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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIREMINISTERE DE L"ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUEUNIVERSITE CONSTANTINE1FACULTE DES SCIENCES DELA TECHNOLOGIEDEPARTEMENT D"ELECTROTECHNIQUEN0d"ordre : .....................Série : ...........................MémoirePrésenté en vue de l"obtention du diplôme deMagisterenElectrotechniqueOption:Modélisation etcontrôledes procédés de conversion de l"énergie électriqueParSAADI FatimaCommande d"un Convertisseur Électromécanique:Application à un Système ÉolienSoutenu le :02/12/2013Devant le jury composé de:Président:BOUZID AISSAProfesseurUniv. Constantine1Rapporteur:KERDOUN DjallelMCAUniv. Constantine 1Examinateurs:LABED DjamelMCAUniv. Constantine 1MEHASNI RabiaMCAUniv. Constantine 1Promotion 2013-2014

oe 3 ''''''''' ' ''''''oe 4 5 6

:Vitesse nominaledu vent:Puissance nominale:Vitesse de démarrage:Vitessemaximale du ventԦ: Vecteur vitesse du vent: Angle de calage des pales d'une éolienne à axehorizontali : Angle d'incidence des palesd'une éolienne à axe horizontalԦ: Composante de la vitesse du ventdue à la rotation de la turbineԦ: Résultante des vecteursԦetԦ:Vitesse pour la quelle le générateur commence à fournir de la puissance:Valeur de la vitesse pour laquelle la machine doit être arrêtée:Valeur de vitesse pour laquelle le rotor de la turbine commence à tourner:Amplitudede la tension de référenceǣFréquence des modulatricesUred: Tension de sortie du redresseurIred:Courant de redresseur:Tension instantanéedu bus continuC: Condensateur du bus continuH: Représente la fourchette (ou largeur)ҧ: Vecteur de la tension de ligneҧR: Résistance du filtre de raccordementL: Inductance du filtre de raccordementǡ: Courants instantanés des phases:Courant de référencedu redresseur: Courant de la charge non-linéaire: Courant de capacité

: Courant actif nécessaire pour charger le bus continuǡ: Tensions de réseauǡ:Tensions statoriques dans le repèreǡ:Tensions rotoriques dans le repèreǡ:Courants statoriques dans le repèreǡ:Courants statoriques dans le repèreǡ:Flux statoriques dans le repèreǡ:Flux rotoriques dans le repère:Résistances respectives des bobinages statorique et rotorique:Inductances cycliques respectives des bobinagesstatorique et rotoriqueș:Ldpour les grandeursstatorique etpour les grandeurs rotorique):du rotor par rapport au statorǡǡ:Valeurs instantanées des grandeurs triphaséesǡ: Valeurs instantanées des grandeurs biphasées,: Composante homopolaireǡ: Puissances active statorique et rotoriqueǡ: Puissances réactive statorique et rotorique: Coupleélectromagnétique développé par la machineǡ:Inductances propres d'une phase statorique et rotoriqueǡ:Inductancescyclique des fuits:Id:Inductance de fuitestotales: Résistance rotorique ramenée au statorg: Glissement.

8 9

SOMMAIREChapitre 1:Généralités sur les systèmes éoliensIntroduction........................................................................

....................................................101.1.1...1112..............121.1.3.6 Une nacelle...........................................................................

..................................121.1.3.9 Frein à disque........................................................................

.................................131.1.3.10 Système de contrôle commande...........................................................................131.2.L..................................13.131.2.2 Eoliennes à axe horizontal............................................................................................14......141.3.1 Loi de BETZ...............................................................................

1.4.1 Modélisa1.4.2221.4.3Principes de contrôle de la puissance...231.4.3.1Système à décrochage aérodynamique "stall"241.4.3.2Système d'orientation des pales "pitch"Chapitre II8.282.32.3.12.3.1.1Redresseur MLI de2.3.1.22.3.2 Le principe de fonctionnement de redresseur MLI......................................................322.3.3.2 MLI à échantillonnage périodique2.3.3.3 MLI à porteuse triangulaire2.3.3.4 MLI vectorielle2.3.4 Modélisation du redresseur MLI2.3.4.1 Représentationfonctionnelle du redresseur MLI dans le référentiel triphasé2.3.4.2 Représentation fonctionnelle du redresseur MLI dans le référentiel fixe........402.3.4.3Représentation fonctionnelle du redresseur MLI dans le référentiel tournantdq..41

Chapitre III3.1.1. Eolienne à machi3.1.3 Génératrices synchrones..............................3.2Machine asynchrone à cage d'écureuil...............................................................................503.2.1 Principe de fonctionnement........................................................................

.................503.3.1 Hypothèses simplificatrices.........................................................................................523.3.2 Modèle de la génératrice asynchrone dans le Repère(abc).......................................523.3.3 Modèle de la génératrice asynchrone dans le repère de Park (dq) .............................533.3.3.1 Transformation de Park.........................................................................................533.3.3.2 Équations de flux en coordonnées de Park...........................................................563.3.3.3 Équation de tension dans le référentiel de Park....................................................563.3.3.4 Équations des puissances dans le référentiel de Park...........................................563.3.33.4 Choix du référentieldq........................................................................

.............................573.4.1 Référentiel lié au stator......................................................................................

.........573.4.2 Référentiel lié au rotor........................................................................

........................573.4.3 Référentiel lié au champ tournant...............................................................................573.5 Fonctionnement de la génératrice asynchrone à vide.......................................................58

3.6 Fonctionnement en linéaire...............................................................................................603.7 Fonctionnement ensaturation......................................................................

.....................623.7.1 Influence de la capacité...............................................................................................643.7.2 Capacité min3.7.3 Influence du champ rémanent.....................................................................................653.7.4 Influence de la vitesse..........................................................................

