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Rpublique Algrienne Dmocratique et Populaire
Ministre de lEnseignement Suprieur et de la Recherche Scientifique
Universit MENTOURI de CONSTANTINE
Facult des Sciences de lIngnieur
Dpartement dElectrotechnique
N0dordre :
Srie :
Mmoire
Prsent en vue de lobtention du diplme de magister
en Electrotechnique
Option : Commande et modlisation des machines lectriques.
Par
FEYROUZ MESSAI
Contribution lEtude dune Gnratrice Rluctance
Variable.
Soutenu le :/./ 2009
Devant le jury:Prsident : Aissa Bouzid Prof. lUniversit de Constantine
Rapporteur : Dr. Ammar Bentounsi M.C. lUniversit de Constantine
Examinateur 1 : Hocine Benalla Prof. lUniversit de Constantine
Examinateur 2 : Abdelwahab Zaatri Prof. lUniversit de Constantine
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Ddicace
Ddicace
Je ddierai ce mmoire
A mon mari M. Messaoud
F. Messai
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emerciementsJe remercie Allah, le tout puissant, le misricordieux, de mavoir appris ce que
jignorais, de mavoir donn la sant et tou ce dont javais besoin pour raliser letravail impos et rdiger ce mmoire.
t
s
rs
Je remercie ensuite ma chre mre Naima, ma grand-mre Zineb, mes parents,
mes surs, mes frre et surtout Amira, Salima, Samia, Leila pour leursencouragements.
Je remercie galement m on encadreur, le Dr. Ammar B entounsi, pour le sujetquil ma propos, ses conseils et sa disponibilit. Je le remercie aussi pour ses
encouragements, sa gentillesse et sa sympathie tout au long de lanne de travail.
Je remercie M elleH.Djeghloud sans laquelle je naurai pas pu finaliser lardaction et la simulation.
Je remercierai bien sur les membres du ju y qui mont fait lhonneur dexaminerce travail, savoir le Prof. A. Bouzid, pr ident du jury,
les Prof. H. Benalla et A. Zaatri qui nont pas hsit accepter linvitation dtremembres de jury.
Je terminerai par remercier toutes mes amies, notamment Radia, Wassila,Dalila, Feyrouz, Sihem et Rima, ainsi que tous les enseignants du Dept.
Dlectrotechnique
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Sommaire
SOMMAIRE
INTRODUCTION GENERALE.........1
Chapitre I : CONVERSION DE LENERGIEEOLIENNEI.1 INTRODUCTION...........3
I.2 HISTORIQUE DE LEOLIEN ...........4
I.3 LENERGIE EOLIENNE ....
I.4 STRUCTURE DES EOLIENNES .....
I.4.1 Structure de conversion avec et sans multiplicateur...
I.4.2 Descriptif dune olienne ..........
I.4.3 Les oliennes vitesse fixe ...........
I.4.4 Les oliennes vitesse variable ...........
I.5 MODELISATION DE LA TURBINE EOLIENNE ...15
11
9
8
6
8
13
I.5.1 Hypothses simplificatrices ......15
I.5.2 Modle de la turbine ................17
I.5.3 Modle du multiplicateur de vitesse ...............18
I.6. TYPES DE GENERATEURS ELECTRIQUES EOLIENS..................
I.7 CONCLUSION................19
18
Chapitre II: LESMACHINES A RELUCTANCE VARIABLE
II.1. INTRODUCTION....20
II.2. PRINCIPE DE BASE......
II.3. DOMAINES DUTILISATION DES MRV....
II.4. AVANTAGES ET INCONVENIENTS DES MRV......................24
24
21
II.5. DIFFERENTS TYPES DE MRV...............
II.5.1 MRV lentes pour applications oliennes...................................................................25
25
A. MRV Pures ..
B. MRV Vernier...
C. MRV hybrides.....27
26
25
III
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Sommaire
D. MRV flux axial.............
II.5.2. Machines stator lisse..
II.5.3. Machines double denture...29
29
28
II.6. CARACTERISTIQUES ELECTROMAGNETIQUES ENERGIE -COUPLE....30
II.7. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DUNE GRV.32
II.8. MODES D'EXCITATION DE LA GRV..............................33
II.9. LALIMENTATION DE LA GRV.34II.9.1. Convertisseur de puissance ...34
II.9.2.Paramtres de commande en mode gnrateur...36
II.10. CONCLUSION...38
Chapitre III : MODELISATION &SIMULATION DU SYSTEME GRV-CONVERTISSEUR
AVECAPPLICATIONALEOLIEN
III.1. INTRODUCTION ......39
III.2. HYPOTHESES SIMPLIFICATRICES ....40
III.3. LEMENTS DU SYSTEME .............41
III.3.1. Modle non-linaire de la GRV .........41
a) Equations lectromagntiques..........42
b) Calcul de linductance......44
c) Production de couple......45
III.3.2. Convertisseur de la GRV......46
III.4. STRATEGIE DE COMMANDE DE LA GRV ..47
III.4.1 Objectif ..............................47
III.4.2 Schma synoptique ............48
III.5 STRATEGIE DE LA COMMANDE PAR HYSTERESIS...48
III.6. SIMULATION DUNE GRV6/4................................................49
III.6.1 Paramtres utiliss pour la simulation.................................................................... 49
III.6.2 Description du modle labor sous Matlab/Simulink .........50
III.6.2.1 Bloc GRV ...........50
III.6.2.2 Bloc Convertisseur de puissance ..............53
IV
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Sommaire
III.6.2.3 Bloc Bus Continu......54
III.6.2.4 Contrleur ......55
III.6.2.5 Capteur de position..................55
III.6.3 Rsultats de simulation de la GRV ....56
III.7 ASSOCIATION DE LA GRV A UNE TURBINE EOLIENNE .......67
67III.7.1 Description gnrale de lensemble GRV-Turbine olienne ......
III.7.2 Modle de simulation ................68
III.7.3 Rsultats de simulation .........69
III.7.3.1 Turbine vitesse fixe ...69
III.7.3.2 Turbine vitesse variable....71
III.8 CONCLUSION .... 73
CONCLUSION GENERALE ....74
V
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Introduction
nrale
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Introduction Gnrale
INTRODUCTION GENERALE
Le principe de la machine rluctance variable (MRV) est en ralit trs ancien car il
remonte aux inventions du 19mesicle o on lappelait moteur lectromagntique. Le moteur
rluctance variable est un moteur fondamentalement pas pas et a eu beaucoup dapplications,
notamment dans lhorlogerie. L'ide d'utiliser la configuration MRV dans un mode continu ( la
diffrence du mode pas pas) avec commande par semi-conducteur de puissance a t introduite
par Nasar, French, Koch et Lawrenson dans les annes 1960. A cette poque, seulement le semi-
conducteur type thyristor de puissance tait disponible pour la commande des MRV. Mais ces
dernires annes, les transistors de puissance, GTO, IGBT, et MOSFET ont t dvelopps dans
les gammes de puissance exiges par les MRV.
Latout de la configuration MRV est sa robustesse due labsence de systme collecteur.
Sagissant de la structure double saillance qui nous intresse ici (MRVDS), le stator est
constitu dun empilage de tles magntiques formant des ples saillants autour desquels sont
disposes des bobines compactes et indpendantes. Par contre, le rotor, lui aussi ples saillants,
est dpourvu de bobinage. Outre donc sa robustesse et sa simplicit donc son faible cot de
fabrication, la MRVDS possde des performances assez attrayantes pour pouvoir concurrencer
bientt les machines conventionnelles. Elles connaissent dj de multiples applications dans :
Lindustrie : compresseurs, ventilateurs, pompes, Llectromnager : robots, machines laver, aspirateurs, La traction lectrique et laronautique Les nergies renouvelables, notamment les oliennes dont il sera question ici.La MRV a surtout t tudie en fonctionnement moteur, plus rarement en mode gnrateur.
Ce qui justifie un peu le choix de ce thme. Il sagira ici dlaborer un modle de la machine
rluctance variable associe un convertisseur dont la commande lui permettra de fonctionner
correctement en mode gnrateur puis de simuler lensemble sous environnement
MATLAB/SIMULINK. Nous terminerons notre tude par une application olienne vu lessor que
connat actuellement cette filire des nergies renouvelables dans un contexte de crise
nergtique mondiale.
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Introduction Gnrale
En consquence, notre mmoire sera organis comme suit :
au Chapitre I: nous donnerons un aperu de lvolution des systmes deconversion lectromcanique dnergie associs aux oliennes.
au Chapitre II: aprs une brve prsentation des diffrentes topologies de MRV,nous axerons ce chapitre sur ltude thorique dune MRV 6/4 double saillance, notamment les
conditions de fonctionnement en modes moteuret surtout gnrateur.
dans le dernier Chapitre : nous laborerons les diffrents blocs relatifs au modlede la GRV associe son convertisseur et sa commande puis nous effectuerons diffrentes
simulations de lensemble sousMATLAB/SIMULIN, en rgimenon-lineaire.
Pour finaliser ce Chapitre III, nous avons associ le couple GRV-convertisseur une turbineolienne puis analys les performances de ce systme arognrateur sous diffrentes conditions.
Nous conclurons notre tude par une synthse des rsultats les plus significatifs obtenus et
des perspectives pour amliorer et faire voluer ce modeste travail !
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hapitre I onversion
De Lnergie Eolienne
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Chapitre I Conversion De Lnergie Eolienne
I.1 INTRODUCTION
Pour des raisons environnementales les nergies renouvelables (eau, vent, soleil) sont
aujourdhui de plus en plus utilises dans la production de llectricit. Ces nergies propres et
gratuites reprsentent une bonne alternative aux ressources fossiles. Parmi les sources
renouvelables dnombres, on compte lnergie olienne qui connat, depuis quelques dcennies,
un formidable dveloppement.
Une olienne a pour rle de convertir lnergie cintique du vent en nergie lectrique. Ses
diffrents lments sont conus pour maximiser cette conversion nergtique et, dune manire
gnrale, une bonne adquation entre les caractristiques couple/vitesse de la turbine et de la
gnratrice lectrique est indispensable. Pour parvenir cet objectif, une olienne devrait
comporter :
un systme qui permet de la contrler mcaniquement (orientation des ples et de la
nacelle, multiplicateur de vitesse, ).
un systme qui permet de la contrler lectriquement (gnrateur lectrique pilot par
une lectronique de commande et de puissance).
