme monter dans l’équation (III.2), cette équation
mathématique est convertie à un schéma bloc sous MATLAB/Simulink, le modèle est
représenté dans la FIGURE III.2.
Le résultat obtenu à partir de la simulation du modèle qui représente le profil du vent est
montré dans la FIGURE III.1.
FIGURE III. 1 SCHEMA BLOC DU MODELE DU VENT SOUS SIMULINK
FIGURE III. 2 LE PROFIL DU VENT
Chapitre III
47
III.3 MODELISATION DE LA TURBINE
III.3.1 La loi de Betz
L’efficacité maximale théorique d’un turbomoteur à vent idéal a été déduite par
Lanchester en 1915 et Betz en 1920. Il a été révélé qu’aucune machine à vent ne pouvait
convertir plus de 16/27 (59,26%) de l’énergie cinétique du vent dans l’énergie
mécanique. C’est ce qu’on appelle aujourd’hui la limite Lanchester–Betz (ou Loi de
Lanchester–Betz). [26]
La théorie de Betz, permet de calculer la puissance que le vent transmet à un rotor de
turbine, la FIGURE III.3 montre un schéma d’un tube de débit, le fluide dans le tube
d’écoulement se cogne sur l’obstacle constitué par un plan perpendiculaire à l’axe d’un
rotor d’une éolienne avec une section 𝐴 ,la vitesse au début du tube V près du plan de
rotor (section 𝐴) est inférieure à sa vitesse au début de du tube 𝑉1 dans la section 𝐴1, le
comportement de la pression est le contraire, le fluide délivre de l’énergie lorsqu’il
traverse la section 𝐴 et donc la pression de fluide chute brusquement .De la section 𝐴 a la
section 𝐴2 la pression augmente jusqu’à attendre la pression atmosphérique à proximité
de la section 𝐴2 , et la vitesse de fluide égale à 𝑉2 qui est inférieur à 𝑉1.
Les hypothèses de la théorie de Betz sont les suivantes :
• Le flux de fluide qui, à travers la section A, n’interagit pas avec l’autre flux de fluide
dans le tube.
• La vitesse est uniforme dans chaque section de tube de flux et perpendiculaire à
l’axe du tube.
FIGURE III. 3 PROFIL DE VITESSE ET DE PRESSION D’AIR LE LONG DE TUBE DE MESURE
Chapitre III
48
• Le rotor est schématisé comme un disque d’épaisseur infiniment petite avec une
section 𝐴 et une structure uniforme.
• La situation dynamique des fluides n’est pas influencée par la turbine sur les
sections 𝐴1 et 𝐴2 et la pression sur deux est égale à la pression atmosphérique
p0=p1=p2.
• Le plan du rotor est l’obstacle unique pendant le mouvement du vent de la
section 𝐴1 à la section 𝐴2.
• Le vent est stationnaire et constant.
• Le mouvement du vent est droit.
• La compressibilité du fluide est négligée et la densité du fluide ρ est constante. [26]
III.3.2 Le modèle général de la turbine éolienne
Le rôle principal de la turbine éolienne est la conversion de l’énergie cinétique du vent
à une énergie mécanique et la transmettre au générateur, ou l’expression simplifié de la
puissance captée par la turbine peut être décrit par : [27]
𝑃𝑇 =
1
2
𝐶𝑝(𝜆)𝜌𝑆𝑉
𝑣
3
……………………………………………………………………………………….....… (III. 3)
Cette puissance peut être écrit par une autre expression qui est :
𝑃𝑇 = 𝐶é𝑜𝑙. 𝜔 …………………………………………………………….…………………….…………..…..… (III. 4)
A partir de l’équation 3.3 et 3.4 on peut déduire que :
𝐶𝑒𝑜𝑙 =
𝐶𝑃(𝜆)𝜌𝐻𝑅2𝑉2
𝜆
……………………………………………………..…………………………………...… (III. 5)
Tell que Le rapport entre la vitesse de la turbine et la vitesse du vent est :
𝜆 =
𝑉𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟
𝑉𝑣
=
𝜔𝑅
𝑉𝑣
…………………………………………………….….………………………….…………..… (III. 6)
Le coefficient de puissance 𝐶𝑝 en fonction de λ est la relation entre la puissance extraire
par la turbine et la puissance possédée par le tuyau d’écoulement sur une section 𝐴 (voir
la FIGURE III.3) et donc indique la performance de chaque éolienne et le taux d’énergie
cinétique capté et transformée par l’éolienne (L’équation III.7), Les valeurs de 𝐶𝑝 et sont
expérimentalement déterminées en fonction du coefficient de vitesse λ ou bien avec des
méthodes de simulation par logiciels (ANSYS par exemple), la FIGURE III.4 représente les
courbes des coefficients de puissance en fonction de la rapport du vitesse pour plusieurs
types de turbines éoliennes.
Chapitre III
49
𝐶𝑝 =
𝑃𝑇
𝑃𝑉
=
𝐶E𝑜𝑙𝜔
1
2
𝜌𝑆𝑉3
…………………………….………………….….………………………….…………..… (III. 7)
Avec, 𝑃𝑇 : La puissance mcanique de la turbine
𝑃𝑉 : la puissance du vent
𝐶é𝑜𝑙 :Le couple de la turbine
𝜔 : La vitesse angulaire de la turbine
𝑉
𝑣 :La vitesse du vent
III.3.3 La turbine savonius
L’éolienne Savonius est un simple dispositif à axe vertical ayant une forme de pièces
semi-cylindriques attachées au les côtés opposés d’un arbre vertical (pour une disposition
à deux lames) et fonctionnent sur la force de traînée, de sorte qu’il ne peut pas tourner
plus vite vitesse du vent. Cela signifie que le rapport de vitesse de pointe est égal à 1 ou
plus petit. Quand le vent souffle dans la structure et entre en contact avec les surfaces
opposées (une convexe et l’autre concave), deux forces différentes (traînée et portance)
sont exercés sur ces deux surfaces. Le principe de base est basé sur la différence de force
de traînée entre les parties convexes et concaves des pales du rotor lorsqu’elles tournent
autour d’un arbre vertical, cette force de traînée est la force motrice principale du rotor
savonius. [28]
FIGURE III. 4 LE COEFFICIENT DE PUISSANCE
Chapitre III
50
III.3.4 Le modèle de la turbine savonius sous Matlab/Simulink
La turbine utilisée dans ce travail est de type savonius, la surface balayée par cette
turbine 𝐴 est donnée par la formule suivant :
𝐴 = 2𝑅𝐻 ……………………………………………………………….………………………………..……..… (III. 8)
Ou, R représente le rayon de la turbine (m)et H la hauteur (m).
La puissance éolienne disponible sur l’arbre de la voilure savonius, extraite de la
puissance du vent est donnée par l’équation suivante :
𝑃𝑇 = 𝐶𝑝(𝜆)𝜌𝑅𝐻𝑉
𝑣
3
…………………………………………………………………………………..…..…..… (III. 9)
Le coefficient de puissance de la turbine savonius utilisé dans notre travail est obtenue
par l’interpolation polynomiale de troisième dégrée des points obtenus par la simulation
CFD [29], donc il est donné par :
𝐶𝑃(𝜆) = −0.1299𝜆3
− 0.1168𝜆2
+ 0.45406𝜆 ……………………………….…………………...(III. 10)
Afin d’obtenir l’équation de 𝐶𝑃(𝜆) on peut utiliser l’équation de couple éolien (III.5) pour
obtenir le schéma bloc représenté dans la figure III.6.
FIGURE III. 5 UNE EOLIENNE SAVONIUS AVEC LES FORCES DE TRAINEE
Chapitre III
51
III.3.5 Modélisation mécanique du couplage turbine-génératrice :
Le couple du vent fourni par la turbine entraine le générateur mais il y a une réduction
du couple causée par le frottement et l’inertie de la turbine, nous pouvons établir un
modèle électromécanique comme montrer dans Figure III.7.
L’équation différentielle qui caractérise le comportement mécanique de l’ensemble
turbine et génératrice est donné par :
𝐽
𝑑𝜔
𝑑𝑡
= 𝐶E𝑜𝑙 − 𝐶𝑒𝑚 − 𝑓𝜔 ……………………………………………………………………………………(III. 11)
Où ω est la vitesse sur l'arbre du générateur, 𝐶𝑓 le couple de frottement, 𝐶𝑒𝑚 le couple
électromagnétique développé par le générateur, 𝐶é𝑜𝑙 le couple mécanique appliqué à
l’arbre de l’alternateur et 𝐽 est le moment total d'inertie.
Avec,
𝐽 = 𝐽𝑡 + 𝐽𝑚 ≈ 𝐽𝑡 …….……………………………………………………………………………...…..… (III. 12)
FIGURE III. 6 LE SCHEMA BLOC DU COUPLE EOLIEN
FIGURE III. 7 LE COUPLAGE ELECTROMECANIQUE ENTRE LA TURBINE ET LE GENERATEUR
Chapitre III
52
𝑓 = 𝑓𝑡 + 𝑓𝑚 ≈ 𝑓
𝑚 …………………………………………………………………..……………..…..…..… (III. 13)
𝐽𝑚 est l’inertie de la machine, 𝑓
𝑚 le coefficient de frottement de la machine, 𝐽𝑡 l’inertie de
la turbine et 𝑓𝑡 le frottement des pâles.
A partir de l’équation déférentiel obtenu dans l’équation (III.9) on peut établir un modèle
de la turbine savonius avec un schéma bloc sous MATLAB/SIMULINK, ce modèle est
montré dans la FIGURE III 8
. .
III.4 LES RESULTATS DE LA SIMULATION D’AEROGENERATEUR
Les résultats obtenus sont correspondants à la vitesse du vent représenté dans la FIGURE
III.2
FIGURE III. 9 LA VITESSE ANGULAIRE DE LATURBINE
FIGURE III. 8 LE MODELE SIMULINK DE LA TURBINE SAVONIUS
Chapitre III
53
FIGURE III. 10 LE COUPLE EOLLIEN FOURNIT PAR LA TURBINE
FIGURE III. 11 LES TENSIONS DE LA SORTTIE DE GENERATEUR
Chapitre III
54
FIGURE III. 12 LE COUPLE ELECTROMAGNETIQUE DE LA GENERATRICE
III.5 CONCLUSION
Dans ce chapitre, nous avons donné un modèle qui représente la vitesse du vent avec
un modèle mathématique et on a converti ce modèle a un schéma bloc sous
MATLAB/Simulink, nous avons aussi donné les notions de base sur le fonctionnement des
turbines et le principe général de la conversion de l’énergie cinétique du vent a une
énergie mécanique et les limites de ce type de conversion.
La turbine utilisée dans notre travail est de type Savonius, donc dans cette partie nous
avons donné les caractéristiques de cette turbine et sa modèle équivalent sous
MATLAB/Simulink avec l’utilisation des équations mécaniques de couple, de vitesse et
des pertes.
55
56
Chapitre IV
MODELISATION ET COMMANDE DE LA CHAINE DE
CONVERSION ELECTRIQUE
IV.1 INTRODUCTION
L’énergie électrique peut avoir des différentes formes adaptées à la nature des
récepteurs qui consomme cette énergie. La conversion de puissance comprend quatre
fonctions principales :
• Convertisseurs AC/DC c’est le cas des redresseurs.
• Convertisseurs DC/DC c’est le cas des hacheurs.
• Convertisseurs AC/AC c’est les cas des gradateurs et des cyclo-convertisseurs.
• Convertisseurs DC/AC c’est le cas des onduleurs.
Ces convertisseurs sont des dispositifs de l’électronique de puissance mettant en œuvre
un ou plusieurs interrupteurs électroniques commandables ou non-commandables.
Dans ce Chapitre, nous aborderons en premier temps le principe de fonctionnement de la
structure de base du redresseur triphasée en pont de diodes. Puis nous généralisons sur
les convertisseurs DC/DC (les hacheurs), le principe de fonctionnement de chaque type
d’hacheur et la modélisation de l’hacheur série qui est utilisée dans notre système de
conversion d’énergie, nous abordons aussi le dimensionnement du filtre de sortie LC de
la structure hacheur dévolteur. La stratégie de commande et régulation de l’hacheur
dévolteur par les correcteurs PI et le calcul de ses paramètres sont présentées à la fin de
ce chapitre.
L’objectif du travail de ce chapitre est la compréhension de la chaine de conversion
électrique par la simulation sous MATLAB/Simulink.
IV.2 MODELISATION DE REDRESSEUR TRIPHASE DOUBLE ALTERNANCE
A PONT DIODES
IV.2.1 Présentation de redresseur
Le redresseur est un convertisseur "alternatif si/direct". Une conversion d'énergie
électrique permet d'obtenir une source de courant continu à partir d'une source
alternative, il est représenté dans FIGURE IV.1
Chapitre IV
57
Ce redresseur est constitué de trois diodes (D1, D2, D3) à cathode commune assurant la
sortie du courant et de trois diodes (D4, D5, D6) à anode commune assurant le retour du
courant Le redresseur est alimenté par un réseau triphasé équilibré en tension :
{
𝑉1(𝑡) = 𝑣𝑚 sin(2𝜋𝑓𝑡)
𝑉2(𝑡) = 𝑣𝑚sin (2𝜋𝑓𝑡 −
2𝜋
3
)
𝑉3(𝑡) = 𝑣𝑚sin (2𝜋𝑓𝑡 +
2𝜋
3
)
…………………………………………...………………………………(IV. 1)
Dans notre étude, Les diodes sont supposées parfaites (interrupteurs parfaits) et le
courant à la sortie du montage redresseur continu. On supposera également négligeable
l'inductance ramenée au secondaire du transformateur pour éliminer l’effet
d’empiétement, et ainsi la tension de sortie du redresseur sera déterminée comme suit :
𝑈𝑟𝑒𝑑 = 𝑀𝐴𝑋[𝑉1(𝑡), 𝑉2(𝑡), 𝑉3(𝑡)] − 𝑀𝐼𝑁[𝑉1(𝑡), 𝑉2(𝑡), 𝑉3(𝑡)] ……………………...………(IV. 2)
D1 D2 D3 D4 D5 D6 𝑼𝒓𝒆𝒅
[
𝛑
𝟔
,
𝛑
𝟐
] 1 0 0 0 1 0 𝑼𝟏𝟐 = 𝑽𝟏 − 𝑽𝟐
[
𝛑
𝟐
,
𝟓𝛑
𝟔
] 1 0 0 0 0 1 𝑼𝟏𝟑 = 𝑽𝟏 − 𝑽𝟑
[
𝟓𝛑
𝟔
,
𝟕𝛑
𝟔
] 0 1 0 0 0 1 𝑼𝟐𝟑 = 𝑽𝟐 − 𝑽𝟑
[
𝟕𝛑
𝟔
,
𝟑𝛑
𝟐
] 0 1 0 1 0 0 𝑼𝟐𝟏 = 𝑽𝟐 − 𝑽𝟏
[
𝟑𝛑
𝟐
,
𝟏𝟏𝛑
𝟔
] 0 0 1 1 0 0 𝑼𝟑𝟏 = 𝑽𝟑 − 𝑽𝟏
[
𝟏𝟏𝛑
𝟔
,
𝟏𝟑𝛑
𝟔
] 0 0 1 0 1 0 𝑼𝟑𝟐 = 𝑽𝟑 − 𝑽𝟐
TABLEAU IV. 1 FONCTONNEMENT D’UN REDRESSEUR TRIPHASE DOUBLE ALTERNANCE
FIGURE IV. 1 REPRESENTATION DU REDRESSEUR TRIPHASE DOUBLE ALTERNANCE
Chapitre IV
58
IV.2.2 Modélisation du filtre LC:
Le filtre passe-bas « LC » est utilisé pour supprimer les hautes fréquences. [30] Ce filtre
est représenté schématiquement dans FIGURE IV.2
Le modèle de filtre est défini par le système d'équations suivant :
{
𝑈𝑟𝑒𝑑(𝑡) = 𝐿𝑓
𝑑𝐼𝑑(𝑡)
𝑑𝑡
+ 𝑈𝑑𝑐
𝑑𝑈𝑑𝐶(𝑡)
𝑑𝑡
=
1
𝐶𝑓
[𝐼𝑑(𝑡)−𝐼𝑠(𝑡)]
……………………………………………………………………...…………(IV. 3)
On applique la transformé de la place, La fonction du transfert du filtre est donnée
comme suite :
𝑈𝑑𝐶(𝑡)
𝑈𝑟𝑒𝑑
=
1
1+𝐿𝑓𝐶𝑓𝑠2
……………………………………………………………………………..…...…………(IV. 4)
FIGURE IV. 2 REPRESENTATION D’UN FILTRE PASSE BAS
FIGURE IV. 3 SCHEMA BLOC DU REDRESSEUR ET DU FILTRE
Chapitre IV
59
IV.3 GENERALITES SUR LES HACHEURS
IV.3.1 Définition de l’hacheur
Les hacheurs sont des convertisseurs continu-continu placés entre un générateur et un
récepteur, les deux sont à courant continu, la tension de départ (générateur) peut être une
batterie, une tension alternatif redressé et filtré ou une alimentation stabilisée…,
l’hacheur comporte un interrupteur d’amorçage et à blocage commandé (transistor
bipolaire, Mosfet, IGBT...) et un interrupteur a blocage et amorçage spontanés (Diode).
