Ammar Aymen Diffusion

Modelisation et Optimisation dun Generateur

Synchrone a Double Excitation de Forte Puissance

Aymen Ammar

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Aymen Ammar. Modelisation et Optimisation dun Generateur Synchrone a Double Excitationde Forte Puissance. Other. Ecole Centrale de Lille, 2013. French. .

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Submitted on 21 Nov 2013

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N dordre : 223

THESE

Prsente en vue

dobtenir le grade de

DOCTEUR

En

Spcialit : Gnie Electrique

Par

Aymen AMMAR

DOCTORAT DELIVRE PAR LECOLE CENTRALE DE LILLE

Titre de la thse :

Modlisation et Optimisation dun Gnrateur Synchrone Double Excitation

de Forte Puissance

Soutenue le 28 Juin 2013 devant le jury dexamen :

Prsident Abdelmounam TOUNZI, Professeur, Universit Lille 1, L2EP

Rapporteur Noureddine TAKORABET, Professeur, Universit de Lorraine, GREEN

Rapporteur Hamid BEN AHMED, Matre de confrences HDR, ENS Cachan Bretagne, SATIE

Examinateur Lionel VIDO, Matre de confrences, Universit de Cergy Pontoise, SATIE

Examinateur Daniel LALOY, Responsable R&D, JEUMONT Electric

Co-Directeur Pascal BROCHET, Professeur, UTBM-Belfort-Montbliard, L2EP

Co-Directeur Frdric GILLON, Matre de confrences HDR, Ecole Centrale de Lille, L2EP

Thse prpare dans le Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique de Puissance (L2EP) Ecole Doctorale SPI 072 (Lille I, Lille III, Artois, ULCO, UVHC, EC Lille)

PRES Universit Lille Nord-de-France

A mes parents

A ma femme et ma fille

A mes frres et surs Et tous ceux qui mont soutenu

Remerciements Institutionnels


Ce travail a t ralis lEcole Centrale de Lille au sein du Laboratoire dElectrotechnique

et dElectronique de Puissance, en collaboration avec lentreprise JEUMONT Electric et ce dans

le cadre dune Conventions Industrielles de Formation par la Recherche (CIFRE).

Au cours de ce travail un prototype de gnrateur synchrone double excitation de forte

puissance, 1MVA, a t ralis. Nous remercions sincrement la rgion Nord Pas de Calais, lEtat

Franais ainsi que le Fonds Europen de Dveloppement Rgional (FEDER) qui travers le ple

de recherche, Matrise Energtique des Entrainements Electriques (MEDEE), ont contribu au

financement de ce prototype.

Nous remercions galement lentreprise JEUMONT Electric, constructeur de machines

lectriques tournantes, pour leur engagement sur ce type de problmatique, essentielle pour

rpondre aux exigences nergtiques et environnementales.

Enfin, nous exprimons notre gratitude envers L'Association Nationale de la Recherche et

de la Technologie (ANRT) qui a particip au financement de cette thse.

Remerciements

Remerciements

Je souhaiterais avant tout remercier toutes les personnes qui, de prs ou de loin, ont permis

laboutissement de ce travail. Je pense donc en particulier mes co-directeurs de thse, M.

Pascal Brochet et M. Frdric Gillon, qui par leurs expriences et esprits de synthse ont t

indispensables laccomplissement de mes travaux.

Mes sincres remerciements vont galement M. Daniel Laloy, responsable du

dpartement tude et dveloppement lentreprise JEUMONT Electric, pour ses directives

enrichissantes et son suivi attentif des travaux.

Je remercie vivement M. Noureddine Takorabet, Professeur des universits de lUniversit

de Lorraine, et M. Hamid Ben Ahmed, Matre de Confrence HDR de lEcole Normale

Suprieure de Cachan Bretagne, davoir accept de rapporter cette thse.

Je tiens remercier tout particulirement, M. Abdelmounam Tounzi, Professeur des

Universits de lUniversit Lille 1 qui nous a fait lhonneur de prsider la soutenance et, M. Lionel

Vido Matre de Confrences de lUniversit de Cergy Pontoise davoir particip ce jury.

Ces annes de thse ont t enrichissantes sur le plan scientifique mais aussi sur un plan

humain o jai pu faire la connaissance de gens merveilleux. Je tiens donc remercier toutes ces

personnes que jai ctoyes durant ces annes :

Mes amis et anciens camarades de bureau, Mathias et Antoine, qui par leur sympathie et bonne humeur ont contribu rendre ce sjour agrable ;

Mes amis ; Ramzi, Sophie, Jinlin, Alex, Martin, Dmitry, Laurent, Vera, Ali, Franois, Xavier Cimetire, Xavier Margueron, Christophe, Pierre, Nicolas, Mathieu, Wenhua,

Dan, Hristiyan, Amir et Ye ;

Les enseignants-chercheurs de lECL ; M. Michel Hecquet, M. Xavier Guillaud, M. Stphane Brisset, M. Bruno Franois, M. Mohamed Ben Rajeb, M. Philippe Le Moigne

pour leurs disponibilits chaque fois que jai sollicit leurs aides.

Mes remerciements vont aussi aux personnes de JEUMONT Electric, dirigeants,

ingnieurs, techniciens, dessinateurs,pour leur contribution ce travail et la ralisation du

prototype.

Il me sera impossible, enfin, de ne pas saluer ma famille savoir mes parents, ma femme,

mes frres et surs, pour le soutien et les encouragements quils nont cess de me prodiguer,

tout au long de ces annes.

Remerciements

Table des matires

5

Table des matires

Introduction gnrale .............................................................................................................. 15

CHAPITRE 1 : Problmatique de ltude et solutions envisages ........................................ 21

I. Introduction .................................................................................................................................. 23

II. Problmatique de ltude ............................................................................................................ 24 II.1. Dveloppement nergtique et contraintes environnementales .............................................................. 24

II.2. Place de llectricit et des machines lectriques tournantes .................................................................. 26

III. Les diffrentes solutions nergtiques proposes .................................................................... 27

III.1. Les entrainements vitesses variables .................................................................................................. 27

III.2. Lnergie olienne ................................................................................................................................. 30 III.3. Lnergie hydraulique - Hydrolectricit .............................................................................................. 31 III.4. Lnergie solaire .................................................................................................................................... 33

III.4.a. Solaire thermodynamique ............................................................................................................... 34

III.4.b. Solaire photovoltaque .................................................................................................................... 36

III.5. La gothermie ........................................................................................................................................ 37

III.6. La biomasse ........................................................................................................................................... 39

III.7. Energies marines ................................................................................................................................... 40

III.7.a. La houle ........................................................................................................................................... 40

III.7.b. Energie marmotrice ....................................................................................................................... 41

III.8. Conclusion ............................................................................................................................................. 42

IV. Les machines tournantes haute efficacit nergtique ........................................................ 44

IV.1. Les machines synchrones aimants permanents ................................................................................... 44

