Soutenance mémoire
L’énergie électrique est un élément clé de la vie quotidienne dans notre civilisation. Partout dans le monde, l’électricité a trouvé de nombreuses applications, dans divers domaines de la vie, dans l’industrie, l’agriculture, le transport et les usages domestiques. L’électricité est considérée comme la forme d’énergie la plus souple et la plus polyvalente. Elle reste classée an tant que source d’énergie secondaire parce qu’elle provient de sources primaires comme le charbon, le gaz, le pétrole, l’hydroélectricité, l’énergie éolienne et solaire. En raison des différentes possibilités de conversion, c’est une source d’énergie bien adaptée pour les applications demandées par la consommation. Cependant, l’énergie étant une ressource rare et précieuse, l’accent doit être mis sur son utilisation optimale.
Des combustibles fossiles sont brûlés pour produire de la chaleur dans une chambre de combustion, puis l’énergie thermique est convertie en énergie mécanique au travers d’une turbine. Les turbines à vapeur (ou à gaz) dans diverses configurations utilisent pratiquement tous les combustibles fossiles, du charbon au gaz naturel en passant par le pétrole et du combustible nucléaire à l’énergie géothermique. L’énergie thermique est ensuite convertie en énergie mécanique dans une turbine. La turbine entraîne un générateur électrique pour produire de l’énergie électrique. L’énergie cinétique de l’eau et du vent est également récupérée dans un moteur primaire (turbine) qui, à son tour, entraîne un générateur électrique. Jusqu’à présent, la plupart de l’énergie électrique est produite dans des générateurs synchrones à vitesse constante qui délivrent de la puissance aux systèmes d’énergie électrique. L’introduction des systèmes d’alimentation décentralisés conduit à une diversité accrue et à la diffusion d’une gamme plus large de fournisseurs d’énergie électrique. La stabilité du système, la livraison rapide et efficace et le contrôle de l’énergie électrique dans ces systèmes distribués exigent une connaissance approfondie des phénomènes physiques dans les générateurs synchrones.
L’expansion des sources d’énergies renouvelables a une bonne influence sur l’environnement, mais en même temps, elle a bien complexifié le fonctionnement des réseaux électriques. La commission européenne a créé un projet nommé Grid Code pour standardiser les normes des réseaux électriques afin de réguler le fonctionnement des groupes électrogènes au sein des réseaux électriques de l’Union Européenne. Le contenu de Grid Code varie en fonction des exigences des producteurs d’électricité. Généralement, le Grid Code spécifie le comportement requis d’un générateur connecté au réseau électrique pendant les perturbations du système. Les exigences de ces normes incluent la régulation de tension, les limites de facteur de puissance et l’alimentation réactive, la réponse à une défaillance du système (court-circuit), la réponse aux changements de fréquence sur le réseau et l’obligation de passer par de courtes interruptions. Pour suivre les normes du Grid Code, il faut faire des études de comportement de la machine pendant les transitoires comme les courts-circuits ou les creux de tension de réseau. Ces transitoires impliquent l’apparition de valeurs élevées des courants, tensions et couples dans la machine. En considérant les coûts et les problèmes de sûreté pendant les essais sur la machine réelle, nous voyons rapidement l’intérêt d’utiliser des modèles des générateurs qui sont indispensables pour ces études.
Les premiers modèles des machines synchrones ont été développés il y a un siècle. Ces modèles se basent sur des calculs analytiques et des essais basiques pouvant être faits sur une machine comme l’essai à vide ou de court-circuit permanent. Ces modèles se caractérisent par de nombreuses simplifications comme la linéarité du circuit magnétique ou l’égalité entre toutes les inductances mutuelles de la machines. En conséquence, ces modèles ont été très limités dans leurs applications. De nos jours, les machines synchrones sont bien saturées au point de fonctionnement nominal. Ceci concerne notamment les machines de taille petite et moyenne où les modèles conventionnels ne donnent pas de résultats satisfaisants. Malgré les nombreuses variantes des modèles dynamiques, il y a encore une marge de progression importante dans ce domaine.
Les travaux de recherches présentés dans cette thèse ont été effectués via une collaboration entre Leroy Somer et le laboratoire de génie électrique et électronique de Paris (GEEPS). Ils s’intéressent à l’étude des transitoires dans les machines électriques, plus particulièrement à la modélisation non-linéaire par circuits couplés, dans le contexte de Grid Code. La problématique de ces travaux est donc d’améliorer la compréhension du comportement des machines lors des régimes transitoires en mode saturé ainsi que leur modélisation. Il s’agit ensuite de mieux prédire les courants et le couple électromagnétique lors des régimes transitoires engendrés par les défauts pour mieux maîtriser les études de stabilité et les choix de protection électrique des générateurs électriques connectés sur les réseaux électriques.