Dans un premier temps, les diffrentes parties constituant une olienne sont dcrites dune
faon gnrale. Puis, un comparatif sera tabli entre les deux grandes familles doliennes
existantes, savoir les oliennes vitesse fixe et vitesse variable [1].
Nous donnerons aussi un aperu des diffrentes configurations de gnrateurs associs.
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Chapitre I Conversion De Lnergie Eolienne
I.2 HISTORIQUE DE LEOLIEN
Parmi toutes les nergies renouvelables, part lnergie du bois, cest lnergie du vent qui a
t exploite en premier par lhomme. Depuis lantiquit, elle fut utilise pour la propulsion des
navires et ensuite les moulins bl et les constructions permettant le pompage deau.
Les premires utilisations connues de l'nergie olienne remontent 2 000 ans avant J.-C
environ. Hammourabi, fondateur de la puissance de Babylone, avait conu tout un projet
d'irrigation de la Msopotamie utilisant la puissance du vent. La premire description crite de
lutilisation des moulins vent en Inde date denviron 400 ans avant J.-C. En Europe, les
premiers moulins vent ont fait leur apparition au dbut du Moyen Age. Utiliss tout d'abord
pour moudre le grain, d'o leur nom de " moulins ", ils furent aussi utiliss aux Pays-Bas pour
asscher des lacs ou des terrains inonds. Ds le XIVmesicle, les moulins vent sont visibles
partout en Europe et deviennent la principale source dnergie. Seulement en Hollande et
Danemark, vers le milieu du XIXmesicle, le nombre des moulins est estim respectivement
plus de 30000 et dans toute lEurope 200000. A larrive de la machine vapeur, les moulins
vent commencent leur disparition progressive.[2]Lexploitation de lnergie olienne pour produire de llectricit a eu des hauts et des bas.
Les causes de ces fluctuations sont diverses : guerres, crises dautres types dnergie, volont de
prserver lenvironnement, volution de la technologie, changement de politique nergtique
etc..
A la suite de la fabrication du premier arognrateur, les ingnieurs danois amliorrent
cette technologie durant la 1reet la 2meguerre mondiale pour faire face la pnurie dnergie
lectrique. Malgr certains succs technologiques obtenus cette poque, lintrt pour
lexploitation de lnergie olienne grande chelle dclina la fin de la 2meguerre mondiale.
Cest avec la crise ptrolire des annes 70 que cet intrt ressurgit. Ainsi plusieurs pays
commencrent investir de largent pour notamment amliorer la technologie des
arognrateurs, ce qui donna naissance aux arognrateurs modernes [3, 4].
Le premier march vritablement significatif fut celui de la Californie, entre 1980 et 1986, o
lindustrie de lnergie olienne put se dvelopper. Ensuite les aides financires diminurent aux
EU mais augmentrent en Europe, ce qui permit un dveloppement important de cette industrie
- 4 -
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Chapitre I Conversion De Lnergie Eolienne
dans des pays tels que lAllemagne et le Danemark. Le march mondial passa de 200 MW/an en
1990 5500 MW/an en 2001.
Lolien a eu une croissance moyenne annuelle de 40 % ces 5 dernires annes. Ce
dveloppement sest surtout exprim en Europe
Lnergie olienne est la source dnergie qui crot le plus vite dans le monde.
Cette progression est norme par rapport dautres types dnergies plus traditionnelles, telle
que lnergie nuclaire avec une croissance de 1% ou le charbon qui na pas du tout augment
dans les annes 90.
Les perspectives sont tout aussi spectaculaires. LEWEA estime que 12% de llectricit
mondiale sera dorigine olienne en 2020 et plus de 20% en 2040 [3, 4, 5].
Le cot de lnergie olienne est en baisse constante depuis plusieurs annes. Ce prix dpend
de nombreux facteurs et est par consquent diffrent dun pays lautre, et mme dun site
lautre puisque la vitesse du vent est un des facteurs de plus dimportance (la puissance produite
par une olienne est proportionnelle au cube de la vitesse du vent). Malgr tout, on peut dire que
le cot de cette nergie a t divis par deux ces 10 dernires annes [4].
Parmi les facteurs ayant provoqu cette baisse, on peut citer la baisse des prix des
arognrateurs, laugmentation de la rentabilit et de la disponibilit et la baisse des cots de
maintenance. Avec la tendance vers des turbines toujours plus grandes, la baisse des cots
dinfrastructure que cela entrane et les rductions du cot des matriaux, le prix de lnergie
olienne continue diminuer rgulirement. Il faut de plus noter quen prenant en compte le cot
correspondant la pollution produite par les diffrentes sources dnergie, le cot de lnergie
olienne est encore plus comptitif [6].
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Chapitre I Conversion De Lnergie Eolienne
I.3 LENERGIE EOLIENNE
I.3.1 LOI DE BETZ
Etudions lolienne prsente sur la figure (I.1), daprs la thorie de Betz [7], la puissance
du vent est :
3
2
1vSP oliennevent = (I-1)
Avec :
olienneS :La surface balaye par lolienne,
: La masse volumique de lair (1.225 kg/m3) et la vitesse du vent.
Fig.I.1. Eolienne simplifier.
Lolienne ne peut rcuprer quune partie de la puissance du vent (Pvent). La puissance duvent et la puissance extraite par lolienne Poliennepeuvent sexprimer en fonction du coefficient
de puissance Cp :
ventpolienne PCP .= (I-2)
Daprs Betz, le coefficient de puissance Cp ne peut tre suprieur 16/27.Le coefficient Cp,
diffrent pour chaque olienne, dpend de langle dinclinaison des pales i et du rapport de
vitesse :
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Chapitre I Conversion De Lnergie Eolienne
v
R =
. (I-3)
Avec R le rayon des pales de lolienne, la vitesse de rotation de lolienne et v la vitesse
du vent. Le coefficient de puissance Cp est souvent issu de mesures pratiques.
Ltude dune olienne particulire a permis de dduire la formule empirique suivante [8] :
i
i
iiipC
).3.(00184.0)
.3.015
3.sin()..0167.044.0(),(
= (I-4)
Avec iexprim en degrs.
Fig.I.2 Coefficient de puissance Cp
La figure (I.2) reprsente le coefficient de puissance Cp, calcul partir de lquation (I.4),
en fonction du rapport de vitesse pour diffrents angles dinclinaison des pales i. On remarque
que si, pour un angle constant i, on pouvait maintenir le coefficient de vitesse constant et gal optimal chaque instant, la puissance capte par lolienne serait maximale [9]. La figure (I.2)
montre le optimalcorrespondant un angle dinclinaison des pales i. Cette condition ne peut tre
vrifie quavec lutilisation de la vitesse variable. En effet, afin de maintenir = optimal, il est
ncessaire de faire varier la vitesse de rotation du gnrateur (et de lolienne) avec les variations
de vitesse du vent, selon lquation (I-3).
- 7 -
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Chapitre I Conversion De Lnergie Eolienne
Pour un fonctionnement vitesse de rotation fixe, le coefficient varie avec la vitesse du
vent : la puissance capte est maximale seulement pour une vitesse du vent donne
(gnralement la vitesse nominale de fonctionnement).
Le fonctionnement vitesse de rotation variable permet doptimiser lnergie capte par
lolienne mais demande la mise en oeuvre dun convertisseur avec sa commande, ce qui
entrane un surcot par rapport la vitesse fixe. La littrature donne un gain de puissance extraite
variant entre 2% et 38% [10].
I.4 STRUCTURE DES EOLIENNES
I.4.1 STRUCTURE DE CONVERSION AVEC ET SANS MULTIPLICATEUR
La vitesse dune turbine olienne est relativement lente. Une premire technologie
doliennes repose sur des machines tournantes synchrones (plutt rotor bobin pour les
oliennes connectes en moyenne tension) de petite vitesse, comportant donc un grand nombre
de ples [11], et par suite ayant un grand diamtre. Les oliennes bases sur des machines
rluctance variable sinscrivent galement sous cette catgorie de gnratrices [12].Ces
gnratrices rendent impossible une connexion directe au rseau de distribution fonctionnant
50 Hz. Elles sont ncessairement alimentes par un ensemble constitu de deux convertisseurs de
puissance : lun fonctionnant sous frquence variable et permettant le fonctionnement vitesse
variable et lautre fonctionnant 50Hz et permettant une connexion sur le rseau. Cependant,
cette technologie de machine a actuellement une puissance infrieure au mgawatt.
Une seconde technologie repose sur lutilisation dune machine asynchrone. Dune manire
gnrale, cette dernire tourne une vitesse beaucoup plus importante que la turbine olienne. Il
est alors ncessaire dadapter celle-ci la vitesse de la turbine en intercalant un multiplicateurmcanique [13]. Ces multiplicateurs mcaniques ont linconvnient de ncessiter une
maintenance accrue et de nuire la fiabilit de lolienne. Cependant pour la gnration de forte
puissance, cest la technologie qui est retenue par les constructeurs pour une connexion sur un
rseau de moyenne tension.
Nous prsentons dans le paragraphe suivant les lments constituant une telle olienne.
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Chapitre I Conversion De Lnergie Eolienne
I.4.2 DESCRIPTIF DUNE EOLIENNE
Une olienne est constitue par une tour au sommet de laquelle se trouve la nacelle. Etant
donn que la vitesse du vent augmente lorsque lon sloigne du sol, une tour peut mesurer entre50 et 80 m de haut. Typiquement une olienne de 1 MW a une hauteur de 80 mtres de haut, ce
qui correspond la hauteur dun immeuble de 32 tages. La tour a la forme dun tronc en cne
o, lintrieur, sont disposs les cbles de transport de lnergie lectrique, les lments de
contrle, les appareillages de connexion au rseau de distribution ainsi que lchelle daccs la
nacelle. La nacelle regroupe tout le systme de transformation de lnergie olienne en nergie
lectrique et divers actionneurs de commande. Tous ces lments sont reprsents sur la figure
(I.3).
