Efficacité énergétique des machines de production d’électricité

La consommation d’énergie primaire a plus que doublé en quarante années. Ce besoin, en constante hausse, est la conséquence d’une croissance démographique et économique mondiale. Néanmoins, cette nécessité n’est pas sans conséquence pour notre environnement. Le secteur de l’énergie se transforme pour répondre aux défis de demain, à savoir, limiter l’impact du réchauffement climatique. Au centre de ces problématiques se positionnent deux solutions. La première porte sur le développement massif des moyens de production d’énergie verte. La seconde concerne l’amélioration de l’efficacité énergétique des machines de production d’électricité.

Contexte général

Les besoins énergétiques mondiaux sont en constante croissance. Cette réalité implique les défis de demain, à savoir, comment répondre à cette demande énergétique mondiale tout en limitant les impacts du réchauffement climatique. De nouveaux accords entrent en vigueur afin de créer une synergie internationale visant à limiter les impacts du changement climatique. Plusieurs propositions sont développées autour du déploiement des énergies renouvelables et de l’amélioration de l’efficacité énergétique des chaînes de production d’énergie. Suivant ces deux propositions, la flexibilité de leur utilisation et leur efficacité énergétique confèrent aux machines électriques de grands avantages pour répondre aux défis de la transition énergétique. Face à ces enjeux, le concepteur de machines électriques doit proposer de nouvelles solutions. Parmi les machines conventionnelles, la Machine Synchrone à Rotor Bobiné (MSRB) et Machine Synchrone à Aimants Permanents (MSAP) présentent des avantages et inconvénients antagonistes. La première est valorisée par sa flexibilité de contrôle, la seconde pour son efficacité accrue. Pour pallier à ces limitations, de nouvelles machines nommées Machines Synchrones à Double Excitation (MSDE) ont été développées reposant sur la combinaison des aimants et des bobines d’excitation [1]–[6]. Les travaux de cette thèse visent à maitriser la conception des MSDE de forte puissance à haut rendement énergétique. À la suite des problématiques sociétales et industrielles, ce chapitre introduit les différents principes et structures des MSDE. Ensuite, ce chapitre donne le positionnement scientifique et industriel suivant trois axes. Le premier énonce les structures des MSDE retenues pour la forte puissance. Le second porte sur l’efficacité énergétique et l’estimation des pertes fer dans les générateurs de forte puissance. Le troisième développe la modélisation dans l’objectif de concevoir par optimisation les structures de MSDE.

Problématiques sociétales et industrielles

Cette partie introduit, dans un premier temps, la problématique des indicateurs environnementaux. La consommation croissante d’énergie implique des conséquences importantes sur le réchauffement climatique. De nouveaux accords mondiaux entrent en vigueur afin de réduire les émissions de gaz à effets de serre et ainsi limiter l’impact sur les hausses climatiques [7]. La situation mondiale et française sera brièvement introduite. Pour pallier à ces contraintes environnementales, deux solutions sont introduites autour du développement des énergies renouvelables et de l’amélioration de l’efficacité énergétiques des chaînes de production d’énergie. Aujourd’hui ces enjeux environnementaux poussent les concepteurs de machines électriques à développer de nouvelles solutions afin de répondre à ces exigences. Ces travaux sont orientés vers de nouvelles solutions de générateurs de production à haute efficacité énergétique.

Les enjeux environnementaux

La croissance démographique, l’accès croissant des populations à l’énergie et la croissance économique induisent une augmentation systématique des besoins mondiaux énergétiques. La consommation mondiale d’énergie primaire est en croissance continue. Depuis quarante années, cette consommation est passée de 6 à 13.3 milliards de tep (tonne d’équivalent pétrole).

Efficacité énergétique

Un second vecteur de gain potentiel consiste à améliorer l’efficacité énergétique. Le principe est alors d’assurer une consommation minimale d’énergie pour une même production. L’efficacité énergétique voit son intérêt grandissant dans le secteur de l’énergie.

Besoin industriel

Les travaux de cette thèse sont l’émergence de la collaboration avec JEUMONT Electric, équipementier majeur de production et conversion d’électricité. Fort d’un savoir-faire de plus de 100 ans, JEUMONT Electric propose des alternateurs et moteurs électriques spécifiques. Dans le secteur de l’énergie, des machines et des services sont développés dans les activités des centrales de production d’énergie électrique, qu’elles soient entre autres, diesel-électrique, thermiques, industrielles ou éoliennes.