.......................663.7.4.1 Variation soudaine de la vitesse............................................................................66auto amorçage.......................................................................673.7.4.3 Influence de la vitesse...........................................................................................683.8 Détermination de la valeur des capacités d'auto-amorçage..............................................68Chapitre IV4.1Tension triphaséesource dePWM (modèle redresseur).................................................734.1.1 Conceptiondeboucle de courant..............................................................................744.1.2 Conceptiondeboucle de tension...............................................................................754.2Les résultats de simulation........................................................................

.......................7637 14

Introduction générale

Introduction générale esénergiesrenouvelablesnes. Dansles dernières années,la populationmondialea commencé à se sensibiliser aux énergiesalternatives ou "propres», àcause des changements climatiques du globe. Grâce à cette prise vient se rajouter le problème de la demande énergétiquemondialequ relientnsauvegardant la démocratie et la paix dans le monde. Le développement rapide deso-(2009-2013). Au moins 60% des coûts de chaque parc éolien devront être engagés au Québec,ce qui recoûte, très approximativement, deux millions de dollars (selon le directeur général du CRCD).Le document a été organisé en quatre chapitres:Dansle premier chapitrenous allons présenter une généralité sur les systèmes éoliensàtravers les équations et les concepts physiques régissant leur fonctionnement.Le second chapitreredresseurs à Le troisiéme chapitrede ce mémoire sera concerné à la modélisation de lagénératriceasynchrone à cage d'écureuil auto-excitée parune batterie de capacités. Cela nous amène, à

maximales.Ensuite,le quatriéme chapitresera consacré à la modélisation et la simulation de la chaineéolienne,une amélioration importante sera obtenue pour la modélisation du redresseur. Cetteaméliorationrend la conception dudispositif de commandesimple. Le contrôleur peut êtreconçu analytiquement et de façonindépendante avec le point de fonctionnement. Lasolutionproposée dansce chapitre nécessite la détection detension d'entrée, le courant de ligne et latension de sortie.

17 Chapitre IGénéralitéssur lessystèmeséoliens 18

Introductiondes navires et pour les moulins de blé entre autres. Elle fut cependant négligée pendant leannées 70 après le choc pétrolier et les premières alertes dues au réchauffement de la planète, lienne, aussi le développement des nouvellestechnologies rend la conversion de cette énergie de plus en plus rentable et économiquementan pendant la dernière décennie [1].1.1Descriptif etqualités de l'énergie éolienne1.1.1Définition de l'énergie éolienneUn aérogénérateur, plus communément appelé éolienne, est undispositif qui transformeunepartie de l'énergie cinétique du vent (fluide en mouvement) enénergie mécaniquedisponible sur un arbre de transmission puis en énergie électrique par l'intermédiaire d'unegénératrice(Figure1.1).

Figure 1.1 Conversion de l'énergie cinétique du vent[2]L'énergie éolienne est une énergie "renouvelable" non dégradée, géographiquementdiffusée, de plus, c'est une énergie qui ne produit aucun rejet atmosphérique ni déchetradioactif. Elle est toutefois aléatoire dans le temps et son captage reste assez complexe,nécessitant des mâts et des pales de grandes dimensions (jusqu'à60 mpour des éoliennes deplusieurs mégawatts) dans des zones géographiquement dégagées pour éviter les phénomènesde turbulences [3].

1.1.2 Principe de fonctionnementinstallationéolienne est relativement simple: le vent faitréseau électrique oudes batteries de stockage[4].1.1.3Principaux composants d'une éolienne

Figure 1.2[5]1.1.3.1 Les palesElles transfèrent la puissance du vent au moyeu du rotor.longs et plus de 2,5 mètres de large.Matériaux: fibre de verre[5].1.1.3.2Moyeu du rotorLemoyeu est une pièce en acier moulé. Il supporte les pales et relie le rotor à la nacelle. Il fait[6].1.1.3.3Un rotorComposé de plusieurs pales (en général trois) et du nez de l'éolienne. Le rotorest entraînépar l'énergie du vent, il peut être couplé directement ou indirectement à une pompe (cas deséoliennes de pompage) ou plus généralement à un générateur électrique. Le rotor est relié à lanacelle par le moyeu[7].

1.1.3.4Arbrede transmissionIl peut avoir 1 ou 2 arbres dans une nacelle.1er arbre:20 tours/minute.2éme arbre:disque actio.[5].1.1.3.5 Un mâtPermet de placer le rotor à une hauteur suffisante pour permettre son mouvement(nécessaire pour les éoliennes à axehorizontal) et/ou placer ce rotor à une hauteur luipermettant d'être entraîné par un vent plus fort et régulier qu'au niveau du sol. Le mât abritegénéralement une partie des composants électriques et électroniques (modulateur, commande,multiplicateur, générateur, etc.)[8].1.1.3.6 Une nacelleMontée au sommet du mât, abritant les composants mécaniques, pneumatiques, certainscomposants électriques et électroniques, nécessaires au fonctionnement de la machine[8].1.1.3.7Le générateurLe générateur utilise l'énergie cinétique du vent pour entraîner l'arbre de son rotor : celle-ciest alors convertie en énergie mécanique elle-même transformée en énergie électrique par unegénératrice électromagnétique accouplée à la turbine éolienne.Ce couplagemécanique peutêtre soit direct:silaturbine etlagénératrice ont des vitesses du même ordre de grandeur;soitréalisé par l'intermédiaire d'un multiplicateur dans le cas contraire[8].1.1.3.8TransmissionmécaniqueAppelée aussi multiplicateur,elle adapte la vitesse de rotation au fonctionnement de la[5].1.1.3.9Freinà disque[5].1.1.3.10Systèmede contrôlecommande

D, lesystème stoppetransmetle[5].1.2LesdifférentsLes éoliennesse divisent en deux grandes familles: celles à axe vertical et celles à axehorizontal.1.2.1 Eoliennes à axe verticalprésente et de posséderune partie mécanique(multiplicateur et génératrice) au niveau du sol, facilitant ainsi les interventions demaintenance [9]. En revanche, certaines de ces éoliennes doivent être entraînées au démarrageà cause des gabarits de leur mat qui subit de fortes contraintes mécaniques poussant ainsi lesconstructeurs à pratiquement abandonner ces aérogénérateurs (sauf pour les très faibles3].

