Modelisation de la generatrice asynchrone triphasee en regime equilibre

Actuellement, toutes les recherches et les productions des industries ciblent toujours à améliorer la vie en générale de l’homme. Ceci en produisant des machines capables de faire des tâches à la place d’une ou de plusieurs personnes. C’est pour cela qu’il y a hausse de demande en énergie électrique par rapport aux offres. Pour couvrir ces demandes, en tenant compte de l’état et de la dégradation de l’environnement actuel, les recherches énergétiques s’orientent toutes à l’exploitation des ressources naturelles (eau, air, gisement solaire, …). Ce domaine de recherche est intitulé « énergie verte » ou « énergie renouvelable ».

Dans la majorité de ces recherches, on exploite toutes les ressources naturelles produisant de l’énergie mécanique. En effet, cette énergie mécanique sera transformée en énergie électrique par l’intermédiaire des machines tournantes. Parmi ces machines, actuellement, les plus étudiées sont les machines asynchrones parce qu’elles présentent beaucoup d’avantages, notamment son faible prix (production en grande quantité) et sa facilité de maintenance.

Techniquement, le fonctionnement en génératrice de la machine asynchrone triphasée nécessite l’utilisation d’une autre source d’énergie électrique (par exemple JIRAMA) ou d’une batterie de condensateur pour assurer sa magnétisation. Du point de vue technologique, c’est cette dernière qui est la plus exploitée car son branchement aux bornes des enroulements statoriques suffit pour la magnétisation de la génératrice, et que cela la rend autonome. Ce qui rend son entretien plus facile et son coût moins élevé par rapport aux alternateurs synchrones. Une turbine hydraulique, dont la courbe caractéristique mécanique ( ) est supposée linéaire, constitue l’organe d’entrainement de la machine. La génératrice asynchrone assure la conversion de l’énergie mécanique reçue par le rotor en énergie électrique délivrée aux bornes du stator. L’énergie électrique ainsi obtenue peut être tout de suite exploitée par les utilisateurs. Les charges connectées aux enroulements statoriques de la génératrice peuvent être triphasées, biphasées ou monophasées. On verra un peu plus loin dans cet ouvrage que l’annulation d’une fonction de  transfert garantit l’auto-excitation et le transfert total de l’énergie électrique entre la génératrice asynchrone triphasée et les charges. Toutefois, la génératrice peut être soumise à des régimes déséquilibrés qui, selon leur amplitude, leur nature et leur durée de manifestation, peuvent nuire au bon fonctionnement de la machine ou de l’installation toute entière. Ainsi, le présent travail consiste alors à élaborer un LOGICIEL qui prédéterminera le comportement d’une génératrice asynchrone triphasée excitée par un seul condensateur en marche biphasée, sans qu’il y ait toute forme d’asservissement ou régulation au niveau de la capacité et/ou de la vitesse de rotation.

CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT EN GENERATRICE 

Conditions générales
Trois conditions s’avèrent nécessaires et suffisantes pour qu’une machine asynchrone fonctionne en générateur :
➤ Excitation pour avoir une magnétisation de l’entrefer à l’aide d’une batterie de condensateur;
➤ Existence de rémanence pour l’amorçage de la génératrice asynchrone;
➤ Le rotor doit être entraîné à l’hypersynchronisme, d’où la nécessité d’un organe d’entraînement comme la turbine. Il est important de rappeler que, grâce à l’emploi d’une batterie de condensateur, on peut rendre autonome une génératrice asynchrone.

Excitation et désexcitation de la génératrice

Excitation
D’abord, seule la batterie de condensateur est connectée aux bornes de la machine. Puis on accélère progressivement la génératrice. À partir d’une certaine vitesse, il apparait une tension aux bornes de cette dernière. Lorsque la vitesse du synchronisme est atteinte, les charges peuvent être connectées aux bornes de la génératrice.