[31]
IV.3.2 Classification des hacheurs
a Hacheur dévolteur (série) :
L’hacheur série, dit aussi abaisseur de tension, ce nom est lié au fait que la valeur moyenne
de la tension entrée et supérieur à la tension moyenne de sortie.
Fonctionnement :
Pour étudier le principe de fonctionnement de ce type d’hacheur on suppose que le
générateur fournit une tension 𝑈 constante et le récepteur absorbe un courant 𝐼′
constant.
Le fonctionnement d‘hacheur série peut être expliquer avec les deux interrupteurs 𝐾1 et
𝐾2 qui remplacent les semi-conducteurs utilisés, comme montrer dans FIGURE IV.4 (a).
Les deux interrupteurs doivent être complémentaires (si un est fermé l’autre et ouvert).
Quand 𝐾1 est fermé, 𝑖𝐾1 est égal à 𝐼′
, 𝑖𝐾2 nul, 𝑣𝐾1 nulle et 𝑣𝐾2 égale à −𝑈.
Quand 𝐾2 est fermé, 𝑖𝐾1 est nul, 𝑖𝐾2 égal à 𝐼′
, 𝑣𝐾1 égale à −𝑈 et 𝑣𝐾2 nulle.
FIGURE IV.4 (c) montre le schéma réel d’hacheur qui est formé de transistor T fonctionne
dans la période entre 0 et 𝛼𝑇 et une diode D, les formes d’odes de la tension de sortie 𝑈′
sont représenté dans FIGURE IV.4 (d).
Chapitre IV
60
b Hacheur survolteur (parallèle)
L’hacheur parallèle, boost converter ou élévateur, dans ce type d’hacheur la tension
moyenne de sortie est supérieure à la tension d’entrée.
FIGURE IV. 4 FONCTIONNEMENT D’UN HACHEUR DEVOLTEUR
FIGURE IV. 5 HACHEUR DEVOLTEUR
Chapitre IV
61
Fonctionnement :
La FIGURE IV.6 (a) donne le schéma avec interrupteurs mécaniques, qui explique le
principe de fonctionnement d’hacheur parallèle.
Quand 𝐾1 est fermé, 𝑖𝐾1 est égal à 𝐼, 𝑖𝐾2 nul, 𝑣𝐾1 nulle et 𝑣𝐾2 égale à +𝑈′
.
Quand 𝐾2 est fermé, 𝑖𝐾1 est nul, 𝑖𝐾2 égal à 𝐼, 𝑣𝐾1 égale à −𝑈′ et 𝑣𝐾2 nulle.
La FIGURE IV.6(c) montre le schéma réel d’hacheur qui est formé de transistor T
fonctionne dans la période entre 0 et 𝛼𝑇 et une diode D (Pour 0 < 𝑡 < 𝛼𝑇, le transistor T
conduit : 𝑢 = 0 , 𝑖′
= 0 , 𝑖𝐷 = 0, 𝑣𝐷 = −𝑈′ , 𝑖𝑇 = 𝐼, 𝑣𝑇 = 0 et Pour 𝛼𝑇 < 𝑡 < 𝑇, la diode D
conduit : 𝑢 = 𝑈′ , 𝑖′
= 𝐼 , 𝑖𝐷 = 𝐼, 𝑣𝐷 = 0 , 𝑖𝑇 = 𝐼, 𝑣𝑇 = +𝑈′).
c Hacheur réversible en courant
Dans ce système, avec les deux interrupteurs on peut commander le transfert de l’énergie
dans les deux sens entre une source de tension et une source de courant, pour ce montage
on utilisent un interrupteur qui est formé de deux composants. Le premier est un
composant commandé à l'amorçage et au blocage (transistor, IGBT, GTO…), le second est
une diode et les deux sont montés en anti-parallèle.
Fonctionnement :
Ce convertisseur résulte de l’association d’un hacheur série, formé par 𝑇1 et 𝐷1, et d’un
hacheur parallèle, formé par 𝑇2 et 𝐷2 comme montre dans la FIGURE IV.7.
FIGURE IV. 6 FONCTIONNEMENT D’UN HACHEUR SURVOLTEUR
Chapitre IV
62
Tant que le courant iL est positif, 𝑇1 et 𝐷2 assurent le fonctionnement de l’hacheur en
conduisant à tour de rôle comme nous l'avons expliqué précédemment. Si 𝐼′ vient à
s'annuler puis changer de signe, alors, dès que l'on détecte le passage par 0, on lance la
commande de 𝑇2 . C'est alors 𝑇2 et 𝐷1 qui assurent à tour de rôle la conduction.
d Hacheur en pont
La structure d’un hacheur à quatre interrupteurs (ou en pont) offre plus de possibilités
que celle à deux interrupteurs car elle permet de relier chacune des bornes de sortie à
chacune des bornes d’entrée ou de les séparer, Comme pour le hacheur simplement
réversible en courant, ce sera la diode ou le transistor qui sera passant, suivant le signe
du courant dans l'interrupteur, la structure de ce type est représentée dans la
FIGURE IV.8 et La tension moyenne de sortie et le courant moyen de sortie peuvent être
positifs ou négatifs. Source et charge peuvent avoir leurs rôles inversés suivant le signe
de ces grandeurs.
FIGURE IV. 7 HACHEUR REEVERSIBLE EN COURANT
FIGURE IV. 8 HACHEUR EN PONT
Chapitre IV
63
IV.4 MODELE MATHEMATIQUE DE CONVERTISSEUR DC/DC
Dans cette partie, on va présenter le modèle mathématique d’un hacheur série
(dévolteur), le circuit électrique de ce type de convertisseur est montré dans
FIGURE IV.9 et sa présentation par de des équations mathématiques prendre en compte
l’état de l’interrupteur T. [32]
On cherche d’établir les fonctions de transfert qui relient la tension et le courant avec le
rapport cyclique α par l’analyse de circuit électrique dans les deux états d’interrupteur.
Dans la première phase l’interrupteur S est fermée pendant : 0 < 𝑡 < 𝛼 𝑇
Par l’application des lois du Kirchhoff sur le circuit représenter dans Figure IV.10, on
obtient :
{
𝐿
𝑑𝑖
𝑑𝑡
= 𝐸 − 𝑉
𝑠
𝐶
𝑑𝑉𝑠
𝑑𝑡
= 𝑖𝐿 −
𝑉𝑠
𝑅
…………………………………………………………..……………….………….……… (IV. 5)
FIGURE IV. 9 HACHEUR DEVOLTEUR
FIGURE IV. 10 PHASE DE CHARGE
Chapitre IV
64
L’équation (IV.5) implique que :
{
𝑑𝑖
𝑑𝑡
=
𝐸
𝐿
−
𝑉𝑠
𝐿
𝑑𝑉𝑠
𝑑𝑡
=
𝑖𝐿
𝐶
−
𝑉𝑠
𝑅𝐶
……………………………………………..………………..……………….………….……… (IV. 6)
Donc,
𝑑
𝑑𝑡
(𝑖𝐿
𝑉𝑠
) = (
0 −
1
𝐿
1
𝐶
−
1
𝑅𝐶
) . (𝑖𝐿
𝑉𝑆
) + (
1
𝐿
0
) . 𝐸 ………………………………………..……….………….……… (IV. 7)
L’équation (IV.7) est de la forme :
𝑑
𝑑𝑡
(𝑖𝐿
𝑉𝑠
) = 𝐴1. (𝑖𝐿
𝑉𝑆
) + 𝐵1. 𝐸 ………………………………………..……….………………………..……… (IV. 8)
Dans la deuxième phase l’interrupteur S est ouverte pendant : 𝛼 𝑇 < 𝑡 < 𝑇
Par l’application des lois du Kirchhoff sur le circuit représenter dans Figure IV.11, on
obtient :
{
𝐿
𝑑𝑖
𝑑𝑡
= −𝑉
𝑠
𝐶
𝑑𝑉𝑠
𝑑𝑡
= 𝑖𝐿 −
𝑉𝑠
𝑅
……………………………………………………..……….………………………..……… (IV. 9)
L’équation (IV.9) implique que :
{
𝑑𝑖
𝑑𝑡
= −
𝑉𝑠
𝐿
𝑑𝑉𝑠
𝑑𝑡
=
𝑖𝐿
𝐶
−
𝑉𝑠
𝑅𝐶
……………………………………………..……….…………….…………………..……… (IV. 10)
FIGURE IV. 11 PHASE DE DECHARGE
Chapitre IV
65
Donc,
𝑑
𝑑𝑡
(𝑖𝐿
𝑉𝑠
) = (
0 −
1
𝐿
1
𝐶
−
1
𝑅𝐶
) . (𝑖𝐿
𝑉𝑆
) + (0
0
). 𝐸 ……………………….………………...………………..……… (IV. 11)
L’équation (IV.11) est de la forme :
𝑑
𝑑𝑡
(𝑖𝐿
𝑉𝑠
) = 𝐴2. (𝑖𝐿
𝑉𝑆
) + 𝐵2. 𝐸 ……………………….…….…………………..…...………………..……… (IV. 12)
Les coefficients du modèle moyen du convertisseur :
{
𝐴 = 𝛼. 𝐴1 + 𝐴2. (1 − 𝛼)
𝐵 = 𝛼. 𝐵1 + 𝐵2. (1 − 𝛼)
………………………….…………….……..…...……….……………..…… (IV. 13)
Après le remplacement dans l’équation (IV.13), Les matrices A et B devient :
𝐴 = (
0 −
𝛼
𝐿
𝛼
𝐶
−
𝛼
𝑅𝐶
) + (
0 −
1−𝛼
𝐿
1−𝛼
𝐶
−
1−𝛼
𝑅𝐶
) = (
0 −
1
𝐿
1
𝐶
−
1
𝑅𝐶
) …………………….…….……………..…… (IV. 14)
Et, 𝐵 = (
𝛼
𝐿
0
) + (
0
0
) = (
𝛼
𝐿
0
) …………………………………………………………...………..………… (IV. 15)
La forme matricielle du système complet est donnée par :
𝑑
𝑑𝑡
(𝑖𝐿
𝑉𝑠
) = (
0 −
1
𝐿
1
𝐶
−
1
𝑅𝐶
) . (𝑖𝐿
𝑉𝑆
) + (
𝐸
𝐿
0
) . 𝛼 …………………………..………...……….……………..…… (IV. 16)
L’équation (IV.16) nous donne les deux équations déférentielles qui relié les entrées
(tension et courant), les sorties et le rapport cyclique α, cette équation nous permet
d’établir le schéma bloc sous MATLAB/Simulink de l’hacheur dévolteur comme monter
dans FIGURE IV.12.
FIGURE IV. 12 E SCHEMA BLOC SOUS MATLAB/SIMULINK DE L’HACHEUR DEVOLTEUR
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ÉTUDE PRÉLIMINAIRE EN SIMULATION DU SYSTÈME ÉOLIEN DE PRODUCTION D’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE SELON LE CONCEPT DE WIND TREE.pdf

  • 1. ‫الشـعـبـيــة‬ ‫الديـمـقـراطـيــة‬ ‫الجـزائـريـة‬ ‫الجـمـهـوريـة‬ REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE M E M O I R E D E F I N D ’ E T U D E Spécialité : Machines Electriques Intitulé du sujet : Présenté par : FARES Houssem Dhia Eddine BOUARGOUB Abdelkader Soutenu publiquement, le / 07/ 2022, devant le jury composé de : Année universitaire : 2021-2022 MOSTFOUI Imene Grade ESGEE Président SEGHIOUR Abdelatif Grade ESGEE Examinateur SELLAMNA Hamza Grade ESGEE Examinateur HACHEMI Hachemi Grade ESGEE Encadrant ÉTUDE PRÉLIMINAIRE EN SIMULATION DU SYSTÈME ÉOLIEN DE PRODUCTION D’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE SELON LE CONCEPT DE WIND- TREE ‫العلمـي‬ ‫والبحـث‬ ‫العالـي‬ ‫التعليـم‬ ‫وزارة‬ ‫الكهربائية‬ ‫الهندسة‬ ‫في‬ ‫العليـا‬ ‫المـدرسـة‬ ‫والطاقوية‬ -‫بوهران‬ - MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE ÉCOLE SUPÉRIEURE EN GÉNIE ÉLECTRIQUE ET ÉNERGÉTIQUE D’ORAN Pour l’obtention du Diplôme d’Ingénieur d’Etat en Electrotechnique
  • 2. DEDICACES Je remercie dieu de m’avoir donné le courage et la volonté Tout au long de mon cursus. Je dédie ce modeste travail à : Mes très chers parents ; Mes grands-mères et Mes grands-pères ; Mon frère ; Ma sœur ; Mes cousins ; Mes cousines ; Mes tantes ; Mes oncles ; Toute la famille FARES et la famille BENAMAR ; Mes amis ; Tous les gens qui m’ont soutenu durant mes études. Houssem Je remercie dieu de m’avoir donné le courage et la volonté Tout au long de mon cursus. Je dédie ce modeste travail à : Mes très chers parents ; Mes grands-mères et Mes grands-pères ; Mes frères ; Mes sœurs ; Mes cousins ; Mes cousines ; Mes tantes ; Mes oncles ; Toute la famille BOUARGOUB et la famille GOURCHAL ; Mes amis ; Tous les gens qui m’ont soutenu durant mes études. Abdelkader
  • 3. REMERCIEMENTS En premier lieu nous tenons à manifester nos louanges à Dieu le tout puissant par aisance et excellence, de nous avoir donné la force et la patience de réaliser ce travail. Nous tenons à remercier toutes les personnes qui ont contribué au succès de mon stage et qui m’ont aidée lors de la rédaction de ce mémoire. Nous voudrions remercier chaleureusement notre encadreur de mémoire M. HACHEMI, professeur à l’école supérieur en génie électrique et énergétique, pour sa patience, sa disponibilité et surtout ses judicieux conseils, qui ont contribué à alimenter notre réflexion. Nous remercions également toute l’équipe pédagogique de l’école supérieur en génie électrique et énergétique et les intervenants professionnels responsables de notre formation, pour avoir assuré la partie théorique de celle-ci. Enfin on ne peut oublier de remercier tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à la réalisation de ce modeste travail.