Figure 1.3Eolienne à axevertical[10]1.2.2 Eoliennes à axe horizontalLes éoliennes à axe horizontal, plus largement employées, nécessitent souvent undémarrent de façon autonome etprésentent un faible encombrement au niveau du sol[11].compromis entre le coefficient de puissance, le coût et la vitesse de rotation du capteur éolien[9moins important [11].

22
23
24
321
2 22
1 2 1))(( 41

AvvvvvA

PPC mtm p 2 12

1)(121

vv vv PPC mtm 21

Figure 1.5Coefficient de puissance en fonction du rapport de vitesse du ventCeci a été dérivé la première fois par A. Betz, et ce s'appelle le " facteur de Betz " ou "limite de Betz "[12], [13], [14].Cette valeur estla valeur théorique maximum du coefficientde puissance, donc, l'efficacité théorique maximum qu'un convertisseur d'énergie éoliennepeut avoir est 59,3%.Il est bon de mentionner que cette valeur du coefficient de puissance aété obtenu pour un idéal, unconvertisseur de flux de frottement.Dans de cas réels, l'éolienne aura toujours un plus petit coefficient maximum de puissanceque le facteur de Betz; c'est dû à beaucoup de pertes aérodynamiques qui dépendent de laconception de rotor et de laconstruction (nombre de pales, de poids, de rigidité, etc..). Lecoefficient de puissance et l'efficacité d'un système d'éoliennes sont différents. L'efficacitéd'une éolienne inclut la perte dans la transmission mécanique, la production d'électricité,les

pertes de convertisseur, etc., où le coefficient de puissance est l'efficacité de convertir lapuissance du vent en puissance mécanique dans l'arbre du rotor.(Figure1.6)montre undiagramme avec les pertes d'un système de la turbine éolienne[15].

Puissance du ventBoîte de vitesseGénérateurConvertisseur électroniquePuissance de sortie

Les Pertes dans les lames etle mécanisme tournants derotorPertes de la boîteLes pertes dans le générateurLes pertes dans le convertisseurélectronique

26
Figure 1.7Coefficient de puissanceെȜpourൌʹι 27

1.3.2.2 Modèle de la partie mécaniqueLapartie mécanique de la turbine comprend trois pales orientables et de longueurR. Elles π, relié à unmultiplicateur de gainG.Ce multiplicateur entraîne la génératriceélectrique. Les trois palessont considérées identiques. De plus, on considère une répartition uniforme de la vitesse duvent sur toutes les pales et donc une égalité de toutes les forces de poussée. Ainsi, on peute un seul et même système mécanique caractérisepar la somme de toutes les caractéristiques mécaniques. De part la conception aérodynamiqueles pertes par frottement seront négligeables devant les pertes par frottement du côté de lagénératrice. Sur la base de ces hypothèses, on obtient alors un modèle mécanique de la turbineéolienne (figure 1.8).

28
Figure 11.4Stratégies de1.4.1 Modélisation des pales (Bilan desforces) 29

Figure 1.10Bilan des forcesLa(figure 1.10)du vent arrivant face à cette pale, est représentée par le vecteurԦ.Le vecteurԦreprésentela composante vecteurs est appeléeԦ.Ԧqui se décomposeen une poussée axialeԦdirectement compensée par la résistance mécanique du mat et unepoussée en direction de la rotationԦqui produit effectivement le déplacement. Chaqueturbine éolienne est ainsi dimensionnée pour que cette force atteigne sa valeur nominale pourune vitesse de vent nominale donnée. Lorsque la vitesse du vent devient trop élevée ou si laannulée ou limitée à sa valeur nominale.eti1.4.2Régulation mécaniqueUne turbine éolienne est dimensionnée pour développer sur son arbre une puissancedénommée puissance nominale , dénomméevitesse nominale. Lorsque la vitesse du vent est supérieure à, la turbine éolienne doitrotation reste pratiquement constante [19-22].A côté de la vitesse nominale, on spécifieaussi :la vitesse de démarrage, à partir de laquelle l'éolienne commence à fournir de l'énergiela vitesse maximale du vent, pour laquelle la turbine ne convertit plus l'énergieéolienne, pour des raisons de sûreté de fonctionnement.Lesvitesses,etdéfinissent quatre zones sur le diagramme de la puissance utile enfonction de la vitesse du vent :

Figure 1.11

Figure 1.12ofil de pale " stallԦ: Vecteur vitesse du vent.: Angle de calage des pales d'une éolienne à axe horizontal.i : Angle d'incidence des pales d'une éolienne à axe horizontal.Ԧ: Composante de la vitesse du vent due à la rotation de la turbine.Ԧ: Résultante des vecteursԦetԦ.pales qui conduit à une perte de portance au-courbe dedépasse sa valeur nominalecréeequi entraîne des turbulences à la surface de la pale (figure 1.12) et par conséquent une baisse

du coefficient de puissance. Ceci empêche alors une augmentation de la vitesse de rotation[18].Ce système est simple et relativement fiable mais il manque de précision car il dépend de lamasse volumique de l'air et de la rugosité des pales [18].Les éoliennes à vitesse variable, de puissance nettement supérieure, utilisent un systèmedes considérations technico-économiques [23].1.4.3.2Système d'orientation des pales "pitch" aérodynamique, de maintenir constante la puissance de la machine pour une vitesse de ventsupérieure à(figure 1.13maintenir une puissance sensiblement constante (zoneIIIde lafigure 1.11).