Fig.I.3. Elments constituants une olienne [14]
I.4.2.1. LE ROTOR
Le rotor est compos, gnralement, de 3 ples a inclinaison variable. L'autre partie est le
collecteur/moyeu qui supporte les ples sur l'arbre. Le diamtre du rotor est sensiblement
identique la hauteur de la tour : entre 40 et 100 m pour les oliennes d'environ un mgawatt (les
plus courantes).
I.4.2.2. LA NACELLE
La nacelle contient tout le systme de production d'nergie, elle est constituer par :
- 9 -
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Chapitre I Conversion De Lnergie Eolienne
Un gnrateur d'lectricit Un changeur de chaleur Un transformateur Une boite de vitesse Un systme de refroidissement Un contrleur de puissance Un arbre principal.I.4.2.3. LA TOUR
La tour est l'un des principaux composants d'une olienne car elle supporte le poids de
l'ensemble. Elle a une hauteur allant de 40 m pour les plus petites (~400kW) 140 m pour les
plus grandes (~3.5MW).
La turbine olienne est munie de ples fixes ou orientables et tourne une vitesse nominale
de 25 40 tr/mn. Plus le nombre de ples est grand plus le couple au dmarrage sera grand et
plus la vitesse de rotation sera petite [3].
Les turbines unies et bi-ples ont lavantage de peser moins, mais elles produisent plus de
fluctuations mcaniques. Elles ont un rendement nergtique moindre, et sont plus bruyantes
puisquelles tournent plus vite. Elles provoquent une perturbation visuelle plus importante de
lavis des paysagistes. De plus, un nombre pair de pales doit tre vit pour des raisons de
stabilit.
En effet, lorsque la ple suprieure atteint le point le plus extrme, elle capte la puissance
maximale du vent. A ce moment, la pale infrieure traverse la zone abrite du vent par la tour.
Cette disposition tend faire flchir lensemble de la turbine vers larrire. Ceci explique
pourquoi 80% des fabricants fabriquent des arognrateurs tripales.
Lorsque des ples fixes sont utilises, un dispositif de freinage arodynamique est utilis
permettant de dgrader le rendement de la turbine au del dune certaine vitesse (dcrochage
arodynamique ou stall control). Sinon, un mcanisme dorientation des ples permet la
rgulation de la puissance et un freinage (rglage arodynamique).
Un arbre dit lent relie le moyeu au multiplicateur et contient un systme hydraulique
permettant le freinage arodynamique en cas de besoin.
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Chapitre I Conversion De Lnergie Eolienne
Un multiplicateur adapte la vitesse de la turbine olienne celle du gnrateur lectrique (qui
est gnralement entran environ 1500 tr/mn). Ce multiplicateur est muni dun frein
mcanique disque actionn en cas durgence lorsque le frein arodynamique tombe en panne
ou en cas de maintenance de lolienne.
Le systme de refroidissement comprend gnralement un ventilateur lectrique utilis pour
refroidir la gnratrice et un refroidisseur huile pour le multiplicateur. Il existe certaines
oliennes comportant un refroidissement leau.
La gnratrice (ou lalternateur) est gnralement asynchrone, et sa puissance lectrique peut
varier entre 600 KW et 2,5 MW. Mais il ya aussi les synchrone et rluctance variable.
Les signaux lectroniques mis par lanmomtre sont utiliss par le systme de controle-
commande de lolienne pour dmarrer lolienne lorsque la vitesse du vent atteint
approximativement 5 m/s. De mme, le systme de commande lectronique arrte
automatiquement lolienne si la vitesse du vent est suprieure 25 m/s afin dassurer la
protection de lolienne.
Le systme de controle-commande comporte un ordinateur qui surveille en permanence ltat
de lolienne tout en contrlant le dispositif dorientation. En cas de dfaillance (par exemple
une surchauffe du multiplicateur ou de la gnratrice), le systme arrte automatiquement
lolienne et le signale lordinateur de loprateur via un modem tlphonique.
Il existe essentiellement deux technologies doliennes, celles dont la vitesse est constante et
celles dont la vitesse est variable. La partie suivante dcrit dune manire assez gnrale le
fonctionnement gnral de ces deux procds.
I.4.3 LES EOLIENNES VITESSE FIXE
A - PRINCIPE GENERAL
Les oliennes vitesse fixe sont les premires avoir t dveloppes. Dans cette
technologie, la gnratrice asynchrone est directement couple au rseau selon figure (I.4). Sa
vitesseest alors impose par la frquence du rseau et par le nombre de paires de ples de la
gnratrice.
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Chapitre I Conversion De Lnergie Eolienne
Fig.I.4. Eolienne directement connecte au rseau.
Le couple mcanique entranant (produit par la turbine) tend acclrer la vitesse de la
gnratrice. Cette dernire fonctionne alors en hypersynchrone selon figure (I.5) et gnre de la
puissance lectrique sur le rseau [15]. Pour une gnratrice standard deux paires de ples, la
vitesse mcanique (mec) est lgrement suprieure la vitesse du synchronisme (S= 1500
tr/mn), ce qui ncessite ladjonction dun multiplicateur de vitesse.
Fig.I.5. Caractristique couple -vitesse.
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Chapitre I Conversion De Lnergie Eolienne
I.4.4 LES EOLIENNES A VITESSE VARIABLE
A PRINCIPE
Les deux structures existantes vitesse variable sont reprsentes figure (I.6) :
- la configuration de la figure (I.6.a), est base sur une machine asynchrone cage,pilote au stator de manire fonctionner vitesse variable, par des convertisseurs
statiques.
- La configuration de la figure (I.6.b), est base sur une machine asynchrone doublealimentation et rotor bobin (MADA). La vitesse variable est ralise par
lintermdiaire des convertisseurs de puissance, situs au circuit rotorique.
(a)
(b)
Fig.I.6. Eoliennes vitesse variable
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Chapitre I Conversion De Lnergie Eolienne
B - INTERET DE LA VITESSE VARIABLE
La caractristique gnrale de la puissance convertie par une turbine olienne en fonction de
sa vitesse est reprsente sur la figure (I.7).
Fig.I.7. caractristique de la puissance gnre en fonction de la vitesse mcanique et la
vitesse du vent.
Pour une vitesse de vent v1 et une vitesse mcanique de la gnratrice 1 ; on obtient une
puissance nominale P1 (point A). Si la vitesse du vent passe de v1 v2, et que la vitesse de la
gnratrice reste inchange (cas dune olienne vitesse fixe), la puissance P2se trouve sur la
2mecaractristique (point B). La puissance maximale se trouve ailleurs sur cette caractristique
(point C). Si on dsire extraire la puissance maximale, il est ncessaire de fixer la vitesse de la
gnratrice une vitesse suprieure 2. Il faut donc rendre la vitesse mcanique variable en
fonction de la vitesse du vent pour extraire le maximum de la puissance gnre.
Les techniques dextraction maximale de puissance consistent ajuster le couple
lectromagntique de la gnratrice pour fixer la vitesse une valeur de rfrence (ref) calcule
pour maximiser la puissance extraite.
Dans la partie suivante, nous expliquons la modlisation dtaille dune turbine olienne.
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Chapitre I Conversion De Lnergie Eolienne
I.5 MODELISATION DE LA TURBINE EOLIENNE
I.5.1 HYPOTHESES SIMPLIFICATRICES POUR LA MODELISATION
MECANIQUE DE LA TURBINE
La partie mcanique de la turbine qui sera tudie comprend trois pales orientables de
longueurR. Elles sont fixes sur un arbre dentranement tournant la vitesse de la turbine et qui
est reli un multiplicateur de gain G. Ce multiplicateur entrane une gnratrice lectrique
(figure I.8).
Fig.I.8. Systme mcanique de lolienne
Les trois pales sont considres de conception identique et possdent donc :
la mme inertieJpale la mme lasticit Kb le mme coefficient de frottement par rapport lair db.
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Chapitre I Conversion De Lnergie Eolienne
Ces pales sont orientables et prsentent toutes un mme coefficient de frottement par rapport
au supportfpale. Les vitesses dorientation de chaque pale sont notes b
1, b
2, b
3. Chaque
pale reoit une force Tb1, Tb2, Tb3 qui dpend de la vitesse de vent qui lui est applique [16].
Larbre dentranement des pales est caractris par :
son inertieJh son lasticit Kh son coefficient de frottement par rapport au multiplicateurDhLe rotor de la gnratrice possde :
une inertieJg un coefficient de frottement dgCe rotor transmet un couple entranant (Cg) la gnratrice lectrique et tourne une vitesse
note mec.
Si lon considre une rpartition uniforme de la vitesse du vent sur toutes les pales et donc
une galit de toutes les forces de pousse (Tb1 = Tb2 = Tb3) alors on peut considrer lensemble
des trois pales comme un seul et mme systme mcanique caractris par la somme de toutes
les caractristiques mcaniques. De part la conception arodynamique des pales, leur coefficient
de frottement par rapport lair (db) est trs faible et peut tre ignor.
De mme, la vitesse de la turbine tant trs faible, les pertes par frottement sont ngligeables
par rapport aux pertes par frottement du cot de la gnratrice.
On obtient alors un modle mcanique comportant deux masses (Fig.I.9) dont la validit, par
rapport au modle complet, a dj t vrifie [17].
Fig.I.9. Modle mcanique simplifie de la turbine
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Chapitre I Conversion De Lnergie Eolienne
I.5.2 MODELISATION DE LA TURBINE
Le dispositif, qui est tudi ici, est constitu dune turbine olienne comprenant des pales de
longueurR entranant une gnratrice travers un multiplicateur de vitesse de gain G (Fig. I.10 ).
Fig.I.10. Schma de la turbine olienne
La puissance du vent est dfinie de la manire suivante [18] :
3
21 vSP oliennevent = (I-5)
Lolienne ne peut rcuprer quune partie de la puissance du vent (Pvent). La puissance du
vent et la puissance extraite par lolienne Poliennepeuvent sexprimer en fonction du coefficient
de puissance Cp :
ventpolienne PCP .= (I-6)
Le coefficient de puissance Cp reprsente le rendement arodynamique de la turbine
olienne. Il dpend de la caractristique de la turbine [18, 19].
Connaissant la vitesse de la turbine, le couple arodynamique est donc directement dtermin
par :[20]
turbine
paer
vSCC
=
1.