  • 4. RESUME L’énergie éolienne est parmi les sources d’énergie renouvelables les plus utilisée dans le monde et le développement dans la technologie de conversion de cette énergie est toujours continu. Dans ce mémoire nous avons choisi d’étudier un nouveau système de conversion d’énergie éolienne en énergie électrique selon un concept qui s’appelle « l’arbre à vent », pour cela notre étude se base sur la modélisation et la simulation de toutes les composantes de ce système. Mots clés : Energie éolienne, Turbine savonius, MSAP, Hacheur, Redresseur, Simulink. SUMMARY Wind energy is one of the most widely used sources of renewable energy in the world and the development of the technology for converting this energy is still ongoing. In this brief, we have chosen to study a new system for converting wind energy into electrical energy using a concept called “the wind tree”, for which our study is based on modelling and simulation of all the components of this system. Keywords: Wind energy, Savonius turbine, MSAP, Chopper, Rectifier, Simulink. ‫ملخص‬ ‫طاقةةةة‬ ‫الريةةةةا‬ ‫هةةةة‬ ‫واحةةةة‬ ‫مةةةة‬ ‫أكثةةةةر‬ ‫مصةةةةا‬ ‫الطاقةةةة‬ ‫المتجةةةة‬ ‫ا‬‫ام‬ ً‫اسةةةةت‬ ‫فةةةة‬ ‫العةةةةال‬ ‫ولةةةة‬ ‫ا‬ ‫ة‬‫ة‬‫يةةةة‬ ‫ير‬ ‫ة‬‫ة‬‫تطةةةة‬ ‫ةا‬‫ة‬‫جيةةةة‬ ‫ل‬ ‫تكن‬ ‫ة‬‫ة‬‫يةةةة‬ ‫تح‬ ‫ة‬‫ة‬‫هةةةة‬ ‫ة‬‫ة‬‫الطاقةةةة‬ ‫ا‬‫ةتمر‬‫ة‬‫مسةةةة‬ . ‫ة‬‫ة‬‫فةةةة‬ ‫ا‬ ‫ة‬‫ة‬‫هةةةة‬ ‫ج‬ ‫ة‬‫ة‬‫المةةةة‬ ‫ةا‬‫ة‬‫اخترنةةةة‬ ‫ة‬‫ة‬‫اسةةةة‬ ‫ةا‬‫ة‬‫نظةةة‬ ‫ة‬‫ة‬‫يةةة‬ ‫ج‬ ‫ة‬‫ة‬‫يةةة‬ ‫لتح‬ ‫ة‬‫ة‬‫طاقةةة‬ ‫ةا‬‫ة‬‫الريةةة‬ ‫ة‬‫ة‬‫إلةةة‬ ‫ة‬‫ة‬‫طاقةةة‬ ‫ة‬‫ة‬‫كهربائيةةة‬ ‫ا‬ ً‫ةت‬‫ة‬‫باسةةة‬ ‫ة‬‫ة‬‫مفهةةة‬ ‫ةم‬‫ة‬‫يسةةة‬ « ‫ةجر‬‫ة‬‫شةةة‬ » ‫الريا‬ ‫ي‬ ‫وال‬ ‫تستن‬ ‫استنا‬ ‫إليه‬ ‫إل‬ ‫ج‬ ‫نم‬ ‫ومحاكا‬ ‫جميع‬ ‫نات‬ ‫مك‬ ‫ا‬ ‫ه‬ ‫النظا‬ . ‫ا‬‫ا‬‫الكلمااااا‬ ‫ا‬‫ا‬‫حيااااا‬ ‫المفت‬ : ‫ا‬‫ا‬‫قااااا‬ ‫ط‬ ‫ا‬‫ا‬‫الريااااا‬ ‫ا‬‫ا‬‫العنفااااا‬ ‫ا‬‫ا‬‫العموديااااا‬ ‫الك‬ ‫ا‬‫ا‬‫المولااااا‬ ‫ا‬‫ا‬‫هربااااا‬ ‫ب‬ ‫ام‬ ‫ا‬‫ا‬‫المتااااا‬ ‫ئي‬ ‫ط‬ ‫ا‬‫ا‬‫مغنااااا‬ ‫يس‬ ‫دائم‬ ‫ط‬ ‫الق‬ ‫ل‬ ‫المع‬ ‫ع‬ ‫وب‬ ‫المتن‬ ‫سيمولنك‬ .
  • 5. SYMBOLES ET ABREVIATIONS VAWT Turbine éolienne à axe vertical HAWT Turbine éolienne à axe horizontal MSAP Machine synchrone à aimant permanent GSAP Génératrice synchrone a aimant permanent RFPM La machine synchrone à flux radia AFPM La machine à aimants discoïdes à champ axial FMM La force magnétomotrice FEM La force électromotrice (𝑑, 𝑞) Indice du repère de Park lié au rotor 𝐿𝑠𝑞 Inductance statorique quadratique 𝐿𝑠𝑑 Inductance statorique direct 𝑖𝑑 Courant statoriques sur l’axe direct 𝑖𝑞 Courant statoriques sur l’axe quadratique 𝑅𝑐ℎ , 𝐿𝑐ℎ Les paramètres de la charge 𝑣(𝑎,𝑏,𝑐) Les tensions des phases statoriques 𝐶𝑒𝑚 Le couple électromagnétique développé par le générateur 𝑃𝑒 La puissance électromagnétique 𝑉𝑉 La vitesse de vent (m/s) 𝑉 𝑚𝑜𝑦 La valeur moyenne de la vitesse du vent 𝑎𝑘 Amplitude de l'harmonique de l'ordre k 𝑤𝑘 Pulsation de l'harmonique de l'ordre k 𝐴 La surface balayée par la turbine (m²) 𝜌 La masse volumique de l’air 𝑃𝑇 La puissance mécanique fournit par la turbine 𝐶é𝑜𝑙 Le couple mécanique de la turbine 𝐶𝑝 Le coefficient de puissance 𝜆 La vitesse spécifique 𝜔 La vitesse angulaire de rotation des pales (rad/s) 𝑅 Le rayon de la voilure 𝐻 La hauteur de la turbine savonius
  • 6. 𝑓 𝑚 Le coefficient de frottement de la machine 𝑓𝑡 Le coefficient de frottement de la turbine 𝐽𝑚 L’inertie de la machine 𝐽𝑡 L’inertie de la turbine AC Courant alternatif DC Courant continue D Diode 𝑈𝑟𝑒𝑑 La tension de la sortie du redresseur 𝐸 La tension à l’entrée de l’hacheur 𝑉 𝑠 La tension de la sortie d’hacheur 𝑉 𝑟 La tension référence dans la commande de l’hacheur 𝑅 Résistance 𝐿 Inductance 𝐶 Capacité IGBT Transistor bipolaire a grille isolée K Interrupteur T Thyristor MLI Modulation de largeur d’impulsions PI Proportionnel Intégrale
  • 7. LISTE DES FIGURES ET TABLES Chapitre I Figure I. 1 Demande énergétique mondiale depuis 1970 et estimation jusqu'en 2030 (Sur la base des données de l’Agence internationale de l'énergie (AIE), Perspectives énergétiques mondiales 2004, OCDE, Paris, France, 2004) ................................................... 15 Figure I. 2 Évolution annuelle (2000-2014) de la capacité de production d'énergie renouvelable installée dans le monde sur la base des données disponibles dans « IRENA STATISTICS » Figure I. 3 Systèmes d'énergie solaire concentrée (CSP) : (a) système de production d'énergie électrique, (b) central tour solaire en tant que récepteur pour générer de la chaleur, et (c) la lumière du soleil concentrée par une structure de ligne de creux parabolique, où la chaleur peut également être utilisée pour alimenter des réactions thermochimiques en fonction du type de fluide....................................................................... 17 Figure I. 4 Les applications de l’énergie de la biomasse ....................................................... 18 Figure I. 5 Systeme de production d’energie electrique par l’energie solaire .................. 19 Figure I. 6 Système de conversion d'énergie éolienne activé par l'électronique de puissance, où le générateur peut être générateurs synchrones à induction, à aimants permanents ou à champ bobiné. .................................................................................................. 20 Figure I. 7 évolution de la taille des éoliennes et de l'impact de l'électronique de puissance au cours des 35 dernières années (le cercle intérieur indique la couverture de puissance par les convertisseurs d'électronique de puissance)............................................................... 21 Figure I. 8 Éoliennes à axe horizontal (a) et à axe vertical (b) ............................................. 22 Figure I. 9 Mécanisme d’interférence éoliennes avec les systèmes .................................... 25 Figure I. 10 Système éolien basé sur la machine asynchrone à cage (vitesse de rotation fixe) (Müller et al, 2000)................................................................................................................. 26 Figure I. 11 Système éolien basé sur la machine asynchrone double alimentation- régulation de la vitesse de rotation par chaîne rotor alimentation (Bauer et al, 2000).. 27 Figure I. 12 Système basé sur la machine synchrone et redresseur à diodes................... 27 Figure I. 13 Système éolien basé sur la machine synchrone à aimants permanents (Bauer et al, 2000)......................................................................................................................................... 28
  • 8. Chapitre II Figure II. 1 Evolution de la densité d’énergie (BH)max des aimants permanents ......... 32 Figure II. 2 Différentes structures rotoriques pour une MSAP ........................................... 34 Figure II. 3 Schémas de bobinage............................................................................................... 34 Figure II. 4 Vue d’une machine à flux axial (différentes configurations).......................... 35 Figure II. 5 Représentation de la MSAP dans le repère (d, q) de Park............................... 38 Figure II. 6 Passage de Repère naturel du stator au repère (d, q) de Park....................... 39 Figure II. 7 Schéma bloc de simulation de la GSAP a vide .................................................... 41 Chapitre III Figure III. 1 schéma bloc du modèle du vent sous Simulink ..................................................... 46 Figure III. 2 Le profil du vent ............................................................................................................46 Figure III. 3 Profil de vitesse et de pression d’air le long de tube de mesure.....................47 Figure III. 4 Le coefficient de puissance........................................................................................49 Figure III. 5 Une éolienne savonius avec les forces de traînée ...............................................50 Figure III. 6 Le schéma bloc du couple éolien..............................................................................51 Figure III. 7 Le couplage électromécanique entre la turbine et le générateur ..................51 Figure III. 8 Le modèle Simulink de la turbine savonius ..........................................................52 Figure III. 9 La vitesse angulaire de laturbine.............................................................................52 Figure III. 10 le couple éollien fournit par la turbine ................................................................53 Figure III. 11 Les tensions de la sorttie de génerateur .............................................................53 Figure III. 12 Le couple electromagnetique de la generatrice ................................................54 Chapitre IV Figure IV. 1 Représentation du redresseur triphasé double alternance............................ 57 Figure IV. 2 Représentation d’un filtre passe bas.................................................................... 58 Figure IV. 3 Schéma bloc du redresseur et du filtre................................................................ 58 Figure IV. 4 Fonctionnement d’un hacheur dévolteur .......................................................... 60 Figure IV. 5 hacheur dévolteur................................................................................................... 60 Figure IV. 6 Fonctionnement d’un hacheur survolteur......................................................... 61
  • 9. Figure IV. 7 Hacheur reéversible en courant ........................................................................... 62 Figure IV. 8 Hacheur en pont ....................................................................................................... 62 Figure IV. 9 Hacheur dévolteur ................................................................................................... 63 Figure IV. 10 phase de charge..................................................................................................... 63 Figure IV. 11 phase de décharge................................................................................................. 64 Figure IV. 12 e schéma bloc sous MATLAB/Simulink de l’hacheur dévolteur ................. 65 Figure IV. 13 Le courant dans la bobine.................................................................................... 66 Figure IV. 14 Le courant dans le condensateur ....................................................................... 68 Figure IV. 15 Schéma de contrôle en courant et de tension ................................................. 69 Figure IV. 16 Mode de contrôle en tension (a) Convertisseur plus régulateurs (b) Schéma fonctionnel......................................................................................................................................... 72 Figure IV. 17 Mode de contrôle en courant (a) Convertisseur plus régulateurs (b) Schéma fonctionnel......................................................................................................................................... 73 Figure IV. 18 schema bloc de l’hacheur et sa commande...................................................... 74 Figure IV. 19 la tension redressée.............................................................................................. 75 Figure IV. 20 la tension redressée filtrée.................................................................................. 75 Figure IV. 21 La tension de la sortie d’hacheur ....................................................................... 76 Figure IV. 22 Le courant dans la bobine.................................................................................... 76 Tableau IV. 1 Fonctonnement d’un redresseur triphasé double alternance.................... 57 Tableau IV. 2 Valeurs calculées de L et c du filtrage............................................................... 68 Tableau IV. 3 Paramètres des correcteur PI ............................................................................ 74 Annexes Figure A. 1 d’un anticyclone vers UNE DEPRESSION ............................................................ 85 Figure A. 2 le Vent géostrophique............................................................................................... 86 Figure A. 3 (a) La variation de Cp avec le TSR(λ) pour deux et trois pales, (b) Variation de Cp avec la vitesse du vent pour différents rapports d’aspect(α) .......................................... 88 Figure A. 4 Le modele complet du systeme sous simulink.................................................... 91 Figure A. 5 l’interface de pid tuner............................................................................................. 93
  • 10. SOMMAIRE Dédicaces Résumé Symboles et abréviations Liste des figures Sommaire Introduction générale.................................................................................................................. 12 Chapitre I Généralités sur l’énergie renouvelable ..................................................... 14 I.1 Introduction 14 I.2 Notions et principes sur l’énergie renouvelables 14 I.3 Génération de l’énergie électrique 16 I.4 Définition de l’énergie éolienne 20 I.5 Historique et croissance de l’exploitation de l’énergie électrique 20 I.6 Les différents types des turbines éoliennes 22 I.7 Principales composantes d’une éolienne horizontale : 22 I.8 Avantages et inconvénients de l’énergie éolienne 24 I.9 Types des machines électriques dans les systèmes éoliens 25 I.10 Statistique de production de l’éolienne 28 I.11 conclusion 29 Chapitre II Présentation de la machine synchrone à aimant permanent............ 31 II.1 Introduction 31 II.2 Généralités sur les machines synchrones a aimants permanents 31 II.3 Constitution des machines synchrones a aimants permanents 32 II.4 Principe de fonctionnement de la msap 35 II.5 Avantages et inconvénients 36 II.6 Domain d’application 36 II.7 Modélisation de la génératrice synchrone à aimants permanents 37 II.8 Conclusion 42 Chapitre III modélisation et simulation de l’aérogénérateur ................................... 44 III.1 Introduction 44
  • 11. III.2 Modélisation du vent 44 III.3 Modélisation de la turbine 47 III.4 Les résultats de la simulation d’aérogénérateur 52 III.5 Conclusion 54 Chapitre IV Modélisation et commande de la chaine de conversion électrique. 56 IV.1 Introduction 56 IV.2 Modélisation de redresseur triphasé double alternance à pont diodes 56 IV.3 Généralités sur les hacheurs 59 IV.4 Modèle mathématique de convertisseur DC/DC 63 IV.5 Dimensionnement du processus de filtrage du convertisseur série 66 IV.6 La commande et la régulation de l’hacheur dévolteur 68 IV.7 Les résultats de la simulation 74 IV.8 Conclusion 77 Conclusion générale ..................................................................................................................... 78 Bibliographie
  • 12. 12 INTRODUCTION GENERALE L’énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais elle peut être transformée d’une forme à une autre. Il y en a deux types de sources d’énergie disponibles, qui peuvent être utilisés pour produire de l’électricité. Il y a les sources d’énergie renouvelables et les sources non renouvelables. Les ressources énergétiques non renouvelables sont le charbon, le nucléaire, le pétrole et les gaz naturels. Les sources d’énergie renouvelables sont la lumière du soleil, le vent, la pluie, les marées, les vagues et la chaleur géothermique. Et ces sources sont naturellement réapprovisionnées sur une échelle de temps humaine. Ce type de ressource est très souhaitable à utiliser, parce que souvent une ressource se renouvelle si vite qu’elle se régénère au moment où on l’utilise. Notre étude qui porte sur l’une des énergies renouvelables en développement à ce moment qui est l’énergie éolienne. Nous nous allons intéresser au processus de la conversion d’énergie cinétique a une énergie électrique et les performances d’un système éolienne puis l’étude et la commande des différents convertisseurs électriques utilisées dans l’exploitation de ce type d’énergie [1] . « L’ARBRE À VENT » ou bien « THE WIND TREE » est un système de production d’électricité en forme d’arbre dont chaque feuille est une mini éolienne. Il peut exploiter tous les types de vent sur 360˚, qu’ils soient turbulents ou laminaires, en milieu urbain aussi bien qu’en milieu naturel. Chaque feuille appelée « AEROLEAF » contient un macro- générateur synchrone à aimants permanents, ces Aéroleaf ont un fonctionnement parfaitement silencieux grâce au faible rayon de leur pâle (peu d’air brassé) et à l’absence d’engrenage (aucun bruit mécanique). Cet aérogénérateur est suivi par une chaine de conversion électrique composé d’un redresseur triphasé a pont de diodes, un hacheur dévolteur pour abaisser la tension pour des raisons de sécurité, et des filtres pour l’amélioration des signaux de sortie. L'objectif de ce mémoire de fin d’étude est de présenter le modèle global du système de production d’énergie électrique selon le concept de « L’ARBRE À VENT ». Ce modèle permet de comprendre le fonctionnement de ce système de production d’électricité et la régulation de la chaine de conversion électrique pour obtenir une sortie constante. Le modèle sera développé par le logiciel MATLAB/Simulink.