Désexcitation
La désaimantation d’une génératrice asynchrone est possible dans le cas où il y a une très forte augmentation des charges ou lors d’un démarrage en charge. Dans le cas où la tension rémanente est nulle (machine totalement désaimantée), l’application momentanée d’une faible tension continue (à l’aide d’une batterie d’accumulateur) suffit pour ré-aimanter la machine. Pratiquement, on utilise une batterie de 24V-250Ah.

POSITION DU PROBLEME

Comme la machine asynchrone est équivalente à un système électromécanique, donc elle est aussi réversible. Ainsi, le présent travail consiste à exploiter cette réversibilité pour produire de l’énergie électrique. Pour cela, la MAS doit être entraînée à l’hypersynchronisme, d’où la nécessité d’un organe d’entrainement ; et doit utiliser une autre source d’énergie électrique ou d’une batterie de condensateur pour assurer l’apport en énergie réactive.

En supposant qu’il n’y a aucun problème au niveau de la turbine, l’étude va être fixée sur l’exploitation d’une machine asynchrone triphasée qui travaille en tant que génératrice. Pour assurer le fonctionnement en génératrice asynchrone, on doit brancher aux bornes du stator un (01), deux (02), trois (03), ou voir plusieurs condensateurs pour garantir l’apport en énergie électrique. Les charges à connecter aux bornes statoriques peuvent être triphasées, biphasées ou même monophasée. En supposant la machine équilibrée de fabrication, le problème se pose alors au niveau des charges à appliquer. Une charge triphasée branchée aux bornes du stator, formant un système {GAS – CH 3 }, peut entrainer un fonctionnement en régime équilibré ou déséquilibré (si les valeurs des charges sont différentes). Dans le cas où les charges à appliquer sont biphasées ou monophasée, le fonctionnement en régime déséquilibré est inévitable. Sachant que le fonctionnement en ce régime peut provoquer des « dégâts » plus ou moins importants, alors, pour minimiser (éviter) cela, il faut résoudre les problèmes du système {GAS – CH}.

Parmi les recherches déjà effectuées, on peut citer :
➤ « ELABORATION D’UN LOGICIEL DE PREDETERMINATION DU COMPORTEMENT EN CHARGE D’UNE GENERATRICE ASYNCHRONE TRIPHASEE ILOTEE EN MARCHE BIPHASEE », réalisée par Monsieur Maheritiana Rivonandrasana RAKOTOMAMONJY en 2005. En effet cet ouvrage utilise deux (2) condensateurs pour assurer la magnétisation de l’entrefer ;
➤ « PREDETERMINATION DU COMPORTEMENT D’UNE MACHINE ASYNCHRONE TRIPHASEE EN MARCHE INVERSE-MODELISATION et REGIME TRANSITOIRE », réalisée par Monsieur Nestor RAZANAMPARANY en 2004 ;
➤ « ANALYSE NUMERIQUE DU COMPORTEMENT EN CHARGE D’UNE GENERATRICE ASYNCHRONE MONOPHASEE », réalisée par Monsieur Tsiry Angelos ANDRIAMANAMPISOA en 2002 ;
➤ « ETUDE DE LA GENERATRICE ASYNCHRONE TRIPHASEE ILOTEE SUR CHARGE MONOPHASEE », réalisée par Monsieur Harivelo RAKOTOZANANY et Monsieur Hansen Andry RATSIMBA en 2000. Cet ouvrage utilise deux (2) condensateurs pour assurer la magnétisation l’entrefer.

Vu que ces ouvrages scientifiques sont encore incomplets, alors, pour clore les recherches dans ce domaine (GAS 3 ), le projet va être orienté à l’étude d’une génératrice asynchrone triphasée excitée par un seul (01) condensateur et dont les charges connectées aux bornes du stator sont biphasées. En se référant aux données et aux paramètres obtenus par des différents essais classiques d’une machine asynchrone, on va développer toutes les démarches théoriques suivies d’une simulation des résultats avec le logiciel MATLAB 7.8. A partir de cela, on a l’occasion de concevoir un logiciel résolvant ce problème de déséquilibre pour n’importe quelle caractéristique de MAS triphasée disponible.