IV.1.a. Intrts et topologies des MSAP ..................................................................................................... 44

IV.1.b. Insuffisances et contraintes des MSAP ........................................................................................... 46

IV.2. Les machines synchrones double excitation ....................................................................................... 48

IV.2.a. Dfinition et intrt des MSDE ....................................................................................................... 48

IV.2.b. Les diffrents types de MSDE ........................................................................................................ 52

IV.2.c. Conclusion sur les MSDE et prsentation de la structure retenue ................................................... 61

V. Conclusion .................................................................................................................................... 63

CHAPITRE 2 : Modlisation multi-physique dun gnrateur synchrone double excitation .................................................................................................................................. 65

I. Introduction .................................................................................................................................. 67

II. Choix du modle multi-physique ............................................................................................... 68

II.1. Modle de dimensionnement ou de comportement pour loptimisation ? .............................................. 68 II.1.a. Dfinition dun modle de dimensionnement : ................................................................................. 68 II.1.b. Dfinition dun modle de comportement pour loptimisation ........................................................ 69

II.2. Structure gnrale du modle multi-physique ........................................................................................ 70

III. Etude et modlisation en fonctionnement Gnrateur vide ................................................ 71

III.1. Caractrisation du fonctionnement vide par rseau de rluctances .................................................... 71

III.1.a. Dfinition de la mthode du rseau de rluctances ......................................................................... 72

III.1.b. Identification des diffrents tubes de flux de la MSDE .................................................................. 73

III.1.c. Rseau de rluctances pour la dtermination du flux vide ........................................................... 75

III.2. Validation du modle magntique ......................................................................................................... 79

IV. Etude et Modlisation en fonctionnement gneratrice en charge .......................................... 82

Table des matires

6

IV.1. Calcul du courant dexcitation en charge .............................................................................................. 82 IV.2. Validation du calcul du courant dexcitation en charge ........................................................................ 84

V. Modle des pertes dans la machine ............................................................................................ 85

V.1. Les pertes mcaniques ............................................................................................................................ 86

V.2. Les pertes fer .......................................................................................................................................... 86

V.2.a. Les pertes fer normales ............................................................................................................... 87

V.2.b. Les pertes fer supplmentaires vide .............................................................................................. 87

V.2.c. Les pertes fer supplmentaires en charge ......................................................................................... 88

V.3. Pertes dans le cuivre ............................................................................................................................... 88

V.3.a. Pertes normales dans le cuivre ......................................................................................................... 89

V.3.b. Pertes cuivre supplmentaires .......................................................................................................... 89

V.4. Pertes dans les aimants permanents ........................................................................................................ 90

V.4.a. Pertes dues aux dents statoriques ..................................................................................................... 90

V.4.b. Pertes dues aux harmoniques du champ statorique .......................................................................... 91

VI. Modle thermique ...................................................................................................................... 92

VI.1. Dfinition de la mthode nodale ........................................................................................................... 92

VI.1.a. Conductances thermiques ............................................................................................................... 93

VI.1.b. Mise en quation ............................................................................................................................. 94

VI.2. Application la machine tudie .......................................................................................................... 95

VI.3. Calcul des coefficients de convection ................................................................................................... 96

VI.4. Couplage du modle thermique ............................................................................................................. 98

VII. Conclusion ............................................................................................................................... 101

CHAPITRE 3 : Etude et Optimisation dun Gnrateur Synchrone Double Excitation 103

I. Introduction ................................................................................................................................ 105

II. Simulation du fonctionnement vide de la MSDE par modle lments finis .................... 106

II.1. Distribution du champ magntique dans la MSDE ............................................................................... 107

II.2. Optimisation de la forme des ples rotor .............................................................................................. 109

III. Generateur synchrone double excitation fonctionnant a vitesse constante ..................... 113

III.1. Fonctionnement en gnrateur isol .................................................................................................... 113

III.1.a. Courbe vide ................................................................................................................................ 113

III.1.b. Caractristique en court-circuit triphas quilibr ........................................................................ 115

III.1.c. Caractristiques de rglage ............................................................................................................ 115

III.2. Fonctionnement en gnrateur coupl un rseau puissant ................................................................ 117

III.2.a. Courbes en V ou courbes de Mordey ...................................................................................... 117

III.2.b. Diagramme PQ dune GSDE ........................................................................................................ 119 III.3. Conclusion ........................................................................................................................................... 122

IV. Gnrateur synchrone double excitation fonctionnant vitesse variable : cas dune olienne ............................................................................................................................................ 127

IV.1. Prsentation de ltude ........................................................................................................................ 127 IV.1.a. Chane de conversion olienne...................................................................................................... 127

IV.1.b. Dfinition du problme doptimisation ......................................................................................... 130 IV.2. Front de Pareto Energie produite/Masse des parties actives de la GSDE ........................................... 132

IV.2.a. Evolution du front de Pareto en fonction du nombre dencoches par ple et par phase ............... 132 IV.2.b. Evolution du front de Pareto en fonction de la frquence dalimentation ..................................... 135 IV.2.c. Evolution du front de Pareto en fonction de la plage de vitesse de vent ....................................... 137

IV.2.d. Comparaison des fronts de Pareto dune GSDE et dune GSPS ................................................... 138 IV.2.e. Conclusion .................................................................................................................................... 140

IV.3. Etude dun cas particulier dun gnrateur olien ............................................................................... 140

Table des matires

7

IV.3.a. Evolution des performances pour plusieurs cas de frquences nominales .................................... 140

IV.3.b. Evolution des performances pour plusieurs cas de distribution annuelle du vent ......................... 142

V. Conclusion .................................................................................................................................. 145

CHAPITRE 4 : Dimensionnement par optimisation et rsultats dessais dun prototype de Gnrateur Synchrone Double Excitation ........................................................................ 147

I. Introduction ................................................................................................................................ 149

II. Dimensionnement par optimisation dun prototype de Gnrateur Synchrone Double excitation ......................................................................................................................................... 150

II.1. Dimensionnement par optimisation du prototype ................................................................................. 151

II.2. Dimensionnement par optimisation de la gomtrie de lpanouissement polaire ............................... 153 II.3. Prsentation du prototype et instrumentation ....................................................................................... 155

II.3.a. Aperu gnral du prototype .......................................................................................................... 155

II.3.b. Instrumentation du prototype ......................................................................................................... 157

III. Rsultats des essais .................................................................................................................. 160

III.1. Essais avant le collage des aimants permanents .................................................................................. 161

III.1.a. Essais vide .................................................................................................................................. 161

III.1.b. Essais en court circuit ................................................................................................................... 164

III.1.c. Calcul du rendement ..................................................................................................................... 164

III.1.d. Essais en charge ............................................................................................................................ 166

III.1.e. Conclusion sur les rsultats de la premire phase dessais ............................................................ 167 III.2. Essais aprs le collage des aimants permanents .................................................................................. 167