  • 13. 13
  • 14. 14 Chapitre I GENERALITES SUR L’ENERGIE RENOUVELABLE I.1 INTRODUCTION L’approvisionnement énergétique durable reste une exigence essentielle de la société moderne pour répondre à la demande accrue d’énergie causée par la consommation plus importante, en particulier en raison de la croissance démographique. Depuis longtemps, la production d’énergie électrique est basée sur les énergies fossiles. Malheureusement, non seulement l’offre de pétrole, de charbon et de gaz naturel est limitée, mais il existe aussi d’importantes préoccupations en matièrede pollution et d’environnement associées à l’utilisation des sources d’énergie traditionnelles et les solutions de rechange sont importantes. L’énergie éolienne est parmi les sources d’énergie renouvelables les plus utilisée dans le monde et le développement dans la technologie de conversion de cette énergie est toujours continu. Dans ce chapitre, nous allons présenter quelques notions générales sur les énergies durables et précisément sur l’énergie éolienne. I.2 NOTIONS ET PRINCIPES SUR L’ENERGIE RENOUVELABLES On entend par énergie renouvelable, des énergies issues du soleil, du vent, de la chaleur de la terre, de l’eau ou encore de la biomasse. A la différence des énergies fossiles, les Energies renouvelables sont des énergies à ressource illimitée. Les énergies renouvelables telles que l'énergie éolienne, l'énergie solaire, l’énergie biomasse et l’énergie hydroélectrique, sont des solutions prometteuses pour concurrencer les sources d’énergies de masse telle que l’énergie fossile et nucléaire. [1] La plupart des technologies renouvelables dépendent de conditions météorologiques, et ils sont difficiles en ce qui concerne l'intégration dans le système de réseau. Ces problèmes doivent être entièrement résolus - comment créer un système électrique capable de faire face à une forte pénétration des énergies renouvelables, ce qui implique également le développement de systèmes de réseaux intelligents. Telles systèmes peuvent inclure des micro-réseaux et des installations de stockage d'énergie, et, dans de nombreux cas, ils combineront le système d'alimentation électrique avec d'autres vecteurs énergétiques
  • 15. Chapitre I tels que le chauffage/refroidissement et le gaz, ainsi que d'examiner comment utiliser le transport comme ressource. [2] FIGURE I.1 2030 JUSQU'EN ESTIMATION ET 1970 DEPUIS MONDIALE ENERGETIQUE DEMANDE . FIGURE 2 I. ÉVOLUTION INSTALLEE RENOUVELABLE D'ENERGIE PRODUCTION DE CAPACITE LA DE (2000-2014) ANNUELLE
  • 16. Chapitre I 16 FIGURE I.1 montre la demande mondiale d'énergie au cours des dernières décennies ainsi que l'énergie estimée demande jusqu'en 2030. Comme on peut le constater, en raison de l'augmentation continue du produit intérieur brut, la demande énergétique globale devrait augmenter de plus de 50 % d'ici 2030. Pour y parvenir objectif principal, les énergies renouvelables joueront un rôle important dans la production d'énergie future (hydraulique, renouvelable et biomasse, etc. et ). annuelle l'évolution montre I.2 FIGURE la I.3 GENERATION DE L’ENERGIE ELECTRIQUE Les énergies renouvelables peuvent permettent de produire soit de la chaleur seule : eau chaude pour le chauffage ou la production d'eau chaude sanitaire (géothermie, bois énergie, solaire, biogaz utilisé en chaudière), soit de l'électricité seule (éolien, biogaz utilisé dans des moteurs, solaire photovoltaïque, hydroélectricité, ..) soit en cogénération (biogaz dans des moteurs avec récupération de chaleur sur le circuit de refroidissement, turbines à vapeur à partir de bois, géothermie, ..). [3] I.3.1 Génération de la chaleur : La grande partie de l’énergie électrique qui existe aujourd’hui est à la base de chaleur soit les sources conventionnelles ou bien sources renouvelables, Une description quelques sources renouvelables sont proposées ci-dessous. a. Thermo solaire : L'énergie solaire thermique est une énergie renouvelable qui a pour principe de convertir en chaleur le flux solaire par le biais de capteurs solaires thermique. Cette énergie peut être utilisée pour le chauffage, mais également pour produit l'électricité. L'énergie solaire thermique est également utilisée dans des installations solaires thermodynamiques, fours solaires, ou cheminées solaires. La technologie thermo solaire plus évoluée utilisant des concentrateurs optiques (jeu de miroirs) permet d’obtenir les températures très élevées du fluide chauffé. Une turbine permet alors de transformer cette énergie en électricité à l’échelle industrielle. Cette technologie est néanmoins très peu utilisée et demande un ensoleillement direct et permanent.
  • 17. Chapitre I 17 a La géothermie La géothermie utilise la chaleur des aquifères du sous-sol, voire des roches sèches, captée à plus ou moins grande profondeur, pour alimenter des quartiers urbains, des bâtiments ou des usines, ou encore produire de l’électricité via des centrales. Certains pays dont les conditions géologiques sont favorables l’utilisent de façon massive, comme l’Islande ou les Philippines, deux pays volcaniques. La chaleur d’autres sources peut aussi être captée et utilisée dans des réseaux ou des processus industriels. FIGURE I. 3 SYSTEMES D'ENERGIE SOLAIRE CONCENTREE (CSP) : (A) SYSTEME DE PRODUCTION D'ENERGIE ELECTRIQUE, (B) CENTRAL TOUR SOLAIRE EN TANT QUE RECEPTEUR POUR GENERER DE LA CHALEUR, ET (C) LA LUMIERE DU SOLEIL CONCENTREE PAR UNE STRUCTURE DE LIGNE DE CREUX PARABOLIQUE, OU LA CHALEUR PEUT EGALEMENT ETRE UTILISEE POUR ALIMENTER DES REACTIONS THERMOCHIMIQUES EN FONCTION DU TYPE DE FLUIDE
  • 18. Chapitre I 18 b La biomasse La biomasse est constituée de toutes les matières organiques d'origine végétale (microalgues incluses), animale, bactérienne ou fongique (champignons). Le bois a pendant des siècles constitués, via sa combustion, la principale source d’énergie avant d’être détrôné par le charbon puis le pétrole et le gaz. Mais il y a d’autres formes d’utilisation de la biomasse. La méthanisation produit du biogaz à partir de nos déchets ménagers ou agricoles. Le raffinage de la biomasse végétale permet la production de biocarburants. [4] I.3.2 Génération d’électricité : Dans ce cas l’énergie produite est directement sous la forme électrique. A l’aide des panneaux solaires ou de génératrices hydrauliques et éoliennes, Une description quelques sources renouvelables sont proposées ci-dessous. FIGURE I. 4 LES APPLICATIONS DE L’ENERGIE DE LA BIOMASSE
  • 19. Chapitre I 19 a Hydraulique : L'énergie produite par l’eau est déjà utilisée depuis de nombreuses années. L’eau est en effet 800 fois plus dense que l'air, ce qui implique que même un ruisseau qui coule lentement peut produire une quantité considérable d'énergie. L’énergie hydraulique servir à produire de l’électricité par plusieurs méthodes par exemple Les centrales hydroélectriques qui utilisent l’énergie produite par une chute d’eau (barrages hydroélectriques), L’énergie des marées est utilisée dans les centrales marémotrices Ou Les hydroliennes sont placées sous l’eau et utilisent la force des courants marins. L’hydroélectricité ne produit pratiquement pas de dioxyde de carbone ou d'autres émissions nocives, contrairement à la combustion de combustibles fossiles. L'hydroélectricité peut être beaucoup moins coûteuse que l'électricité produite à partir de combustibles fossiles et l'énergie nucléaire. [5] b Photovoltaïque : Les cellules photovoltaïques, ou cellules solaires, sont des dispositifs semi-conducteurs qui convertissent l'énergie solaire directement en courant continu énergie. Dans les années 1950, les cellules PV étaient initialement utilisées pour des applications spatiales pour alimenter des satellites, mais dans les années 1970, ils ont également commencé à être utilisés pour des applications terrestres. Aujourd'hui, les cellules photovoltaïques sont utilisées pour fournir de l'énergie dans une grande variété d'applications, y compris les systèmes connectés au réseau (par exemple, l'échelle des services publics et résidentiel), les bâtiments éloignés, les équipements extérieurs liés à la circulation et les satellites. [2] c L’Eolien : L'énergie éolienne est une énergie mécanique obtenue par les déplacements de masse d'air à l'intérieur de l'atmosphère (le vent), puis est utilisée soit directement, soit FIGURE I. 5 SYSTEME DE PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUE PAR L’ENERGIE SOLAIRE
  • 20. Chapitre I 20 transformée en énergie électrique. Les moulins à vent célèbres aux Pays-Bas utilisaient déjà cette énergie pour moudre le grain. Cela fait maintenant une trentaine d’années que l’éolien génère de l’électricité grâce à la force du vent. Il existe des éoliennes on-shore, implantées à l’intérieur des terres, par opposition aux éoliennes off-shore, qui sont installées en mer. [5] I.4 DEFINITION DE L’ENERGIE EOLIENNE La ressource éolienne provient du déplacement des masses d’air qui est dû indirectement à l’ensoleillement de la Terre. Par le réchauffement de certaines zones de la planète et le refroidissement d’autres, une différence de pression est créée et les masses d’air sont en perpétuel déplacement. Après avoir pendant longtemps oublié cette énergie pourtant exploitée dès l’antiquité. [6] Cela fait maintenant une trentaine d’années que l’éolien génère de l’électricité grâce à la force du vent. Il existe des éoliennes on-shore, implantées à l’intérieur des terres, par opposition aux éoliennes off-shore, qui sont installées en mer. Les détracteurs de l’énergie éolienne évoquent les coûts d’investissement importants de cette énergie (de l’ordre de 1,5 million d’euros par MW installé) et le fait que ces géants d’acier doivent s’intégrer dans l’environnement, avec les nuisances sonores et visuelles dont se plaignent certains. Il s’agit également d’une source d’énergie intermittente, puisque dépendante de la force du vent, ce qui implique qu’elle soit intégrée dans un mix énergétique diversifié qui puisse suppléer la production d’électricité quand le vent souffle faiblement. [7] I.5 HISTORIQUE ET CROISSANCE DE L’EXPLOITATION DE L’ENERGIE ELECTRIQUE L’exploitation de l’énergie éolienne pour produire de l’électricité a eu des hauts et des bas. Les causes de ces fluctuations sont diverses : guerres, crises d’autres types d’énergie, volonté de préserver l’environnement, évolution de la technologie, changement de FIGURE I. 6 SYSTEME DE CONVERSION D'ENERGIE EOLIENNE ACTIVE PAR L'ELECTRONIQUE DE PUISSANCE, OU LE GENERATEUR PEUT ETRE GENERATEURS SYNCHRONES A INDUCTION, A AIMANTS PERMANENTS OU A CHAMP BOBINE.
  • 21. Chapitre I 21 politique énergétique etc. A la suite de la fabrication du premier aérogénérateur, les ingénieurs danois améliorèrent cette technologie durant la 1ère et 2ème guerre mondiale pour faire face à la pénurie d’énergie électrique. Malgré certains succès technologiques obtenus à cette époque, l’intérêt pour l’exploitation de l’énergie éolienne à grande échelle déclina à la fin de la 2ème guerre mondiale. C’est avec la crise pétrolière des années 70 que cet intérêt ressurgit. Les gouvernements occidentaux commencèrent à investir de l’argent pour notamment améliorer la technologie des aérogénérateurs, ce qui donna naissance aux aérogénérateurs modernes. Le premier marché véritablement significatif fut celui de la Californie, entre 1980 et 1986, où l’industrie de l’énergie éolienne put se développer. Ensuite les aides financières diminuèrent aux USA mais augmentèrent en Europe, ce qui permit un développement important de cette industrie dans des pays tels que l’Allemagne et le Danemark. Le marché mondial passa de 200 MW/an en 1990 à 5500 MW/an en 2001. Nous avons ainsi pu observer une évolution significative de la production électrique d’origine éolienne entre 1999 et 2003. Au cours de cette période, la production a doublé s’élevant à 40000 MW. Il est espéré qu’en 2020 la production électrique provenant de l’éolien atteigne 12% de la production mondiale d’électricité. [8] FIGURE I. 7 EVOLUTION DE LA TAILLE DES EOLIENNES ET DE L'IMPACT DE L'ELECTRONIQUE DE PUISSANCE AU COURS DES 35 DERNIERES ANNEES (LE CERCLE INTERIEUR INDIQUE LA COUVERTURE DE PUISSANCE PAR LES CONVERTISSEURS D'ELECTRONIQUE DE PUISSANCE)
  • 22. Chapitre I 22 I.6 LES DIFFERENTS TYPES DES TURBINES EOLIENNES Il existe deux types d’éolienne, les HAWTs et les VAWTs. Ces deux configurations d’éoliennes sont montrées à IGURE F la ci I.8 -dessous. La plupart des fermes éoliennes onshore et offshore sont équipées des HAWTs bi et tripales. Les HAWTs sont des éoliennes rapides et très performantes. Par contre, les VAWTs sont moins rapides, mais présentent une bonne stabilité en condition de vent complexe. Les VAWTs sont lentes, mais ils développent un important couple de démarrage. Le critère de choix d’un aérogénérateur repose avant tout sur sa capacité à extraire un maximum d’énergie du vent. Dans le commerce, on peut trouver une large gamme de VAWT selon le besoin énergétique. Les quatre gammes d’éoliennes de faibles puissances sont : – Le micro éolien qui va de 20 à 300 W, – Le mini éolien qui va de 300 à 1000 W, – La petite éolienne qui va de 1 à 30 kW, – L’éolienne de moyenne puissance qui va 30 à 300 kW. I.7 PRINCIPALES COMPOSANTES D’UNE EOLIENNE HORIZONTALE : Il existe plusieurs configurations possibles d'aérogénérateurs qui peuvent avoir des différences importantes. Néanmoins, une éolienne "classique" est généralement constituée de trois éléments principaux : FIGURE I. 8 ÉOLIENNES A AXE HORIZONTAL (A) ET A AXE VERTICAL (B)
  • 23. Chapitre I 23 a Le mât Généralement un tube d'acier, ou éventuellement un treillis métallique, doit être le plus haut possible pour éviter les perturbations près du sol. Toutefois, la quantité de matière mise en œuvre représente un coût non négligeable et le poids doit être limité. Un compromis consiste généralement à prendre un mât de taille très légèrement supérieure au diamètre du rotor de l'aérogénérateur (exemple : éolienne NORDEX N90 2,3 MW : diamètre de 90m, mât de 80 m de hauteur). b La nacelle La nacelle, regroupe tous les éléments mécaniques permettant de coupler le rotor éolien au générateur électrique : arbres lent et rapide, roulements, multiplicateur. Le frein à disque, frein aérodynamique, qui permet d'arrêter le système en cas de surcharge. Le générateur qui est généralement une machine synchrone ou asynchrone et les systèmes hydrauliques ou électriques d'orientation des pales (frein aérodynamique) et de la nacelle (nécessaire pour garder la surface balayée par l'aérogénérateur perpendiculaire à la direction du vent). A cela viennent s'ajouter le système de refroidissement par air ou par eau, un anémomètre et le système électronique de gestion de l'éolienne. c Le rotor Le rotor, formé par les pales assemblées avec leur moyeu. Pour les éoliennes destinées à la production d'électricité, le nombre de pales varie classiquement de 1 à 3, le rotor tripale (concept danois) étant de loin le plus répandu car il représente un bon compromis entre le coût, le comportement vibratoire, la pollution visuelle et le bruit. Les rotors à vitesse fixe sont souvent munis d'un système d'orientation de la pale permettant à la génératrice (généralement une machine asynchrone à cage d'écureuil) de fonctionner au voisinage du synchronisme et d'être connectée directement au réseau sans dispositif d'électronique de puissance. Les rotors à vitesse variable sont souvent moins coûteux car le dispositif d'orientation des pales est simplifié voire supprimer (La société Jeumont Industrie utilise un rotor à pas fixe). Toutefois, une interface d'électronique de puissance entre le générateur et le réseau ou la charge est nécessaire. Les pales se caractérisent principalement par leur géométrie dont dépendront les performances aérodynamiques et les matériaux dont elles sont constituées (actuellement, les matériaux composites telle la fibre de verre et plus récemment la fibre de carbone sont très utilisés car ils allient légèreté et bonne résistance mécanique). [9]
  • 24. Chapitre I 24 I.8 AVANTAGES ET INCONVENIENTS DE L’ENERGIE EOLIENNE I.8.1 Les avantages : • L’énergie éolienne est une énergie renouvelable, c’est-à-dire que contrairement aux énergies fossiles, Les générations futures pourront toujours en bénéficier. • L’exploitation de l’énergie éolienne n’est pas un procédé continu puisque les éoliennes en fonctionnement peuvent facilement être arrêtées. • L’énergie éolienne est une énergie propre puisque les éoliennes ne créent pas de déchets toxiques ou radioactif. • Les parcs éoliens se démontent très facilement et ne laissent pas de trace. L’énergie éolienne possède d’autre part des atouts économiques certains. • C’est une source d’énergie locale qui répond aux besoins locaux en énergie. Ainsi les pertes en lignes dues aux longs transports d’énergie sont minimes. • La production éolienne d'électricité suit notre consommation d’énergie : le vent souffle plus souvent en hiver, cette saison étant celle où la demande d'électricité est la plus forte. I.8.2 Les inconvénients : • La nature stochastique du vent a une influence sur la qualité de la puissance électrique produite, ce qui représente une contrainte pour le raccordement au réseau. • Le cout de l’énergie éolienne reste plus élevé par rapport aux autres sources d’énergie classiques surtout sur les sites moins ventés. • L’éolienne a des effets sur le paysage (au niveau de l’esthétique). • L’entretient d’une éolienne est très coûteux, surtout si elle est en pleine mer (off-shore) • Les éoliennes produisent des interférences électromagnétiques. • Le bruit : la source essentielle du bruit dans les éoliennes est le multiplicateur, ce dernier commence à disparaitre après l’apparition des éoliennes à attaque directe. [3] [10]
