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La production d’électricité à partir d’une installation à gazogène
Il y a divers possibilités techniques pour produire de l’électricité à partir du gaz combustible du gazogène comme l’emploi des turbines à gaz (principalement utilisées pour les grandes puissances), alimentation des moteurs thermiques ou des chaudières,…Ces appareils vont engendrer une force motrice qui va entraîner une génératrice électrique. Les moteurs offrent l’avantage d’être plus tolérants envers les impuretés que les turbines. Pour les moteurs alimentés en gaz de gazogène, on distingue deux modes de fonctionnements : en dual-fuel (diesel-gaz) ou en tout-gaz.
Le moteur dual-fuel utilise en permanence une fraction de gazole (15-20%) et peut en cas de panne dans la production du gaz de gazogène fonctionner comme un groupe électrogène classique. Son inconvénient est qu’il consomme toujours de l’énergie non renouvelable. Le moteur tout gaz par contre fonctionne à 100% au gaz de gazogène. Son utilisation présente l’inconvénient de rompre l’approvisionnement en électricité en cas de panne au niveau de la chaîne de gaz.
Le groupe moteur
Le moteur thermique
Pour cette étude, le gaz est introduit dans la chambre de combustion d’un moteur thermique en fonctionnement tout-gaz. Les caractéristiques du gaz de charbon sont satisfaisantes pour le fonctionnement du moteur. Le gaz est mélangé avec de l’air en proportion stœchiométrique afin que la combustion dans la chambre soit complète. Le gaz de gazogène ayant un pouvoir calorifique bien moins important que l’essence, il pourra être nécessaire d’introduire une plus grande quantité de mélange gaz-air que de mélange air-essence. Cette substitution de carburant entraine donc une baisse jusqu’à 20 % de la puissance nominale du moteur par rapport à sa version standard [1].
Le moteur utilisé est un moteur à allumage commandé classique, modifié pour les besoins de l’étude (carburateur et pipe d’admission supprimés). Il est à injection indirecte (le mélange carburé air + gaz est réalisé par le mélangeur avant son introduction dans le cylindre). Il transforme l’énergie chimique contenue dans le mélange en une énergie mécanique sous forme de rotation du vilebrequin. La dépression créée à chaque cycle dans le cylindre provoque une aspiration de gaz et l’entretien du foyer. Le contrôle de la puissance consiste à maitriser la quantité de gaz fourni par cycle au moteur. Cette quantité conditionne la valeur de la pression moyenne effective (PME ou charge thermique du moteur) dont les paramètres de contrôle sont le coefficient de remplissage et la richesse [15].
L’alternateur
Il convertit l’énergie mécanique du moteur thermique en énergie électrique. Il est entraîné par le moteur par une courroie. La vitesse de rotation de l’alternateur est donc directement liée à celle du moteur thermique.
Réglage en charge d’un alternateur
Un alternateur est une machine électrique de type synchrone utilisée en générateur de courants alternatif. Le terme synchrone vient du fait que la vitesse de la machine est en synchronisme (proportionnelle) à la fréquence des f.é.m. qu’elle produit (alternateur) ou du réseau qui l’alimente (moteur) c’est-à-dire que la vitesse de rotation de l’arbre de sortie est égale à la vitesse de rotation du champ tournant. Les conséquences d’une augmentation de la puissance active débitée par un alternateur sont:
❖ sur la fréquence
La fréquence diminuera. Quand la charge d’un alternateur augmente sa vitesse diminue. Ce changement est traduit par la relation suivante :
? = ? ∗ ?
où f : la fréquence des f.é.m. induites
p : le nombre de paires de pôles
n : la vitesse de rotation du champ tournant .
Donc si la vitesse diminue, la fréquence diminue dans les mêmes proportions.
❖ sur la tension
La tension diminuera aussi. Trois causes sont à l’origine de cette diminution :
➤ la vitesse
? = ? ∗ Φ ∗ ? ∗ ? ∗ ?
où E : valeur efficace de la f.é.m induite
K : coefficient de Kapp
Φ : flux maximal pour une spire
N : nombre de conducteurs d’une phase de la machine
p : nombre de paires de pôles .