MODELISATION
L’installation d’une charge déséquilibrée aux bornes de la génératrice provoque des déséquilibres, surtout aux grandeurs électriques de la machine. La marche biphasée de la génératrice est un cas particulier de déséquilibre puisque deux charges ne peuvent pas constituer un système de charge équilibrée lorsqu’on les branche aux bornes de la génératrice. Ainsi, pour pouvoir équilibrer le système {GAS-CH}, les courants de charges seront décomposés en composante directe et en composante inverse. Sachant que l’enroulement statorique est sans neutre en sortie, la composante homopolaire est éliminée.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
PARTIE I : INTRODUCTION
Chapitre I : CONTEXTE GENERAL
I.1 DEFINITION
I.2 CONSTITUTION
I.3 PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT
I.4 REGIME DE FONCTIONNEMENT
Chapitre II : MODELISATION DE LA GENERATRICE ASYNCHRONE TRIPHASEE EN REGIME EQUILIBRE
II.1 CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT EN GENERATRICE
II.1.1 Conditions générales
II.1.2 Capacité d’excitation à vide
II.1.3 Excitation et désexcitation de la génératrice
II.2 MODELISATION
Chapitre III : POSITION DU PROBLEME
PARTIE II : METHODOLOGIE
Chapitre IV : MODELISATION DE LA GENERATRICE ASYNCHRONE TRIPHASEE ILOTEE EN MARCHE BIPHASEE EN REGIME DESEQUILIBRE
VI.1 TRANSFORMATION DE FORTESCUE
VI.2 MODELISATION
Chapitre V : EQUILIBRAGE DE LA GENERATRICE
V.1 CONDITIONS GENERALES D’EQUILIBRE
V.2 DETERMINATION DE LA CAPACITE D’EXCITATION
V.3 SCHEMA MONOPHASE EQUIVALENT
Chapitre VI : CARACTERISTIQUES DE LA GENERATRICE
VI.1 DETERMINATION DE LA FONCTION DE TRANSFERT
VI.2 DETERMINATION DU POINT DE FONCTIONNEMENT NOMINAL
VI.3 COMPORTEMENT DE LA GENERATRICE EN REGIME DESEQUILIBRE
PARTIE III : SIMULATION DU COMPORTEMENT DE LA GENERATRICE EN REGIME DESEQUILIBRE
Chapitre VII ELABORATION DU LOGICIEL «ASYNCHRONOUS GENERATORS RZA»
VII.1 CARACTERISTIQUES DE LA MACHINE D’ETUDE
VII.2 GESTION DES FENETRES
VII.3 PRESENTATION DU LOGICIEL
Chapitre VIII RESULTATS DES SIMULATIONS ET INTERPRETATIONS
VIII.1 HYPOTHESES
VIII.2 POINT DE FONCTIONNEMENT NOMINAL
VIII.3 COMPORTEMENT EN REGIME DESEQUILIBRE
Chapitre IX PROPOSITION DE PROTECTION ET SECURISATION DE L’INSTALLATION
IX.1 PROTECTION DE L’INSTALLATION
IX.1.1 Conditions générales
IX.1.2 Solutions proposées
IX.2 PROTECTION DE LA GENERATRICE
IX.2.1 Conditions générales
IX.2.2 Vibrations
IX.2.3 Surcharges
IX.2.4 Courts-circuits
IX.2.5 Liaisons équipotentielles
PARTIE VI : VOLET ENVIRONNEMENTAL
Chapitre X : ETUDE DES IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
X.1 MOTIVATIONS
X.2 IMPACTS NEGATIFS
X.3 IMPACTS POSITIFS
X.4 MESURES D’ATTENUATION DES IMPACTS NEGATIFS
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
WEBOGRAPHIE
ANNEXES

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