  • 25. Chapitre I 25 I.9 TYPES DES MACHINES ELECTRIQUES DANS LES SYSTEMES EOLIENS Nombreuses sont les machines électriques qui peuvent être utilisées comme générateur pour une éolienne. On peut citer les machines asynchrones, les génératrices synchrones et les moteurs à courant continu. Dans l’industrie éolienne, les génératrices synchrones et asynchrones sont les plus utilisées. Il existe des génératrices synchrones à pôles lisse et à pôle saillant. I.9.1 Les génératrices asynchrones à cage : C’est dans les grandes puissances (au-delà de 100 kW) que l’on rencontre des systèmes reliés au réseau et produisant “au fil du vent”. Au départ, le faible coût et la standardisation des machines asynchrones a conduit à une très large domination des génératrices asynchrones à cage directement couplées au réseau (sans interface électronique de puissance) jusqu’à des puissances dépassant le mégawatt. Les machines asynchrones à cage ne nécessitent qu’une installation assez sommaire. Elles sont souvent associées à une batterie de condensateurs de compensation de la puissance réactive, et à un démarreur automatique progressif à gradateur ou à résistances permettant de limiter le régime transitoire d’appel de courant au moment de la connexion au réseau. Dans le cas FIGURE I. 9 MECANISME D’INTERFERENCE EOLIENNES AVEC LES SYSTEMES
  • 26. Chapitre I 26 des aérogénérateurs de dimensions importantes (puissance, rayon des pales), la vitesse de rotation est peu élevée, ce que nécessite d’insérer un multiplicateur mécanique de vitesse comme la montre la FIGURE I.10. [11] I.9.2 Les génératrices asynchrones à double alimentation (MADA) : La machine asynchrone à rotor bobiné à double alimentation présente un atout considérable. Son principe est issu de celui de la cascade hyposynchrone : le stator (ou le rotor) est connecté à tension et fréquence fixes au réseau alors que le rotor (ou le stator) est relié au réseau à travers un convertisseur de fréquence (plus ou moins élaboré). Si la variation de vitesse requise reste réduite autour de la vitesse de synchronisme, le dimensionnement du convertisseur de fréquence (électronique de puissance) peut être réduit. Ces machines sont un peu plus complexes que des machines asynchrones à cage avec lesquelles elles ont en commun de nécessiter un multiplicateur de vitesse. Leur robustesse est légèrement diminuée par la présence de système à bagues et balais, mais le bénéfice du fonctionnement à vitesse variable est un avantage suffisant pour que de très nombreux fabricants (Vestas, Gamesa…) utilisent ce type de machine. Une des solutions très intéressantes et permettant d’obtenir une variation de la vitesse de rotation d’environ 30% autour de la vitesse de synchronisme consiste à coupler le rotor de la génératrice à double alimentation au rotor à travers deux onduleurs MLI triphasés, l’un en mode redresseur, l’autre en onduleur réseau . En général, le dimensionnement de la chaîne rotorique se limite à 25% de la puissance nominale du stator de la machine électrique, ce qui suffit à assurer une variation de 30% de la plage de vitesse. Ceci constitue le principal avantage de cette structure. Par contre son inconvénient majeur est lié aux interactions avec le réseau, en particulier les surintensités engendrées par des creux de tension du réseau. [11] FIGURE I. 10 SYSTEME EOLIEN BASE SUR LA MACHINE ASYNCHRONE A CAGE (VITESSE DE ROTATION FIXE) (MÜLLER ET AL, 2000)
  • 27. Chapitre I 27 I.9.3 Les génératrices synchrones : Les génératrices synchrones diffèrent des génératrices asynchrones, car elles tournent à la vitesse de synchronisme. Les machines asynchrones tournent légèrement en dessous de sa vitesse nominale. Les génératrices synchrones sont compliquées à fabriquer et plus cher sur le marché, comparé aux génératrices asynchrones. Ces génératrices peuvent être à pôle lisse et à pôle saillant. La machine à pôle saillant est surtout utilisée pour des applications qui nécessitent une faible vitesse de rotation. Les génératrices à pôle lisse sont utilisées pour des vitesses importantes. Les génératrices à pôle saillant trouvent leurs applications dans les turbines hydrauliques. [7] I.9.4 Les génératrices synchrones à aimant permanent : La machine synchrone à aimant permanent offre la possibilité de couplage direct entre le rotor de l’éolienne et la MSAP sans réducteur de vitesse. Cette technologie résout les problèmes des éoliennes fonctionnant à faible vitesse. Dans cette catégorie, on peut citer les VAWTs. La différence entre la machine synchrone classique et la machine synchrone à aimant permanent c’est le remplacement de l’inducteur de la machine synchrone par un aimant permanent. Le choix préférentiel de cette machine parmi tant d’autres vient au fait FIGURE I. 11 SYSTEME EOLIEN BASE SUR LA MACHINE ASYNCHRONE DOUBLE ALIMENTATION- REGULATION DE LA VITESSE DE ROTATION PAR CHAINE ROTOR ALIMENTATION (BAUER ET AL, 2000) FIGURE I. 12 SYSTEME BASE SUR LA MACHINE SYNCHRONE ET REDRESSEUR A DIODES
  • 28. Chapitre I 28 qu’elle est fabriquée avec une large gamme de vitesse. La gamme de vitesse avec un nombre de pair de pôle élevée donne une vitesse de rotation lente. [7] I.10 STATISTIQUE DE PRODUCTION DE L’EOLIENNE I.10.1 Production de l’éolienne dans le monde : L’expansion de l'énergie éolienne a presque doublé en 2020 par rapport à 2019 (111 GW contre 58). La Chine s'est dotée de 72 GW de capacités nouvelles et les États Unis d'Amérique de 14 GW. Dix autres pays ont augmenté leur capacité de production d'énergie de source éolienne de plus de 1 GW en 2020. L'éolien offshore s'est développé pour atteindre environ 5 % de la capacité éolienne totale en 2020. [12] I.10.2 L'éolienne en Algérie : En Algérie, la première tentative de raccorder les éoliennes au réseau de distribution d'énergie électrique date de 1957, avec l'installation d'un aérogénérateur de 100 kW sur le site de Grand Vent (Alger). Conçue par l'ingénieur français ANDREAU, ce prototype avait été installé initialement à St-ALBAN en Angleterre. Par la suite, de nombreux autres aérogénérateurs, de plus petites puissances, ont été installés en différentes locations, notamment pour l’alimentation de localités isolées ou d’accès difficiles telles que les installations de relais de télécommunications. Cependant, la technologie des éoliennes n’étant pas encore mature. Le ministère de l’énergie et des mines a projeté, dans son nouveau programme des Energies Renouvelables, d’installer d’autres parcs éoliens d’une puissance totale de 1000 MW à moyen terme (2015-2020) pour atteindre 5010 MW à l’horizon 2030. A noter que ce nouveau programme vise aussi bien les installations connectées au réseau électrique que le petit éolien, i.e. les petites éoliennes destinées au pompage de l’eau ou à l’alimentation en électricité des localités isolées, à l’instar des développements dans le FIGURE I. 13 SYSTEME EOLIEN BASE SUR LA MACHINE SYNCHRONE A AIMANTS PERMANENTS (BAUER ET AL, 2000)
  • 29. Chapitre I 29 monde où les installations de petites éoliennes ont augmenté ces dernières années. En effet, fin 2012, celles-ci ont atteint le nombre de 806 000, ce qui représente environ 35% de l’ensemble des éoliennes installées. Les petites éoliennes actuelles sont pour la plupart des machines à axe horizontal à 3 pales, équipées d’alternateurs à aimants permanents et d’un dispositif d’orientation passif. Mais on trouve également des aérogénérateurs à axe vertical (2 à 5% des petites éoliennes installées). La ferme éolienne de Kaberten (Adrar) : Une puissance totale installée de 10.2 MW, la ferme pilote de Kaberten affichait, en octobre 2015, les performances suivantes : Production énergétique : 19 GWhs, Durée de fonctionnement : 1900 heures Capacity factor : 22 % A noter que certains jours la puissance fournie atteint sa puissance nominale à savoir 10.2 MW et la puissance moyenne consommée par chaque éolienne est de 10 kW environ. Par ailleurs, les vitesses du vent et la température enregistrées au niveau de la nacelle ont montré que lorsque la température ambiante est supérieure à 46°C, les vitesses du vent sont faibles (inférieures à 5 m/s). La mise à l’arrêt des éoliennes lorsque la température est élevée s’est donc traduite par une perte globale de l’ordre de 10. [13] I.11 CONCLUSION Dans ce chapitre nous avons donné quelques généralités sur l’énergie électrique et les différentes sources renouvelables de cette énergie qui existe dans le monde, Après une notion générale sur l’énergie éolienne, son principe de fonctionnement, ses avantages et inconvénients et les différents types des machines électriques utilisées dans les aérogénérateurs, on a aussi mentionné les statistiques de ce type d’énergie dans le monde et en Algérie.
  • 30. 30
  • 31. 31 Chapitre II PRESENTATION DE LA MACHINE SYNCHRONE A AIMANT PERMANENT II.1 INTRODUCTION Dans notre travail, nous avons choisi une génératrice synchrone à aimants permanents. En effet, il est supérieur aux autres types de générateurs tels que : Faibles coûts de maintenance, possibilité d’éliminer les multiplicateurs et les interférences, bruits et pertes d'énergie qui en résultent. [14] De plus, les éoliennes basées sur des génératrices asynchrones à rotor bobiné présentent l'inconvénient de nécessiter un système à bagues et balais et un multiplicateur de vitesses. [15]. Il en résulte des coûts de maintenance importants. Pour limiter ces inconvénients, certains constructeurs ont développé des éoliennes basées sur des machines synchrones à aimants permanents directement couplées à la turbine. [16] Cela réduit l'entretien et augmente la robustesse du système éolien. Cet avantage couvrait le coût élevé des aimants [17] et en faisait un concurrent sérieux des générateurs asynchrones à double alimentation [18] Dans le présent chapitre, nous nous concentrerons sur une éolienne à vitesse variable à l'aide d'un générateur synchrone à aimant permanent. II.2 GENERALITES SUR LES MACHINES SYNCHRONES A AIMANTS PERMANENTS Depuis plusieurs décennies, l'utilisation des synchroniseurs à aimants permanents (PMSM) n'a cessé d'augmenter dans de nombreux secteurs industriels. En effet, dans les années 1980, l'avènement de nouveaux matériaux magnétiques plus performants (comme le SamariumCobalt ou le NéodymeferBore) pour la conception d'aimants permanents, a rendu la MSAP très compétitive par rapport aux autres types de machines (machine à courant continu, machine synchrone à rotor bobiné ou machine asynchrone). De plus, les avancées technologiques parallèles en électronique de puissance ont élargi le
  • 32. Chapitre II 32 spectre des performances en termes de dynamique et de puissance contrôlable, permettant à MSAP d'occuper une place importante dans les applications à vitesse variable. [19] II.3 CONSTITUTION DES MACHINES SYNCHRONES A AIMANTS PERMANENTS Comme toutes les autres machines électriques, les machines synchrones à aimants permanents sont composées d'un rotor et d'un stator constitué de bobinages électriques, permanents reliés au rotor de la machine pour créer un champ magnétique tournant. II.3.1 Les aimants permanent L'émergence de nouveaux types d'aimants permanents dans les années 1980 a permis à MSAP de concurrencer d'autres machines électriques. Ces nouveaux aimants, appelés "terres rares", sont constitués soit de SamariumCobalt ( 𝑆𝑚𝐶𝑜 ) soit de 𝑁𝑒𝑜𝑑𝑦𝑚𝑒_𝐹𝑒𝑟_𝐵𝑜𝑟𝑒(𝑁𝑑𝐹𝑒𝐵). Ils ont une densité d'énergie beaucoup plus élevée que les autres types d'aimants (ferrite ou 𝐴𝑙𝑁𝑖𝐶𝑜) ce qui les rend beaucoup plus efficaces (Figure 21). Malgré une densité d'énergie plus élevée que les aimants de type 𝑆𝑚𝐶𝑜, les aimants de type 𝑁𝑑𝐹𝑒𝐵 ont l'inconvénient d'avoir une faible résistance à la température (160°C 𝑁𝑑𝐹𝑒𝐵 et 350°C pour 𝑆𝑚𝐶𝑜). Par conséquent, le type d'aimant utilisé varie considérablement en fonction de l'application. Pour machines Pour de faibles performances et un faible coût, les aimants de type "ferrite" sont plus susceptibles d'être sélectionnés, mais pour les machines à hautes performances, les aimants de type 𝑁𝑑𝐹𝑒𝐵 ou SmCo (pour les applications à haute température) sont recommandés. [19] FIGURE II. 1 EVOLUTION DE LA DENSITE D’ENERGIE (BH)MAX DES AIMANTS PERMANENTS
  • 33. Chapitre II 33 II.3.2 Structure du rotor Il existe plusieurs types de MSAP qui dépendent du placement des aimants permanents sur le rotor de la machine. En effet, la disposition des aimants a une influence directe sur la saillance de la machine (rapport entre les inductances de l’axe direct 𝐿𝑠𝑑et de l’axe en quadrature 𝐿𝑠𝑞). [19] Les principales structures des rotors utilisées dans les MSAP sont les suivantes : [19] [20] a Aimants montés en surface (machine à pôles lisses) Dans ce type de machine montré dans FIGURE II.2(a), les aimants sont collés directement sur la surface du rotor. La perméabilité de l'aimant étant proche de celle de l'air, l'entrefer de la machine peut être supposé constant. Ainsi, la machine est à pôles lisses (pas de 𝐿𝑠𝑑 = 𝐿𝑠𝑞 ). Cette structure est souvent utilisée pour sa simplicité de fabrication et de contrôle mais aussi en raison de son rapport poids/puissance favorable, ce qui rend cette solution bien adaptée aux applications embarquées. Cependant, les aimants de surface sont susceptibles de se séparer à des vitesses élevées car ils sont directement soumis à la force centrifuge. Une solution à ce problème consiste à renforcer la liaison des aimants avec un tube en matériau amagnétique. b Aimants insérés (machine à pôles saillants) Cette structure montrée dans FIGURE II.2(b), est similaire à celle d'un aimant à montage en surface. Cependant, les espaces entre les aimants sont remplis de fer pour induire une saillance ( 𝐿𝑠𝑞 > 𝐿𝑠𝑑 ). Cette machine à pôles saillants a également un bon rapport poid/puissance et la liaison des aimants n'a plus besoin d'être renforcée. c. Aimants enterrés (machine à pôles saillants) Dans ce type de machine qui est représenté dans Figure II.2(c), l'aimant permanent est enterré directement dans le rotor. Cette structure a un taux de saillance plus élevé que la structure avec l'aimant d'insertion (𝐿𝑠𝑞 >> 𝐿𝑠𝑑). Il n'y a aucun risque de séparation de l'aimant, cependant, le rapport poids/puissance est réduit. Par conséquent, cette topologie convient aux opérations à grande vitesse où l'espace n'est pas limité. c Aimants à concentration de flux (machine à pôles saillants) Cette structure montrée dans FIGURE II.2(d), utilise une distribution d'aimantation tangentielle (au lieu de la distribution radiale dans les structures précédentes), ce qui implique une forte concentration de flux dans le rotor. Cela peut augmenter considérablement l'induction dans l'entrefer. Cette topologie utilise principalement des
  • 34. Chapitre II 34 aimants de type « ferrite » pour éviter de saturer le magnétisme de l'acier et est donc applicable aux applications où la masse n'est pas une limitation. II.3.3 Structure du stator Le stator du MSAP est constitué d'un certain nombre d'enroulements répartis dans les encoches du stator. Il existe d'innombrables topologies utilisées pour les enroulements de stator dans les machines électriques. Pour MSAP, deux types de bobines sont couramment utilisés : les bobines distribuées et les bobines concentriques. Le bobinage concentrique (FIGURE II.3) est adapté pour des applications de grande puissance avec un nombre de phases et de pôles élevés. Le bobinage distribué (imbriqué) (FIGURE II.3) est plutôt utilisé pour des applications où le nombre de pôles est réduit. [19] II.3.4 Topologies des machines à aimants permanents Il y a plusieurs concepts de machines synchrones à aimant permanent pour l'énergie éolienne. Nous pouvons classer en fonction de la disposition des aimants par rapport au rotor et du type de champ tournant. FIGURE II. 2 DIFFERENTES STRUCTURES ROTORIQUES POUR UNE MSAP FIGURE II. 3 SCHEMAS DE BOBINAGE
  • 35. Chapitre II 35 a Machines à aimants cylindriques à champ radial La machine synchrone à flux radial (RFPM) est la machine à aimant la plus courante. Il est largement utilisé pour l'entraînement direct. Son stator est identique à celui d'une machine à induction classique. Ces structures peuvent venir avec un rotor interne ou externe. Différents types de rotors de machines à flux radial ont des aimants à montage en surface, encastrés (insérés) ou enterrés. [18] b Machines à aimants discoïdes à champ axial (discoïdales) Ces machines dites (AFPM) représentent une autre solution possible pour des entraînements directs à faible vitesse. Ils sont constitués d'un ou plusieurs disques fixes d'enroulement et d'un ou plusieurs disques mobiles supportant des aimants permanents. La construction à disques offre également une excellente modularité naturelle en juxtaposant les modules dont la capacité est déterminée par le nombre de disques pour un diamètre donné. Cette structure fait l'objet d'une attention particulière. Malgré la puissance spécifique élevée, l'existence de contraintes mécaniques liées à la poussée axiale et de contraintes thermiques dues à la difficulté à échapper aux pertes statoriques est soulignée II.4 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE LA MSAP L'inducteur du générateur synchrone entraîné mécaniquement crée un champ avec une distribution spatiale variable dans les enroulements du stator, les f.é.m. induites dans ces bobinages provoquent la circulation des courant induit qui créent à leur tour un champ statorique dans l’entrefer, qui tourne à la même vitesse que celle de champ inducteur. FIGURE II. 4 VUE D’UNE MACHINE A FLUX AXIAL (DIFFERENTES CONFIGURATIONS)
  • 36. Chapitre II 36 La conversion d'énergie en MSAP se fait dans les deux sens : en convertissant énergie électrique en énergie mécanique (mode moteur), et celles-ci sont appelées alors "moteur synchrone à aimant permanent (MSAP)", et en convertissant énergie mécanique en l'énergie électrique (mode générateur) et dans ce cas, ils sont appelés générateurs synchrones à aimants permanent (GSAP). II.5 AVANTAGES ET INCONVENIENTS II.5.1 Les avantages • Absence de pertes joules au niveau du rotor. • Augmentation de la constante de temps thermique et de la fiabilité grâce à l’élimination des bagues et des balais. • Couple volumique et puissance massique élevés. • Robustesse incontestable comparée à la machine CC. • Construction simple et frais d'entretien réduits (absence de collecteurs et balais). • La densité de flux, relativement élevée dans l'entrefer, assure de très bonnes performances dynamiques et un très bon rendement. • Elle n'a pas besoin d'alimentation si la machine fonctionne en mode générateur. [18] II.5.2 Les inconvénients • Le gros inconvénient de cette machine est le placement des aimants. • Les applications à haute vitesse sont difficiles. • Coût élevé de l’aimant. • Les aimants sont soumis à des forces centrifuges qui peuvent causer leur décollement du rotor. • L’exposition des aimants permanents aux champs démagnétisant. [18] II.6 DOMAIN D’APPLICATION a Industrie de pétrochimie : MSAP est conçu pour une puissance élevée (plusieurs MW) et un fonctionnement à grande vitesse (> 10.000 tr/min).