III.2.a. Essais vide .................................................................................................................................. 168

III.2.b. Calcul du rendement ..................................................................................................................... 171

III.2.c. Essais en charge ............................................................................................................................ 172

III.2.d. Incident de dcollage des aimants permanents causes, consquences et solutions .................... 173

IV. Conclusion ................................................................................................................................ 175

Conclusion gnrale .............................................................................................................. 177

ANNEXE I : Dtermination des rluctances du modle magntique ................................. 183

ANNEXE II : Mthode des courants des mailles ................................................................. 193

ANNEXE III : Modles lments finis des machines utilises pour la validation ............. 195

ANNEXE IV : Niveaux de bruit maximaux imposs par la norme CEI 60034-9 .............. 198

ANNEXE V : Dimensions et caractristiques du prototype ................................................ 200

ANNEXE VI : Quelques plans de fabrication du prototype ................................................ 204

ANNEXE VII : Schma panoramique du bobinage du prototype ...................................... 210

ANNEXE VIII : Calcul du point initial pour le dimensionnement par optimisation ........ 212

Rfrences Bibliographiques ................................................................................................ 219

Table des matires

8

Liste des figures

9

Liste des figures

Figure 1-1 : Evolution de la demande nergtique mondiale [Web_IEA] ............................................................ 24

Figure 1-2 : Moyenne mensuelle de la concentration de CO2 lobservatoire de Mauna Loa, Hawaii [Web_LSCE] ......................................................................................................................................................... 25

Figure 1-3 : Anomalie annuelle, par rapport la moyenne, des tempratures continentales et ocaniques

[Web_NOAA] ....................................................................................................................................................... 25

Figure 1-4 : Distribution des nergies primaires pour la production dlectricit [Web_IEA] ............................. 26 Figure 1-5 : Diffrents lments dun entrainement lectrique vitesse variable................................................. 28 Figure 1-6 : Caractristiques hydrauliques dun rseau et dune pompe deux cas de fonctionnement .............. 29 Figure 1-7 : Principaux lments dune olienne .................................................................................................. 30 Figure 1-8 : Evolution de la puissance mondiale installe de lolien entre 1997-2009 ....................................... 31 Figure 1-9 : Principe de fonctionnement dune centrale hydraulique ................................................................... 33 Figure 1-10 : Conversion du rayonnement solaire en nergie lectrique .............................................................. 34

Figure 1-11 : Capteurs cylindro-paraboliques (a) et principe de fonctionnement dune centrale solaire thermodynamique (b) ............................................................................................................................................ 35

Figure 1-12 : Principe de fonctionnement (a) et photo de la centrale Solar Two en Californie (b) ..................... 35

Figure 1-13 : Principe de fonctionnement dune photopile ................................................................................... 36 Figure 1-14 : Puissance installe de cellules photovoltaques ............................................................................... 37

Figure 1-15 : Chane de production dlectricit gothermique ............................................................................ 38 Figure 1-16 : Systmes utilisant la houle pour produire de llectricit [Web_E2D] ........................................... 41 Figure 1-17 : Rpartition de la production dlectricit dorigine renouvelable (a) et leurs taux de croissance annuel moyen 2000-2010 [TI_D3900] .................................................................................................................. 43

Figure 1-18 : Rotors de machines synchrones aimants permanents ................................................................... 45

Figure 1-19 : Diagramme de Fresnel dune MSAP ; en mode gnrateur (a) et en mode moteur (b) ................... 47 Figure 1-20 : courbe diso-rendement de la MSAP (a), volution de sa commande (angle de charge) (b), courbe diso-rendement de la MSDE (ToHy=50%) (c) et volution de sa commande (courant dexcitation) (d) dans un plan couple /vitesse ............................................................................................................................................... 51

Figure 1-21 : Courbes diso-rendement de MSDE avec des taux dhybridation diffrents ; 25%(a), 50%(b), 75%(c) et 100%(d) ................................................................................................................................................ 51

Figure 1-22 : Principe de la double excitation srie .............................................................................................. 52

Figure 1-23 : Rotors de Machines Synchrones Double Excitation srie ............................................................ 53

Figure 1-24 : Principe de la double excitation parallle ........................................................................................ 53

Figure 1-25 : Prototypes de MSDE griffes [RAD_90] ....................................................................................... 54

Figure 1-26 : Rotor et principe dune MSDE circuits juxtaposs [SYV_95] ..................................................... 55 Figure 1-27 : Rotors de MSDE nombre de paires de ples variables ; [TAK_08] (a), [AKE_00] (b), [LUO_00]

(c) et [AKE1_00] .................................................................................................................................................. 56

Figure 1-28 : Principe de fonctionnement de la MSDE nombre de paires de ples variables ............................ 57

Figure 1-29 : Structure dune MSDE ples consquents [TAP_03] .................................................................. 58 Figure 1-30 : Dfluxage dune MSDE ples consquents .................................................................................. 59 Figure 1-31 : Surfluxage dune MSDE ples consquents ................................................................................. 59 Figure 1-32 : Ide de base de la MSDE concentration de flux [HLI_08] ........................................................... 60

Figure 1-33 : Stator (a) et rotor (b) dune MSDE concentration de flux (c) [HLI_08]....................................... 60 Figure 1-34 : Concept gnral et aperu du rotor de la MSDE srie tudier ...................................................... 62

Figure 2-1 : Structure dun modle de dimensionnement ..................................................................................... 68 Figure 2-2 : Structure dun modle de comportement pour loptimisation ........................................................... 69 Figure 2-3 : Classification des mthodes de modlisation .................................................................................... 70

Figure 2-4 : Description du modle multi-physique ............................................................................................. 71

Figure 2-5 : Tube dinduction magntique ............................................................................................................ 72 Figure 2-6 : Tube de flux entour par une bobine ................................................................................................. 73

Figure 2-7 : Flux intervenants dans la machine .................................................................................................... 74

Figure 2-8 : Dcomposition en tubes de flux de la MSDE .................................................................................... 75

Liste des figures

10

Figure 2-9 : Circuit quivalent vide superpos un schma plan de la machine ............................................... 76

Figure 2-10 : Simplification du rseau de rluctances au niveau du stator ........................................................... 77

Figure 2-11 : Rseau de rluctances simplifi....................................................................................................... 78

Figure 2-12 : Dcomposition de la FMM de raction dinduit dune machine synchrone ples saillants .......... 83 Figure 2-13 : Diagramme des tensions et des F.M.M dune MSDE avec charge inductive .................................. 84 Figure 2-14 : Evolution du coefficient k

ss en fonction du rapport et/ [BEL_76] ................................................. 88

Figure 2-15 : Volume lmentaire Vi (nud i) dun modle nodal ....................................................................... 92 Figure 2-16 : Conductance de conduction axiale .................................................................................................. 93