2
...
3 (I-7)
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Chapitre I Conversion De Lnergie Eolienne
I.5.3 MODELE DU MULTIPLICATEUR DE VITESSE
Le multiplicateur adapte la vitesse (lente) de la turbine la vitesse de la gnratrice (figure
I.10). Ce multiplicateur est modlis mathmatiquement par les quations suivantes :
G
CC aerg = (I-8)
G
mec
turbine
= (I-9)
I.6. TYPES DE GENERATEURS ELECTRIQUES EOLIENS
Les deux types de machines lectriques les plus utiliss dans lindustrie olienne sont les
machines synchroneset les machines asynchronessous leurs diverses variantes, pour lesquelles
nous examinerons les principales caractristiques de chaque type [3, 21, 33] :
Gnrateur synchrone: cest ce type de machine qui est utilis dans la plupart des
procds traditionnels de production dlectricit, notamment dans ceux de trs grande puissance
(centrales thermiques, hydrauliques ou nuclaires). Les gnrateurs synchrones utiliss dans le
domaine olien, ceux de 500 kW 2 MW sont bien plus chers que les gnrateurs induction de
la mme taille. De plus, lorsque ce type de machine est directement connect au rseau, sa
vitesse de rotation est fixe et proportionnelle la frquence du rseau. En consquence de cette
grande rigidit de la connexion gnrateur-rseau, les fluctuations du couple capt par
laroturbine se propagent sur tout le train de puissance, jusqu la puissance lectrique produite.
Cest pourquoi les machines synchrones ne sont pas utilises dans les arognrateurs
directement connects au rseau. Elles sont par contre utilises lorsquelles sont connectes aurseau par lintermdiaire de convertisseurs de puissance [6].
Dans cette configuration, la frquence du rseau et la vitesse de rotation de la machine sont
dcouples. Cette vitesse peut par consquent varier de sorte optimiser le rendement
arodynamique de lolienne et amortir les fluctuations du couple dans le train de puissance.
Certaines variantes des machines synchrones peuvent fonctionner de faibles vitesses de
rotation et donc tre directement couples laroturbine. Elles permettent ainsi de se passer du
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Chapitre I Conversion De Lnergie Eolienne
multiplicateur, lment prsent sur la plupart des arognrateurs et demandant un important
travail de maintenance [6].
La Machine Synchrone (MS) a lavantage davoir un bon rendement et un bon couple
massique notamment pour la Machine Synchrone Aimants Permanents (MSAP). Ces qualits
sont contrebalances par un cot plus lev que la MAS[22].
Gnrateurs asynchrones : La machine asynchrone quipe actuellement une grande partie
du parc olien. Elle a lavantage dtre robuste et de faible cot.
Une topologie consiste relier directement une MAS cage dcureuil au rseau. Un
multiplicateur est associ la machine et un banc de condensateurs assure sa magntisation. La
vitesse de rotation peut alors tre faiblement variable, limite par le glissement maximum de la
MAS. Lavantage de cette architecture est sa simplicit et son faible cot. Son principal
inconvnient est limpossibilit de fonctionnement vitesse variable, ce qui rduit la puissance
pouvant tre puise du vent [22].
Gnrateurs rluctances variables : Les gnrateurs rluctances variables sont des
machines mcaniquement robustes, ils ont de plus un bon rendement toutes les vitesses et une
large marge de variation de la vitesse de rotation et leur commande est simple . Ce type de
machine pourrait tre un candidat pour de futures oliennes [6].
I.7 CONCLUSION
Dans ce chapitre, nous avons dcrit les diffrents lments constitutifs dune olienne. Dans
ce contexte, nous avons prsent un modle de la turbine et du multiplicateur de vitesse adapter
au gnrateur retenu. Puis nous avons examin les deux grandes familles doliennes existantes,
savoir les oliennes vitesse fixe et vitesse variable, ainsi que les configurations de
gnrateurs associs, essentiellement de type synchroneet asynchrone.
Toutefois, nous assistons de plus en plus lmergence de gnrateurs moins conventionnels
tels que les GRV et qui vont faire lobjet du contenu du chapitre IIsuivant.
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hapitre IILes Machines
A Rluctance Variable
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Chapitre II Les Machines A Rluctance Variable
II.1. INTRODUCTION
Le principe des machines rluctance variable (MRV) est bas sur celui de l'lectroaimant.
En fait, il s'agit de la plus ancienne mthode de conversion lectromcanique. Toute machine
rluctance variable est constitue de deux parties en mouvement relatif dont l'une est
lectriquement active (stator) et l'autre passive (rotor). La premire comprend un circuit
magntique dent muni de bobinages, la seconde est simplement un circuit ferromagntique, lui
aussi dent, mais sans aucun conducteur ni aimant [23].
La machine rluctance variable double saillance (MRVDS) dont les phases sont
alimentes en courants unidirectionnels par des convertisseurs demi-ponts asymtriques,
constitue certainement la solution la plus conomique grce aux matriaux utiliss (tles fer-
silicium et cuivre) et sa simplicit de fabrication (empilage de tles, bobines prfabriques,
rotor passif naturellement quilibr...). Ses performances peuvent tre comparables celles des
machines aimants permanents. Elle peut aussi fonctionner puissance maximale constante.
Mais elle produit un couple trs pulsatoire haute vitesse et gnre un bruit acoustique suprieur
tous ses concurrents [24].
Dans le prsent chapitre, nous prsenterons les diffrents types de machines rluctance
variable selon leurs constructions puis nous procderons une tude thorique de leur
fonctionnement en association avec leur alimentation.
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Chapitre II Les Machines A Rluctance Variable
II.2. PRINCIPE DE BASE[22, 25, 27, 28]
Quel que soit le type de machine rluctance variable tudi (cylindrique, linaire, Vernier
grosses dents...), le principe de fonctionnement est toujours identique si les couplages
magntiques entre phases sont ngligeables. Il peut tre dcrit partir de la structure
monophase lmentaire reprsente (Fig.II.1).Il sagit dun circuit magntique simple constitude deux pices ferromagntiques, lune fixe (stator) comportant un enroulement spires
parcourues par un courant iet lautre mobile (rotor) autour dun axe fixe. Soit
N
m langle entre
laxe longitudinal de la pice mobile et celui interpolaire de la pice fixe.
Le flux magntique cre par les ampres-tours ( )Ni oscille entre 2 valeurs extrmescorrespondant aux 2 positions : [34]
- une position dopposition (Fig. II.1.a) dans laquelle le circuit magntique prsente unerluctance maximale, ou une inductance minimale ;
- une position deconjonction(Fig. II.1.b) dans laquelle le circuit magntique prsente unerluctance minimale, ou une inductance maximale.
(a) (b)
Fig. II.1 Structure MRV de base et positions extrmes du rotor
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Chapitre II Les Machines A Rluctance Variable
A partir de la position d'opposition ( 0=m ), pour que la pice ferromagntique rotorique se
mette tourner, nous devrions alimenter l'lectroaimant fixe jusqu' la position de conjonction
( 2/ =m ), selon la rgle du flux max.ou de la rluctance min. , et ainsi de suite
Sachant que lexpression du couple lectromagntique est :m
e
LiT
= 2
2
1, lalimentation de la
machine avec un courant constant lors de la phase croissante ou dcroissante dinductance
(Fig.II.2) donnera le rgime de fonctionnement souhait :
moteur ( sur la phase croissante de linductance)0>eT ( )
>
0
m
mL
.
gnrateur ( )0
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Chapitre II Les Machines A Rluctance Variable
Si le rotor se trouve dans une position intermdiaire entre l'opposition et la conjonction,
l'injection d'un courant dans l'enroulement d'excitation modifie l'tat du systme qui tend alors
prsenter une rluctance minimale (flux maximal) ; on observe ainsi une rotation du rotor vers la
position de conjonction. Lorsque le courant est supprim, si l'nergie cintique emmagasine
durant la rotation est suffisante pour l'amener jusqu' l'opposition, alors on peut rpter le cycle
et obtenir un mouvement continu de rotation (Fig. II.3.b).
Fig. II.3.bPositions d'opposition et deconjonctiondune MRVDS 6/4.
La priode de variation de la rluctance vue d'une phase correspond au passage de la
conjonction d'une dent la conjonction de la dent suivante.
La relation entre angles lectrique eet mcanique mest donne par :
e=Nr.m (II-1)
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Chapitre II Les Machines A Rluctance Variable
II.3. DOMAINES DUTILISATION DES MRV[26]
En pratique, on distingue deux domaines dapplication des moteurs rluctance variable :
Utilisation en moteur pas pas :on envoie un certain nombre dimpulsions surles bobines des phases successives : le rotor avance dun nombre de pas gal au nombre
dimpulsion. Cette utilisation, la plus classique, permet de raliser des dplacements ou des
positionnements prcis avec une commande en boucle ouverte. Plus la prcision demande
est grande, plus il faut de pas par tour.
Utilisation en moteur vitesse variable : en concurrence pour certainesapplications avec le moteur asynchrone cage ou le moteur synchrone aimants
permanents.
Le moteur rluctance variable est alors commutation ; cest--dire que le courant dans
chacune des phases est chaque priode tabli puis coup par un convertisseur.
II.4. AVANTAGES ET INCONVENIENTS DES MRV[22, 29]
Par apport aux machines classiques AC et DC, les MRV prsentent les avantages suivants:
structure simple et robuste pour un faible cot de fabrication possibilit de fonctionnement puissance quasi constante sur une large plage de
vitesse
pertes essentiellement concentres au stator donc refroidissement ais fonctionnement dgrad possible grce l'indpendance de chaque phase couple massique relativement lev,
La MRV a cependant quelques limites :
elle doit tre commute lectroniquement et ne peut donc tre alimente directementpar une source alternative (AC) ou (DC)
ses caractristiques magntiques non linaires compliquent son analyse et soncontrle
sa structure dente, cause doscillations de couple et de bruits, surtout vitesse leve
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Chapitre II Les Machines A Rluctance Variable
II.5. DIFFERENTS TYPES DE MRV
II.5.1 MRV LENTES POUR LES APPLICATIONS EOLIENNES
La machine rluctance variable a t le premier moteur lectrique conu et a dabord t
utilise pour lhorlogerie dans les annes 1850. Cette machine a depuis trouv dautres champs
dapplication. Un article de 1927 prsente un moteur 6/4 pour la gnration dlectricit dans les
navires de guerre. Cest partir des annes 1970 que la MRV prend son essor grce
lapparition dune lectronique de commande performante [22, 23].
