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
No dordre : Srie :
Thse
Prsente en vue de lobtention du diplme de doctorat
en Sciences en Electrotechnique
Option : Machines lectriques.
Par
Rebbah Redjem
Modlisation et Optimisation dune Structure de Machine Rluctance Variable Ddie aux Energies
Renouvelables
Soutenu le : 08/ 07/ 2010
Devant le jury: Prsident : BOUZID Aissa Prof. lUniversit de Constantine Rapporteur : BENTOUNSI Amar M.C.A lUniversit de Constantine Co- Rapporteur : BENALLA Hocine Prof. lUniversit de Constantine Examinateurs : CHABANE Mabrouk Prof. lUniversit de Batna LEBAROUD Abdessalem M.C.A lUniversit de Skikda CHENNI Rachid M.C.A lUniversit de Constantine
Remerciements
Je tiens exprimer ma plus vive
reconnaissance tous ceux qui ont
contribu laboutissement de ce travail,
plus particulirement Messieurs Amar
BENTOUNSI et Hocine BENALLA,
encadreur et co-encadreur, ainsi quaux
enseignants et membres du Laboratoire
dElectrotechnique de Constantine.
Introduction gnrale
I.1 tat de lArt ........2
I.1.1 Historique et configuration des MRV...2
I.1.2 tat de la recherche ...4
I.2 Diffrentes topologies des MRV....7
I.2.1 MRV pures...8
I.2.2 MRV vernier...10
I.2.3 MRV hybrides.10
I.3 Principe de fonctionnement de la MRV lmentaire.11
I.3.1 Principe de fonctionnement...11
I.4 Performances compares (MRV-MS-MAS-MSAP)..14
I.5 Choix dune structure dtude.17
I.6 Conclusion.18
II. Etude thorique & pr-dimensionnement prototype MRVDS 6/4..22
II.1 Equations lectriques Schma quivalent..22
II.2 Energie/Co-nergie Inductances Couple .......................22 II.2.1 Conditions dexistence de puissance.......25
II.2.2 Diagramme de FRESNEL....27
Chapitre II
ETUDE THORIQUE & PR-DIMENSIONNEMENT
DUN PROTOTYPE DE MRVDS 6/4
Chapitre I
INTRODUCTION GNRALE
II.3 Convertisseurs et stratgies de commande..........29 II.3.1 Types de commande (tension ; courant)... 29
II.3.2 Etude du convertisseur statique.....29
II.3.3 Commande en courant...31
II.3.4 Commande en tension...32
II.4 Modlisation et simulation de la MRV DS.......34 II.4.1 Modlisation de la machine....................................................................34
II.4.2 Simulations sous MATLAB/Simulink.....37
II.4.2.1 Schmas bloc de simulation..37
II.4.2.1 Rsultats des simulations .40
II.4.2.3 Interprtations des rsultats...41
II.5 Pr-dimensionnement (gomtrie)........42 II.5.1 Dimensionnement global .42
II.5.2 Dimensionnement de lenveloppe....42
II.5.3 Choix des dentures stator et rotor43
II.5.4 Nombre de ples......47
II.5.5 Epaisseur dentrefer.48
II.5.6 Choix des matriaux....49
II.5.7 Rsultat du pr-dimensionnement....49
II.6 Conclusion..50
III.1 Modle numrique par lments finis...52
III.2 Calcul lectromagntique...52 III.2.1 Modle bidimensionnel .52
III.2.2 Les quations.53
III.2.3 Prise en compte des effets lectriques extrieurs..54
III.2.4 Mthode des lments finis...54 III.1.5 Fonctionnalits des logiciels MEF (FLUX2D).55
Chapitre III
MODLES & LOGICIELS DE SIMULATIONS
III.3 Mise en uvre et exploitation des rsultats......56 III.3.1. Paramtres dimensionnels et physiques MRV 6/4.................56
III.3.2 Exploitation des rsultats....59
III.4 Modle analytique par schma de permances quivalent..61 III.4.1 Synoptique gnrale..60
III.4.2 Calcul analytique des lignes quiflux...61
III.4.3 Dtermination des inductances extrmes..63
III.4.3.1 Calcul de linductance maximale de Conjonction ....63
III.4.3.2 Calcul de linductance minimale dopposition.....65
III.4.3.3 Dimensionnement du bobinage.67
III.4.3.4 Calcul du couple moyen69
III.5 Exploitation & comparaison des rsultats...71
III.6 Simulations en rgime dynamique...72
III.5 Conclusion...77
IV.1 Influence des paramtres gomtriques....79 IV.1.1 Influence de lpaisseur dentrefer e.79
IV.1.2 Influence de linclinaison des flancs dentaires rotoriques r .81
IV.1.3 Influence du dcalage des dents rotoriques ...84
IV.1.4 Influence des RPE et SPE...85
IV.1.5 Linfluence des SPE sur les caractristiques .87
IV.2 Optimisation de la commande dune GRV 6/4...89 IV.2.1 Principe de fonctionnement en gnrateur .89
IV.2.2 Commande en vitesse..93
