STRUCTURE GENERALE DE L’ALIMENTATION DE LA MSDE

La machine synchrone à double étoile est un dispositif à vitesse variable, ou la fréquence des tensions d'alimentation est délivrée par un convertisseur statique est asservi à la position du rotor.

L'existence des deux stators nécessite une alimentation par deux onduleurs de tension à transistors dont la commande de la MLI est décalée d'un angle "

Les deux onduleurs sont alimentés par un même pont à diodes dont la tension de sortie est filtrée par un filtre passe-bas LC. Le schéma synoptique d’un MSDE et son alimentation est présentée par la figure suivante :

γ".

Onduleur à point milieu fonctionnement optimal

Afin d’étudier le fonctionnement du convertisseur nous considérons pour simplifier l’onduleur à deux cellules présenté sur la figure II.8. Dans cette structure, la cellule 1 est celle qui est connectée à la charge.

Pour simplifier l’étude on suppose que le condensateur est chargé et reste chargé à sa valeur d’équilibre

La figure II.9 montre qu’il existe quatre configurations possibles pour un convertisseur multicellulaire 3 niveaux selon les commandes des interrupteurs. Cette structure permet d’obtenir trois niveaux de tension en sortie : 0 et ±

E/2 quel que soit l’état des interrupteurs. La contrainte en tension aux bornes des interrupteurs bloqués ne dépasse donc pas cette valeur. Les cellules de commutation sont indépendantes les unes par rapport aux autres et les semi-conducteurs découpent pendant l’intégralité de la période de modulation.E/2. Le niveau de tension intermédiaire (0V) peut être généré de deux manières différentes (cas C et D), ce qui implique un transit d’énergie en fonction du sens de circulation du courant de charge. Cette particularité permet de contrôler la tension aux bornes du condensateur flottant.

Onduleur à point milieu

Le modèle exact ou instantané prend en compte les commutations des interrupteurs et les grandeurs instantanées des variables d’état du convertisseur. Il permet de représenter l’état de chacune des cellules de commutation du convertisseur à l’échelle de la période de découpage et les phénomènes harmoniques liés à la commutation des interrupteurs [TAC 98].

Ce modèle est utilisé pour valider en simulation des lois de commande mises en oeuvre à partir du modèle moyen.

La figure II.7 présente un convertisseur multicellulaire série fonctionnant en onduleur à point milieu capacitif associé à une charge R-L. on alimente la charge par une entrée à point milieu ce qui nous permet de fonctionner en onduleur.

Ce convertisseur représente une association de p cellules de commutation. Chaque cellule est formée d’une paire d’interrupteur (sw, sw’) dont l’état est complémentaire.

L’ensemble des cellules constitue un bras. On remarque qu’entre chaque cellule est inséré un condensateur flottant.

La mise en équation de cette structure met en oeuvre (

Pour établir le modèle instantané on suppose que le point milieu est idéal (Ondulation de tension nulle).

On prend deux cellules (sw

L’évolution de la tension aux bornes du condensateur C ce dernier étant fonction de l’état des cellules adjacentes (cellule k+1 et cellule k) et du courant de charge

k-swk’et swk+1-swk+1’) avec leur condensateur flottant (Ck).k est liée à l’évolution du courant Ick,Ich.p-1) équations liées à l’évolution des tensions aux bornes des (p-1) condensateurs flottants et une équation liée au courant de la charge.

Modèle exact ou instantané

Principe de base d’un convertisseur multicellulaire

Afin d’étudier les propriétés des convertisseurs multicellulaires série en régime établi, nous allons faire un certain nombre d’hypothèses sur les interrupteurs et les sources qui sont utilisées.

les interrupteurs sont idéalisés (tension de saturation, courant de fuite et temps de commutation nuls).

Les interrupteurs étant parfaits, les temps morts sont supposés nuls.

Les sources de tension et courant sont supposées parfaites. Cela signifie que l’impédance série d’une source de tension est nulle et que celle d’une source de courant est infinie.

Définition d’une cellule élémentaire de commutation

Avant de définir la cellule de commutation, nous rappelons quelques règles fondamentales d’interconnexion des sources.

Une source de tension ne doit jamais court-circuitée mais elle peut être ouverte.

Une source de courant ne doit jamais être ouverte mais elle peut être court-circuitée.

La figure II.4 représente le schéma de principe d’une cellule élémentaire de commutation.

Afin de respecter les règles d’interconnexion de sources, les signaux de commande des interrupteurs

"sw" et "sw’" devront être de nature complémentaire. Ainsi, une cellule élémentaire de commutation ne peut présenter que deux états. Par convention, une cellule de commutation est dite à l’état "1" lorsque son interrupteur haut (respectivement bas) est passant (respectivement bloquée). Donc une cellule de commutation est dite à l’état "0" lorsque son interrupteur haut (respectivement bas) est bloqué (respectivement passant).Il ne faut jamais connecter entre elles deux sources de même nature ; cela revient à dire qu’on ne peut connecter entre elles qu’une source de courant et une source de tension.Le courant est considéré comme constant pendant une période de commutation.

Les convertisseurs multicellulaires série ou à cellules imbriquées

Au début des années 90, une nouvelle structure de convertisseurs multiniveaux a été inventée. Cette structure est basée sur la mise en série de cellules de commutation entre lesquelles une source de tension flottante est insérée. Ces sources de tension flottantes sont réalisées par des condensateurs.

La figure II.3 montre le schéma d’un bras d’un onduleur multicellulaire série à

N niveaux, constitué de p cellules.