La MRV pure, dont il existe des variantes qui seront prsentes plus loin, a une structure
saillante au rotor et au stator avec un stator actif o sont situs les bobinages et un rotor passif
(Fig.II.3.a). Le rotor passif distingue la MRV des machines synchrones et asynchrones. Une
autre particularit est quelle nest pas champ tournant mais champ puls .
Les MRV que nous allons prsenter sont des machines ddies aux applications oliennes car
offrant des caractristiques intressantes pour la basse vitesse de rotation. On notera que malgr
son potentiel, la MRV na pas encore trouv dapplication industrielle dans lolien.
A. MRV Pures
Cette MRV est principalement utilise dans lindustrie pour les systmes de dmarreur
alternateur dans les vhicules hybrides ou les avions mais aussi pour les systmes de gnration
dlectricit dans larospatial [37]. Ces applications sont caractrises par une grande vitesse de
rotation et labsence de pertes au rotor prsente un avantage certain.
Pour une MRV alimente par des courants de forme rectangulaire, la vitesse de rotation du
rotor est lie la pulsation des courants statoriques et au nombre de dents au rotor Nrpar la
relation suivante :
rN= (II-2)
La vitesse de rotation est ainsi directement lie au nombre de dents au rotor. La MRV ralise
un rducteur lectromagntique avec le nombre de dent au rotor. De plus, la possibilit dutiliser
des plots dents permet daugmenter le nombre de dents tout en gardant un nombre dencoches
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Chapitre II Les Machines A Rluctance Variable
raisonnable. Cet avantage a conduit plusieurs auteurs tudier la MRV pour les applications
oliennes [38, 39, 40, 41, 42, 43].
Torrey tudie le fonctionnement dune machine basse vitesse 24/16 en mode gnrateur. Il
montre lavantage de cette structure mais obtient dans certaines conditions un rgime instable
conduisant un courant lev et incontrlable. Il note que ce rgime dinstabilit est spcifique
au mode gnrateur et nexiste pas en mode moteur.
Comme les machines fort couple aboutissent des rotors creux [44, 45], il peut sembler
judicieux dajouter un stator lintrieur de la machine pour accrotre le couple volumique. La
machine de la figure (II.4) montre une MRV plots dents munie dun stator intrieur
supplmentaire [46]. Linconvnient de cette structure rside dans sa complexit mcanique.
Fig.II.4 MRV plots dents double stator
B. MRV VERNIER
Alors que la MRV pure est alimente par des courants de forme rectangulaire la MRV
vernier est alimente par des courants sinusodaux. En effet, le pas dentaire au rotor et au stator
est lgrement diffrent, ce qui permet dobtenir une permance sinusodale. Le fonctionnement
de cette machine (excite au rotor et au stator) est similaire celui dune machine synchrone
rotor lisse. Lavantage de cette structure est que lon peut lui associer un convertisseur classique.
La structure de la figure (II.5) est excite au rotor [41]. Le mme principe peut tre appliqu
avec une excitation au stator [47]. Elle dispose de Nsdents au stator etNrdents au rotor et p et p
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Chapitre II Les Machines A Rluctance Variable
sont les polarits des circuits induit et inducteur. Le respect de la condition NsNr= p p
permet de gnrer un couple la vitesse de synchronisme donn par :
'.
'
paNr
= (II-3)
avec et les pulsations de linduit et linducteur et a une constante gale 0 ou 1 selon que le
circuit dexcitation est dispos au stator ou au rotor.
On remarque que comme pour la MRV pure , la vitesse de rotation est lie au nombre de
dents au rotor. Pour une frquence dalimentation donne, laugmentation du nombre de dents au
rotorNrpermet de diminuer la vitesse de rotation. Cest un grand avantage car il est plus simple
mcaniquement de diminuer la taille des dents que celle des ples.
Fig.II.5 MRV excite effet vernier
C. MRV HYBRIDES
Les MRV hybrides utilisent des aimants permanents afin damliorer les performances de la
machine. La MRV de la figure (II.6) met en oeuvre des aimants surfaciques et exploite leffet
Vernier pour une alimentation sinusodale [36, 41, 48]. La condition de fonctionnement est ici
|NsNr| = p avec p le nombre de paires de ples. La vitesse de rotation est lie la pulsation
dalimentation et est donne parrN
= . On notera que cette formule est la mme que pour la
MRV pure . Les structures hybrides possibles sont innombrables et une grande place est
laisse loriginalit comme en tmoigne la machine plots aimants de la figure (II.7). Le
grand nombre de dents rend cette structure intressante pour les forts couples. Cette machine
utilise des aimants en terre rare spciaux afin dviter leur dmagntisation [49].
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Chapitre II Les Machines A Rluctance Variable
Fig.II.6 MRV hybride effet vernier
Fig.II.7 MRV plots aimants
D. MRV A FLUX AXIAL
Cette machine a t applique la propulsion marine au dbut des annes 1970 [50].
Les structures tudies dans [51] et [52] sont non-excites. Les caractristiques sont
similaires celles de la machine synchrone flux axial savoir un fort couple massique mais
avec des contraintes mcaniques importantes.
Du point de vue construction de MRV, o n distingue deux grandes catgories: [27, 28]
- les machines stator lisse.
- les machines double denture.
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Chapitre II Les Machines A Rluctance Variable
II.5.2. MACHINES STATOR LISSE
Dans ce type de machine, le stator est cylindrique de rvolution de rayon dans lequel
sont creuses des encoches destines loger les conducteurs. La dfinition du stator lisse
est due surtout la faiblesse de la largeur des encoches au niveau de lentrefer qui
constituent une irrgularit locale ngligeable dans la gomtrie.[28]
sr
On peut ainsi calculer, au niveau de chaque encoche, la densit de courant quivalente au
courant N.i passant dans le conducteur qui y est log, la permabilit du stator tant
suppose infinie, la densit de courant quivalente [27] sera donc gale :
iN
J
.=
(II-4)
Fig.II.8 Densit de courant quivalente
II.5.3. MACHINES DOUBLE DENTURE
Ce sont des machines dont le stator, vu limportance de ses encoches relativement la
denture rotorique, ne peut tre assimil un stator lisse, Les irrgularits locales dues au
positionnement relatif des dents rotoriques et statoriques sont dailleurs la cause de la conversion
dnergie. La figure (II.9) reprsente une MRV double denture avec six ples statoriques et
quatre ples rotoriques, ne comportant ni conducteur lectrique ni aimant, ce qui lui confre
une grande robustesse et une extrme simplicit.
Fig. II.9 Machine double denture.[27]
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Chapitre II Les Machines A Rluctance Variable
II.6. CARACTERISTIQUES ELECTROMAGNETIQUES ENERGIE -
COUPLE[28]
Dans une MRV, le flux varie en fonction de la position du rotor et des ampres tours injects
dans une phase du stator, soit : = fonction (N.i, ).
De ces caractristiques lectromagntiques (Fig. II.10.a), nous pouvons dduire lallure de
linductance en fonction de la position et ltat de saturation (Fig. II.10.b).
0 900 1800 2700 3600 4500 5400 6300 7200 81000
2
4
6
8
10
12
14COURBES FLUX (teta DE PAS 20;ni)
ni[At]
flux[mWb]
flux2D
0 20 40 60 80 1001201401601802002202402602803003203403600
0.5
1
1.5
2
2.5COURBES inductances (teta;ni DE PAS 900At)
position de rotor [Deg]
inductance[mH]
dent
(a) (b)
Fig. II.10.a Caractristique flux-At (pas de =20)
Fig. II.10.b Evolution de linductance avec la position pour diffrentes excitations
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360-150
-100
-50
0
50
100
150COURBES COUPLE (teta;ni DE PAS 900At)
position de rotor [Deg]
couple[Nm
]
flux 2D
Fig. II.10.c Allure du couple en fonction de la position et de ltat de saturation
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Chapitre II Les Machines A Rluctance Variable
Nous pouvons aussi en dduire le couple dvelopp (Fig.II.10.c) ou le calculer selon la
mthode des travaux virtuels partir dune variation dnergie ou de conergie (Fig.II.11) entre
les deux positions extrmes (conjonction et opposition):
- nergie magntique : = .iWe (II-5-a)
cst
eWTe=
=
(II-5-b)
- conergie : = iWc . (II-6-a)
csti
cW
Te=
= (II-6-b)
Fig. II.11 Reprsentation de lnergie et de la conergie.
En rgimelinaire, on montre que le couple sexprime de la manire suivante :
m
LiTe=
..21 2 (II-7)
qui indique que le couple ne dpend pas du sens du courant do possibilit dune alimentation
en courant unidirectionnel. Par contre, le couple dpend de la drive de linductance L par
rapport la position du rotor, do les deux types de fonctionnements dj prsents dans la
figure (II.2).
Nous allons prsent examiner plus en dtail le fonctionnementgnrateur, objet de ce travail.
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Chapitre II Les Machines A Rluctance Variable
II.7. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DUNE GRV
La gnratrice rluctance variable est dsirable dans le futur, elle contient une structure
simple et solide se qui nous permet de la utiliser dans les centrales olienne.
La technologie du gnrateur rluctance variable est base sur les concepts que magntis
vis--vis des ples attire. Typiquement, il y a nombre ingal des ples saillants sur le stator et
rotor. Tous les deux sont construits avec de l'acier lectrique stratifi de catgorie [25].
Tous les noyaux de fer du stator et du rotor dans la GRV sont les ples saillants. La
distribution du champ magntique est diffrente quand la position relative entre le pole de rotor
et la phase lectrique sur le stator est diffrente. Ainsi l'inductance L d'enroulementchangera
avec le changement de la position relative entre le pole de rotor et le pole de stator. Quand le
rotor tourne, l'inductance des enroulements changera du maximum Lmax en le minimum Lmin
priodiquement. L'inductance atteint le maximum quand les ples de rotor et les ples de stator
sont en mme position et minimum d'extensions quand les ples de rotor et les pole de stator
sont en opposition [29].