Figure 2-17 : Volume lmentaire Vi (nud i) dun modle nodal ....................................................................... 94 Figure 2-18 : Dtermination des nuds et des symtries du modle thermique ................................................... 95 Figure 2-19 : Evolution du coefficient dchange thermique convectif dans un canal rectangulaire en fonction de la vitesse dair ....................................................................................................................................................... 96 Figure 2-20 : Reprsentation simplifie des canaux de ventilation ....................................................................... 97

Figure 2-21 : Procdure de calcul du modle multi-physique ............................................................................. 100

Figure 3-1 : Maillage de la MSDE tudie ......................................................................................................... 106

Figure 3-2 : Cartographie de linduction et des linges de champ dans la MSDE ................................................ 107 Figure 3-3 : Rpartition spatiale de linduction dans lentrefer pour diffrentes valeurs du courant dexcitation ............................................................................................................................................................................ 108

Figure 3-4 : Rpartition spatiale de linduction dans lentrefer variable ............................................................. 108 Figure 3-5 : Analyse en srie de Fourrier de linduction - entrefer constant vs. entrefer variable ...................... 109 Figure 3-6 : Reprsentation des variables optimiser ........................................................................................ 110

Figure 3-7 : Rsultats de loptimisation de la forme du ple .............................................................................. 111 Figure 3-8 : Evolution des variables doptimisation ........................................................................................... 112 Figure 3-9 : Schma de principe des entrefers des deux machines compares ................................................... 113

Figure 3-10 : Courbe vide GSDE vs courbe vide GSPS ................................................................................ 114

Figure 3-11 : Diagramme vectoriel de la GSDE et de la GSPS .......................................................................... 114

Figure 3-12 : Caractristiques en court-circuit de la GSDE et de la GSPS ......................................................... 115

Figure 3-13 : Caractristiques de rglage de la GSDE (a) et de la GSPS (b) tension constante ....................... 116

Figure 3-14 : Diagramme vectoriel simplifi reprsentant lvolution du point de fonctionnement lors du raccordement au rseau ....................................................................................................................................... 117

Figure 3-15 : Courbe en V de la GSDE (a) et de la GSPS (b) V = 1 pu et f = 50 Hz ................................. 118

Figure 3-16 : Courbe du rendement en fonction de la puissance GSDE vs. GSPS ............................................. 119

Figure 3-17 : Dfinition des limites dun diagramme PQ ................................................................................... 120 Figure 3-18 : Courbes Iso-rendement dans le plan PQ de GSDE ayant diffrents Taux dhybridation .............. 123 Figure 3-19 : Courbes Iso-courant dexcitation dans le plan PQ de GSDE ayant diffrents Taux dhybridation 124 Figure 3-20 : Courbes Iso-pertes Joules rotor dans le plan PQ de GSDE ayant diffrents Taux dhybridation.. 125 Figure 3-21 : Courbes Iso-pertes Joules stator dans le plan PQ de GSDE ayant diffrents Taux dhybridation 126 Figure 3-22 : Chane de conversion olienne ...................................................................................................... 128

Figure 3-23 : Courbe typique de puissance en fonction de la vitesse du vent ..................................................... 128

Figure 3-24 : Puissance disponible ( gauche) et vitesse ( droite) de larbre sur la plage des vitesses de vent 3-25 m/s ....................................................................................................................................................................... 129

Figure 3-25 : Probabilits des vitesses de vent.................................................................................................... 129

Figure 3-26 : Front de Pareto Energie/Masse pour diffrentes valeurs du nombre dencoches par ple et par phase ................................................................................................................................................................... 133

Figure 3-27 : Masse du circuit magntique stator en fonction de lnergie produite .......................................... 134 Figure 3-28 : Pertes Joules rotor en fonction de la masse de la partie active ...................................................... 134

Figure 3-29 : Fronts de Pareto Energie / Masse pour diffrentes frquence dalimentation ............................... 135 Figure 3-30 : Masse du fer stator (a) et masse du fer rotor (b) en fonction de lnergie annuelle produite ........ 136 Figure 3-31 : Fronts de Pareto pour deux cas de plages de vitesses de vent utiles .............................................. 137

Figure 3-32 : Fronts de Pareto Energie produite/Masse des parties actives pour deux types de gnrateurs oliens

............................................................................................................................................................................ 138

Figure 3-33 : Pertes Joules dexcitation en fonction de la masse des parties actives des deux types de gnrateurs oliens ................................................................................................................................................................. 139

Liste des figures

11

Figure 3-34 : Diamtre dalsage et masse du rotor en fonction de lnergie annuelle produite des deux types de gnrateurs oliens .............................................................................................................................................. 139

Figure 3-35 : Variation du courant dexcitation (a) et du rendement (b) en fonction de la vitesse du vent pour trois cas de frquence nominale .......................................................................................................................... 141

Figure 3-36 : Trois cas de distribution de Weibull .............................................................................................. 142

Figure 3-37 : Variation du courant dexcitation (a) et du rendement (b) en fonction de la vitesse du vent pour trois cas de distribution de Weibull ..................................................................................................................... 144

Figure 4-1 : Forme gnrale du problme doptimisation pour le dimensionnement du prototype .................... 151 Figure 4-2 : Forme gnrale du problme doptimisation de lpanouissement polaire ..................................... 154 Figure 4-3 : Rotor du prototype avant (a) et aprs (b) le collage des aimants permanents ................................. 156

Figure 4-4 : Stator seul du prototype(a) et stator install dans la carcasse (b) .................................................... 156

Figure 4-5 : Emplacement (a) et photos (b) des sondes de temprature et des templates fixs sur le rotor ........ 157

Figure 4-6 : Sonde effet Hall installe sous une dent statorique ...................................................................... 158

Figure 4-7 : Positions des sondes effet Hall installes sur le ple rotor ........................................................... 159

Figure 4-8 : Aperu du collecteur de mesures tournant ...................................................................................... 159

Figure 4-9 : Sondes de courant installes dans la boite bornes du prototype ................................................... 160

Figure 4-10 : Aperu du banc dessais ................................................................................................................ 161 Figure 4-11 : Courbe vide dduite des essais superpose celle calcule (vitesse = 750 tr/min) .................... 162

Figure 4-12 : Forme donde de la tension compose mesure lors des essais vide .......................................... 162 Figure 4-13 : Contenu harmonique de la tension compose mesure lors des essais vide ............................... 163

Figure 4-14 : Induction mesure par la sonde effet Hall installe sous une dent statorique ............................. 163

Figure 4-15 : Courbe de court circuit triphas essais vs. calculs ......................................................................... 164

Figure 4-16 : Schma de principe de la mthode des pertes spares ................................................................. 165

Figure 4-17 : Courbes en V du prototype sans aimants permanents essais vs. calculs............................... 167 Figure 4-18 : Courbe vide prototype GSDE vs. prototype GSPS ..................................................................... 168