Le premier avantage de ces convertisseurs est la réduction des contraintes en tension sur les interrupteurs. Les sources de tension flottantes imposent sur chaque cellule une contrainte en tension égale à E/P. Par contre, le calibre en courant des interrupteurs est identique à celui d’une structure classique : c’est le courant de la charge. Les convertisseurs multicellulaires série permettent aussi d’améliorer la forme d’onde de la tension de sortie et permettent plus de flexibilité pour obtenir des différents niveaux de tension (par rapport à la structure NPC). D’autre part, la contrainte de ces convertisseurs est la nécessité d’un grand nombre de condensateurs, notamment pour une configuration triphasée.

Les convertisseurs multiniveaux à structure NPC (Neutral Point Clamped)

La deuxième structure largement utilisée pour générer une tension multiniveaux est le convertisseur clampé par le neutre (aussi appelé NPC : Neutral Point Clamped converter).

Cette structure représentée sur la figure II.2 permet elle aussi de générer une tension de sortie sur trois niveaux, et peut fonctionner en montage hacheur ou onduleur. Là encore, la structure possède deux cellules de commutation.

La structure de convertisseur clampé par le neutre nécessite une bonne répartition des tensions entre les condensateurs C1 et C2. Pour cette raison, un asservissement du potentiel du point milieu peut s’avérer nécessaire. D’autre part, la généralisation de la structure NPC à un nombre de niveaux supérieur à trois est difficilement envisageable, car cela rend la commande très complexe.

Convertisseur multicellulaire

INTRODUCTION
Les avancées technologiques récentes ont permis le développement continu des semiconducteurs de puissance moyenne tension, entièrement commandés, à base de silicium. Leur évolution en termes de calibres en courant et en tension reste cependant limitée à l’heure actuelle notamment à cause des limites physiques de ce matériau, malgré les nouvelles structures de composants considérées (SPT, Trench, etc.).
Les besoins actuels en termes de puissance ne cessent de croître et la limitation technologique des composants a légitimé le développement de topologies de conversion d’énergie reposant sur l’association en série de structures élémentaires. Elles sont de plus en plus répandues, car elles présentent l’avantage d’utiliser des semi-conducteurs commandés de calibre plus faible en tension avec des fréquences de commutation plus élevées.
Les structures de conversion d’énergie multiniveaux connaissent un essor dans le domaine des applications moyenne tension/forte puissance, car elles possèdent de meilleures performances que les topologies classiques et permettent l’utilisation de composants moyenne tension pour des niveaux de tension toujours plus élevés. Elles sont néanmoins composées d’un plus grand nombre de semi-conducteurs, apparaissant ainsi comme inappropriées aux applications basse tension/forte puissance.
Intérêt des convertisseurs statiques multiniveaux
Un convertisseur statique est dit « multiniveaux » lorsqu’il génère une tension découpée de sortie composée d’au moins trois niveaux. Ce type de convertisseur présente essentiellement deux avantages. D’une part les structures multiniveaux permettent de limiter les contraintes en tension subies par les interrupteurs de puissance : chaque composant, lorsqu’il est à l’état bloqué, supporte une fraction d’autant plus faible de la pleine tension de bus continu que le nombre de niveaux est élevé. D’autre part, la tension de sortie délivrée par les convertisseurs multiniveaux présente d’intéressantes qualités spectrales. Le fait de multiplier le nombre de niveaux intermédiaires permet de réduire l’amplitude de chaque front montant ou descendant de la tension de sortie. L’amplitude des raies harmoniques est par conséquent d’autant moins élevée. Dans le cas plus précis d’un fonctionnement en modulation de largeur d’impulsion, le recours à un convertisseur multiniveaux associé à une commande  judicieuse des composants de puissance permet en outre de supprimer certaines familles de raies harmoniques.

Modélisation de la machine synchrone à double étoile

INTRODUCTION
Les machines triphasées à courant alternatif dominent très largement le domaine industriel, mais depuis longtemps déjà on s’intéresse aux machines ayant un nombre de phase supérieur à trois appelées machines multiphasées. Elles peuvent être classées en deux types, le premier type où les machines ont un nombre impair de phases reliés à un seul neutre, décalée d’un angle régulier entre phases adjacentes (pentaphasée, 7-phases…), les machines polyétoile représentent le deuxième type.
Dans ce chapitre, nous allons étudie la machine synchrone double étoile, qui n’est pas un système simple car de nombreux phénomènes compliqués interviennent dans son fonctionnement. Cependant, nous allons négliger ces phénomènes, d’une part à cause de sa complexité de leur formulation mathématique, d’autre part leur incidence sur le comportement pour la machine sont considérées comme négligeable dans certaine condition.
Ceci nous permette d’obtenir des équations simples, qui traduisent fidèlement le fonctionnement de la machine.
DESCRIPTION DE LA MSDE

La machine qui fera l’objet de notre travail est une machine synchrone à double étoile constitue d’un stator et d’un rotor comme le montre la figure I.1. Le stator "induit"est constitue de deux enroulement triphasés décalés entre eux d’un angle
A1, B1, C1 : phases du premier stator.
A2, B2, C2 : phases du second stator.
θ: angle électrique entre la phase A1 et la position du rotor.
L’inducteur est constitué d’un enroulement alimenté en continu et d’amortisseurs modélisés par deux enroulements en court circuit, dont l’un sur l’axe direct du rotor et l’autre en quadrature. Le rotor peut être à pôle lisse ou à pôle saillant. [MOU 06]
La machine étudie est suppose être à rotor bobine et à pôle saillant sans amortisseurs.