Figure 1.13Génération à puissance électrique constante (pâles orientables) [24].Avec:: La vitesse pour la quelle le générateur commence à fournir de la puissance.: La valeur de la vitesse pour laquelle la machine doit être arrêtée.: La puissa: La valeur de vitesse pour laquelle le rotor de la turbine commence à tourner.: La valeur de vitesse pour laquelle la puissance nominale est atteinte.miter la puissance générée. Avecun tel système, la pale est tournée par un dispositif de commande appelé " pitch control ». En

précisément le coefficient de puissance. Les pales sont face au vent en basses vitesses, puis,4].

Figure 1.14Variation de l'angle de calage d'une palevariable et régulation pitch.Il utilise pour cela une5]Le système de régulation de la puissance par orientation des pales possède les avantagessuivants [24]: STALL pour la plage de fonctionnement correspondant aux fortes vitesses de vent.limiteCe type de régulation réduit les efforts mécaniques lors des fonctionnements souspuissance nominale et sous grandes vitesses. 6 e régulation réduit les efforts mécaniques lors des fonctionnements sous puissance nominale etsous grande vitesse et permet également de freiner la turbine si nécessaire.Certains aérogénérateurs combinent les avantages des deux systèmes en réalisant un contrôlestall-actif.En 2000, environ 60% des aérogénérateurs utilisaient la régulation "stall» mais lespitch» [25].

vitesse du vent pour maintenir une puissance sensiblement constante dans la zone III devitesse. les caractéristiques de la figure 1.13 qui présentent la puissance de la turbine en fonction de lavitesse de rotation pour différentes vitesses de vent. [19-22]

Figure 1.15Puvitesse du vent.ConclusionCe chapitre nous a permis de dresser un panel des solutions électrotechniques possiblespour la production d'énergie électrique grâce à des turbines éoliennes. Les différents typesd'éoliennes et leurmeilleure compréhension du fonctionnement des turbineséoliennes, partantde la conversion delBetz), nous avons décrit de façon explicite les différents éléments constitutifs de la turbine.

34
Chapitre IIGénéralité sur lesredresseurMLI 35

IntroductionLes montages redresseurs, souvent appelés simplement redresseurs, sont les convertisseursde l'électronique de puissance qui assurent directement la conversion alternatif-continu.Alimentés par une source de tension alternative monophasée ou polyphasée, ils permettentd'alimenter en courant continu le récepteur branché à leur sortie. l'énergie électrique est disponible en alternatif. Comme c'est sous cette seconde forme quel'énergie électrique est presque toujours générée et distribuée, les redresseurs ont un très vastedomaine d'applications.Les redresseurs à diodes, ou redresseurs non contrôlés, ne permettent pas de faire varier lerapport entre la ou les tensions alternatives d'entrée et la tension continue de sortie. De plus,ils sont irréversibles, c'est-à-dire que la puissance ne peut aller que du côté alternatif vers lecôté continu.Les redresseurs à thyristors, ou redresseurs contrôlés, permettent, pour une tensionalternative d'entrée fixée, de faire varier la tension continue de sortie. Ils sont de plusréversibles ; lorsqu'ils assurent le transfert de puissance du côté continu vers le côté alternatif,on dit qu'ils fonctionnent en onduleurs non autonomes.Pour alimenter des récepteurs à courant continu ou des cascades de type onduleur-commutation naturelle ou forcée.Cependant ces dernières présentent certains inconvénientsrise son fonctionnement enredresseurMLIen continualternatif, le courant prélevé sur ce réseau étantsinusoïdalet, éventuellement, en phase aveclatension. On peut donc,avec un redresseur MLI, obtenir un facteur de puissance très prochede2.1Modèle du redresseur redresseur de courant. Les modèles élaborés pour les onduleurs de tension à deux niveaux

sont valables pour les redresseurs de tension en tenant compte des nouvellesconventions desdeux sources (réseaux et la charge).Tableau 2.1 Les huit états possibles interrupteursK01234567

11000101

01110001

00011101

0െെ000

00െെ00

Figure 2.12.3Redresseur à commande MLICo semi-commande àassez élevée.2.3.1à commandeMLIIl existe deux structures des redresseurs MLI sont les suivantes:Redresseur MLI de courant.Redresseur MLI de tension.2.3.1.1Redresseur MLI de courantUn redresseurMLIde courant:est alimenté par une source de courant sinusoïdal.débite sur un récepteur de tension continue.

Dans ce cas, le réseau peut être assimilé à une source def.é.msinusoïdaleseA, eB, eCensérie avec des inductances. Pour que l'entrée du redresseur soit alimentée par une sourcedecourant, on y ajoute une inductance supplémentaire (c'est souvent l'inductance de fuitesvolontairement accrue du transformateur d'ordinaire placée entre le réseau et le redresseur).On désigne parLl'inductance totale par phase.Pour que l'ondulation de la tension de sortieUredsoit faible malgré le caractère haché du courantired, on monte une capacité aux bornes durécepteur.

Figure 2.2Redresseur MLI de courant triphasé.2.3.1.2Redresseur MLI de tensionLe redresseur MLIde tension, alimenté par une source de tension sinusoïdale, débite sur unrécepteur de courant continu.

Figure 2.3Redresseur MLI de tension triphasée.