II.7.1. LES DIFFERENTES PHASES DE LA GRV
La GRV comprend deux phases de fonctionnement dans une priode lectrique :
- phase (1) :dexcitation ou de magntisation.
- phase (2) :de gnration lectrique.
Fig. II.12 Reprsentation dune GRV [29]
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Chapitre II Les Machines A Rluctance Variable
- phase (1) : quand [K1, K2] ferms le bobinage du stator est excit par un circuit
externe (Fig.II.12.a); lnergie lectromcanique fournie par le circuit externe est convertie en
nergie magntique.
Fig. II.12.a Phase de magntisation
- phase (2) : quand [K1, K2] ouverts et [D1, D2] ferms, les nergies magntique et
mcanique sont converties en nergie lectrique qui alimente de nouveau la source ou la charge.
(Fig. II12.b)
Fig. II.12.b Phase de gnration.
II.8. MODES D'EXCITATION DE LA GRV[22, 29, 30]
La gnratrice rluctance variable peut fonctionner en excitation spare ou en auto excit.
- Dans la GRV excitation spare, la boucle de l'excitation est indpendante de la
gnration ; elle est ralise en permanence par un circuit externe compos dune source
continue et dun interrupteur.
Parce que l'excitation est fournie par une source extrieure pendant le processus courant
entier du GRV, il n'y a aucun rapport entre la tension d'excitation et la tension de sortie ce
moment-l et les deux tensions peuvent tre ajustes indpendamment. Par consquent, le
contrle de l'excitation spare est commode.
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Chapitre II Les Machines A Rluctance Variable
- Dans la GRV auto excite, l'excitation initiale est fournie par une source extrieure
de tension. Quand la tension gnre (VDC) atteint sa valeur de rgime permanent (la valeur
rgulire pour le contrle), la source extrieure est dconnecte. Alors l'excitation sera fournie
par la tension produite par la GRV elle-mme.
Pour ce mode, le volume de systme est trs rduit et l'efficacit est leve, parce qu'il n'y a
aucune source externe quand la tension est tablie. La magntisation est alors assure et
maintenue par la suite par un condensateur CDC[22, 29, 30].
II.9. LALIMENTATION DE LA GRV
Lalimentation de la gnratrice a rluctance variable se fait par un convertisseur de
puissance triphas en demi-pont asymtrique.
II.9.1. CONVERTISSEUR DE PUISSANCE [28, 32]
On associe la machine rluctance variable un onduleur triphas en demi-pont asymtrique
(Fig.II.13). La structure du convertisseur a t choisie pour sa simplicit, sa robustesse et
lindpendance quil procure chacune des phases. Do le choix de cette structure pour unavant-projet.
Afin de gnrer du courant avec une machine rluctance variable il est ncessaire
dalimenter ses phases lors de la dcroissance de linductance. En effet cest dans cette rgion
que la force contre lectromotrice en
d
dLi .. est ngative et va permettre de gnrer de la
puissance lectrique.
Laugmentation de la vitesse joue galement en faveur des possibilits en dbit, puisquelle
intervient aussi dans lexpression prcdente.
Cependant, du fait que lon impose une tension en crneaux aux bornes de chaque phase sans
dcoupage, on ne peut exercer un contrle sur la forme donde du courant. La seule manire
dagir sur ce dernier passe donc par les deux angles de commande onetoff(Fig. II.2).
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Chapitre II Les Machines A Rluctance Variable
Fig.II.13 Demi pont asymtrique.
La problmatique de la commande en gnrateur des machines tudies se pose donc dans
les termes suivants : trouver les paramtres de commandep et p tels que : lon soit en mode
gnrateur cest--dire que les courants puissent suffisamment magntiser les phases de la
machine afin de rcuprer assez dnergie lors des priodes de roue libre par rapport aux
priodes de conduction des interrupteurs de puissance [28].
L'obtention d'un couple positif permettant d'entretenir le mouvement de rotation est
subordonne l'alimentation des phases lorsque la dent du rotor s'approche de la dent du stator
c'est--dire pendant la phase de croissance de la permance de la phase (Fig.II.14.a).
Fig. II.14.a Alimentation en mode moteur.
A l'inverse, l'alimentation de la phase lors de la dcroissance de la permance engendre un
couple ngatif et donc un fonctionnement gnrateur de la MRV (Fig.II.14.b).
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Chapitre II Les Machines A Rluctance Variable
Fig. II.14.b Alimentation en mode gnrateur.
II.9.2. PARAMETRES DE COMMANDE EN MODE GENERATEUR
Deux angles lectriques viennent paramtrer la commande de la GRV comme la montre la
figure (II.15):
p
: Angle davance
p : Angle de conduction
Ces deux angles sont les mmes pour chacune des phases. Cest partir de ces paramtres
que lon a tent de dgager des lois de commande en mode gnrateur.
Fig.II.15 Paramtres de commande.
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Chapitre II Les Machines A Rluctance Variable
Les diffrents modes de fonctionnement de la MRV sont rsums dans les tableaux suivants :
- en mode moteur (Tab.II.1) avec la f.e.m est positive, si les interrupteurs K1 et K2 sont
ferms, la tension du bus continu +VDCest applique et le courant augmente. Pour une tension
nulle ((K1, D1) ou (K2, D2) passants) le courant dcrot en phase de roue libre. Si D1 et D2sont
passantes, la tension est ngative et le courant dcrot.
phaseV Interrupteurs ferms
Courant
croissant DCV+ 2K,1K
Courant
dcroissantDCV-
02D,1D
2 D, 2 Kou 1 D, 1 K
Tab.II.1 Etat des interrupteurs pour un fonctionnement moteur
- en modegnrateur(Tab.II.2) avec la f.e.m est ngative, si la tension du bus continu V DC
est applique sur la phase k (Vk= VDC), alors le courant augmente.
Pour une tension de phase Vknulle, le courant croit en phase de roue libre.
Si la tension Vkest ngative, le courant dcrot. Le mode gnrateur pose un problme qui
nexiste pas en mode moteur cause de la f.e.m ngative. En effet, si la f.e.m est suprieure la
tension du bus continu VDC alors le courant est croissant lorsque D1 et D2 conduisent et il
nexiste plus de configuration ou le courant est dcroissant. Ds lors le courant augmente sans
quaucun contrle ne soit possible (perte de commandabilit du convertisseur). Pendant la phase
de roue libre, il est possible de travailler avec K1et D1ou bien K2 et D2. On peut alterner les
deux configurations afin de limiter les chauffements et les sollicitations des composants.
phaseV Interrupteurs fermsCourant
croissantDCV+
02K,1K
2D,2Kou1D,1K
Courant
dcroissant DCV- 2D,1D
Tab.II.2 Etat des interrupteurs pour un fonctionnement gnrateur
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Chapitre II Les Machines A Rluctance Variable
Pour le contrle de la GRV, il y a plusieurs paramtres tels :
- les angles de commutation ( offon , )- la tension dexcitation- le mode de contrle.
Remarques
La tension de sortie du gnrateur rluctance variable est fortement ondule. Elle peut tre
filtre et rgle. en ajustant la dure du courant d'excitation.
La commutation de l'enroulement du stator est ralise laide dun contrleur [36].
II.10. CONCLUSION
Ce chapitre nous a permis de choisir, parmi les diffrentes structures de MRV existantes, une
configuration double saillance simple type MRVDS 6/4 afin de poursuivre les travaux de
recherche de lquipe qui mencadre et qui a dj fait lobjet dune modlisation numrique par
lments finis en fonctionnement moteur.
Aprs avoir examin le fonctionnement de ce prototype en mode gnrateur qui nous
intresse ici ainsi que les conditions de sa mise en oeuvre, nous allons aborder dans le chapitre
suivant la modlisation puis la simulation de la machine associe son convertisseur et sa
commande sous environnementMATLAB/SIMULINK.
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hapitre III Modlisation & Simulation Du Systme GRV-Convertisseur
Turbine Eolienne
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Chapitre III Modlisation & Simulation Du Systme GRV-ConvertisseurTurbine Eolienne
III.1. INTRODUCTION
En vue de rpondre de nouvelles exigences, nous constatons ces dernires annes un
engouement pour ltude et la mise en application de convertisseurs lectromcaniques dnergie
non conventionnelsdont la MRVfait partie pour ses multiples atouts (robustesse, simplicit de
construction, faible cot, performances leves). La plupart des tudes sur ce type de machine
ont surtout port sur le mode de fonctionnement moteur alors que le mode gnrateur, assez
marginal au dbut, commence intresser les chercheurs.
En effet, certains avantages offerts par la Gnratrice Rluctance Variable en font une
machine idale pour certaines applications telles que le dmarreur/gnrateur du moteur des
avions [53], des automobiles [54] ainsi que les gnrateurs associs aux turbines oliennes [55].
En plus, elle peut intervenir dans des conditions ncessitant un systme de freinage rgnrable
telles que: les machines laver, les volants dinertie ou les voitures lectriques hybrides [56].
Toutefois, la GRV est un systme non-linaire, multi-variable et trs fortement couple. Sa
modlisation et son analyse ne sont donc pas aises.
Pour analyser le fonctionnement de la GRV, plusieurs mthodes ont t proposes : titre
indicatif, la rfrence [57] a adopt le programme SPICE qui prsente des limitations ; la
rfrence [58] emploie la technique de programmation oriente objet qui est trs flexible
mais trs difficile mettre en oeuvre du fait qu'elle ait besoin du modle mathmatique complet
du systme ; la rfrence [59] introduit quelques modles et fichier.m sous environnement
MATLABpour construire le modle mathmatique non-linaire des courbes de magntisation ;
cette mthode est assez prcise mais le temps de simulation est trs lev ; la rfrence [60]
prsente une nouvelle mthode de modlisation qui combine les avantages des mthodes bases
sur la simulation de circuit et la simulation dquations diffrentielles. Dans ce modle, le
convertisseur de puissance, la source d'excitation et les charges sont modliss en utilisant les
boites outils de la bibliothque SIMULINK sous MATLAB ; toutes les autres composantes du
systme comme linductance du bobinage statorique, le gnrateur dimpulsions du convertisseur
de puissance et le convertisseur dangle ont t introduits par des fonctions MATLAB et les
modles de base de SIMULINK. Le modle construit dans cette rfrence est trs flexible, le
temps de simulation trs court et le travail prsent offre une nouvelle approche pour les
caractristiques de la GRV.