LES HYPOTHESES DE TRAVAIL
Pour l’établissement du modèle de la machine synchrone double étoile on a adopté les hypothèses simplificatrices suivant :
 Les forces magnétomotrices ont une répartition sinusoïdale.
 Les mutuelles inductances ne sont caractérisées que par leur fondamental.
 La saturation du circuit magnétique est négligée.
 Les deux étoiles sont strictement identiques, isolées électriquement.
 L’effet de peau qui augmente les résistances et réduit les inductances est négligées.
 Les pertes fer sont négligées (hystérésis et courant de Foucault).

 

Conclusion énergie éolienne

Lors de cette étude nous avons modélisé un système global de génération d’électricité à partir d’énergie éolienne. Celle-ci a été suivie d’une commande adaptée en vue d’atteindre les meilleures performances.

Notre travail s’est déroulé selon les étapes suivantes :

-L’établissement d’un état de l’art relatif aux convertisseurs électromécaniques utilisant la MADA.

-L’étude aérodynamique donnant les bases théoriques justifiant le rôle de la MADA par son fonctionnement à la vitesse variable.

-L’établissement d’une stratégie de commande afin d’imposer des références de puissance actives et réactives, de permettre un fonctionnement à vitesse variable et de conforter ainsi notre problématique.

Plusieurs modes de contrôle ont été donc établis en vue de les comparer et d’en retenir le meilleur. Ceci a été fait avec l’intégration dans la comparaison de trois types de régulateurs. Ainsi, neuf structures de commande ont été réalisées, desquelles nous avons choisi la structure indirecte en boucle fermée de par sa robustesse et sa capacité à limiter les courants rotoriques donc à protéger le bobinage de la machine et le régulateur IP de par sa simplicité et de ses performances convenables.

-L’établissement de la cascade alimentant le rotor à partir du réseau. Celle-ci est composée d’un onduleur, d’un bus continu et d’un redresseur. Grâce à une commande adaptée nous avons pu imposer une référence sur la tension du bus continu mais aussi limiter les harmoniques injectées dans le réseau.

La synthèse des travaux afin de mieux cerner le projet. Cette étape s’est intéressée à l’optimisation du rendement de la MADA dans un système éolien (MPPT). Deux types de commandes ont été élaborés. Ils reposent sur deux principes différents.

L’un utilisant la vitesse du vent pour commander la MADA, l’autre estimant la valeur de la puissance active statorique de référence à partir de la vitesse mécanique de rotation de la machine. L’avantage que procure la deuxième méthode en terme de robustesse par rapport aux perturbations dues aux soudaines rafales de vent a été la raison de son choix lors de la simulation.

Nous avons pu noter alors, que la MADA fonctionnait d’une façon efficace dans les conditions auxquelles nous l’avons soumise. Cela prouve la viabilité de son application dans un système éolien.

Grâce à la commande en puissance active et réactive de la MADA, celle-ci devient un outil intéressant pour le gestionnaire du réseau. L’opérateur système est ainsi doté d’un dispositif qui lui est utile car ces puissances peuvent être positives ou négatives.

A travers cette étude nous obtenons non seulement un moyen générant de l’énergie avec un rendement optimal, mais aussi un outil améliorant et contribuant à la qualité du réseau.

Suite aux résultats obtenus dans cette étude, des perspectives intéressantes pouvant contribuer à l’amélioration du fonctionnement de la MADA sont envisageables:

-Etablissement d’un modèle de la MADA prenant en compte la résistance de phase statorique et la saturation magnétique.

-Utilisation d’autres types de régulateurs plus performants dans la commande du dispositif.

-Utilisation d’un algorithme de maximisation de la puissance captée par différentes techniques : Logique floue, réseau de neurones.

-L’intégration d’un système de stockage inertiel.

-L’étude des perturbations de la production de l’énergie éolienne vis à vis des déséquilibres du réseau.

Principe de la cascade basée sur une machine asynchrone à double alimentation.

Tel que décrit dans la section précédente l’onduleur alimentant le rotor de la MADA doit être lui-même alimenté par une tension continue. Ceci est assuré par un redresseur de tension liant le réseau à l’onduleur. La cascade (Figure 4.1) ainsi formée comporte deux convertisseurs à MLI. L’utilisation de ce type de convertisseurs permet d’obtenir des signaux dont la modularité permet de limiter les perturbations .

Les deux convertisseurs interposés entre le rotor et le réseau sont à deux niveaux.

Commandés par MLI, ils sont bidirectionnels en puissance donc répondant aux exigences de ce type d’application. Le convertisseur coté réseau aura le même modèle que celui de l’onduleur tel que décrit précédemment. Néanmoins les signaux de commande seront déterminés en faisant un asservissement de la tension du bus continu.

Il est à noter que le redresseur à MLI a le même principe de fonctionnement qu’un hacheur élévateur. Sa tension de sortie est toujours supérieure à celle d’entrée, d’où la nécessité d’avoir une tension du bus continu supérieure à la valeur crête des tensions composées du réseau .

Après avoir repousser les harmoniques générées par le redresseur vers un rang supérieur grâce à la technique MLI, celles-ci doivent être atténuées grâce à un filtre liant le réseau au redresseur. Ce filtre étant passe bas, la qualité du réseau sera améliorée en y atténuant les harmoniques supérieurs.

 

Modélisation du système de conversion d’énergie éolienne

La mesure exacte du vent à la hauteur des turbines est assez complexe. Cependant, le vent peut être représenté par une grandeur aléatoire définie par des paramètres statistiques. [10]

De nombreux travaux sur la modélisation du vent ont été réalisés. L’un des principes retenu consiste à générer l’allure temporelle du vent à partir d’un bruit blanc sur lequel est appliquée une fonction de transfert à déterminer [20]. Les paramètres de cette fonction de transfert dépendent de grandeurs caractéristiques du site et de la nature de vent.