Figure 4-19 : Induction mesure dans lentrefer - prototype GSDE vs. prototype GSPS ................................... 169 Figure 4-20 : Forme donde de la tension compose mesure vide du prototype GSDE ................................. 169 Figure 4-21 : Mesures des sondes effet Hall installes la surface du ple (a) et entre cornes polaires (b) .... 170

Figure 4-22 : Mesures de la frquence de la tension induite aux bornes de la bobine dexcitation en fonction de la vitesse de rotation................................................................................................................................................ 171

Figure 4-23 : Dgts occasionns par le dcollage des aimants permanents sur le rotor(a) et sur le stator(b) .... 173

Figure 4-24 : Rotor aprs linstallation de la frette ............................................................................................. 174

Liste des figures

12

Liste des tableaux

13

Liste des tableaux

Tableau 1-1 : Consommation en tep par habitant et par jour en 2009 [Web_Wiki_Ress] ................................... 24

Tableau 1-2 : Rcapitulatif des avantages et des inconvnients des MSAP ......................................................... 46

Tableau 1-3 : Rcapitulatif des avantages et des inconvnients de structures de MSDE ..................................... 61

Tableau 2-1 : Quelques analogies lectrique magntique .................................................................................... 73

Tableau 2-2 : Variation de linduction en fonction de la longueur du tube de flux.............................................. 74 Tableau 2-3 : Tableau comparatif des rsultats dessai vide avec les calculs par RdR ..................................... 80 Tableau 2-4 : Dimensions gnrales des machines utilises pour la validation du RdR ...................................... 80

Tableau 2-5 : Validation du calcul de la courbe vide ........................................................................................ 81

Tableau 2-6 : Validation du calcul des inductions tension nominale ................................................................ 82

Tableau 2-7 : Validation de la mthode de calcul du courant dexcitation sur charge inductive ......................... 85 Tableau 2-8 : Validation de la mthode de calcul du courant dexcitation sur charge rsistive ........................... 85 Tableau 3-1 : Caractristiques gnrales de la machine ..................................................................................... 127

Tableau 3-2 : Les 13 variables doptimisation ................................................................................................... 130 Tableau 3-3 : Les contraintes du problme doptimisation ................................................................................ 131 Tableau 3-4 : dimensions gnrales des machines optimales (diffrentes frquences) ...................................... 141

Tableau 3-5 : dimensions gnrales des machines optimales pour diffrentes distributions de Weibull ........... 143

Tableau 4-1 : Rcapitulatif du cahier des charges du prototype......................................................................... 150

Tableau 4-2 : Valeurs initiales et bornes des variables doptimisation .............................................................. 152 Tableau 4-3 : Dimensions principales du prototype de GSDE ........................................................................... 153

Tableau 4-4 : Rsultats de loptimisation de la gomtrie du ple .................................................................... 155 Tableau 4-5 : Pertes et rendement du prototype sans aimant permanent ........................................................... 165

Tableau 4-6 : Points de fonctionnement pour ltablissement des courbes en V ......................................... 166 Tableau 4-7 : Calcul des pertes partir des essais et comparaison avec le prototype GSPS ............................. 172

Tableau 4-8 : Point de fonctionnement lors des essais dchauffements en charge ........................................... 172

Liste des tableaux

14

Introduction gnrale

15

Introduction gnrale

Introduction gnrale

16

Introduction gnrale

17

Lexploitation des sources dnergies renouvelables et lamlioration de lefficacit

nergtique des consommateurs et des producteurs de llectricit sont parmi les principaux plans

de recherche et daction pour limiter les dgts de la pollution et lpuisement des ressources

fossiles et fissiles. En effet, 30% de lnergie primaire est transforme en nergie lectrique. 63%

de cette nergie lectrique est dorigine fossile, contribuant aux missions de CO2 hauteur de

26%.

Le rchauffement climatique et les contraintes environnementales ont ainsi amen les

industriels et les scientifiques dvelopper de nouvelles technologies pour rpondre ces

exigences. Lessentiel des travaux est dirig vers la production dlectricit verte et vers la

rduction de la consommation. La machine asynchrone et la machine synchrone rotor bobin,

ont atteint leurs limites de rendement et de puissance volumique. La machine synchrone

aimants permanents, grce son bon rendement et son importante puissance volumique, se situe

comme tant une solution alternative intressante aux machines conventionnelles. Cependant, les

structures aimants permanents ncessitent l'utilisation d'un redresseur command entranants

quelques difficults de contrle du flux, surtout pour les applications de fortes puissances.

Plusieurs quipes de recherche, l'quipe SETE du laboratoire SATIE [LUC_99] [HOA_06]

et d'autres quipes aux tats Unis [LIP_95], en Chine [ZHA_08] [BAO_05], au Japon [MA_99]

[MAS_98], prospectent des topologies de machines qui permettraient de combiner la souplesse

de fonctionnement de la machine excitation bobine aux avantages de la machine aimants

permanents (puissance volumique et rendements importants). Parmi les solutions prsentes, il y

a celles qui disposent de bobines d'excitation auxiliaires, dites Machines Synchrones Double

Excitation (MSDE), et qui permettent un contrle nettement plus simple du flux. Cest dans

loptique de rpondre aux contraintes environnementales et aux exigences dun march de plus en

plus concurrentiel, que la socit JEUMONT ELECTRIC [WEB_JE] a choisi ltude et le

dveloppement des MSDE pour des applications de fortes puissances.

Ltude dun nouveau type de machine ncessite une modlisation intgrant des aspects

multi-physique : lectrique, magntique, thermique, etc. Ce modle multi-physique peut tre un

modle de dimensionnement ou de comportement. Cependant, avec lintgration des mthodes

doptimisation, on peut faire du dimensionnement avec un modle de comportement et vice

versa. Nanmoins, lutilisation des algorithmes doptimisation peut entraner un temps de calcul

trop long. Ainsi, le choix judicieux de loutil de modlisation simpose. Les mthodes analytiques

sont rapides mais peu prcises. Tandis que les mthodes numriques, tel que les lments finis,

sont prcises mais assez lentes. Entre deux, il y a les mthodes constantes localises, ou la

Introduction gnrale

18

mthode du circuit quivalent, qui peuvent constituer un bon compromis prcision-rapidit de

calcul.

Lobjectif de cette thse est ltude et la modlisation dune MSDE pour une application en

gnrateur de forte puissance. Tout dabord, dans le Chapitre I, on commencera la mise en

vidence de la corrlation entre la consommation nergtique et le rchauffement climatique.

Ensuite, nous verrons le poids de llectricit et des machines lectriques tournantes dans la

consommation nergtique. Par la suite, nous passerons en revue quelques moyens de production

dlectricit propre en utilisant des ressources renouvelables. Aprs, on prsentera les machines

haut rendement, savoir les MSAP et les MSDE. Ainsi, on pourra mettre en vidence les limites

des MSAP et montrer, dans un premier temps, les avantages de lutilisation des MSDE.

Finalement, nous exposerons quelques topologies intressantes de MSDE tout en argumentant le

choix de la structure qui sera tudie.