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Chapitre III Modlisation & Simulation Du Systme GRV-ConvertisseurTurbine Eolienne
En nous inspirant de cette approche, nous avons tabli dans ce chapitre le modle thorique
dune GRV 6/4. Ltude a port sur les caractristiques lectriques (courants, tensions),
magntiques (flux) et mcaniques (vitesse et couple) de la machine. Le modle thorique sera
valid, par la suite, par une simulation sous MATLAB/SIMULINK. Comme application pratique
de cette GRV 6/4, nous lavons associe une turbine olienne et simul lensemble.
III.2. HYPOTHESES SIMPLIFICATRICES
Les paramtres de chaque phase sont symtriques. L'inductance mutuelle et linductance de fuite sont ngliges. Ignorer les phnomnes d'hystrsis et de courants induits de Foucault. La rsistance est indpendante de la temprature. Les interrupteurs sont parfaits. La tension dexcitation est parfaitement continue.
Remarque :
Les calculs de flux, dinductance, de la f.e.m et du couple sont effectus en faisant
lhypothse que les phases sont dcouples magntiquement. Le calcul du couple est alors
effectu en faisant la somme des couples produits par chaque phase [22].
Pour un entranement de type dtermin, toute amlioration du comportement implique une
action sur l'un des lments constitutifs suivants:
La machine. L'alimentation. La commande.Le rle de l'alimentation est d'appliquer les tensions aux diffrentes phases de la machine, en
synchronisme avec les positions relatives des dentures stator-rotor correspondant au mode
gnrateur(squences de magntisationet degnration). Elle doit assurer l'enclenchement d'un
bobinage sur ordre de commande ; elle doit galement assurer la coupure du courant.
Dans ce chapitre, nous avons modlis et simul la gnratrice rluctance variable pour
tudier son comportement dynamique en rgime non linaire.
Pour la simulation de cette machine, nous pouvons utiliser deux stratgies de commande
diffrentes : (i) la premire est une commande en tension alors que (ii) la deuxime est une
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Chapitre III Modlisation & Simulation Du Systme GRV-ConvertisseurTurbine Eolienne
commande par hystrsis. Cette dernire mthode nous permet de choisir l'angle d'excitation
optimal pour rduire l'ondulation du couple de la GRV [27].
III.3. LEMENTS DU SYSTEME
Une gnratrice rluctance variable Un capteur de position du rotor Un convertisseur d'alimentation lectrique Un contrleur.
III.3.1. MODELE NON LINEAIRE DE LA GRV
Pour la gnratrice rluctance variable, il y a trois types de modles d'inductance : le
modle linaire, le modle quasi-linaire et le modle non-linaire [60]. Dans ce travail, pour
tudier les caractristiques relles de la GRV, selon le modle non-linaire d'inductance, un
modle non-linairede la GRV est tabli, bas sur des quations dinterpolation.
Le systme tudi se compose de la machine rluctance variable, du convertisseur de
puissance, dun contrleur et dun capteur de position.
Dans ce mmoire, la machine tudie est une gnratrice triphase 6 ples saillants au
stator et 4 ples saillants au rotor (plus connue sous le sigle de GRV 6/4 double saillance). Latopologie de son convertisseur de puissance est un demi-pont triphas asymtrique en H. Le
diagramme simplifi de la structure de la GRV est illustr dans la figure (III.1).
Fig.III.1 Structure simplifie dune GRV 6/4.
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Chapitre III Modlisation & Simulation Du Systme GRV-ConvertisseurTurbine Eolienne
Le rotor de la gnratrice rluctance variable est entran par un moteur principal. La
position du rotor peut tre obtenue par un capteur de position. Le contrleur gnrera les signaux
de commande selon l'information sur la position du rotor. Les signaux de commande des
interrupteurs (type IGBT) du convertisseur de puissance assureront les phases de magntisation
et degnration de lnergie lectrique.
La figure (III.1) montre qu'il y a deux commutateurs K1 et K2,et deux diodes D1et D2dans
chaque phase.
- Quand les deux interrupteurs K1 et K2sont ferms, l'enroulement statorique est excit ; le
systme a absorb l'nergie de la source dexcitation : phase de magntisation.
- Quand K1et K2sont ouverts, l'enroulement libre l'nergie travers les diodes D1et D2, le
systme fournit l'nergie lectrique aux charges externes : cest la phase degnration.
Les circuits magntiques du stator et du rotor de la GRV sont gnralement constitus dun
empilage de tles d'acier au silicium grains non orients. La figure (III.1) indique la structure
triphase de la GRV 6/4 o deux ples saillants du stator diamtralement opposs sont bobins
par deux enroulements connects en srie pour former une phase, Il n'y a aucun aimant ni
enroulement sur le rotor (cas des MRV hybrides).
Une bonne dmarche qui permettrait daboutir une bonne simulation d'une machine rluctance variable rsiderait dans lutilisation dune mthodologie qui tienne compte de la non
linarit de sa caractristique magntique tout en minimisant le temps de simulation.
(a) EQUATIONS ELECTROMAGNETIQUES
La tension instantane applique aux bornes de l'enroulement d'une phase de la GRV obit
lquation lectrique :
dt
idiRV kkk
),(.
+= (III-1)
kV : Tension applique sur chaque phase.
ki : Courant dans la phase k(k= A, B, C).
R: rsistance de l'enroulement dune phase.
),( ki : Flux statorique totalis.
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Le signe de Vk est dtermin par le mode de fonctionnement de la GRV ; quand le systme
est excit (phase de magntisation), nous avons +Vk; quand le systme gnre le courant (phase
degnration), nous avons -Vk.
A cause de la structure double saillance de la machine et de l'effet de la saturation
magntique, le flux dans les phases statoriques varie en fonction de la position du rotor et du
courant de chaque phase. L'quation (III-1) peut tre dveloppe comme suit:
dt
d
d
id
dt
di
di
idiRV k
k
kk
.
),(.
),(. ++= (III-2)
k
k
di
id ),(: est dfini comme tant l'inductance instantane ),( kk iL
La vitesse angulaire de rotation est lie la pulsation lectrique par lexpression
r
e
Ndt
d == (III-3)
Dans le cas non linaire, le flux dans chaque phase est donn par lquation:
(III-4)),( i =L( i, ).i
LinductanceL dpend du courant de phase i et de la position du rotor.
On peut rcrire lquation (III-2) sous la forme:
d
idLi
dt
diiLiRV
k
k
k
kkk
),(..).,(. ++= (III-5)
Le terme d la variation dinductance en fonction de la position (
d
dLi .. ) reprsente la
force contre-lectromotrice.
Le circuit quivalent dune machine rluctance variable est illustr dans la figure (III.2):
Fig.III.2 Circuit quivalent monophas de la MRV dans la phase de magntisation.
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(b) CALCUL DE LINDUCTANCE
Pour simuler le fonctionnement dynamique rel, l'expression reliant l'inductance la
position angulaire du rotor et au courant de phase doit tre dcrite exactement. Le circuit
magntique de la GRV est satur (non-linaire) ; lexpression de son inductance peut tre
approche en utilisant les sries de Fourier. Dans ce cas, en effectuant un dveloppement limit
au premier ordre, nous aurons lexpression de linductance par phase statorique
(III-6)).cos().()(),( 10 ++= rkk NiLiLiL
o
2
)()()( minmax
0
iLiLiL
+=
(III-7)
(III-8)2
)()()( minmax1
iLiLiL
=
Lmax,Lmindsignant respectivement les inductances des positions de conjonction (alignement des
dents statoriques et rotoriques), et dopposition (non-alignement des dents statoriques et
rotoriques).
De ce qui prcde, il est trs important de dterminer Lmax et Lmin. Elles peuvent treobtenues par lexprimentation ou par lanalyse par lments finis (voir Fig.III.3 [61,60]). La
Fig.III.3 montre la relation entre l'inductance, la position du rotor et le courant de phase ; elle a
t obtenue par la mthode des lments finis. Cette figure indique quen satur, les 2
inductances extrmes ont quasiment la mme valeur (Lmin= 0.01H).
Fig.III.3 Relation entre linductance, la position du rotor et le courant de phase [60]
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Lmax(i) peut tre modlise par un polynme ayant comme variable le courant iet qui peut tre
obtenue par le lissage de cette courbe, selon la reprsentation Fig.III.4 et lexpression (III-9).
Fig.III.4 Courbe de fitting deLmax(i)
4323
0
max .00035.0.0022.0.005.0.0045.0136.0)( iiiiiaiLn
n
n
++===
(III-9)
(c) PRODUCTION DU COUPLE
La variation de rluctance entre les deux positions extrmes de conjonctionet dopposition
induira une variation d'nergie magntique do rsultera un couple moyen non nul.
Le couple de la MRV est gal la drive de la fonction nergie par rapport la position du
rotor :
),,......,(),,......,( 11
nneW
T
= (III-10)
Avec:
W: nergie,
: Flux totalis dans chaque phase.
Appliquons cette relation une MRV 6/4, on a :
),,,(),,,( 321321
=
WTe (III-11)
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Les quations mcaniques sont :
= FTTdt
dJ re (III-12)
O :
J: moment dinertie de la MRV
Tr: couple rsistant
F : coefficient du frottement visqueux.
De la co-nergie:
Wc= 2
),(2
1
iiL
III-13
Nous dduisons lexpression du couple :
2),(
2
1i
d
idLTe =
III-14
L'expression (III-14) montre que ce convertisseur est unidirectionnel en courant parce que la
production du couple ne dpend pas du signe de courant mais seulement de signe dedL
d. Puisque
le couple d'une MRV est indpendant de la polarit de courant dexcitation, les MRV exigent
seulement un commutateur par enroulement de phase, contrairement ce qui se passe dans la
majorit des moteurs courant alternatif exigeant au moins deux commutateurs par phase.
Ici, chaque bras du convertisseur de la GRV a deux IGBT et deux diodes.