Contextualisation de l’étude des machines synchrones
La majeure partie de l’énergie électrique produite dans le monde provient des machines synchrones dont les rotors sont entraînés par des turbines hydrauliques, des turbines à vapeur ou par des moteurs à combustion. Tout comme les machines à induction sont les acteurs principaux de la conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique, les machines synchrones sont les acteurs principaux de la conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique[1]. Les machines synchrones ont été largement étudiées dans de nombreux articles [2][3][4][5] et livres [6][7][8][9]. Dans le cadre de ce travail, nous nous concentrons sur les aspects de la modélisation des générateurs synchrones pour la simulation des régimes transitoires afin de mener les études de stabilité et de pouvoir mettre au point la commande de ces machines.
Généralités
La machine synchrone est une machine à courant alternatif. Sa vitesse mécanique dépend de la fréquence des courants des enroulements au stator et du nombre de pôles. Les enroulements au stator peuvent être triphasés, biphasés ou monophasés. Les enroulements au stator qui sont le siège de l’induction de la force électromotrice sont nommés l’induit. Selon le type d’excitation, les machines synchrones peuvent être divisées en deux groupes : les machines à aimants permanents (en anglais Permanent-Magnet Synchronous Machine PMSM) ou les machines synchrones à rotor bobiné (en anglais Wound-Rotor Synchronous Machines WRSM) [10]. Les générateurs synchrones à rotor bobiné comportent aussi des amortisseurs au rotor. L’enroulement d’excitation au rotor (circuit f ) participe à la création du flux principal de la machine (flux magnétisant ou flux utile). Cette bobine au rotor est appelée l’inducteur. Une autre répartition peut être faite selon la forme du rotor : le rotor à pôles saillants et le rotor à pôles lisses (rotor cylindrique). . Les machines à pôles saillants sont construites pour des applications à basse vitesse et peuvent comporter un grand nombre de pôles. On peut les trouver dans les centrales hydrauliques. Les machines à pôles lisses peuvent tourner à vitesse importante et comportent généralement un petit nombre de pôles. Elles sont utilisées pour les alternateurs de centrales nucléaires ou de centrales thermiques. Il existe aussi des machines à pôles massifs dont le circuit magnétique n’est pas feuilleté. Dans le cadre de cette thèse, nous allons étudier la machine synchrone à pôles saillants avec un circuit magnétique feuilleté.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Contextualisation de l’étude des machines synchrones
I.1. Introduction
I.2. Généralités
I.3. Modèle abc
I.4. Modèle dq
I.5. Modèle EF
I.6. Saturation
I.7. Conclusion
I.8. Bibliographie
Chapitre II : Modélisation dynamique non-linéaire des machines électriques aire des machines électriques
II.1. Introduction
II.2. Définition générale du problème
II.3. Modèle dq Ǚ(id,iq,if) non-linéaire basé sur les cartographies des flux
II.4. Modèle dq ksat fondé sur les coefficients de saturation
II.5. Évolutions potentielles de la modélisation saturée dynamique
II.6. Flux de fuites
II.7. Conclusion
II.8. Bibliographie
Chapitre III: Modélisation non-linéaire des générateurs synchrones intégrant les amortisseurs
III.1. Introduction
III.2. Modèle dq7 non-linéaire
III.3. Modèle dq-abc
III.4. Conclusion
III.5. Bibliographie
Chapitre IV : Stabilité transitoire
IV.1. Introduction
IV.2. Mise en place des équations
IV.3. Comparaison des calculs
IV.4. Simulation des transitoires en variation de fréquence
IV.5. Simulation des transitoires en variation de tension
IV.6. Conclusions
IV.7. Bibliographie
Chapitre V : Excitatrice et pont à diodes triphasé
V.1. Introduction
V.2. Systèmes d’excitation
V.3. Modélisation de l’excitatrice
V.4. Modélisation et association du pont à diodes avec l’excitatrice
V.5. Simulation de l’ensemble excitatrice associée au pont à diodes triphasé
V.6. Simulation de l’ensemble excitatrice, pont à diodes et machine principale
V.7. Conclusions
V.8. Bibliographie
Conclusion générale