Le Chapitre II sera consacr la modlisation dun Gnrateur Synchrone Double

Excitation (GSDE). Ainsi, un modle multi-physique sera tabli. Une discussion sur le choix du

type du modle, de dimensionnement ou de comportement, sera aborde. Ensuite, nous verrons

que lorientation du modle pour loptimisation nous poussera choisir des mthodes analytiques

combines avec des mthodes constantes localises (mthode du circuit quivalent). Les

mthodes numriques, savoir les lments finis, serviront une premire validation du modle.

Une fois le modle multi-physique tabli, nous tudierons dans le Chapitre III, dans un

premier temps, le GSDE en fonctionnement vitesse constante. Cette premire tude permettra

de faire une comparaison avec un Gnrateur Synchrone Ples Saillants (GSPS). De plus, nous

verrons linfluence du taux dhybridation, qui sera dfini dans le chapitre I, sur les courbes

caractristiques dun GSDE. Dans un deuxime temps, nous exploiterons le modle pour ltude

du GSDE en fonctionnement vitesse variable. Le cas dun gnrateur olien sera tudi. Cette

partie permettra dinvestiguer linfluence de certains paramtres de dimensionnement, tel que le

nombre dencoches par ple et par phase et la frquence dalimentation sur les performances de

la machine. Les rsultats seront donns sous forme dun front de Pareto Energie produite /

Masse des parties actives . Nous verrons galement limportance du bon choix de la plage

dexploitation de la vitesse du vent ainsi que linfluence de la distribution de Weibull sur le

dimensionnement optimal dun GSDE.

Enfin, le Chapitre IV sera consacr lexploitation du modle pour le dimensionnement

par optimisation dun prototype de GSDE de puissance apparente de 1 MVA. Le

dimensionnement sera effectu en deux tapes. La premire tape concernera le

dimensionnement global de la machine. La deuxime tape montrera les dmarches entreprises

Introduction gnrale

19

pour le dimensionnement optimal de la forme de lpanouissement polaire. Aprs la prsentation

du prototype et de son instrumentation, nous verrons les rsultats des essais. En fait, les essais

seront effectus en deux parties. Une premire srie dessais est ralis sur le prototype avant le

collage des aimants permanents (cas dun GSPS). Tandis que la deuxime srie dessais est

effectue sur le prototype aprs le collage des aimants permanents (cas dun GSDE). Le but de

cette procdure est de montrer lapport de la double excitation par rapport une structure

classique. Il faut noter que ce prototype servira en premier lieu dceler toutes les difficults de

fabrication dune telle machine et en deuxime lieu la validation du modle multi-physique du

Chapitre II.

Introduction gnrale

20

Chapitre 1 : Problmatique de ltude et solutions envisages

21

CHAPITRE 1 :

Problmatique de ltude et solutions envisages


22


23

I. INTRODUCTION

Durant les dernires dcennies, le monde a subi une volution spectaculaire avec

lavancement technologique et industriel amenant ainsi plus de confort lhumanit. Cependant,

le prix payer ce confort risque dtre fatal lquilibre environnemental. Ceci a conduit

lhumanit faire des efforts, quil faudra sans doute doubler, pour prserver cet quilibre.

Dans ce chapitre, nous commenons dabord par mettre laccent sur les indicateurs

environnementaux dus au rchauffement climatique et lpuisement des ressources naturelles.

Ensuite nous prsenterons quelques solutions entreprises pour lutter contre ces contraintes

environnementales. En effet, les solutions peuvent tre classes en deux catgories : la premire

est celle des nergies vertes et renouvelables. La seconde solution rside dans lamlioration de

lefficacit nergtique des gros consommateurs et des producteurs de lnergie. La machine

lectrique tournante est llment le plus consommateur dnergie lectrique dans lindustrie, en

plus cest le cur de la plupart des chanes de production dlectricit. Lamlioration de son

efficacit nergtique constitue un challenge important. Ainsi, la machine synchrone aimants

permanents (MSAP), grce son bon rendement et sa meilleure puissance massique, a vu un

essor de son utilisation. Cependant, le contrle de ces machines reste encore compliqu surtout

pour des puissances importantes. La machine synchrone double excitation (MSDE) peut tre

un candidat potentiel car elle combine efficacit et facilit de contrle. A la fin du chapitre, nous

verrons les limites de la MSAP et sa comparaison la MSDE. Nous donnerons enfin un aperu

des structures de MSDE les plus intressantes.


24

II. PROBLEMATIQUE DE LETUDE

II.1. Dveloppement nergtique et contraintes environnementales

Le monde est Energivore ! La croissance dmographique, laccs croissant de la

population lnergie et la croissance conomique entrainent une augmentation des besoins

nergtiques. Selon les statistiques de lagence internationale de lnergie, la production mondiale

dnergie a presque doubl entre les annes 70 et nos jours. La Figure 1-1 illustre cette volution.

Figure 1-1 : Evolution de la demande nergtique mondiale [Web_IEA]

Selon le scnario The new policies , du World Energy Outlook de 2010 [Web_IEA], la

consommation dnergie mondiale augmenterait de 1,2 % en moyenne jusqu 2035. De plus,

20% de la population mondiale, celle des pays industrialiss, dissipe elle seule 75% de lnergie

convertie par les activits humaines. Que se passerait-il si toute lhumanit ce mettait

consommer ce niveau ? Le Tableau 1-1 donne quelques chiffres de lnergie consomme par

habitant et par jour dans quelques pays [Web_Wiki_Ress].

Pays Canada USA Norvge France Japon Chine Inde Bnin Monde

tep par hab. par j. 8,17 7,75 5,71 4,15 4,02 1,48 0,49 0,32 1,82

Tableau 1-1 : Consommation en tep par habitant et par jour en 2009 [Web_Wiki_Ress]

La forte augmentation de la consommation nergtique commence influer et perturber

lcosystme en le conduisant vers un avenir inconnu Laugmentation de la teneur en CO2

constate dans latmosphre est lie lactivit humaine et en premier lieu la production


25

dnergie. La Figure 1-2 montre lvolution de la concentration de dioxyde de carbone (CO2)

atmosphrique depuis les annes 60. En 2012, la teneur moyenne en CO2 de latmosphre

terrestre a atteint les plus hauts niveaux jamais enregistrs [Web_LSCE].

Figure 1-2 : Moyenne mensuelle de la concentration de CO2 lobservatoire de Mauna Loa, Hawaii [Web_LSCE]

Plusieurs tudes [Web_ENSL] ont montrs que laugmentation des tempratures moyennes

terrestres est lie laugmentation de la concentration en CO2. Laccroissement de leffet de

serre qui en rsulte provoque une lvation de la temprature moyenne du globe qui va en

sacclrant. Les donnes de la Figure 1-3 enregistres par la NOAA (National Oceanic

Atmospheric Administration) [Web_NOAA] et lvolution de la concentration en CO2 montrent

une corrlation.