Modélisation du convertisseur éolien

La turbine étudiée comprend trois pales identiques. Elles sont fixées à un arbre d’entraînement qui est relié à un multiplicateur de rapport G. Le multiplicateur entraîne le générateur électrique à travers un arbre moteur.

En considérant que la vitesse du vent est uniforme sur toutes les pales d’où une égalité des forces d’entraînement, nous pouvons remplacer les pales par un même système mécanique.

Celui-ci comprend la somme des caractéristiques mécaniques des trois pales.

On obtient alors un modèle global composé de trois sous-systèmes :

•

•

Régulation de la tension du bus continu

L’utilisation du redresseur a pour but d’assurer une tension continue constante quelles que soient les perturbations qui peuvent avoir lieu lors du fonctionnement. Pour cela, une boucle de régulation doit être effectuée. Celle-ci permet de générer la référence du courant à injecter dans le condensateur. Aussi, afin de déterminer les signaux de commande du redresseur, il faut prendre en compte les puissances transitées qui sont fonction des courants du réseau alimentant le convertisseur :

A partir de ces relations il devient aisé de réguler les courants du coté réseau en imposantdes références sur les puissances actives et réactives ( 

Pref  , Qref  ) :

La composante du courant en quadrature est utilisée pour réguler la tension du bus continu, la composante directe, quand à elle, est utilisée pour réguler la puissance réactive transitée [13]. La régulation des transits de puissance permet d’imposer le courant capacitif au bus continu. Il est à relever que le réglage du bus continu est donc réalisé par une boucle externe tandis que les courants transités seront réglés par une boucle interne intégrée dans la

Le redresseur sera commandé par deux grandeurs. La puissance réactive de référence sera fixée à une valeur nulle pour ne pas altérer la qualité du réseau. La puissance active sera estimée à partir de la valeur référence du bus continu. L’estimation de la valeur référence de la puissance active passe par la connaissance du bilan énergétique de la cascade et donc une modélisation des transits de puissance active.

Pour pouvoir faire une modélisation du transit dans la liaison avec le réseau, il est impératif d’effectuer le bilan énergétique de cette dite liaison. En supposant que les pertes dans les convertisseurs et le condensateur sont nulles, la puissance transmise au redresseur s’exprime par:

La régulation des transits de puissance permet d’imposer le courant capacitif au bus continu.

Le réglage du bus continu est alors réalisé au moyen d’une boucle de régulation utilisant un régulateur générant la référence du courant à injecter dans le condensateur (Figure 4.6).

commande du redresseur commandé par hystérésis. Cette solution est la plus adaptée pour la commande des courants à la sortie d’un convertisseur électronique [19].

Onduleur de tension

L’onduleur est un convertisseur d’énergie permettant d’onduler la tension du bus continu et la fournir au bobinage du rotor. La tension continue est considérée constante, elle est égale à 800V. Cette hypothèse nous permet de faciliter la commande du convertisseur. Ainsi la bidirectionnalité de la puissance entre le rotor et le réseau est possible à travers un niveau de tension du bus continu supérieur à la valeur crête de la tension ondulée [18].Toujours par soucis de simplification, l’onduleur utilisé est à deux niveaux (Figure 4.2) car dans le cadre de cette étude nous avons pour but essentiellement de vérifier la faisabilité d’un système tel que décrit précédemment. L’atteinte de meilleures performances fera l’objet d’une autre étude par l’utilisation de convertisseurs multi niveaux. Ceux-ci amélioreront la qualité des tensions ondulées par la diminution des harmoniques.

Modèle de l’onduleur à deux niveaux

La symétrie des onduleurs à deux niveaux permet leur modélisation par bras. Après avoir modéliser chaque couple transistor – diode par un seul interrupteur bidirectionnel «

i S ». Il devient possible de déduire un modèle complet de l’onduleur (Figure 4.3).

Pour exprimer les tensions de lignes en fonction de la tension dans l’étage continu et de l’état des commutateurs, les variables

a S , b S et c S se doivent d’être définies en fonction de l’état des commutations dans les trois branches :

•

Sa=0 Si S1 est ouvert et S4 est fermé ;

Sa=1 Si S1 est fermé et S4 est ouvert.

Branche1 :

•

Sb=0 Si S2 est ouvert et S5 est fermé;

Sb=1 Si S2 est fermé et S5 est ouvert.

Branche2 :

•

Sc=0 Si S3 est ouvert et S6 est fermé;

Sc=1 Si S3 est fermé et S6 est ouvert.

Les tensions composées à la sortie du convertisseur s’expriment alors par :Branche3 :

Régulateurs RST

Un régulateur de type RST est polynomial, il est considéré comme une alternative aux régulateurs PI [5]. L’utilisation de ce type de régulateurs permet un meilleur compromis entre rapidité et performance. Les éléments R, S et T intervenant dans ce type de régulation sont des polynômes dont le degré est fixé suivant les fonctions de transfert de poursuite et de régulation en boucle ouverte.

Ces polynômes sont calculés à l’aide d’une stratégie de placement de pôles robustes [6].

Cette stratégie permet le réglage des performances de l’asservissement à l’aide de deux paramètres de synthèse (

Régulateurs IP

Dans cette partie seront utilisés des régulateurs IP. Ces derniers sont analogues aux régulateurs PI sauf que les actions proportionnelles et intégrales sont mises en série contrairement aux régulateurs PI ou ces actions sont mises en parallèle (Figures 3.4 et 3.5).