III.3.2. CONVERTISSEUR DE LA GRV
Fig.III.5 Convertisseur triphas asymtrique pontH
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III.4. STRATEGIE DE COMMANDE DE LA GRV
III.4.1 OBJECTIF
La fermeture des interrupteurs du convertisseur (diodes bloques) doit tre effectue durant
la dcroissance de linductance, ce qui produit une tension (+VDC) la sortie du convertisseur :
cette phase est appele phase de magntisation de la GRV. Pendant la croissance de
linductance seules les diodes conduisent (interrupteurs ouverts), la tension de sortie devient
(-VDC) : cette phase est appele phase de gnration de la GRV .
En consquence, le convertisseur dlivre une tension en crneaux variant entre + VDC et -VDC.
Ainsi, lobjectif de la commande est de faire conduire les IGBT seulement pendant la phase de
magntisation (dcroissance de linductance), comme illustr dans la figure (III.6). En ralit, on
insiste ce que la magntisation de la machine soit faite lors de la dcroissance de linductance
pour la raison suivante : pour que le couple soit ngatif (car il sagit dune gnratrice), il faut
que la drive de linductance soit ngative en vertu de lquation (III-14).
Fig.III.6 Conduction des IGBT pendant la dcroissance de linductance
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III.4.2 SCHEMA SYNOPTIQUE
Le schma synoptique du circuit de commande monophas permettant datteindre lobjectif
prcdent est reprsent (Fig. III.7). Dabord, le courant dune phase statorique est captur ;
ensuite, il est compar une consigne. Aprs, lerreur ipasse par un comparateur hystrsis
gnrant une sortie logique (0 ou 1). Puis, cette dernire intervient avec la position du rotor pour
tablir lordre de commutation (impulsion).
Fig.III.7. Schma synoptique du circuit de commande propos
III.5 STRATEGIE DE LA COMMANDE PAR HYSTERESIS
Stratgie de commande en courant
Cette mthode de contrle des courants, la plus utilise dans lindustrie actuellement,
consiste commander les interrupteurs de londuleur de telle sorte que les courants des phases
statoriques du moteur ne puissent voluer en dehors dune bande de largeur Hencadrant leurs
courbes de rfrence. Ce contrle se fait donc par une comparaison permanente entre les
courants rels et leurs consignes. La diffrence entre les deux valeurs permet la logique de
commande de londuleur dimposer une commutation des interrupteurs chaque fois que cette
diffrence dpasse, en valeur absolue, H/2 (Fig.III.8). Cette mthode ne ncessite donc pas la
connaissance du modle lectrique de la machine [62].
Fig.III.8Principe du contrle par hystrsis
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Comme il est bien connu, cette technique de contrle du courant la plus directe que lon puisse
imaginer, a les avantages dune bonne stabilit, une rponse trs rapide et une bonne prcision
[63].
III.6. SIMULATION DUNE GRV 6/4
Avant de commencer la simulation de la GRV en utilisant son modle non linaire, il est
ncessaire de bien choisir la position initiale du rotor qui ne doit pas tre dans la zone o
l'inductance L a une valeur constante car le couple serait nul. Quand le couple rsistant de la
charge est nul, la variable , correspondant la position du rotor, n'volue pas et la machine
serait arrte tout le temps. Pour notre machine particulire, un angle initial t choisi, pour
viter ce cas de couple de charge nul.
III.6.1 PARAMETRES UTILISES POUR LA SIMULATION DE LA GRV
La machine rluctance variable simule avec le modle mathmatique non linaire tabli
ci-dessus est une gnratrice triphase dont la simulation numrique a t ralise avec
SIMULINKsous environnement MATLAB (version 6.5). Les angles optimaux des interrupteurs
sont limits comme suit : 45on < off 90
Les paramtres de la simulation sont prciss dans le Tableau III.1.
Tab.III.1 Paramtres de la simulation de la GRV.
Paramtre Valeur Numrique
Ns 6
Nr 4
on 45
off 80
R 0.25
Lmin 0.01 H
Vexcitation 250 V
Kp,Ki 10, 5
RDC 1140
Vitesse dentranement 90000 rad/s
Angle de rfrence 10
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III.6.2 DESCRIPTION DU MODELE ELABORE SOUSMATLAB/SIMULINK
La figure (III.9) reprsente le modle complet de simulation dune GRV 6/4.
Fig.III.9. Modle du systme GRV- convertisseur-contrleur-capteur simul sousMatlab/Simulink.
Comme mentionn dans la figure ci-dessus, le modle complet de simulation se compose de
cinq blocs principaux : la GRV, le convertisseur de puissance, le bus continu, le contrleur et le
capteur de position. Dans ce qui suit, nous dtaillerons le contenu et la fonction de chaque bloc.
III.6.2.1 Bloc GRV
La structure interne du bloc GRV 6/4 est illustre (Fig. III.10). La GRV contient trois sous-
systmes nots Phase A, Phase B et Phase C. Ces derniers ont pour vocation dune part, de
produire les impulsions ncessaires pour commander les interrupteurs (type IGBT) du
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convertisseur, et dautre part, de permettre lchange de puissance entre le stator de la machine et
les phases du convertisseur. Chacun de ces trois blocs est dcrit par trois entres : la phase
correspondante, langle du rotor donn par le capteur de position et la rfrence du courant
calcule par le contrleur.
Fig.III.10 Structure interne du bloc GRV.
Dans la Fig. III.11, nous dtaillons le contenu du bloc de la Phase A, les 02 autres blocs tant
identiques mais diffrents juste au niveau de la valeur du dcalage angulaire o on prend 0 pour
la phase A, spour la phase B, et 2spour la phase C, tel que [26]:
III-15s= 2(1/Nr- 1/Ns)
Dans ce bloc, nous pouvons galement calculer linductance dune phase en appliquant les
formules (III-6) (III-9), avecLmin= 0.01H.
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Chapitre III Modlisation & Simulation Du Systme GRV-ConvertisseurTurbine Eolienne
Fig.III.11 Intrieur du bloc Phase A.
De plus, en observant le contenu du bloc de calcul de linductance (Fig.III.12), nous pouvons
assimiler la mthode de calcul du courant (formule (III-1)).
Fig.III.12 Calcul du courant dune phase en vertu de la formule (III-1).
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Remarques :
La conversion d'angle est une fonction modulo , puisque chaque inductance de phase a unepriodicit de 2/NravecNr= 4 ; il est appropri de transformer l'angle de position de rotor
venant du capteur de position, de sorte que a soit le modulo 2/Nr.
Le bloc Controlled Current Source qui apparat dans la figure (III.11) convertit le signalcourant en une source commande de courant ; ses sorties sont relies aux bornes dun
enroulement statorique (k+, k-) o kest lindice de phase.
Le bloc Voltage Measurementest un bloc de mesure de la tension ; il convertit la source detension fournie par le convertisseur de puissance en un signal de tension et sa sortie est
l'entre 3 qui apparat dans la figure (III.12), que nous avons utilise pour le calcul du courant.
III.6.2.2 Bloc Convertisseur de puissance
(a) Circuit de puissance
Comme il a t mentionn prcdemment, la structure du convertisseur de puissance est un
demi-pont triphas asymtrique (Fig.III.5).
Puisque les trois phases du convertisseur sont symtriques, on se contente de reprsenter
(Fig.III.13) uniquement la phase A.
Fig.III.13 Circuit de puissance du convertisseur.
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Les phases de la GRV sont indpendantes et, en cas d'une anomalie dans un enroulement, le
fonctionnement non interrompu est possible.
III.6.2.3 Bloc Bus Continu
La figure (III.14) montre le bloc du bus continu. Il est constitu d'une source continue avec
laquelle on place en srie une diode. Le rle de cette diode est de prvenir le courant gnr par
la GRV (pendant la phase de gnration) de retourner vers la source continue. Une capacit
(CDC) est relie en parallle avec la sortie du convertisseur de puissance ; elle sert pour le filtrage
du systme.Nous avons aussi reprsent le circuit de charge dans cette Figure (charge rsistive) ;
le transistor IGBT plac en srie est utilis pour simuler une prsence (essai en charge) et une
absence de charge (essai vide).
Fig.III.14 Convertisseur, bus continu et charge
III.6.2.4 Le Contrleur(Fig. III.15)
Selon la tension de sortie du systme et la tension de rfrence choisie, le contrleur gnre
le courant de rfrence de la boucle du courant pour chaque phase afin de mettre en application
la commande des deux boucles fermes.
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Fig.III.15 Le contrleur
III.6.2.5 Capteur de position (Fig. III.16)
Le capteur de position est sens capter la position du rotor de la GRV, son schma-bloc est
reprsent (Fig.III.16). La vitesse est mesure puis intgre ; il en rsulte un angle qui sera
additionn un certain angle de rfrence. Ainsi, on obtient la position du rotor.
Fig.III.16 Capteur de position.
III.6.3 RESULTATS DE SIMULATION DE LA GRV
Les figures suivantes illustrent les principaux rsultats de simulation.
La figure (III.17) montre la tension constante de la source continue (VDC=250 V).
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Chapitre III Modlisation & Simulation Du Systme GRV-ConvertisseurTurbine Eolienne
Fig. III.17 La tension de la source continue
La Fig.III.18 montre la tension du ct AC du convertisseur de puissance (phase A). Cest
une tension alternative variant entre -VDC (-250V) et +VDC (+250V). Le niveau +250 V est
obtenu lors de la conduction des IGBT K1et K2(phase de magntisation), tandis que le niveau -
250 V est obtenu lors de la conduction des diodes D1et D2(phase de gnration).
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Fig.III.18 La tension de la phase A
Dans la Fig.III.19, on montre les tensions alternatives dans les trois phases. La tension de la
phase B est dcale de celle de la phase A dun angle set quant celle de la phase C, elle est
dcale de 2s.
Fig.III.19 Les tensions des trois phases
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La Fig.III.20 reprsente linductance en fonction de la position du rotor. On observe des
valeurs strictement positives tantt croissantes, tantt dcroissantes. Cela est justifi par la
double saillance de la machine (saillance au stator et au rotor). Pour la machine considre, et
pour des positions variant de 0 100, la valeur maximale de linductance est de 0.136 H.
Fig.III.20 Linductance de la phase A