Soutenance mémoire
Théorie
Dans les installations de pompage-turbinage il existe 2 types de groupes : ceux à vitesse fixe et ceux à vitesse variable. La thèse d’Yves Pannatier « Optimisation des stratégies de réglage d’une installation de pompage-turbinage à vitesse variable » présente l’avantage d’un groupe à vitesse variable par rapport à un groupe à vitesse fixe :
« La plupart des installations de pompage-turbinage actuellement en service sont équipées de machines synchrones et fonctionnent donc à vitesse fixe. La flexibilité et les performances dynamiques de ce type de centrale peuvent néanmoins être significativement améliorées en optant pour une technologie à vitesse variable. Les centrales de pompageturbinage sont habituellement équipées de pompes-turbines de type Francis qui ont la particularité d’avoir une roue à géométrie fixe. Elles sont donc optimisées pour un point de fonctionnement bien défini, caractérisées par une hauteur de chute, un débit et une vitesse de rotation. Comme la hauteur de chute et le débit sont des grandeurs qui varient fortement en cours d’exploitation, un groupe à vitesse fixe fonctionne fréquemment à un rendement inférieur à sa valeur optimale. En revanche, si la vitesse du groupe est variable, il est alors possible de l’adapter continuellement selon la hauteur de chute et le débit de sorte à maximiser le rendement. » .
Une utilisation d’une turbine en dehors de son point de fonctionnement augmente aussi les risques de cavitation. La vitesse variable permet donc de diminuer ce risque.
Pour un groupe à vitesse variable, 2 configurations sont envisageables : une machine synchrone avec convertisseur de courant ou une machine asynchrone à double alimentation (MADA) avec convertisseur de fréquence. La différence est que l’électronique de la MADA ne voit qu’une partie de la puissance. L’électronique est donc dimensionnée plus petite et les pertes sont moins importantes. La MADA est une machine asynchrone classique mais dont le rotor bobiné triphasé est atteignable au travers de balais. Une grande partie des publications et des articles sur les MADAs concernent les alternateurs d’éolienne.
Schéma-bloc fonctionnel
Fonctionnement général :
◆ Un onduleur triphasé alimente le rotor de la MADA.
◆ L’onduleur triphasé est alimenté par une alimentation continue bidirectionnelle.
◆ L’onduleur triphasé est commandé par une plateforme de contrôle appelée «Boombox ».
◆ Un moteur synchrone à aimants permanents fournit un couple de charge ou d’entrainement de la MADA représentant la turbine hydraulique.
◆ Un couplemètre permet de connaître le couple résistant imposé et la vitesse de rotation du système.
◆ Le générateur de fonction crée les consignes en couple ou en vitesse pour la machine synchrone à aimants permanents.
◆ Un encodeur incrémental de position permet de connaître la position et la vitesse du rotor de la MADA.
◆ Tous les éléments tournants sont placés sur un banc d’essai pour machines électriques.
Eléments du groupe
MADA
➺ Machine asynchrone à pôles lisses à 4 bagues
Machine synchrone PM
➺ Machine synchrone à aimants permanents
➺ Convertisseur 4 quadrants
➺ Générateur de fonctions Agilent – 33220A
Encodeur
➺ Encodeur incrémental magnétique, Baumer ITD49H00
Couplemètre
➺ Afficheur de couple – Magtrol – Model 3410 Torque Display
Alimentation continue bidirectionnelle
➺ Convertisseur DC-DC Zenone – Model PUB 100V 100A 10kW, No 1481 – Firmware AL MV1.15
➺ Alimentation AC-DC Regatron – Model TC.GSS Bidirectional DC PSU – Type TC.655.32.600.400.HMI .
ETUDE DU CONTROLE DE LA MADA
Le contrôle de la MADA est séparé 3 cas de fonctionnement :
● Démarrage en mode pompe
● Démarrage en mode turbine
● Régulation lorsque la vitesse de synchronisme a été atteinte ; que ce soit en fonctionnement moteur ou générateur.
Démarrage en mode turbine
Le démarrage en mode turbine se passe de la façon suivante :
● Le rotor est excité comme pour une machine synchrone.
● La turbine est entrainée par la chute d’eau.
● Lorsque la tension au stator est adéquate, c’est-à-dire avec la même amplitude et la même fréquence que le réseau, la procédure de synchronisation est enclenchée.
● La régulation de puissance est ensuite enclenchée.
Démarrage en mode pompe
Le démarrage en mode pompe consiste à amener la MADA à sa vitesse de synchronisme avant de la synchroniser au réseau.
La machine est démarrée par le rotor en court-circuitant le stator. Ensuite, un contrôle tension/fréquence est utilisé afin d’amener la machine à la vitesse minimum pour la synchronisation. La vitesse à atteindre pour synchroniser la machine est la vitesse de synchronisme. Le convertisseur est ensuite désactivé. Lorsque les courants sont quasiment nuls, la procédure de synchronisation est enclenchée. Lorsque la synchronisation est faite, le contrôle de la machine en vitesse et en puissance peut être enclenché. Plusieurs stratégies sont possibles pour amener la machine à la vitesse minimum de synchronisation. La thèse «Start-up and synchronisation of a variable speed pump-turbine in pumping mode » présente une stratégie pour le démarrage basée sur un contrôle orienté du flux du stator [13]. Toutefois, le contrôle qu’elle présente est relativement complexe, il a été décidé de réaliser un contrôle plus simple. La stratégie de commande la plus simple consiste à imposer le module de la tension rotorique afin qu’en régime établi le flux statorique reste constant. [14] La méthode est appelée tension-fréquence car la tension et la fréquence doivent rester proportionnels afin d’imposer un flux constant.
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Table des matières
1 Préface
2 Introduction
2.1 Théorie
2.2 Projet
2.3 Descriptif du travail de diplôme
2.4 Schéma-bloc fonctionnel
2.5 Eléments du groupe
2.6 Logiciels
3 Etude du fonctionnement d’une installation pompage – turbinage
3.1 Introduction
3.2 Fonctionnement
3.3 Avantages / inconvénients
3.4 Solutions techniques
3.5 Perspectives
3.6 Visite de la centrale de Veytaux
4 Etude du fonctionnement d’une MADA
4.1 Machine asynchrone schéma en T
4.2 Bilan de puissances
5 Etude du contrôle de la mada
5.1 Démarrage en mode turbine
5.2 Démarrage en mode pompe
5.3 Régulation
6 Mesure des caracactéristiques de la machine
6.1 Calcul préliminaire
6.2 Mesures préliminaires
6.3 Saut de tension
6.4 Essai à vide
6.5 Essai à rotor bloqué
6.6 Mesure de la tension induite
6.7 Comparaison des résultats
6.8 Estimation de l’inertie
7 Mise en place du contrôle
7.1 Structure hardware
7.2 Alimentation continue bidirectionnelle
7.3 Encodeur
7.4 Mise en place du hardware de la Boombox
8 Vérification pratique
8.1 Démarrage en mode pompe
8.2 Mesure de la vitesse
8.3 Simulation de la régulation
9 Conclusion
10 Bibliographie