Tel que décrit précédemment, la régulation du système se fait d’abord par la simplification de celui-ci en un modèle monovariable. Ainsi le modèle simplifié utilisé pour dimensionner les régulateurs PI le sera pour les régulateurs IP (Figure 3.6).

Régulateurs PI

Dans un premier temps une commande à base de régulateurs PI sera réalisée. Cette dernière en étant simple et rapide à mettre en oeuvre, procure l’avantage d’avoir des performances acceptables.

Comme il a été illustré dans les paragraphes précédents, chaque axe comprend un régulateur de type PI dont la fonction de transfert est de la forme

Nous avons donc un système bouclé et corrigé par le régulateur précédemment cité (Figure 3.3).

La Fonction de transfert en boucle ouverte (FTBO) avec le régulateur PI s’écrit alors :

Synthèse des régulateurs et simulation

Introduction

Dans le chapitre précédent, il a été établi un modèle simplifié de la MADA. Celui-ci se réfère au principe d’orientation du flux statorique à partir de la commande des tensions rotoriques. En se basant sur le modèle précédent, une commande adaptée a été réalisée. Celleci contrôle les puissances actives et réactives statoriques en imposant des références aux onduleurs de tension alimentant le rotor. Dans cette optique nous allons procéder à la synthèse des régulateurs nécessaires au bon fonctionnement des commandes précédentes régissant la MADA.

Une simulation des différentes combinaisons liant les modes de contrôle et les régulateurs étudiés sera effectuée. Ainsi il sera aisé de les comparer en terme de poursuite de trajectoire, de sensibilité aux

perturbations et de robustesse.

Synthèse des régulateurs

Tel qu’il a été expliqué dans le chapitre précédent, la synthèse des régulateurs est la même pour chaque type de structures (directe et indirecte) (Figures 3.1 et 3.2). Pour éviter toute répétition une même étude sera effectuée. Celle-ci est valable pour chaque commande utilisée dans cet exposé. Ainsi trois types de régulateurs (PI, IP, RST) seront étudiés, cela sera la base théorique de la simulation dont les résultats seront exposés dans une section ultérieure. Dans le cas de la boucle externe de la commande indirecte, celle-ci est réalisée grâce à un régulateur PI. Sa synthèse suivra la même démarche que celle de la boucle interne.

Modélisation et stratégie de commande de la MADA

Introduction

Nous avons vu dans le chapitre précédent que pour tirer le maximum de puissance éolienne, la génératrice doit fonctionner à vitesse variable.

Pour cela il faut établir une stratégie de commande permettant d’atteindre un rapport d’avance

Dans cette optique la MADA sera pilotée par les tensions rotoriques afin de nous permettre de maîtriser les puissances produites tant au niveau actif que réactif, ceci sera très utile pour la gestion de l’éolienne.

Modélisation de la MADA

Le modèle de la MADA est équivalent au modèle de la machine asynchrone à cage. En effet la cage de la machine est assimilée au bobinage triphasé de la MADA. Cependant le rotor de la MADA n’est pas en court circuit et donc les tensions rotoriques ne sont pas nulles.

. Hypothèses

La machine asynchrone comprend une répartition des enroulements et une géométrie très complexe. Par conséquent, pour une analyse tenant compte de sa configuration exacte il est nécessaire d’adopter des hypothèses simplificatrices [9].

On suppose les circuits magnétiques non saturés. Les relations entre les flux et les courants sont d’ordre linéaire.

On considère une densité de courant uniforme dans la section des conducteurs élémentaires, l’effet de peau est donc négligé.

Le phénomène d’hystérésis et les courants de Foucault sont négligés.

Les enroulements statoriques et rotoriques sont symétriques et la f.m.m est distribuée sinusoïdalement le long de la périphérie des deux armatures.

On ne tient compte que du premier harmonique d’espace de distribution de force magnétomotrice de chaque phase du stator et du rotor. L’entrefer est d’épaisseur uniforme (constant), les inductances propres sont constantes. Les inductances mutuelles sont des fonctions sinusoïdales de l’angle entre les axes des enroulements rotoriques et statoriques.λ optimale. Une modélisation de la MADA est donc indispensable pour mettre en place une commande adéquate et performante.

Application de la MADA dans le domaine éolien

Tel qu’il a été illustré dans la partie portant sur la conversion de l’énergie éolienne, il a été montré que la puissance produite par la turbine dépend de sa vitesse de rotation et de la vitesse du vent. Sachant que la cette dernière n’est guère constante dans la nature, une utilisation à vitesse variable est imposée pour positionner le fonctionnement sur le point optimale de production de la puissance (Figure 1.17).

La MADA devient la solution adaptée à ce genre d’application vu sa capacité à fonctionner dans une large gamme de vitesse. Elle est d’autant plus intéressante dans le cas ou la puissance produite n’est pas écrêtée en atteignant la puissance nominale de la machine. (Figure. 1.18)

A travers la synthèse bibliographique relative à la machine asynchrone à double alimentation nous avons pu noter le rôle de celle-ci et ses avantages par rapport aux autres convertisseurs conventionnels.

La MADA se distingue au plan économique par l’utilisation de convertisseurs de plus faible puissance. Elle a l’avantage d’être flexible d’où le nom de machine généralisée. Le fonctionnement sur les quatre cadrans dans une large gamme de vitesse est l’argument majeur de sa supériorité. Grâce à une commande spécifique cette machine peut être dédiée à l’optimisation des échanges d’énergie d’où son application dans la génération d’énergie éolienne.