Figure 1-3 : Anomalie annuelle, par rapport la moyenne, des tempratures continentales et ocaniques

[Web_NOAA]

Ce rchauffement induit des changements climatiques dont les effets long terme

pourraient tre dramatiques pour la plante : augmentation de la temprature moyenne de


26

plusieurs degrs Celsius (1,8 4C dici la fin du 21me sicle) [GIEC_07], fonte des glaces

polaires, lvation notable du niveau moyen des mers, modification des courants marins,

augmentation des prcipitations et des tornades de plus en plus violentes

Actuellement plus de 30 % de lnergie primaire mondiale est transforme en nergie

lectrique [TI_D3900]. Ainsi, llectricit reprsente un lment prpondrant de lpuisement

des ressources et du rchauffement climatique. Dans le paragraphe suivant nous allons voir la

place de lnergie lectrique et les plus gros consommateurs et producteurs dlectricit.

II.2. Place de llectricit et des machines lectriques tournantes

Llectricit est un excellent vecteur dnergie. En effet, les processus de traitement et de

conversion de lnergie lectrique peuvent se faire avec un trs bon rendement et avec une trs

grande facilit de contrle et de rgulation. Cest dailleurs ces qualits qui ont contribu son

dveloppement. Cependant, pour produire de llectricit, la combustion du charbon, du ptrole

et du gaz naturel gnre respectivement 1, 0,81 et 0,6 kg/kWh de CO2. Ainsi, la production

dnergie lectrique est responsable denviron 26 % des missions de CO2 dans latmosphre.

Sur la Figure 1-4 on peut remarquer que la part des nergies fossiles pour la production

dlectricit est en augmentation au fil des annes (58 % en 1990 contre 63 % en 2009),

contribuant lpuisement des ressources dnergies non renouvelables.

Figure 1-4 : Distribution des nergies primaires pour la production dlectricit [Web_IEA]

Llectricit est lnergie du futur et savoir la produire proprement et avec un bon

rendement sont donc des enjeux primordiaux pour le 21me sicle. Pour y rpondre, deux

solutions existent : la premire cest le dveloppement de la production dlectricit moyennant


27

les nergies renouvelables (olien, hydraulique, gothermie, solaire, nergies marines,). La

deuxime solution est lamlioration de lefficacit nergtique de la chaine de production et de

transport de llectricit ; utilisation de la cognration lectricit-chaleur-froid, dveloppement

des moyens de stockage de lnergie (stockage par air comprim adiabatique, stockage

lectrochimique, hydraulique,), dveloppement des Smart Grids (rseaux intelligents) pour

une gestion plus efficace du rseau lectrique et enfin lamlioration de lefficacit des

gnratrices lectriques en utilisant des machines haut rendement (Machines Synchrone

Aimants Permanents MSAP et Machine Synchrone Double Excitation MSDE).

La lutte contre la surconsommation nergtique doit aussi toucher les dispositifs en aval de

la chaine, c'est--dire les dissipateurs dnergie. 40 % de la consommation mondiale dlectricit

est le fait des entrainements lectriques et majoritairement des moteurs lectriques. Lutilisation

de la vitesse variable a normment contribu lamlioration des rendements des entrainements

lectriques. Cest aussi dans la mme optique que se dveloppe lutilisation des machines

synchrones aimants permanents qui offrent des rendements levs et des puissances massiques

ingals. Cependant, pour les fortes puissances (quelques MW), les MSAP deviennent difficiles

contrler et couteuses en lectronique de puissance. Dans ces conditions, la MSDE pourrait tre

une bonne alternative.

III. LES DIFFERENTES SOLUTIONS ENERGETIQUES

PROPOSEES

Dans cette partie du chapitre nous allons nous intresser aux solutions nergtiques aux

problmes du rchauffement climatique et de lpuisement des ressources. Ainsi, nous allons

donner quelques exemples dnergies renouvelables en expliquant leurs principes et leurs

volutions durant ces dernires annes. De plus, nous exposeront quelques solutions

damlioration des chaines de productions et de consommation dlectricit.

III.1. Les entrainements vitesses variables

Les machines lectriques tournantes (ME) sont un moyen de convertir lnergie lectrique

(EE) en une nergie mcanique (EM). Cette nergie mcanique est par la suite transmise la

charge (pompe, ventilateur, ascenseur, broyeur,). Lentrainement vitesse variable permet une

meilleure gestion de cette conversion lectromcanique. En effet, en introduisant les

convertisseurs statiques (CVS) dans la chane de conversion, on arrive rpondre aux exigences

imposes par la charge, efficacement et rapidement. Les lments dune telle chaine de

conversion sont prsents sur la Figure 1-5.


28

Figure 1-5 : Diffrents lments dun entrainement lectrique vitesse variable

En France, les moteurs lectriques reprsentent plus de 70 % de la consommation

dlectricit dans le secteur industriel. Ils sont utiliss dans plusieurs applications ; Industrie

chimique, agro-alimentaire, industrie du papier (de la pte jusqu limprimerie), refroidissement

des centrales lectriques, industrie minire, mtallurgie, ateliers d'usinage, plastique, textile, gnie

climatique, traitement des eaux Les processus de compression, pompage et ventilation

consomment prs des deux tiers de la consommation nergtique de lensemble des moteurs du

secteur industriel [MUL_98] et seulement 11 % sont quips de convertisseurs statiques. Il reste

ainsi un gisement dconomie dnergie dans ce secteur.

Pour assimiler limportance des entrainements vitesse variable on propose lexemple

dune pompe ou dun ventilateur de type centrifuge. En effet, dans ce type dapplication le dbit

est proportionnel la vitesse de la pompe, la pression 2 et donc la puissance 3. La

courbe de la Figure 1-6 caractrise les pertes de charge en fonction du dbit du fluide (pour la

pompe) ou du gaz (pour le ventilateur) transit dans un rseau de distribution, elle est appele

caractristique du rseau ou de fluide .

Initialement le point de fonctionnement se trouve en A, mais les besoins en dbit sont

variables et il est souvent ncessaire de le rduire pour satisfaire certaines demandes. Pour passer

du dbit QA au dbit QB deux manuvres sont possibles ; par action sur une soupape

dtranglement pour passer du point A au point BVa, ou alors, dans le cas dun dispositif quip

dun convertisseur statique, par action sur la vitesse de la machine lectrique dentrainement pour

passer du point A au point BVV. Lconomie dnergie pour la deuxime solution est dlimite par

la zone colore (HBvaBvaBVVHBVV).

CVS ME Charge

mcanique

EE fixe EE variable EM variable

Commande


29

Figure 1-6 : Caractristiques hydrauliques dun rseau et dune pompe deux cas de fonctionnement

Grce la rduction de la consommation dnergie, la solution avec entrainement

lectrique vitesse variable permet des conomies sur la consommation qui engendre un

amortissement rapide de linvestissement dans un convertisseur statique.