IV.2.3 Rsultats des simulations.........95
IV.2.3.1 Allures des courants......95
IV.2.3.2 Cycles nergtiques..........96
IV.2.4 Optimisation des cycles nergtiques......93
Chapitre IV
OPTIMISATION DES PERFORMANCES
IV.2.4.1 Mthode doptimisation mthode directe ..93
IV.3 Conclusion.......99
V.1. Introduction aux EnR...102
V.2 Carte des vents en Algrie.102
V.3 L'nergie olienne.104
V.4 Chanes classiques de conversion de l'nergie olienne....104 V.5.1 Systmes utilisant la machine asynchrone..106
V.5.2 Systmes utilisant la machine synchrone....108
V.5 Simulation dun systme olien utilisant une GRV ..110
V.5.1 Modlisation de la chaine de conversion dnergie olienne..110 V.5.2 Simulation sous Matlab/Simulink.......110
V.5.2 Analyse des rsultats...111
V.6 Conclusions et Perspectives...114
Conclusion Gnrale....117
Rfrences bibliographiques
Annexes
Chapitre V
APPLICATION DES GRV AU DOMAINE EOLIEN
Introduction Gnrale
Le concept de dveloppement durable n des multiples crises nergtiques
mondiales, sous-tendues par des problmes de pollution, a contribu lessor dnergies de
substitution, dites nergies renouvelables ou EnR, qui ne reprsentaient alors quenviron 2
% de la production mondiale dlectricit. Parmi ces EnR, la filire olienne a
certainement eu le plus fort taux de croissance durant la dernire dcennie. La chaine de
conversion de lnergie du vent en nergie lectrique a connu plusieurs volutions
technologiques. Diffrentes architectures de gnrateurs asynchrones ou synchrones,
associs plusieurs variantes de convertisseurs, ont ainsi t proposes [1].
La vitesse de rotation dune turbine olienne tant trs faible devant celle des
gnratrices classiques, un multiplicateur de vitesse est rendu ncessaire. Dans la
perspective dliminer ce dernier, les recherches se sont orientes vers la conception de
nouvelles structures de gnrateurs dits attaque directe. Les machines synchrones et
surtout asynchrones dominent encore le march des applications oliennes ; toutefois, la
gnratrice rluctance variable ou GRV est considre comme une alternative srieuse
aux gnratrices traditionnelles grce ses multiples atouts (robustesse, simplicit de
construction, faible cot, couple massique lev, ) [2].
En effet, concevoir des gnratrices robustes qui ne contiennent ni aimant ni
bobinage rotorique pourrait aussi rsoudre les problmes lis aux tempratures levs
engendres dans les tours solaires par exemple Chap. V . L'absence de pertes dues au
bobinage rotorique viterait le problme rencontr dans les moteurs asynchrones, au niveau
du refroidissement du rotor.
Parmi les gnratrices tudies, plus particulirement pour lentranement direct,
figurent les machines rluctance variable pures ou excites. Leur potentiel de faible cot
et de robustesse nous conduit explorer cette alternative.
Ces avantages sont essentiellement dus :
- 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 ;
- convertisseur associ grande sret de fonctionnement ; en effet, la
configuration de la plus part des convertisseurs de la GRV sont simples (principe de
fonctionnement qui s'appuis sur des courants unipolaires), ce qui l'immunise des dfauts
courants, la diffrence des convertisseurs de la MADA et des moteurs brushless.
Il existe cependant quelques inconvnients, tels que :
- un couple instantan pulsatoire do un bruit acoustique important;
- en raison de la nature inductive de la machine rluctance variable (MRV), son
facteur de puissance est infrieur celui des moteurs induction ou brushless, ce qui
ncessite un plus grand dimensionnement de son convertisseur (Fig. I.17).
Pour diverses raisons, notre prsente tude sest focalise sur les machines
rluctance variable double saillance, 6 ples statoriques et 4 ples rotoriques (MRVDS
6/4), en fonctionnement gnrateur. Etudier cette configuration de base reviendrait
analyser les performances globales des machines rluctance variable plus grand nombre
de ples, ayant les mmes principes de fonctionnement. Aprs avoir tudi leffet de divers
paramtres gomtriques sur les performances de la machine, lensemble convertisseur-
gnrateur est ensuite analys en vue d'une optimisation de sa commande.