La MADA devient une alternative à la machine synchrone ainsi qu’aux autres dispositifs de productions d’énergie électrique dans les réseaux isolés mais aussi en tant que génératrice d’appoint lors des pics de consommations. Car dans le cas des groupes électrogènes le fonctionnement à vitesse variable permet de réduire la consommation du carburant [5].

Etant donné que la structure cherbius avec convertisseur MLI offre une simplicité de fonctionnement et un faible coût de fabrication et de maintenance, nous nous baserons sur cette dernière dans la suite de notre travail.

Différentes topologies de la MADA

.1. Machine asynchrone à double alimentation type « Brushless »

Cette machine est à double stator (Figure 1.13). Un bobinage transite la puissance il a une grande section et est directement connecté au réseau. L’autre bobinage est de section moins importante. Il est connecté à un onduleur pour contrôler les flux d’excitation. Le rotor dans cette machine est à cage d’écureuil, cependant il a une structure différente de celle classique en boucles concentriques [9].

Utilisation de MADA dans la conversion électromécanique

Contrairement aux machines asynchrones à cage ou aux machines synchrones qui sont contraintes à fonctionner à la vitesse du synchronisme ou dans son voisinage, la MADA est une machine dont la vitesse de fonctionnement est située sur une grande plage de variation.

Par cette caractéristique intéressante, la MADA connaît un succès grandissant dans le domaine de la conversion électromécanique.

 Principe de fonctionnement

La MADA comme son nom l'indique est une machine doublement alimentée. Elle a le surnom de « machine généralisée »vu sa flexibilité de fonctionnement. Grâce à l'accès au rotor et via une interface électronique il est possible de contrôler la vitesse de rotation ainsi que le facteur de puissance.

Le fonctionnement de la MADA se base sur le principe du contrôle de l'écoulement de la puissance de glissement [5]. Au lieu de dépenser en pertes Joule la puissance rotorique on peut la récupérer et l'injecter dans le réseau. La difficulté étant que la fréquence des courants rotoriques

Nous verrons dans les paragraphes suivants comment une machine asynchrone à double alimentation à rotor bobiné peut être transformée en génératrice à vitesse variable en contrôlant l'écoulement de puissance entre le rotor et le réseau. Suivant les sens du transfert de puissance entre le rotor et le réseau mais aussi entre celui-ci et le stator, la MADA devient ainsi génératrice ou moteur. De plus, grâce à ce mécanisme, sa vitesse de rotation peut être contrôlée. Les différents modes de fonctionnement de la MADA sont décrits cidessous (Figure 1.12):

Systèmes de génération d’électricité

La production de l'énergie éolienne se base sur le principe de la conversion de l'énergie du vent en énergie mécanique de rotation. Cela se fait grâce à la turbine à axe horizontal décrite précédemment. La conversion de l'énergie mécanique en électrique implique une génératrice couplée à la turbine.

Systèmes de génération d’électricité

A travers la littérature spécialisée nous avons rencontré plusieurs types de génératrices adaptées aux éoliennes. Nous avons pu les classer suivant trois variantes citées ci-dessous:

Systèmes utilisant la machine asynchrone

Elle représente la configuration la plus répandue dans le monde. L'écoulement du vent dans la turbine étant en constante fluctuation, ce type de machine offre la possibilité de travailler à vitesse variable tout en respectant les contraintes de fréquence et de tension.

Systèmes utilisant la machine synchrone

Le stator de cette machine est relié à une interface électronique composée d'un onduleur et d'un redresseur permettant d'assurer la circulation du flux de puissance tout en ayant deux fréquences différentes au stator et au réseau.

Dans ce système le convertisseur est dimensionné pour la totalité de la puissance nominale, impliquant des composants plus puissants et donc plus chers.

Systèmes utilisant des machines spéciales

Ce type de machines est communément appelé machines à reluctance variable. Elles peuvent être excitées par les courants triphasés au stator ou ne pas l'être. Ce type de machine reste a l'état de prototype et ne satisfait pas les critères de l'industrialisation [5].

Modes de régulation

La vitesse de rotation des pales de l’aérogénérateur ne doit pas dépasser une vitesse maximale car cela pourrait endommager le dispositif de conversion. Différentes méthodes de régulation de la vitesse existent, parmi lesquelles certaines sont basées sur le principe de l’orientation des pales, d’autres sont plus simples et utilisent le principe de décrochage aérodynamique afin de réguler la vitesse. Les méthodes précédemment citées sont expliquées dans ce qui suit :

Système à décrochage aérodynamique

 

C’est le système le plus simple et le moins coûteux car il se base sur le principe de limitation naturelle (intrinsèque à la forme de la pale) dit "stall". Il utilise le phénomène de décrochage aérodynamique. Lorsque l’angle d’incidence i devient important, c’est à dire lorsque la vitesse du vent dépasse sa valeur nominale

Système d’orientation des pales

 

Le système de réglage aérodynamique se base sur le principe de l’augmentation de l’angle de calage (Figure 1.10) ce qui diminue la valeur du facteur de puissance (Figure 1.11) d’où une diminution du rendement de la turbine, ceci empêche l’augmentation de la vitesse de rotation de l’aérogénérateur.

« Pitch »n V , l’aspiration créée par le profil de la  pale n’est plus optimale ce qui entraîne des turbulences à la surface de la pale (Figure 1.9) et par conséquent une baisse du coefficient de puissance. Ceci empêche alors une augmentation de la vitesse de rotation [10].