On doit dériver des condensateurs entre les bornes d'entrée du convertisseur pour quecelui-ci soit alimenté par une source de tension. On désigne parC'les capacités en étoile.A la sortie on ajoute une inductance de lissage à l'inductance du récepteur pour quel'ondulation du courantIredd'une part et d'autre part de sa valeur moyenneI'soit faible.Les redresseurs de tension sont de plus loin extensivement utilisés et en raison de ladualité des deux topologies, seulement ce type du redresseur serait expliqué en détail.2.3.2 Leprincipe de fonctionnement de redresseur MLILe redresseur de tension fonctionne en gardant la tension du bus continu à une valeur deréférence désirée, en utilisant une commande en boucle fermée,comme montré dans la (figure2.4). pour accomplir cettetâche, la tension du bus continuest mesurée et comparée avecune référence lamesurée aux bornes du condensateurC.Quand le courantest positif (fonctionnement redresseur), le condensateurCestdéchargé, et le signasource alternative. Le bloc de commande prend la puissance de la source alternative enproduisant un signal MLI approprié pour les six interrupteurs. De cette façon, un écoulementplus de courant de la source alternative au côté continu, et la tension de condensateur estrécupérée. Inversement,quanddevient négatif (fonctionnement onduleur), le condensateurC décharger lecondensateur, et la puissance retourne à la source alternative.La commande MLI non seulement peut contrôler la puissance active, mais également lapuissance réactive, ce type du redresseur permet la correction du facteur de puissance. Ensinusoïdales, ce qui réduit la distorsion de la source.

40
Fi2.3.3 Les techniques de commande MLI2.3.térésiscomparateur à hystérésis par phase.

FiLe comparateur à hystérésis fonctionne selon le principe expliqué dans la (figure 2.5),H/2, il se ferme si cette dernière est maintenant comprise entreette2.3.3.2 MLI à échantillonnage périodique

41
La-conducteurs constituant le filtre à fréquence fixest que le temps minimal entre les

Figure 2.6 Modulateur MLI à échantillonnage périodique.2.3.3.3 MLI à porteuse triangulaire triangulaire.

Figure 2.7 Modulateur MLI à porteuse triangulaire.2.3.3.4 MLI vectorielleDanssont calculés analytiquement à travers des équations mathématiques. Chacun des états vecteurs forme le diagramme vectoriel des tensions du convertisseur.

autres techniques par le fait que les signaux detemps.2.3.4 Modélisation du redresseur MLIur connecté au réseau,est tension de la source et R, L sont les paramétres de la ligne,ҧredresseur [41].

FiLe courant de ligneҧL, et . Le pont redresseur estconstitué de trois bras avec deux transistors (thyristors) bipolaires antiparallèle avec desdiodes (figure 2.9), qui sont présentées comme des interrupteurs peuvent être commandés en vest en fonction des états de cesinterrupteurs.

Figure 2.9 Pont redresseur

43
44
45
46
47
48

Figure 2.14 Schéma fonctionnel du redresseur MLI de tension dans le référentiel tournantdq2.3.5 Contrôle en courant du redresseur MLI [42], [43]2.3.5.1 Configuration des circuits de contrôleLe contrôle de la tension continue tension continueest mesuré est comparé à une référence̴obtenu à partir de cette comparaison est employé pour produire un fo

49
50
Chapitre IIIModélisation des différentesparties de la chaine deconversion 51
52

filtres et des capacités de compensation réactive sont aussi ajoutés pour améliorer la qualité de en un générateur électrique synchrone ou asynchrone.Les machines synchrones utilisées sontplutôt à rotor bobiné avec un grand nombre de pôles[27]; elles tournent, donc, à une vitesselente et elles sont connectées à des réseaux de moyenne tension. La turbine éolienne estdirectement reliée au rotor sans multiplication de vitesse.Les machines à réluctance variablese classent aussi sous cette catégorie de générateurs[28]. Ces générateurs sont connectés auréseau 50HzLa puissance produite parces éoliennes est généralement faible.bobiné. Ces machines tournent à une vitesse beaucoup plus importante que celle de la turbinepour les fortes puissances et retenue par les constructeurs pour la connexion au réseaumoyenne tension.La machine asynchrone fonctionne en mode moteur ou générateur. Elle peutêtre alimentéepar le stator (machine à cage ou à rotor bobiné court-circuité) ou par le stator et le rotor à lafois (machine à rotor bobiné).3.1.1Eolienne à machine asynchrone à cageolienne dans cette configuration entraîne une machine asynchrone à cage connectée aufigure 3.1).

Figure3.1 Eolienne à MAS pilotée au stator [21] 53

Le redresseur assure des tensions et des fréquences variables à la sortie du générateur ce quider constante la tension de buscontinu,représenté par une capacité sur la (figure 3.1).Les pales de la turbine éolienne sont orientables (commandable) pour permettre de limiterla puissance électrique produite constante et égale à sa valeur nominale lors des vitesses duvent très importantes.3.1.2 Eolienne à machine asynchrone à double alimentationDanscette conception le stator de la machine asynchrone est connecté directement auréseau. Le convertisseur de puissance se trouve au circuit rotorique. Le redresseur alimente les éaliser des économies sur les convertisseurs depuissance car la puissance car la puissance transitée par le circuit rotorique est faible parrapport à la puissance statorique dans la 1éreconfiguration [24].

Figure3.2 Eolienne à MADA pilotée au rotor[30]3.1.3 Génératrices synchronesde vitesse. Elles sont en effet bien adaptées à des vitesses de rotation relativement importanteset uncouple insuffisant pour un couplage mécanique direct sur les voilures éoliennes.