  • 37. Chapitre II 37 b Industrie des énergies renouvelables : Notamment dans le domaine de l'énergie éolienne. MSAP est conçu pour un fonctionnement à haute puissance (plusieurs MW) et à basse vitesse (environ 1000 tr/min). c Industrie automobile : Conception de véhicules hybrides ou tout-électriques. MSAP est conçu pour fonctionner à faible puissance (limitée à quelques dizaines de kW). d Industrie aéronautique : Développer des avions plus électriques qui constituent l'un des principaux axes de recherche dans le domaine. La puissance associée peut atteindre 175kW. e Industrie ferroviaire : Les MSAP sont conçus pour fonctionner à puissance moyenne pour la traction, où un générateur à aimants permanents a été dimensionné pour une puissance nominale de 250kW. [19] II.7 MODELISATION DE LA GENERATRICE SYNCHRONE A AIMANTS PERMANENTS II.7.1 Hypothèses simplificatrices Un générateur synchrone à aimants permanents est caractérisé par un certain nombre de paramètres qui affectent son fonctionnement, parmi lesquels certains paramètres non linéaires, qui compliquent le modèle mathématique de la machine ; Pour cela la plupart de la littérature propose quelques hypothèses simplificatrices afin de simplifier ce modèle mathématique et de le rendre utilisable dans l'étude du comportement des générateurs. [14] • Des enroulements statoriques connectés en toiles (neutre isolé pour éliminer la composante homopolaire des courants.) • Un circuit magnétique non saturé (saturation négligée) • Une répartition sinusoïdale de la FMM • Les pertes par courants Foucault et par hystérésis négligeables • L'effet de peau de la température négligé • Entrefer constant
  • 38. Chapitre II 38 II.7.2 Principe de la transformation de Park : La transformation directe de Park, est définie par la matrice [𝑃] , aux vecteurs originaux [𝑉𝑎𝑏𝑐] [𝐼𝑎𝑏𝑐] [𝜑𝑎𝑏𝑐] la transformation de Park, fait correspondre les vecteurs [𝑉𝑑𝑞𝑜] [𝐼𝑑𝑞𝑜] [𝜑𝑑𝑞𝑜] { [𝑋𝑎𝑏𝑐] = [𝑃]−1 [𝑋𝑑𝑞𝑜] [𝑋𝑑𝑞𝑜] = [𝑃] [𝑋𝑎𝑏𝑐] } ………………………………………………..………………………...…………(II. 1) Telles que [𝑃] 𝑒𝑡 [𝑃]−1 sont les matrices de passage directe et inverse, elles sont données comme suite : [𝑃] = √ 2 3 ( 𝑐𝑜𝑠 (𝜃) 𝑐𝑜𝑠 (𝜃 − 2𝜋 3 ⁄ ) 𝑐𝑜𝑠 (𝜃 + 2𝜋 3 ⁄ ) −𝑠𝑖𝑛 (𝜃) −𝑠𝑖𝑛 (𝜃 − 2𝜋 3 ⁄ ) −𝑠𝑖𝑛 (𝜃 + 2𝜋 3 ⁄ ) 1 √2 ⁄ 1 √2 ⁄ 1 √2 ⁄ ) ...……………...……...………(II. 2) [𝑃]−1 = √ 2 3 ( cos (𝜃) −sin (𝜃) 1 √2 ⁄ cos (𝜃 − 2𝜋 3 ⁄ ) −sin (𝜃 − 2𝜋 3 ⁄ ) 1 √2 ⁄ cos (𝜃 + 2𝜋 3 ⁄ ) −sin (𝜃 + 2𝜋 3 ⁄ 1 √2 ⁄ ) ...…………………………………(II.3) II.7.3 Passage au repère de Park : Pour simplifier le modèle dynamique de la machine, le changement du repère est appliqué. Cette transformation mathématique transforme les trois enroulements statoriques fixes déphasés de 𝜋 2 en deux enroulements équivalents fictifs déphasés par 𝜋 2 et reposant sur le rotor. FIGURE II. 5 REPRESENTATION DE LA MSAP DANS LE REPERE (D, Q) DE PARK
  • 39. Chapitre II 39 Les deux bobines d et q tournent avec le rotor, produisant le même effet que les trois bobines fixes. Cette nouvelle variation de repère (d, q) nous permet de passer du repère naturel au repère park, ce qui rend le modèle de la machine relativement simple. II.7.4 Equations électriques : Les équations électriques des machines électriques dans un repère fixe lié au stator sont décrites par : ( 𝑣𝑎 𝑣𝑏 𝑣𝑐 ) = 𝑅𝑠 ( 𝑖𝑎 𝑖𝑏 𝑖𝑐 ) + 𝑑 𝑑𝑡 ( 𝜙𝑎 𝜙𝑏 𝜙𝑐 ) …………………….…………..…....……………………………….....………(II. 4) (𝑣𝑎, 𝑣𝑏 ,𝑣𝑐)𝑡 ; Vecteur tension de phases statoriques. (𝑖𝑎, 𝑖𝑏, 𝑖𝑐)𝑡 ; Vecteur courant de phases statoriques. (𝜙𝑎,𝜙𝑏, 𝜙𝑐)𝑡 ; Vecteur des flux totaux traversant les bobines statoriques. Les enroulements statoriques de la machine synchrone considérée sont connectés en étoile avec un fil neutre isolé, de sorte que la somme instantanée des courants statoriques est nulle et qu'il n'y a pas de courant homopolaire. Par conséquent, si la composante de tension ou de flux magnétique est nulle, elle ne contribue pas au couple. [21]. Donc le comportement de la machine est représenté par deux variables indépendantes. II.7.5 Modélisation de la GSAP dans le repère de Park : En appliquant la transformation de Park aux équations simultanées, on peut représenter tous les vecteurs du repère associé au rotor. Si θ est l'angle électrique qui donne la position du rotor par rapport au stator. FIGURE II. 6 PASSAGE DE REPERE NATUREL DU STATOR AU REPERE (D, Q) DE PARK
  • 40. Chapitre II 40 En utilisant la convention génératrice ; on inverse le sens des courant 𝑖𝑑 et 𝑖𝑞 dans le repère de Park, on peut écrire l'équation sous la forme : { 𝑣𝑑 = −𝑅𝑠𝑖𝑑 + 𝑑𝜙𝑑 𝑑𝑡 + 𝜔𝜙𝑞 𝑣𝑞 = −𝑅𝑠𝑖𝑞 + 𝑑𝜙𝑞 𝑑𝑡 + 𝜔𝜙𝑑 ………………….….…………..……………...…………………….....………(II. 5) Equations magnétiques : { 𝜙𝑑 = 𝐿𝑑𝑖𝑑 + 𝜙𝑓 𝜙𝑞 = 𝐿𝑞𝑖𝑞 ………………….….…………..………..…………………………….....……………………(II. 6) En remplaçant les flux par leurs valeurs, on trouve : { 𝑣𝑑 = −𝑅𝑠𝑖𝑑 − 𝐿𝑑 𝑑𝑖𝑑 𝑑𝑡 + 𝐿𝑞𝜔𝑖𝑞 𝑣𝑞 = −𝑅𝑠𝑖𝑞 − 𝐿𝑞 𝑑𝑖𝑞 𝑑𝑡 + 𝐿𝑑𝜔𝑖𝑑 + 𝜙𝑓𝜔 ………………….….………..……….....……..…….....………(II. 7) II.7.6 Expression du couple électromagnétique : Le couple électromagnétique Cem est exprimé comme la dérivée partielle de stockage d'énergie électromagnétique par rapport à l'angle géométrique de rotation du rotor. [22] 𝐶𝑒𝑚 = 𝑑𝑊𝑒 𝑑𝜃𝑔𝑒𝑜 = 𝑝 𝑑𝑊𝑒 𝑑𝜃𝑒 …………………….…….….…...………..………………………………….....………(II. 8) 𝑊 𝑒 : Energie emmagasinée dans le circuit magnétique. 𝜃𝑔𝑒𝑜 : Ecart angulaire de la partie mobile (rotor par rapport au stator). 𝑝 : Nombre de pair de pôle. L’expression de la puissance transmise dans le repère de Park est comme suite : 𝑃(𝑡) = 3 2 (𝑣𝑑𝑖𝑑 + 𝑣𝑞𝑖𝑞) ………………..……….…………………………………………………..……….…(II. 9) En remplaçant 𝑣𝑑, 𝑣𝑞 par leurs expressions, donnera : 𝑃(𝑡) = 3 2 [−𝑅𝑠(𝑖𝑑² − 𝑖𝑞²) − (𝑖𝑑 𝑑𝜙𝑑 𝑑𝑡 + 𝑖𝑞 𝑑𝜙𝑞 𝑑𝑡 ) + 𝑑𝜃 𝑑𝑡 (𝜙𝑑𝑖𝑞−𝜙𝑞𝑖𝑑)] …………………………(II. 10) − 3 2 𝑅𝑠(𝑖𝑑² − 𝑖𝑞²) : Représente la puissance dissipée en pertes Joule dans les enroulements du stator. 3 2 (𝑖𝑑 𝑑𝜙𝑑 𝑑𝑡 + 𝑖𝑞 𝑑𝜙𝑞 𝑑𝑡 ) : Représente la variation de l'énergie magnétique stocké dans les enroulements du stator. 𝑑𝜃 𝑑𝑡 (𝜙𝑑𝑖𝑞−𝜙𝑞𝑖𝑑) : Représente la puissance électromagnétique, avec : 𝑝Ω = 𝜔 et 𝑃 𝑒 = 𝐶𝑒𝑚Ω Et donc l’expression devient :
  • 41. Chapitre II 41 𝐶𝑒𝑚 = 3 2 𝑝(𝜙𝑑𝑖𝑞−𝜙𝑞𝑖𝑑) ………..……….……………………………..………………………..……….…(II. 11) Puis en remplaçant (3) dans (8) on trouve l'équation suivant : 𝐶𝑒𝑚 = 3 2 𝑝[(𝐿𝑑𝐿𝑞)𝑖𝑞𝑖𝑑 + 𝑖𝑞𝜙𝑓] ….………………………………...…………………………..……….…(II. 12) II.7.7 Le modèle de la génératrice synchrone a aimant permanent a La génératrice à vide : { 𝑖𝑑 = 0 𝑖𝑞 = 0 Les expressions des tensions et du couple deviennent : { 𝑣𝑑 = 0 𝑣𝑞 = 𝜔𝜙𝑓 𝐶𝑒𝑚 = 0 ….……………………………………….…………………...………………...………..……….…(II. 13) b La génératrice en charge (Rch, Lch) : Le générateur alimente la charge électrique (Rch, Lch). Pour obtenir la tension et le courant résultant de l'application de cette charge au générateur, on applique d’une part, les équations données par : [22] FIGURE II. 7 SCHEMA BLOC DE SIMULATION DE LA GSAP
  • 42. Chapitre II 42 { 𝑣𝑑 = −𝑅𝑠𝑖𝑑 − 𝐿𝑑 𝑑𝑖𝑑 𝑑𝑡 + 𝐿𝑞𝜔𝑖𝑞 𝑣𝑞 = −𝑅𝑠𝑖𝑞 − 𝐿𝑞 𝑑𝑖𝑞 𝑑𝑡 − 𝐿𝑑 𝑑𝑖𝑑 𝑑𝑡 + 𝜙𝑓𝜔 ...….………………...…..………..……....……………..….…(II. 14) D’autre part, l’application des tensions 𝑣𝑑 et 𝑣𝑞 sur la charge donne : { 𝑣𝑑 = −𝑅𝑐ℎ𝑖𝑑 + 𝐿𝑐ℎ 𝑑𝑖𝑑 𝑑𝑡 − 𝐿𝑐ℎ𝜔𝑖𝑞 𝑣𝑞 = −𝑅𝑐ℎ𝑖𝑞 + 𝐿𝑐ℎ 𝑑𝑖𝑞 𝑑𝑡 − 𝐿𝑐ℎ𝜔𝑖𝑑 ….……………………………….…...……....………..……….…(II. 15) En remplaçant les expressions de (II.14) dans (II.15), on aura le système suivant : { 0 = −(𝑅𝑠 + 𝑅𝑐ℎ)𝑖𝑑− (𝐿𝑑 + 𝐿𝑐ℎ) 𝑑𝑖𝑑 𝑑𝑡 + 𝜔(𝐿𝑞 + 𝐿𝑐ℎ)𝑖𝑞 0 = −(𝑅𝑠 + 𝑅𝑐ℎ)𝑖𝑞 − (𝐿𝑞 + 𝐿𝑐ℎ) 𝑑𝑖𝑞 𝑑𝑡 + 𝜔(𝐿𝑞 + 𝐿𝑐ℎ)𝑖𝑑 + 𝜙𝑓𝜔 .……………..…..……….…(II. 16) Donc, { 𝑑𝑖𝑑 𝑑𝑡 = 1 (𝐿𝑞+𝐿𝑐ℎ) [−(𝑅𝑠+𝑅𝑐ℎ)𝑖𝑑𝜔(𝐿𝑞+𝐿𝑐ℎ)𝑖𝑞] 𝑑𝑖𝑞 𝑑𝑡 = 1 (𝐿𝑞+𝐿𝑐ℎ) [−(𝑅𝑠+𝑅𝑐ℎ)𝑖𝑞−𝜔(𝐿𝑞+𝐿𝑐ℎ)𝑖𝑑+𝜙𝑓𝜔] ………….…………....….…………………....…(II. 17) II.8 CONCLUSION Dans ce chapitre, nous avons présenté la machine synchrone a aimant permanent (MSAP) qui est la machine utilisée dans la conversion de l’énergie mécanique du vent en énergie électrique dans notre travail, nous avons donné son principe de fonctionnement, ses domaines d’utilisation et aussi les avantages et les inconvénients de ce type des machines électriques. Dans cette partie nous avons établir aussi le modèle mathématique équivalent de la machine synchrone a aimant permanent (MSAP) et la modélisation sous MATLAB de cette machine.