« stall »

Conversion de l’énergie éolienne

Considérant le système éolien à axe horizontal représenté sur la Figure 1-5 sur lequel on a représenté la vitesse du vent V1 en amont de l'aérogénérateur et la vitesse V2 en aval.

Désignant par V la vitesse de l’air traversant l’aérogénérateur, par S1 et S2 les sections amont et aval du tube d’air et par S la surface balayée par l’hélice. L’égalité qui traduit l’incompressibilité de l’air et la permanence de l’écoulement s’écrit [4], [5] :

La capacité de l’aérogénérateur à transformer l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique de rotation a été la déduction logique et inévitable, en d’autres termes sine qua non, de son utilisation pour la production de l’énergie électrique.

Cependant, il est à noter que pour l’emploi efficace de cette ressource il est indispensable d’étudier les caractéristiques aérodynamiques de la turbine utilisée.

Loi de BETZ

La théorie du moteur éolien à axe horizontal a été établie par BETZ. Il suppose que «

le moteur éolien est placé dans un air animé à l’infini amont d’une vitesse V1 et à l’infini aval d’une vitesse V2 » [4]

Principales composantes des éoliennes à axe horizontal

L’éolienne à axe horizontale (Figure 1.4), étant le sujet de notre étude, sera décrite en citant ses différents composants.

En générale, l’éolienne à axe horizontale est constituée de trois éléments principaux ; La tour (mat), la nacelle et les pales qui sont supportées par le moyeu [21].

La tour : C’est un élément porteur, généralement un tube en acier ou un treillis métallique. Avec l’augmentation des puissances nominales des éoliennes, le mat devient de plus en plus haut pour éviter les perturbations prés du sol mais aussi permettre l’utilisation de pales plus longues. La tour a une forme conique ou cylindrique. A l’intérieur sont disposés les câbles de transport de l’énergie électrique, les éléments de contrôle, l’appareillage de connexion au réseau de distribution et l’échelle d’accès à la nacelle.

La nacelle : Elle regroupe tous les éléments mécaniques permettant de coupler la turbine éolienne à la génératrice électrique (figure 1.3). Elle comprend les éléments suivants :

o

Arbre.

o

Multiplicateur.

o

Roulements.

o

Le frein à disque qui permet d’arrêter le système en cas de surcharge.

o

Le générateur qui est dans le cas de cet exposé une MADA.

o

Les pales : Elles permettent de capter la puissance du vent et la transférer au rotor.

Leur nombre est de trois pales dans la plupart des aérogénérateurs, car ce nombre constitue un compromis entre les performances de la machine et des raisons de stabilité.

Le moyeu : C’est l’élément qui supporte les pales. Il doit être capable de résister à des à-coups violents surtout lors du démarrage de l’aérogénérateur ou lors de brusques changements de vitesse de vent.Les systèmes d’orientation des pales (régulation de la vitesse) et de la nacelle (la surface balayée par l’aérogénérateur doit être perpendiculaire à la direction du vent).

Types d’aérogénérateurs

3.2.1. Aérogénérateurs à axe vertical

Elles ont été les premières structures utilisées pour la production de l'énergie électrique. De nombreuses variantes ont vu le jour mais rares sont celles qui ont atteint le stade de l'industrialisation. Ce type d'éolienne a été de plus en plus abandonné à cause des différents inconvénients qu'il a posés. Des problèmes d'aéroélasticité et la grande occupation du sol ont été les raisons de cet abandon au profit des éoliennes à axe horizontale [3].

3.2.2. Aérogénérateurs à axe horizontal

Ce type d'éolienne est le plus répandu dans le monde. Ce système se base sur le principe de portance aérodynamique, les pales sont profilées de la même façon qu'une aile d'avion et la circulation du flux d'air dans la turbine entraîne la rotation du rotor de la machine [3].

Les éoliennes généralement utilisées pour la production d’électricité sont des éoliennes rapides à 2 ou à 3 pales [4], ceci pour plusieurs raisons :

•

Elles sont légères et donc moins chères.

•

Elles tournent plus vite car le multiplicateur utilisé présente un rapport de multiplication moins important d’où sa légèreté et des pertes réduites.

•

Le couple nécessaire pour la mise en route de ce type d’aérogénérateur est très faible et donc un fonctionnement à faible vitesse de vent. Ces raisons expliquent notre restriction à ce type d’aérogénérateur dans la suite de nos travaux.

Un aérogénérateur est un dispositif utilisé pour le transfert de l’énergie cinétique du vent vers l’arbre de transmission en mouvement rotatif. Plusieurs types existent, ils se caractérisent par la position de leur axe de rotation et des performances qui leurs sont propres.

Définition de l’énergie éolienne

L'énergie éolienne est une énergie "renouvelable" i.e (non dégradée), géographiquement diffuse, et surtout en corrélation saisonnière (l’énergie électrique est largement plus demandée en hiver et c’est souvent à cette période que la moyenne des vitesses des vents est la plus élevée). De plus, c'est une énergie qui ne produit aucun rejet atmosphérique ni déchet radioactif. Elle est toutefois aléatoire dans le temps et son captage reste assez complexe, nécessitant des mâts et des pales de grandes dimensions (jusqu'à 60 m pour des éoliennes de plusieurs mégawatts) dans des zones géographiquement dégagées pour éviter les phénomènes de turbulences [2].

L’énergie éolienne fait partie des nouveaux moyens de production d’électricité décentralisée proposant une alternative viable à l'énergie fossile (Centrale thermique ou à cycle combiné) sans pour autant prétendre la remplacer (l'ordre de grandeur de la quantité d'énergie produite étant largement plus faible). Les installations peuvent être réalisées sur terre mais également de plus en plus en mer (fermes éoliennes offshore) où la présence du vent est plus régulière.