Par contre, les machines synchrones sont connues pour offrir des couples très importants àdimensions géométriques convenables. Elles peuvent donc être utilisées en entraînementdirect sur les turbines éoliennes.Les systèmes de ce type possèdent aussi leurs défauts. Les machines synchrones à rotorbobiné demandent un entretien régulier de système des bagues et balais. Le circuitce du réseau et une fourniture de la puissance fonctionnement énergétique. Le couplage direct sur le réseau est proscrit car étant beaucouptypede machine qui sont donc à vitesse variable. Mais, contrairement aux génératricesMADA (Machines Asynchrones à Double Alimentation) la chaîne de conversion placée sur lestator doit être dimensionnée pour la totalité de la puissance du système de production.Le développement des matériaux magnétiques a permis la construction de machinessynchrones à aimants permanents à des coûts qui deviennent compétitifs. Les machines de cetype sont à grand nombre de pôles et permettent de développer des couples mécaniquesconsidérables. Il existe plusieurs concepts de machines synchrones à aimants permanentsdédiées aux applications éoliennes, des machines de construction standard (aimantationradiale) aux génératrices discoïdes (champs axial), ou encore à rotor extérieur.viable économiquement, ce qui en fait un concurrent sérieux des génératrices asynchrones àdouble alimentation. Les systèmes de ce type ont un taux de défaillance jugé faible grâce à lasuppression de certaines sources de défauts : suppression du multiplicateur de vitesse et dusystème de bagues et balais pour les génératrices à aimants (figure3.3sont alors minimisés ce qui est très intéressant dans les applications éoliennes, en particulierdans les sites difficilement accessibles (offshore par exemple). La présence obligatoire dedonc une optimisation énergétique efficace.

Figure3.3Système éolien basé sur la machine synchrone à aimants permanents[31]Une autre solution (figure3.4) est le redressement à diodes placé directement derrière laréglable. Une version dérivée de cette structure sera étudiée plus amplement dans la suite dece document.

Figure3.4Système basée sur la machine synchrone etleredresseur à diodes[31]Les systèmes de très petite puissance peuvent être simplifiés radicalement. En choisissantjudicieusement les paramètres (paramètres machine et tension continue) du systèmereprésenté sur la(figure3.5), un système à vitesse " non constante », à coût minimum eténergétiquement assez performant peut être obtenu [32].

Figure3.5Système éolien à coût minimum[31]C'est dans ce chapitre, enconservela modélisation de la génératrice asynchrone auto-excitée biphasée de la GAS à cage tout en tenant compte de la saturation du circuitmagnétique -amorçage de la GAS à cage ; nous allons ensuite modéliser lesdifférentes charges statiques.LeGénérateur asynchrone à cageprésente des avantages de modicitéetderobustesse.Ltation électrique du rotor et lafacilité de couplage au réseauont faitun choix intéressant pour les installations de production électrique de faible puissance.Le principal inconvénient de cette solution est la consommation de puissance réactive,par3.2Machine asynchrone à cage d'écureuilContrairement aux autres moyens traditionnels de production d'énergie électrique oùl'alternateur synchrone est largement utilisé, c'est la génératrice asynchrone à cage d'écureuilqui équipe actuellement une grande partie des éoliennes installées dansle monde. La plupartdes applications utilisant la machine asynchrone sont destinées à un fonctionnement enmoteur, mais cette machine est tout à fait réversible et ses qualités de robustesse et de faiblecoût ainsi que l'absence de balais-collecteurs oude contacts glissants sur des bagues, larendent tout à fait appropriée pour l'utilisation dans les conditions parfois extrêmes queprésente l'énergie éolienne. La caractéristique couple/vitesse d'une machine asynchrone àdeux paires de pôles est donnée sur la(figure3.6).

Figure3.6Glissement d'une génératrice asynchrone3.2.1Principe de fonctionnementLa simulation du phénomène d'auto-excitation de la GASpar un banc de capacités ne peutse satisfaire de ce modèle puisque c'est la saturation elle-même qui fixe le point defonctionnement en régime permanent. En effet lorsque la génératrice est entraînée par undispositif externe, la présence d'un champ rémanent dans le circuit magnétique de lagénératrice crée un couple électromagnétique engendrant une force électromotrice sur lesenroulements statorique. La connexion de capacités sur les phases du stator entraîne alors lacréation d'un courant réactif qui augmente le champ magnétique de la génératrice et parconséquent les forces électromotrices.C'est cette réaction cyclique qui permet à la génératriced'arriver à un régime permanent situé dans la zone saturée. [2]La (figure 3.7)représente l'évolution de la force électromotrice statorique ainsi que lacaractéristique externe du condensateur(ൌoù:est la pulsation des signauxstatoriques) en fonction du courant, pour un fonctionnement à vide de la génératrice.L'interaction des deux phénomènes entraîne l'amorçage de la génératrice jusqu'au point defonctionnementen régime permanent. L'observation de ces courbes montre aisément que deuxphénomènes peuvent modifier l'emplacement du point de fonctionnement sur lacaractéristique de magnétisation :La variation de la capacité d'auto-amorçage qui entraîne une modification de la pentede la droite de charge de la capacité.La variation de la charge connectée sur la machine qui provoque une variation duglissement.

Figure3.7Phénomène d'auto-amorçageLorsque le point de fonctionnement est atteint, la machine délivre une tension au statordont, la valeur efficace est constante. Si l'inductance magnétisante est considérée commeconstante et égale à sa valeur en régime non-saturé, la caractéristique de magnétisation neprésente alors pas de coude de saturation et il n'y a pas d'intersection avec la caractéristiqueexterne du condensateur.L'auto-amorçage est alors possible mais la tension statorique augmente alors jusqu'àatteindre une valeur théoriquement infinie. [2]3.3 Modélisation mathématique de la génératrice asynchrone3.3.1 Hypothèses simplificatricesLa machine électrique étant un système très complexe, nous allons simplifier son étudemoyennant les hypothèses simplificatrices suivantes :iEntrefer constant.iEffet des encoches négligé.iD.iCircuit magnétique non saturé et à perméabilité constante.iPertes ferromagnétiques négligeables.iLprise en compte.Parmi les conséquences importantes ces hypothèses, on peut citer :iL.iLa constance des inductances propres.