Les Machines Synchrone à Rotor Bobiné (MSRB) à pôles saillants présentent la faculté de créer le flux d’excitation par l’injection d’un courant dans les enroulements rotoriques. Grâce aux bobines rotoriques, ces machines ont un degré de liberté supplémentaire pour la loi de contrôle. Ce type de machine est particulièrement avantageux à vitesse variable, où le défluxage est aisé par la réduction du courant d’excitation. Néanmoins, la bobine d’excitation est source des pertes Joules au rotor qui font des MSRB des machines à rendement et au rapport couple massique limités.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1. Introduction
1.1. Contexte général
1.2. Problématiques sociétales et industrielles
1.2.1. Besoin sociétal
1.2.1.1. Les enjeux environnementaux
1.2.1.2. Efficacité énergétique
1.2.2. Besoin industriel
1.3. Les machines à double excitation
1.3.1. Principes et structures des MSDE série
1.3.1.1. Principes des MSDE série
1.3.1.2. Structures de MSDE série
1.3.2. Principes et structures des MSDE parallèle
1.3.2.1. Principes des MSDE parallèle (1)
1.3.2.2. Principes des MSDE parallèle (2)
1.3.2.3. Structures des MSDE parallèle
1.3.3. Exemples de structures à double excitation
1.3.3.1. MSDE à pôles conséquents
1.3.3.2. MSDE à commutation de flux
1.3.3.3. MSDE à paires de pôles variables
1.3.3.4. MSDE à concentration de flux (homopolaire et bipolaire)
1.4. Positionnement scientifique et industriel
1.4.1. Structures et solutions retenues pour la forte puissance
1.4.1.1. La MSDEs
1.4.1.2. JEOLIS
1.4.1.3. MSDEv
1.4.2. Pertes et efficacité énergétique
1.4.3. Dimensionnement par optimisation des structures
1.4.3.1. L’optimisation au service de la conception
1.4.3.2. L’optimisation, une alternative pour le choix des structures
1.4.3.3. L’interaction du système lors de la conception
1.4.3.4. L’association temps de calcul et modèles de conception
1.5. Synthèse et apports
Chapitre 2. Les pertes fer dans les générateurs de forte puissance
2.1. Introduction
2.1.1. Les origines des pertes fer pour les fortes puissances
2.1.2. Les pertes fer dans les matériaux magnétiques doux
2.1.2.1. Les pertes par hystérésis
2.1.2.2. Les pertes par courants induits
2.1.2.3. Les pertes excédentaires
2.2. Les modèles de pertes fer
2.2.1. Les modèles de pertes fer globales
2.2.1.1. Le modèle de Steinmetz
2.2.1.2. Les modèles d’interpolation
2.2.2. Les modèles de décomposition des pertes
2.2.2.1. Les modèles de la dérivée temporelle de l’induction
2.2.2.2. Considération des cycles mineurs
2.2.3. Les modèles d’hystérésis
2.2.4. Le modèle Loss Surface
2.2.5. Sélections des modèles pour la conception des générateurs
2.3. Applications et comparaisons des modèles de pertes fer
2.3.1. Les moyens de mesures des pertes fer
2.3.2. Identification des coefficients des modèles de pertes
2.3.3. Comparaisons expérimentales des modèles soumis à des formes non-sinusoïdales
2.3.4. Comparaisons expérimentales des modèles soumis à des formes d’induction de MSDE
2.4. Les pertes fer appliquées au générateur électrique
2.4.1. Méthodologie et hypothèses pour le calcul des pertes fer
2.4.1.1. Bmin-Bmaj
2.4.1.2. Simplifications EF
2.4.2. Les pertes fer dans le stator de la génératrice
2.4.3. Calculs et mesures des pertes globales dans les générateurs
2.4.3.1. Procédure de mesures des pertes à vide
2.4.3.2. Les pertes en surface du pôle
2.4.3.3. Validations expérimentales des pertes globales dans la MSDEs
2.4.3.4. Les pertes fer en charge
2.5. Synthèse et apports
Chapitre 3. Modélisation multi-structure des MSDE
3.1. Introduction
3.1.1. Cahier des charges des prototypes étudiés
3.1.2. Les incidents de la MSDEs
3.2. Réseaux de reluctance et règle de conception des MSDE série
3.2.1. Principe des réseaux de réluctance
3.2.2. Règle de conception des MSDE série
3.3. Modélisation électromagnétique multi-structure
3.3.1. Modélisation à vide
3.3.1.1. Identification du réseau de réluctance
3.3.1.2. Calculs des réluctances et sources
3.3.2. Modélisation en charge
3.3.2.1. Modèle de Park en flux
3.3.2.2. Principe des niveaux de modélisations des flux
3.3.2.3. Méthode analytique
3.3.2.4. Méthode numérique
3.3.2.5. Méthode par réseaux de réluctance
3.3.2.6. Comparaison des méthodes d’obtention des flux
3.3.2.7. Phaseurs et conventions
3.3.2.8. Stratégie de résolution d’un point de fonctionnement en charge
3.4. Les modèles pour la conception
Conclusion générale