De plus, les éoliennes sont ainsi moins visibles et occasionnent moins de nuisances sonores.

Hormis l'aspect visuel des éoliennes, leur impact sur l’environnement est réduit. Une éolienne ne couvre qu'un pourcentage très réduit de la surface totale du site sur laquelle elle est implantée, permettant alors à la plupart des sites de conserver leurs activités industrielles ou agricoles.

Machine asynchrone à double alimentation : structure de Scherbius avec convertisseurs MLI

Cette configuration (figure 4-6) a les mêmes caractéristiques que la structure de Scherbius avec cycloconvertisseur. Toutefois les interrupteurs utilisés ici (transistors IGBT) peuvent être commandés à l'ouverture et à la fermeture et leur fréquence de commutation est plus élevée que celle des GTO [8, 10]. L'utilisation de ce type de convertisseur permet d'obtenir des allures de signaux de sortie en Modulation de Largeur d'Impulsions dont la modularité permet de limiter les perturbations en modifiant le spectre fréquentiel du signal (rejet des premiers harmoniques non nuls vers les fréquences élevées).

Toutefois, malgré la présence de contacts glissants qui doivent être entretenus et remplacés périodiquement, la conception de cette machine est plus conventionnelle et plus simple que les autres types de MADA. Plusieurs études récentes, confirmées par des réalisations industrielles, montrent la viabilité de ce dispositif dans un système éolien à vitesse variable.

La bi-directionalité du convertisseur rotorique autorise les fonctionnements hyper et hyposynchrone et le contrôle du facteur de puissance côté réseau. Si le glissement reste inférieur à ± 30 % autour du synchronisme, le convertisseur est alors dimensionné pour un tiers de la puissance nominale de la machine et ses pertes représentent moins de 1% de cette puissance. De plus, le fonctionnement hypersynchrone permet de produire de l'énergie du stator vers le réseau mais également du rotor vers le réseau [10]. La puissance totale ainsi produite peut alors dépasser la puissance nominale de la machine et le facteur de puissance de l'ensemble peut être maintenu unitaire. La présence d'un convertisseur à MLI peut toutefois entraîner des dv/dt importants dans les enroulements rotoriques et faire circuler des courants de fréquences élevés dans ces mêmes enroulements.

Mode de fonctionnement de la machine à vitesse variable

En générale, la MADA permet de fonctionner en moteur ou en générateur, mais la différence avec les autres types de machine réside dans le fait que pour la MADA, ce n’est plus la vitesse de rotation qui impose le mode de fonctionnement moteur ou générateur.

En effet nous savons qu’une machine à cage doit tourner en dessous de sa vitesse de synchronisme pour être en moteur et au dessus pour être en générateur. Par contre dans le cas de la MADA, c’est la commande des tensions rotoriques qui permet de gérer le champ magnétique à l’intérieur de la machine, offrant ainsi la possibilité de fonctionner en hypersynchronisme ou en hyposynchronisme aussi bien en mode moteur qu’en mode générateur [4, 13, 16].

Fonctionnement en mode moteur hyposynchrone

Le fonctionnement en mode hyposynchrone du moteur est réalisé lorsqu’il s’agit d’une plage de réglage de vitesse s’étendant de la vitesse de synchronisme

Le quadrant 1-1 de la figure 4-7 montre que la puissance est fournie par le réseau au stator ; la vitesse de rotation est inférieure au synchronisme, "la puissance de glissement" est renvoyée sur le réseau via les convertisseurs connectés au rotor, c'est la cascade hyposynchrone.

Fonctionnement en mode moteur hypersynchrone

Le fonctionnement en mode hypersynchrone du moteur est réalisé lorsque la vitesse de la machine peut varier au delà de la vitesse de synchronisme.

Dans le quadrant 1-2, nous voyons que dans ce mode de fonctionnement une partie de la puissance fournie par le réseau va au rotor via les convertisseurs statiques et est convertie en puissance mécanique.

Fonctionnement en mode génératrice hyposynchrone

C’est surtout le mode de fonctionnement en génératrice qui nous intéresse car il correspond parfaitement dans notre cas, à la MADA utilisée dans une éolienne.

Dans le quadrant 2-1, la puissance est fournie par le dispositif d’entraînement, dans notre cas la turbine éolienne ; une partie de la puissance transitant par le stator est réabsorbée par le rotor.

Fonctionnement en mode génératrice hypersynchrone

Dans ce mode de fonctionnement comme le montre le quadrant 2-2, la totalité de la puissance mécanique fournie à la machine par la turbine éolienne est transmise au réseau aux pertes près. Une partie de cette puissance correspondant à

Pour une utilisation dans un système éolien, les quadrants 2-1 et 2-2 sont intéressants.

En effet si la plage de variation de vitesse ne dépasse pas ± 30% en deçà ou au delà de la vitesse de synchronisme (ce qui représente un compromis entre la taille du convertisseur et la plage de variation de vitesse), la machine est capable de débiter une puissance allant de 0,7 à 1,3 fois la puissance nominale. Le convertisseur est alors dimensionné pour faire transiter uniquement la puissance de glissement c'est à dire au maximum 0,3 fois la puissance nominale de la machine. Il est alors moins volumineux, moins coûteux, nécessite un système de refroidissement moins lourd et génère moins de perturbations que s'il est placé entre le réseau et le stator d'une machine à cage.

g.PMEC est transmise par l'intermédiaire du rotor.s W à une vitesse plus faible min W .