  • 43. 43
  • 44. 44 Chapitre III MODELISATION ET SIMULATION DE L’AEROGENERATEUR III.1 INTRODUCTION L’énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais elle peut être transformée d’une forme à une autre et l’énergie éolienne est parmi les sources d’énergie que peut être transformer à une énergie électrique. Après la présentation des généralités sur l’énergie éolienne et les différents types des éoliennes dans le premier chapitre, nous nous intéressons à la modélisation de chaine de conversion de l’énergie cinétique du vent a une énergie mécanique. Dans la première partie de ce chapitre on va s’intéressé a la modélisation de la source de cette énergie qui est le vent avec un modèle mathématique et un schéma bloc équivalent sous MATLAB/Simulink. Par suite, le but de notre travail est l’utilisation des équations mécaniques et électriques du système de conversion d’énergie et établir un modèle mathématique équivalent, ce modèle est utilisé pour étudier le comportement de la voilure savonius par rapport à la variation du vent, ce modèle va nous permettre de calculer la quantité d’énergie maximale que la turbine peut être transmettre en énergie mécanique, aussi le couple et la vitesse de sortie. Les modèles qui nous seront présentés dans ce chapitre, on pour donner la simulation comportementale de notre système éolienne. III.2 MODELISATION DU VENT III.2.1 Généralités sur le vent Le vent est le mouvement de l'air du aux gradients de pression atmosphérique, il s’écoule à partir des régions de haute pression vers les régions de basse pression et plus le gradient de pression atmosphérique est grand, plus la vitesse du vent est élevée et donc, plus la puissance éolienne qui peut être captée par les machines de conversion d'énergie du vent est grande. Les molécules d’air ne sont pas solidaires les unes sur les autres comme les autres fluides, donc, il est difficile de prédire sa trajectoire, mais le vent est décrit par sa vitesse et sa direction (son origine). [23]
  • 45. Chapitre III 45 La génération et le mouvement du vent sont compliqués car ils sont influencés par certain facteurs importants, parmi ces facteurs : le chauffage solaire inégal et l’effet Coriolis (Annexe 1) du a l’autorotation de la terre et les conditions géographiques locales. [24] III.2.2 La modélisation du vent Le vent peut être décrit de trois façons différentes : La première consiste à utiliser les lois de la dynamique des fluides et les équations primitives atmosphériques, la deuxième méthode est la représentation en série de Fourier qui présente le vent comme un signal constitué par une superposition de plusieurs harmoniques, et finalement l’utilisation de la méthode des statistiques de Wei bull (Annexe 2). [25] Pour des raisons de complexité de couplages des équations d’aérodynamiques et de mécanique des fluides, il sera plus simple d’utiliser la méthode de statistiques de Wei bull ou bien la décomposition en série de Fourier. III.2.3 La décomposition en série de Fourier La définition d'un modèle de vent nécessite des données sur le climat et la géographie du site concerné, ainsi que la période de l'année pour laquelle l'étude est concernée. Le modèle de vent est donné par une représentation en série de Fourier, représentant le vent comme un signal constitué d'une superposition de plusieurs harmoniques. Il est donné par l'équation suivante : 𝑉𝑉 = 𝐴 + ∑ 𝑎. 𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑘. 𝑡) 𝑖 𝑘=1 …………………….………………………………..…………………......…(III. 1) Avec, 𝑉 𝑚𝑜𝑦: la valeur moyenne de la vitesse du vent 𝑎𝑘: amplitude de l'harmonique de l'ordre k 𝜔𝑘: pulsation de l'harmonique de l'ordre k 𝑖 : le rang du dernier harmonique retenu dans le calcul du profil du vent Dans notre cas la valeur moyenne de la vitesse du vent égale à 10m/s et pour la construction des perturbations dans notre signal on utilise quatre harmoniques avec des paramètres aléatoires, remplaçant ces valeurs dans l’équation (III.3) on obtient l’équation suivante : 𝑉𝑉 (𝑡) = 10 + 0.2 𝑠𝑖𝑛( 0.1047𝑡) + 2𝑠𝑖𝑛( 0.2665𝑡) + 𝑠𝑖𝑛( 1.2930𝑡) + 0.2𝑠𝑖𝑛( 0.36645𝑡) … …………………………………………………………………………………………………………………….……(III. 2) tell i=4 que
  • 46. Chapitre III 46 III.2.4 Le modèle du vent sous MTLAB/Simulink La vitesse du vent est modélisée sous la forme déterministe par une somme de plusieurs harmoniques comme monter dans l’équation (III.2), cette équation mathématique est convertie à un schéma bloc sous MATLAB/Simulink, le modèle est représenté dans la FIGURE III.2. Le résultat obtenu à partir de la simulation du modèle qui représente le profil du vent est montré dans la FIGURE III.1. FIGURE III. 1 SCHEMA BLOC DU MODELE DU VENT SOUS SIMULINK FIGURE III. 2 LE PROFIL DU VENT
  • 47. Chapitre III 47 III.3 MODELISATION DE LA TURBINE III.3.1 La loi de Betz L’efficacité maximale théorique d’un turbomoteur à vent idéal a été déduite par Lanchester en 1915 et Betz en 1920. Il a été révélé qu’aucune machine à vent ne pouvait convertir plus de 16/27 (59,26%) de l’énergie cinétique du vent dans l’énergie mécanique. C’est ce qu’on appelle aujourd’hui la limite Lanchester–Betz (ou Loi de Lanchester–Betz). [26] La théorie de Betz, permet de calculer la puissance que le vent transmet à un rotor de turbine, la FIGURE III.3 montre un schéma d’un tube de débit, le fluide dans le tube d’écoulement se cogne sur l’obstacle constitué par un plan perpendiculaire à l’axe d’un rotor d’une éolienne avec une section 𝐴 ,la vitesse au début du tube V près du plan de rotor (section 𝐴) est inférieure à sa vitesse au début de du tube 𝑉1 dans la section 𝐴1, le comportement de la pression est le contraire, le fluide délivre de l’énergie lorsqu’il traverse la section 𝐴 et donc la pression de fluide chute brusquement .De la section 𝐴 a la section 𝐴2 la pression augmente jusqu’à attendre la pression atmosphérique à proximité de la section 𝐴2 , et la vitesse de fluide égale à 𝑉2 qui est inférieur à 𝑉1. Les hypothèses de la théorie de Betz sont les suivantes : • Le flux de fluide qui, à travers la section A, n’interagit pas avec l’autre flux de fluide dans le tube. • La vitesse est uniforme dans chaque section de tube de flux et perpendiculaire à l’axe du tube. FIGURE III. 3 PROFIL DE VITESSE ET DE PRESSION D’AIR LE LONG DE TUBE DE MESURE
  • 48. Chapitre III 48 • Le rotor est schématisé comme un disque d’épaisseur infiniment petite avec une section 𝐴 et une structure uniforme. • La situation dynamique des fluides n’est pas influencée par la turbine sur les sections 𝐴1 et 𝐴2 et la pression sur deux est égale à la pression atmosphérique p0=p1=p2. • Le plan du rotor est l’obstacle unique pendant le mouvement du vent de la section 𝐴1 à la section 𝐴2. • Le vent est stationnaire et constant. • Le mouvement du vent est droit. • La compressibilité du fluide est négligée et la densité du fluide ρ est constante. [26] III.3.2 Le modèle général de la turbine éolienne Le rôle principal de la turbine éolienne est la conversion de l’énergie cinétique du vent à une énergie mécanique et la transmettre au générateur, ou l’expression simplifié de la puissance captée par la turbine peut être décrit par : [27] 𝑃𝑇 = 1 2 𝐶𝑝(𝜆)𝜌𝑆𝑉 𝑣 3 ……………………………………………………………………………………….....… (III. 3) Cette puissance peut être écrit par une autre expression qui est : 𝑃𝑇 = 𝐶é𝑜𝑙. 𝜔 …………………………………………………………….…………………….…………..…..… (III. 4) A partir de l’équation 3.3 et 3.4 on peut déduire que : 𝐶𝑒𝑜𝑙 = 𝐶𝑃(𝜆)𝜌𝐻𝑅2𝑉2 𝜆 ……………………………………………………..…………………………………...… (III. 5) Tell que Le rapport entre la vitesse de la turbine et la vitesse du vent est : 𝜆 = 𝑉𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑉𝑣 = 𝜔𝑅 𝑉𝑣 …………………………………………………….….………………………….…………..… (III. 6) Le coefficient de puissance 𝐶𝑝 en fonction de λ est la relation entre la puissance extraire par la turbine et la puissance possédée par le tuyau d’écoulement sur une section 𝐴 (voir la FIGURE III.3) et donc indique la performance de chaque éolienne et le taux d’énergie cinétique capté et transformée par l’éolienne (L’équation III.7), Les valeurs de 𝐶𝑝 et sont expérimentalement déterminées en fonction du coefficient de vitesse λ ou bien avec des méthodes de simulation par logiciels (ANSYS par exemple), la FIGURE III.4 représente les courbes des coefficients de puissance en fonction de la rapport du vitesse pour plusieurs types de turbines éoliennes.
  • 49. Chapitre III 49 𝐶𝑝 = 𝑃𝑇 𝑃𝑉 = 𝐶E𝑜𝑙𝜔 1 2 𝜌𝑆𝑉3 …………………………….………………….….………………………….…………..… (III. 7) Avec, 𝑃𝑇 : La puissance mcanique de la turbine 𝑃𝑉 : la puissance du vent 𝐶é𝑜𝑙 :Le couple de la turbine 𝜔 : La vitesse angulaire de la turbine 𝑉 𝑣 :La vitesse du vent III.3.3 La turbine savonius L’éolienne Savonius est un simple dispositif à axe vertical ayant une forme de pièces semi-cylindriques attachées au les côtés opposés d’un arbre vertical (pour une disposition à deux lames) et fonctionnent sur la force de traînée, de sorte qu’il ne peut pas tourner plus vite vitesse du vent. Cela signifie que le rapport de vitesse de pointe est égal à 1 ou plus petit. Quand le vent souffle dans la structure et entre en contact avec les surfaces opposées (une convexe et l’autre concave), deux forces différentes (traînée et portance) sont exercés sur ces deux surfaces. Le principe de base est basé sur la différence de force de traînée entre les parties convexes et concaves des pales du rotor lorsqu’elles tournent autour d’un arbre vertical, cette force de traînée est la force motrice principale du rotor savonius. [28] FIGURE III. 4 LE COEFFICIENT DE PUISSANCE
  • 50. Chapitre III 50 III.3.4 Le modèle de la turbine savonius sous Matlab/Simulink La turbine utilisée dans ce travail est de type savonius, la surface balayée par cette turbine 𝐴 est donnée par la formule suivant : 𝐴 = 2𝑅𝐻 ……………………………………………………………….………………………………..……..… (III. 8) Ou, R représente le rayon de la turbine (m)et H la hauteur (m). La puissance éolienne disponible sur l’arbre de la voilure savonius, extraite de la puissance du vent est donnée par l’équation suivante : 𝑃𝑇 = 𝐶𝑝(𝜆)𝜌𝑅𝐻𝑉 𝑣 3 …………………………………………………………………………………..…..…..… (III. 9) Le coefficient de puissance de la turbine savonius utilisé dans notre travail est obtenue par l’interpolation polynomiale de troisième dégrée des points obtenus par la simulation CFD [29], donc il est donné par : 𝐶𝑃(𝜆) = −0.1299𝜆3 − 0.1168𝜆2 + 0.45406𝜆 ……………………………….…………………...(III. 10) Afin d’obtenir l’équation de 𝐶𝑃(𝜆) on peut utiliser l’équation de couple éolien (III.5) pour obtenir le schéma bloc représenté dans la figure III.6. FIGURE III. 5 UNE EOLIENNE SAVONIUS AVEC LES FORCES DE TRAINEE
  • 51. Chapitre III 51 III.3.5 Modélisation mécanique du couplage turbine-génératrice : Le couple du vent fourni par la turbine entraine le générateur mais il y a une réduction du couple causée par le frottement et l’inertie de la turbine, nous pouvons établir un modèle électromécanique comme montrer dans Figure III.7. L’équation différentielle qui caractérise le comportement mécanique de l’ensemble turbine et génératrice est donné par : 𝐽 𝑑𝜔 𝑑𝑡 = 𝐶E𝑜𝑙 − 𝐶𝑒𝑚 − 𝑓𝜔 ……………………………………………………………………………………(III. 11) Où ω est la vitesse sur l'arbre du générateur, 𝐶𝑓 le couple de frottement, 𝐶𝑒𝑚 le couple électromagnétique développé par le générateur, 𝐶é𝑜𝑙 le couple mécanique appliqué à l’arbre de l’alternateur et 𝐽 est le moment total d'inertie. Avec, 𝐽 = 𝐽𝑡 + 𝐽𝑚 ≈ 𝐽𝑡 …….……………………………………………………………………………...…..… (III. 12) FIGURE III. 6 LE SCHEMA BLOC DU COUPLE EOLIEN FIGURE III. 7 LE COUPLAGE ELECTROMECANIQUE ENTRE LA TURBINE ET LE GENERATEUR
  • 52. Chapitre III 52 𝑓 = 𝑓𝑡 + 𝑓𝑚 ≈ 𝑓 𝑚 …………………………………………………………………..……………..…..…..… (III. 13) 𝐽𝑚 est l’inertie de la machine, 𝑓 𝑚 le coefficient de frottement de la machine, 𝐽𝑡 l’inertie de la turbine et 𝑓𝑡 le frottement des pâles. A partir de l’équation déférentiel obtenu dans l’équation (III.9) on peut établir un modèle de la turbine savonius avec un schéma bloc sous MATLAB/SIMULINK, ce modèle est montré dans la FIGURE III 8 . . III.4 LES RESULTATS DE LA SIMULATION D’AEROGENERATEUR Les résultats obtenus sont correspondants à la vitesse du vent représenté dans la FIGURE III.2 FIGURE III. 9 LA VITESSE ANGULAIRE DE LATURBINE FIGURE III. 8 LE MODELE SIMULINK DE LA TURBINE SAVONIUS
  • 53. Chapitre III 53 FIGURE III. 10 LE COUPLE EOLLIEN FOURNIT PAR LA TURBINE FIGURE III. 11 LES TENSIONS DE LA SORTTIE DE GENERATEUR
  • 54. Chapitre III 54 FIGURE III. 12 LE COUPLE ELECTROMAGNETIQUE DE LA GENERATRICE III.5 CONCLUSION Dans ce chapitre, nous avons donné un modèle qui représente la vitesse du vent avec un modèle mathématique et on a converti ce modèle a un schéma bloc sous MATLAB/Simulink, nous avons aussi donné les notions de base sur le fonctionnement des turbines et le principe général de la conversion de l’énergie cinétique du vent a une énergie mécanique et les limites de ce type de conversion. La turbine utilisée dans notre travail est de type Savonius, donc dans cette partie nous avons donné les caractéristiques de cette turbine et sa modèle équivalent sous MATLAB/Simulink avec l’utilisation des équations mécaniques de couple, de vitesse et des pertes.