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(d)(q).Figure3.9Modèle de MAS à cage dan le repèredqà vide [30]3.15) et (3.16) avec : 65
Phase(d)Phase(q)Figure3.10Schéma monophasé statorique dans le repèredqൌൌ(3.26) 66
Figure3.11 La tension d'auto-amorçage en linéaire 67
Figure3.13La tension d'auto-amorçage en linéaire

Figure3.14Le courant statorique induit enlinéaireDe même, si la valeur du condensateur est telle que൐, la tension (figure 3.15) et lecourant (figure3.16

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Figure3.15La tension d'auto-amorçage enlinéaire 69
Figure 3.17La tension d'auto-amorçage à vide

Figure 3.18Le courant de ligne statorique

Figure 3.19Latensionrotorique à vide

Figure 3.20 Le courant rotorique àvide

Figure 3.21La variation de Lmen fonction deV3.7.1 Influence de la capacitéPour mieux voir l'influence de la capacité sur la tension pour une vitesse donnée (ici1500tr/mn), nous représentons uniquement l'enveloppede la tension d'auto-amorçage (figure 3.22).Sur cette figure on constate que l'augmentation de la valeur de la capacité influesurletransitoire de la tension et aussisursa valeur finale dans des rapportsdifférents àcause de lanon linéarité de la courbe d'aimantation, comme il existe une valeur deCau-delà de laquellela tension n'augmente plus en raison de la saturation du circuit magnétique[44].

Lncl'amorçagepas possible pour une valeur inférieureൌ͵ͺρ. Cela signifie que cette

Figure3.23Résultats obtenus pour (ȝn=1500 tr/min)valeurൌʹͲͲqui au dessus de la quelle la solution diverge.3.7.3 Influence du champ rémanentLa variation de champ rémanent permeigure 3.24est obtenue pour deux valeurs du champ rémanentX1etX2avecX1>X2etn=1500 tr/min,ȝF.

Figure3.24Les résultats obtenus avecles deux valeurs deXavec :=1.5et=0.1Où:(représente le champ rémanent pour== 0.01A) sont représentés sur la figure3.25.

Figure3.253.7.4 Influence de la vitesse3.7.4.1Variation soudaine de la vitesseLa machine est entraînée à la vitessen=1500 tr/mint=1.4s; àt=1.4sen diminuantla vitesse àn=1200 tr/minestreprésentée sur la (figure3.26).

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Figure3.28Résultats de sgénératrice3.8Détermination de la valeur des capacités d'auto-amorçageConsidérons le schéma équivalent simplifié ramené au stator d'une phase de la machineasynchrone(figure3.29).Où::L'inductance de fuites totales,: L'inductance magnétisante,: La résistance rotorique ramenée au stator etgle glissement.

La machine est entraînée à la vitesse de synchronisme rendant ainsi la résistanceinfinie.Le courantIdans l'inductance magnétisante est par conséquent équivalent au couranttraversant le condensateur.

Figure3.29Schéma équivalent simplifié d'une phase de la machine asynchroneramenée au statorDans le cas où une charge purement résistiveRest connectée au stator de la machine, leschéma équivalent par phase de l'ensemble machine-capacité d'auto-excitation-charge peutalors être modifié comme indiqué sur la(figure3.30.b)[2].

a)b)Figure3.30Transformation du schéma équivalentDans cette représentation, les élémentsetpeuvent être exprimés en fonction deséléments du schéma équivalent classique (figure 3.30.a) :ۓۖ۔ۖە

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Figure3.32Caractéristique G ()Conclusion-en fonctionnement linéaire que nousavons corrigées par la suite en tenant compte de la saturation magnétique qui permet delimiter les amplitudes des tensions et courant en régime établi.

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Chapitre IVModélisation et Simulation dela chaineéolienne 79

IntroductionLes équipements électroniques de puissance deviennent de plus en plusutilisés.Malheureusem plusieursproblèmes tels que:unfacteur de puissance d'entrée faible, des valeurs élevées dedistorsion harmonique des courantsalternatifsde ligne, et unepollutiondesharmoniques dansle réseau. Au cours desdernières années,la recherche dans le domaine des redresseurs MLI aaugmenté rapidement [36] [37].Le redresseur MLIoffre plusieurs avantages tels que: le contrôle de la tensiondubus, leflux bidirectionnel de la puissance,lefacteur de puissanceunitaire, etle courant de lignesinusoïdale.Beaucoup de techniquesdemodulation de la largeur d'impulsion (MLI) ontété adoptéespour caméliorer le facteur de puissance d'entrée et formeruncourantu redresseursous forme d'onde sinusoïdale. Lecontrôlede laphase etdeamplitude (CPA) semble êtrelastructure la plus simpleet offre un bon modèle decommutation, mais ledécalageredresseur pendantle régimetransitoiredétériore le contrôledela stabilité du système.Lemodede régulation du couranten modesynchroniséa les avantages:dréponse dynamiquerapidedu courant,une bonneprécision,fréquencedecommutation fixeaux variationsdesparamètres[38].Dans les implémentationsactuelles, lesystème ducontrôledirectdu courant est largementadopté.Diverses stratégiesde contrôleont été proposées pourrégler la tensiondu bus continu, touten améliorantla qualitédu courantalternatifd'entréedans le schémadu contrôle direct ducourant [39].Les stratégiesde contrôle traditionnelsontétablies en deuxboucles:uneboucleinternede courantdelignepour lacompensationdu facteur de puissance,et une boucleexternede tension pourlarégulation de la tension.Dans ce chapitre,laméthode deconceptionet le modèle decontrôleurbasé sur le contrôledirectdu courantsont analysées.On examinebrièvementles principes etlestopologiesdesredresseurs triphasés MLI, lastratégie de contrôleest appliquéeparMATLAB/ SIMULINKsimulationavecdifférentescharges.4.1Modèle duredresseur triphaséMLI