Comme le produit K*Φ*N*p est constant, alors E diminue en fonction de n.
➤ la chute de tension
? = ? − ??
où U : valeur efficace de la tension entre phase et neutre
Z : valeur efficace de l’impédance intérieur du générateur
I : valeur efficace de l’intensité .
U diminue et Z*I augmente
➤ la réaction d’induit qui diminue le flux résultant
Si Φ diminue, alors E aussi.
Lorsqu’un utilisateur enclenche un appareil, la puissance consommée supplémentaire est prélevée sur l’énergie cinétique de rotation du rotor du générateur électrique. En l’absence de mesures correctrices, il s’ensuit un ralentissement de toutes les machines synchrones, soit une baisse de la fréquence. Toute variation de fréquence reflète ainsi un déséquilibre entre production et consommation. La fréquence du réseau et la vitesse de rotation de la génératrice synchrone sont donc liées c’est-à-dire la variation des charges couplées au générateur électrique a une influence sur la qualité du courant à la sortie. Pour les charges résistives, telles que les résistances chauffantes, la puissance électrique est indépendante de la fréquence tandis que les charges inductives (les machines électriques) sont eux sensibles aux changements de la fréquence.
La régulation automatique
La régulation automatique est la technique offrant les méthodes et les outils nécessaires à la prise de contrôle d’une ou plusieurs grandeurs physiques d’un système en vue d’en imposer le comportement. Les grandeurs physiques, ou signaux (vitesse, température, pression, courant, etc.), doivent être mesurées afin de vérifier leur état puis de déterminer à l’aide d’un traitement approprié l’action à entreprendre sur le système ou processus (installation de production, robot, alimentation électronique stabilisée, disque dur, etc.) pour qu’elles se comportent comme souhaité. Avec le qualificatif automatique, on admet qu’aucune intervention manuelle n’est nécessaire ou s’il y a intervention, elle est réduite, pour atteindre cet objectif. Les méthodes de l’automatique offrent donc la possibilité de modifier le comportement statique et dynamique d’une ou plusieurs grandeurs physiques d’un processus, afin qu’elles évoluent conformément aux exigences de l’application. D’un certain point de vue, ces méthodes contribuent significativement à augmenter la valeur ajoutée aux produits, en offrant les moyens d’améliorer les performances de ceux-ci.
Principe
La régulation automatique repose sur le principe de contre-réaction ou ”feedback”, c’est à dire réagir en fonction de ce qui est réalisé, connaissant ce qui est demandé. L’objet d’application de l’automatique est appelé système. Un système se caractérise par ses grandeurs d’entrée et de sortie. Les grandeurs d’entrée sont les grandeurs qui agissent sur le système. Il en existe de deux types :
❖ les commandes : celles que l’on peut maîtriser ;
❖ les perturbations : celles que l’on ne peut pas maîtriser.
Un système est en boucle ouverte lorsque la commande est élaborée sans l’aide de la connaissance des grandeurs de sortie : il n’y a pas de feedback. Dans le cas contraire, le système est dit en boucle fermée.
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Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE I. GENERALITES
Chapitre 1. Le gazogène
1.1 Description de l’installation à gazogène
1.2 La production d’électricité à partir d’une installation à gazogène
Chapitre 2. La régulation automatique
2.1 Principe
2.2 Régulation numérique
PARTIE II. METHODOLOGIE
Chapitre 3. Principe du régulateur
3.1 Choix technologique
3.2 Principe de fonctionnement
Chapitre 4. Conception
4.1 Description de la partie mécanique du système
4.2 Description de la commande automatique du système
4.3 Partie programmation
4.4 Mise en œuvre
Chapitre 5. Résultats expérimentaux et conclusion
5.1 Résultats
5.2 Interprétations et conclusion
PARTIE III. REGARD SUR L’IMPACT ENVIRONNEMENTAL ET AMELIORATIONS
Chapitre 6. Mise en contexte
6.1 Les impacts sur l’environnement
Chapitre 7. Améliorations et recommandations
CONCLUSION
Bibliographie
Webographie
ANNEXES