  • 55. 55
  • 56. 56 Chapitre IV MODELISATION ET COMMANDE DE LA CHAINE DE CONVERSION ELECTRIQUE IV.1 INTRODUCTION L’énergie électrique peut avoir des différentes formes adaptées à la nature des récepteurs qui consomme cette énergie. La conversion de puissance comprend quatre fonctions principales : • Convertisseurs AC/DC c’est le cas des redresseurs. • Convertisseurs DC/DC c’est le cas des hacheurs. • Convertisseurs AC/AC c’est les cas des gradateurs et des cyclo-convertisseurs. • Convertisseurs DC/AC c’est le cas des onduleurs. Ces convertisseurs sont des dispositifs de l’électronique de puissance mettant en œuvre un ou plusieurs interrupteurs électroniques commandables ou non-commandables. Dans ce Chapitre, nous aborderons en premier temps le principe de fonctionnement de la structure de base du redresseur triphasée en pont de diodes. Puis nous généralisons sur les convertisseurs DC/DC (les hacheurs), le principe de fonctionnement de chaque type d’hacheur et la modélisation de l’hacheur série qui est utilisée dans notre système de conversion d’énergie, nous abordons aussi le dimensionnement du filtre de sortie LC de la structure hacheur dévolteur. La stratégie de commande et régulation de l’hacheur dévolteur par les correcteurs PI et le calcul de ses paramètres sont présentées à la fin de ce chapitre. L’objectif du travail de ce chapitre est la compréhension de la chaine de conversion électrique par la simulation sous MATLAB/Simulink. IV.2 MODELISATION DE REDRESSEUR TRIPHASE DOUBLE ALTERNANCE A PONT DIODES IV.2.1 Présentation de redresseur Le redresseur est un convertisseur "alternatif si/direct". Une conversion d'énergie électrique permet d'obtenir une source de courant continu à partir d'une source alternative, il est représenté dans FIGURE IV.1
  • 57. Chapitre IV 57 Ce redresseur est constitué de trois diodes (D1, D2, D3) à cathode commune assurant la sortie du courant et de trois diodes (D4, D5, D6) à anode commune assurant le retour du courant Le redresseur est alimenté par un réseau triphasé équilibré en tension : { 𝑉1(𝑡) = 𝑣𝑚 sin(2𝜋𝑓𝑡) 𝑉2(𝑡) = 𝑣𝑚sin (2𝜋𝑓𝑡 − 2𝜋 3 ) 𝑉3(𝑡) = 𝑣𝑚sin (2𝜋𝑓𝑡 + 2𝜋 3 ) …………………………………………...………………………………(IV. 1) Dans notre étude, Les diodes sont supposées parfaites (interrupteurs parfaits) et le courant à la sortie du montage redresseur continu. On supposera également négligeable l'inductance ramenée au secondaire du transformateur pour éliminer l’effet d’empiétement, et ainsi la tension de sortie du redresseur sera déterminée comme suit : 𝑈𝑟𝑒𝑑 = 𝑀𝐴𝑋[𝑉1(𝑡), 𝑉2(𝑡), 𝑉3(𝑡)] − 𝑀𝐼𝑁[𝑉1(𝑡), 𝑉2(𝑡), 𝑉3(𝑡)] ……………………...………(IV. 2) D1 D2 D3 D4 D5 D6 𝑼𝒓𝒆𝒅 [ 𝛑 𝟔 , 𝛑 𝟐 ] 1 0 0 0 1 0 𝑼𝟏𝟐 = 𝑽𝟏 − 𝑽𝟐 [ 𝛑 𝟐 , 𝟓𝛑 𝟔 ] 1 0 0 0 0 1 𝑼𝟏𝟑 = 𝑽𝟏 − 𝑽𝟑 [ 𝟓𝛑 𝟔 , 𝟕𝛑 𝟔 ] 0 1 0 0 0 1 𝑼𝟐𝟑 = 𝑽𝟐 − 𝑽𝟑 [ 𝟕𝛑 𝟔 , 𝟑𝛑 𝟐 ] 0 1 0 1 0 0 𝑼𝟐𝟏 = 𝑽𝟐 − 𝑽𝟏 [ 𝟑𝛑 𝟐 , 𝟏𝟏𝛑 𝟔 ] 0 0 1 1 0 0 𝑼𝟑𝟏 = 𝑽𝟑 − 𝑽𝟏 [ 𝟏𝟏𝛑 𝟔 , 𝟏𝟑𝛑 𝟔 ] 0 0 1 0 1 0 𝑼𝟑𝟐 = 𝑽𝟑 − 𝑽𝟐 TABLEAU IV. 1 FONCTONNEMENT D’UN REDRESSEUR TRIPHASE DOUBLE ALTERNANCE FIGURE IV. 1 REPRESENTATION DU REDRESSEUR TRIPHASE DOUBLE ALTERNANCE
  • 58. Chapitre IV 58 IV.2.2 Modélisation du filtre LC: Le filtre passe-bas « LC » est utilisé pour supprimer les hautes fréquences. [30] Ce filtre est représenté schématiquement dans FIGURE IV.2 Le modèle de filtre est défini par le système d'équations suivant : { 𝑈𝑟𝑒𝑑(𝑡) = 𝐿𝑓 𝑑𝐼𝑑(𝑡) 𝑑𝑡 + 𝑈𝑑𝑐 𝑑𝑈𝑑𝐶(𝑡) 𝑑𝑡 = 1 𝐶𝑓 [𝐼𝑑(𝑡)−𝐼𝑠(𝑡)] ……………………………………………………………………...…………(IV. 3) On applique la transformé de la place, La fonction du transfert du filtre est donnée comme suite : 𝑈𝑑𝐶(𝑡) 𝑈𝑟𝑒𝑑 = 1 1+𝐿𝑓𝐶𝑓𝑠2 ……………………………………………………………………………..…...…………(IV. 4) FIGURE IV. 2 REPRESENTATION D’UN FILTRE PASSE BAS FIGURE IV. 3 SCHEMA BLOC DU REDRESSEUR ET DU FILTRE
  • 59. Chapitre IV 59 IV.3 GENERALITES SUR LES HACHEURS IV.3.1 Définition de l’hacheur Les hacheurs sont des convertisseurs continu-continu placés entre un générateur et un récepteur, les deux sont à courant continu, la tension de départ (générateur) peut être une batterie, une tension alternatif redressé et filtré ou une alimentation stabilisée…, l’hacheur comporte un interrupteur d’amorçage et à blocage commandé (transistor bipolaire, Mosfet, IGBT...) et un interrupteur a blocage et amorçage spontanés (Diode). [31] IV.3.2 Classification des hacheurs a Hacheur dévolteur (série) : L’hacheur série, dit aussi abaisseur de tension, ce nom est lié au fait que la valeur moyenne de la tension entrée et supérieur à la tension moyenne de sortie. Fonctionnement : Pour étudier le principe de fonctionnement de ce type d’hacheur on suppose que le générateur fournit une tension 𝑈 constante et le récepteur absorbe un courant 𝐼′ constant. Le fonctionnement d‘hacheur série peut être expliquer avec les deux interrupteurs 𝐾1 et 𝐾2 qui remplacent les semi-conducteurs utilisés, comme montrer dans FIGURE IV.4 (a). Les deux interrupteurs doivent être complémentaires (si un est fermé l’autre et ouvert). Quand 𝐾1 est fermé, 𝑖𝐾1 est égal à 𝐼′ , 𝑖𝐾2 nul, 𝑣𝐾1 nulle et 𝑣𝐾2 égale à −𝑈. Quand 𝐾2 est fermé, 𝑖𝐾1 est nul, 𝑖𝐾2 égal à 𝐼′ , 𝑣𝐾1 égale à −𝑈 et 𝑣𝐾2 nulle. FIGURE IV.4 (c) montre le schéma réel d’hacheur qui est formé de transistor T fonctionne dans la période entre 0 et 𝛼𝑇 et une diode D, les formes d’odes de la tension de sortie 𝑈′ sont représenté dans FIGURE IV.4 (d).
  • 60. Chapitre IV 60 b Hacheur survolteur (parallèle) L’hacheur parallèle, boost converter ou élévateur, dans ce type d’hacheur la tension moyenne de sortie est supérieure à la tension d’entrée. FIGURE IV. 4 FONCTIONNEMENT D’UN HACHEUR DEVOLTEUR FIGURE IV. 5 HACHEUR DEVOLTEUR
  • 61. Chapitre IV 61 Fonctionnement : La FIGURE IV.6 (a) donne le schéma avec interrupteurs mécaniques, qui explique le principe de fonctionnement d’hacheur parallèle. Quand 𝐾1 est fermé, 𝑖𝐾1 est égal à 𝐼, 𝑖𝐾2 nul, 𝑣𝐾1 nulle et 𝑣𝐾2 égale à +𝑈′ . Quand 𝐾2 est fermé, 𝑖𝐾1 est nul, 𝑖𝐾2 égal à 𝐼, 𝑣𝐾1 égale à −𝑈′ et 𝑣𝐾2 nulle. La FIGURE IV.6(c) montre le schéma réel d’hacheur qui est formé de transistor T fonctionne dans la période entre 0 et 𝛼𝑇 et une diode D (Pour 0 < 𝑡 < 𝛼𝑇, le transistor T conduit : 𝑢 = 0 , 𝑖′ = 0 , 𝑖𝐷 = 0, 𝑣𝐷 = −𝑈′ , 𝑖𝑇 = 𝐼, 𝑣𝑇 = 0 et Pour 𝛼𝑇 < 𝑡 < 𝑇, la diode D conduit : 𝑢 = 𝑈′ , 𝑖′ = 𝐼 , 𝑖𝐷 = 𝐼, 𝑣𝐷 = 0 , 𝑖𝑇 = 𝐼, 𝑣𝑇 = +𝑈′). c Hacheur réversible en courant Dans ce système, avec les deux interrupteurs on peut commander le transfert de l’énergie dans les deux sens entre une source de tension et une source de courant, pour ce montage on utilisent un interrupteur qui est formé de deux composants. Le premier est un composant commandé à l'amorçage et au blocage (transistor, IGBT, GTO…), le second est une diode et les deux sont montés en anti-parallèle. Fonctionnement : Ce convertisseur résulte de l’association d’un hacheur série, formé par 𝑇1 et 𝐷1, et d’un hacheur parallèle, formé par 𝑇2 et 𝐷2 comme montre dans la FIGURE IV.7. FIGURE IV. 6 FONCTIONNEMENT D’UN HACHEUR SURVOLTEUR
  • 62. Chapitre IV 62 Tant que le courant iL est positif, 𝑇1 et 𝐷2 assurent le fonctionnement de l’hacheur en conduisant à tour de rôle comme nous l'avons expliqué précédemment. Si 𝐼′ vient à s'annuler puis changer de signe, alors, dès que l'on détecte le passage par 0, on lance la commande de 𝑇2 . C'est alors 𝑇2 et 𝐷1 qui assurent à tour de rôle la conduction. d Hacheur en pont La structure d’un hacheur à quatre interrupteurs (ou en pont) offre plus de possibilités que celle à deux interrupteurs car elle permet de relier chacune des bornes de sortie à chacune des bornes d’entrée ou de les séparer, Comme pour le hacheur simplement réversible en courant, ce sera la diode ou le transistor qui sera passant, suivant le signe du courant dans l'interrupteur, la structure de ce type est représentée dans la FIGURE IV.8 et La tension moyenne de sortie et le courant moyen de sortie peuvent être positifs ou négatifs. Source et charge peuvent avoir leurs rôles inversés suivant le signe de ces grandeurs. FIGURE IV. 7 HACHEUR REEVERSIBLE EN COURANT FIGURE IV. 8 HACHEUR EN PONT
  • 63. Chapitre IV 63 IV.4 MODELE MATHEMATIQUE DE CONVERTISSEUR DC/DC Dans cette partie, on va présenter le modèle mathématique d’un hacheur série (dévolteur), le circuit électrique de ce type de convertisseur est montré dans FIGURE IV.9 et sa présentation par de des équations mathématiques prendre en compte l’état de l’interrupteur T. [32] On cherche d’établir les fonctions de transfert qui relient la tension et le courant avec le rapport cyclique α par l’analyse de circuit électrique dans les deux états d’interrupteur. Dans la première phase l’interrupteur S est fermée pendant : 0 < 𝑡 < 𝛼 𝑇 Par l’application des lois du Kirchhoff sur le circuit représenter dans Figure IV.10, on obtient : { 𝐿 𝑑𝑖 𝑑𝑡 = 𝐸 − 𝑉 𝑠 𝐶 𝑑𝑉𝑠 𝑑𝑡 = 𝑖𝐿 − 𝑉𝑠 𝑅 …………………………………………………………..……………….………….……… (IV. 5) FIGURE IV. 9 HACHEUR DEVOLTEUR FIGURE IV. 10 PHASE DE CHARGE
  • 64. Chapitre IV 64 L’équation (IV.5) implique que : { 𝑑𝑖 𝑑𝑡 = 𝐸 𝐿 − 𝑉𝑠 𝐿 𝑑𝑉𝑠 𝑑𝑡 = 𝑖𝐿 𝐶 − 𝑉𝑠 𝑅𝐶 ……………………………………………..………………..……………….………….……… (IV. 6) Donc, 𝑑 𝑑𝑡 (𝑖𝐿 𝑉𝑠 ) = ( 0 − 1 𝐿 1 𝐶 − 1 𝑅𝐶 ) . (𝑖𝐿 𝑉𝑆 ) + ( 1 𝐿 0 ) . 𝐸 ………………………………………..……….………….……… (IV. 7) L’équation (IV.7) est de la forme : 𝑑 𝑑𝑡 (𝑖𝐿 𝑉𝑠 ) = 𝐴1. (𝑖𝐿 𝑉𝑆 ) + 𝐵1. 𝐸 ………………………………………..……….………………………..……… (IV. 8) Dans la deuxième phase l’interrupteur S est ouverte pendant : 𝛼 𝑇 < 𝑡 < 𝑇 Par l’application des lois du Kirchhoff sur le circuit représenter dans Figure IV.11, on obtient : { 𝐿 𝑑𝑖 𝑑𝑡 = −𝑉 𝑠 𝐶 𝑑𝑉𝑠 𝑑𝑡 = 𝑖𝐿 − 𝑉𝑠 𝑅 ……………………………………………………..……….………………………..……… (IV. 9) L’équation (IV.9) implique que : { 𝑑𝑖 𝑑𝑡 = − 𝑉𝑠 𝐿 𝑑𝑉𝑠 𝑑𝑡 = 𝑖𝐿 𝐶 − 𝑉𝑠 𝑅𝐶 ……………………………………………..……….…………….…………………..……… (IV. 10) FIGURE IV. 11 PHASE DE DECHARGE
  • 65. Chapitre IV 65 Donc, 𝑑 𝑑𝑡 (𝑖𝐿 𝑉𝑠 ) = ( 0 − 1 𝐿 1 𝐶 − 1 𝑅𝐶 ) . (𝑖𝐿 𝑉𝑆 ) + (0 0 ). 𝐸 ……………………….………………...………………..……… (IV. 11) L’équation (IV.11) est de la forme : 𝑑 𝑑𝑡 (𝑖𝐿 𝑉𝑠 ) = 𝐴2. (𝑖𝐿 𝑉𝑆 ) + 𝐵2. 𝐸 ……………………….…….…………………..…...………………..……… (IV. 12) Les coefficients du modèle moyen du convertisseur : { 𝐴 = 𝛼. 𝐴1 + 𝐴2. (1 − 𝛼) 𝐵 = 𝛼. 𝐵1 + 𝐵2. (1 − 𝛼) ………………………….…………….……..…...……….……………..…… (IV. 13) Après le remplacement dans l’équation (IV.13), Les matrices A et B devient : 𝐴 = ( 0 − 𝛼 𝐿 𝛼 𝐶 − 𝛼 𝑅𝐶 ) + ( 0 − 1−𝛼 𝐿 1−𝛼 𝐶 − 1−𝛼 𝑅𝐶 ) = ( 0 − 1 𝐿 1 𝐶 − 1 𝑅𝐶 ) …………………….…….……………..…… (IV. 14) Et, 𝐵 = ( 𝛼 𝐿 0 ) + ( 0 0 ) = ( 𝛼 𝐿 0 ) …………………………………………………………...………..………… (IV. 15) La forme matricielle du système complet est donnée par : 𝑑 𝑑𝑡 (𝑖𝐿 𝑉𝑠 ) = ( 0 − 1 𝐿 1 𝐶 − 1 𝑅𝐶 ) . (𝑖𝐿 𝑉𝑆 ) + ( 𝐸 𝐿 0 ) . 𝛼 …………………………..………...……….……………..…… (IV. 16) L’équation (IV.16) nous donne les deux équations déférentielles qui relié les entrées (tension et courant), les sorties et le rapport cyclique α, cette équation nous permet d’établir le schéma bloc sous MATLAB/Simulink de l’hacheur dévolteur comme monter dans FIGURE IV.12. FIGURE IV. 12 E SCHEMA BLOC SOUS MATLAB/SIMULINK DE L’HACHEUR DEVOLTEUR