La figure4.1 représente leschéma du circuitredresseur triphasétriphasééquilibré, le filtre réactif est linéaire, les IGBT sont des commutateurs idéaux et sans perte[40]. Où,etsont des tensions de phase du système triphasé équilibré, et,etsont des courants de phase,est la tension du bus continu de sortie,etLsont,respectivement, la résistance et l'inductance du filtre réactif, C est un condensateur de lissageà travers le bus continu,est une charge résistive du coté DC,,, et, sont lestensions d'entrée du redresseur etest le courant de charge.

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Figure4.4Schémaéquivalentdecommande en modetension4.2Les résultats de simulationLe contrôleuràdouble boucles fermées découplé a étésimulée à l'aide de MATLAB /SIMULINK pour tester lesperformancesduredresseur MLI décrit par le modèle proposé.Lecomportementglobaldu système est simulé comme un discret système de contrôle. Lemodèlede simulationest indiqué dansles figures4.5 et4.6. Le redresseur actuel est montréen haut dumodèle de la figure 4.5. Dans les circuits,la sourceACest une sourceidéaletriphaséeéquilibréede tensionavec une fréquence de 50Hz. Latensiondephase à phase est230V. La résistance de chaque phase estȍde chaque phaseest 5mH. Lecondensateur de sortieest 4700F. En régime établi, la tension continue est réglée pour être650V. La fréquence de découpageest10 kHz.

Figure4.5 ModèleduredresseurtriphaséMLI

Figure4.6Boucle de régulation du courant sous SIMULINKLafigure 4.7 montre laréponsetransitoirede la tension de sortieen fonction de la variationde la charge.La figure 4.8montrela réponse transitoire ducourantd'entréepour une variation delachargeen échelon.Nous pouvons constater que laréponsedynamiquedu régulateurDC pourcette soudainevariationde la charge(10 kW à20 kW) est satisfaisante. LatensionDCestrevenue à650 Ven moins de 1,5 cycle et lefacteur de puissance sur le côté ACest maintenu.

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Figure4.7Résultat desimulationdelaréponsedynamiquedu bus continu Figure4.8Résultatde simulation ducourantdu réseau 86
Figure4.9Résultatde simulationdestensions de la chaine avec un redresseur MLI Figure4.10Zoomdestensions de la chaineavec un redresseur MLI 87

ConclusionDans le quatrième chapitre, nous avons amélioré la modélisation du redresseur, entransformant son modèle non linéaire classique en linéaire. Cette amélioration rend laconception du dispositif de commande plus simple, puisque dans ce cas le contrôleur peut êtrecalculé analytiquement et de façon indépendante avec le point de fonctionnement.Les résultats de simulation montrent que la réponse rapide peut être obtenue, en mêmetemps, pour la tension du bus continu ainsi que, pour la puissance réactive. La solutionproposée nécessite la détection de tension d'entrée, le courant de ligne et la tension de sortie.De manièregénérale, les charges industrielles pour ce redresseur sont des chargesLa réalisation de robustesse pour les variations de la charge n'est pas un problème decontrôlesimple, parce que quand la charge varie, l'amplitude du courant de ligne doit changeret prendre une nouvelle valeur pour maintenir la régulation de la tension, mais engardantl'objectif de contrôle:la forme de courant de ligne.

Conclusion générale

Conclusion générale eséoliennes fait appel à des compétencespoussées dans des domaines multiples et variés : aérodynamique, mécanique, résistance desmatériaux, génie électrique évidemment les aspects environnementaux.A la lumière de notre travail, nous avons pu aborder les différentes problématiques liées à ratrice, notamment leurs-excitée.Nous avons réalisé une modélisation de la génératrice asynchroncureuil qui apermisde simuler son comportement en régime équilibré et saturé (la simulation duphénomène d'auto-excitation nécessite la prise en compte de saturation par une inductancemagnétisante variable en fonction de latension). Après, nous avons développé une étudeanalytique particulière de l'auto-amorçage de la génératrice asynchrone en régime permanentà vide et en charge. Nous avons notamment montré que les grandeurs statoriques étaientdirectement influencées par la variation de la vitesse duOn a amélioré,également la modélisation du redresseur, en transformant son modèle nonlinéaire classique en linéaire.Cette amélioration rend la conception du dispositif decommande plus simple, puisque dans ce cas le contrôleur peutêtre calculé analytiquement etde façon indépendante avec le point de fonctionnement.Un contrôle en mode découplage pour le redresseur de source de tension triphasée aété effectué.Les résultats de simulation montrent que la réponse rapide peut être obtenue, enmême temps, pour la tension du bus continu ainsi que, pour la puissance réactive. La solutionproposée nécessite la détection de tension d'entrée, le courant de ligne et la tension de sortie.De manière générale, les charges industrielles pource redresseur sont des charges

La réalisation de robustesse pour les variations de la charge n'est pas un problème decontrôle simple, parce que quand la charge varie,l'amplitude du courant de ligne doit changeret prendre une nouvelle valeur pour maintenir la régulation de la tension, mais engardantl'objectif de contrôle:la forme de courant de ligne.

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Annexe

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quotesdbs_dbs16.pdfusesText_22

[PDF] [PDF] Simulation et résultats obtenus

Logiciel de prototypage dEoliennes sous Matlab/Simulink - J3eA