Parmi les autres avantages utiliser un convertisseur statique dans les stations de pompage

on peut citer :

- Une conomie dans le rseau de distribution dlectricit : il ny a plus dappel important

de courant au dmarrage, les dmarrages directs ntant plus utiliss, les appareillages

lectriques du rseau dalimentation peuvent tre plus petits et moins coteux.

- La rduction, en nombre ou en taille, des rservoirs utiliss pour galiser la pression de

service lors de la marche intermittente de la pompe, par exemple, en adduction deau.

- La rduction du nombre des pompes : souvent la rgulation du dbit est ralise par deux

ou plusieurs pompes parallles de tailles diffrentes. On obtient ainsi une rgulation par

paliers, les pompes tant utilises successivement.

- Rglage prcis et linaire du dbit.

- Cots dentretien rduits : les sollicitations de la pompe, de la tuyauterie et des vannes

diminuent et la dure de vie de linstallation augmente.


30

III.2. Lnergie olienne

Lexploitation de la force du vent pour suppler lnergie humaine ou animale nest pas

nouvelle. En effet, les anctres de lolienne, les moulins vent, existent depuis le Moyen ge.

Au fil des temps, leur technologie a volu. Il y a eu lapparition du toit orientable. Ensuite, il y a

eu des moulins complets monts sur pivot puis ladoption de systmes de pales plus

performantes. Les progrs technologiques et scientifiques raliss dans diffrents domaines de

lingnieur, dont larodynamique, les matriaux, les structures, llectrotechnique, la mtorologie

et le contrle, ont permis d'amliorer lefficacit et la fiabilit de ces machines. Dimportantes

volutions ont eu lieu sur les oliennes axe horizontal dont lexploitation est passe de la petite

machine isole pour le pompage de leau aux grands parcs darognrateurs de plusieurs

mgawatts connects sur le rseau.

Le principe de fonctionnement dune olienne est simple. Quand les conditions de vent

sont favorables (une vitesse de vent entre 4 et 25 m/s), une conversion arodynamique de la

puissance du vent est ralise via les pales de lolienne. Cette puissance est transforme en

puissance mcanique transfre via un multiplicateur (ou directement) larbre du gnrateur

lectrique (machine asynchrone, machine synchrone aimants permanents, machine synchrone

rotor bobin, machine synchrone flux axial) qui transforme cette puissance mcanique en une

puissance lectrique qui est transmise au rseau lectrique aprs sa rgulation (adaptation de la

tension et de la frquence) grce aux convertisseurs statiques (gnralement une cascade

redresseur/onduleur). Il faut noter que la MSDE peut tre un excellent gnrateur olien car elle

combine efficacit et facilit de contrle.

Sur la Figure 1-7, on peut voir les diffrents lments qui constituent une olienne.

Figure 1-7 : Principaux lments dune olienne


31

La Confrence de Kyoto en dcembre 1997 a t lvnement dclencheur de lessor de

lolien. Linstallation mondiale dolienne est passe de 7600 MW en 1997 158505 MW en

2009, soit une multiplication par 20 de la capacit olienne installe dans le monde. La Figure 1-8

montre la progression spectaculaire de la puissance installe au niveau mondial.

Figure 1-8 : Evolution de la puissance mondiale installe de lolien entre 1997-2009

Paralllement, grce aux progrs raliss dans la technologie olienne, la puissance dune

olienne a t multiplie par 10 entre 1997 et 2007. La puissance moyenne dune olienne tait de

0,5 MW en 2000, de 1,7 MW en 2007, de 2 MW en 2009, de 2,5 MW en 2010 et de 7,5 MW en

2011 avec lolienne la plus puissante au monde, la E126 d ENERCON [Web_ENERCON].

Linconvnient majeur de lnergie olienne cest sa dpendance aux conditions

mtorologiques. Sil y a peu de vent, il nest pas rentable dexploiter lolienne et sil y a trop de

vent, il y a un risque de dtrioration de linstallation. Cependant, lexploitation offshore, o les

conditions de vent sont trs favorables, et les avances technologiques tel que lexploitation du

lidar , un radar optique permettant de mesurer distance la vitesse du vent et de dtecter

l'avance l'intensit des rafales, permettant ainsi l'anticipation des vents alentours et donc

d'orienter les pales en consquence maintenant ainsi une vitesse quasi constante du rotor. Ces

avances technologiques, contribuent lamlioration de lefficacit nergtique de lolienne.

III.3. Lnergie hydraulique - Hydrolectricit

Lnergie hydraulique est utilise depuis bien longtemps ; au Moyen ge, les moulins eau

constituaient la principale source dnergie pour lindustrie. Lnergie hydraulique a t ensuite la

premire source dnergie convertie pour la production de llectricit. Lhydrolectricit est

aujourdhui, et de loin, la premire source dlectricit dorigine renouvelable. La Figure 1-4


32

montre cette prdominance, en effet, elle fournit environ 20 % des besoins mondiaux en nergie

lectrique. Lnergie hydraulique est exploite au voisinage du maximum de son potentiel dans de

nombreux pays industrialises (en France environ 90 % des ressources sont utilises), mais

encore peu exploite dans dautre zones (seulement 4 % en Afrique, 11 % en Asie et 7 % dans les

pays de la CEI).

Les centrales hydrauliques peuvent tre classes par leurs types de fonctionnement. On

peut distinguer :

- Les centrales dites au fil de leau qui fonctionnent au gr des conditions hydrauliques

naturelles du site et nont pratiquement pas de capacit de stockage. Ces centrales

fonctionnent 24h/24. Elles sont adaptes aux fleuves faible pente et fort dbit.

- Les centrales des lacs qui permettent une gestion annuelle des rserves hydrauliques.

Leau est capte en altitude et achemine par une srie douvrages dans une rserve, o

elle est stocke derrire un barrage. Un amnagement avec gestion annuelle possde un

rservoir dune capacit de stockage suprieure 400 heures (constante de vidange).

- Les Centrales cluses sont installes dans des rgions de moyenne montagne o la

hauteur de chute est intermdiaire entre la centrale au fil de leau et la centrale de lac, mais

o le dbit deau est important. La rserve deau seffectue au moyen dune barrire sur

des priodes courtes (capacit de stockage entre 200 et 400 heures). Leau est stocke aux

heures creuses (par exemple la nuit) et turbine aux heures pleines, contribuant ainsi la

rgulation de la production dlectricit.

Le principe de fonctionnement dune centrale hydraulique est reprsent par la Figure 1-9.

Le barrage retient l'coulement naturel de l'eau. Ainsi, de grandes quantits d'eau s'accumulent et

forment un lac de retenue. Une fois l'eau stocke, des vannes sont ouvertes pour que l'eau

s'engouffre dans de longs tuyaux mtalliques appels conduites forces. Ces tuyaux conduisent

l'eau vers la centrale hydraulique, situe en contrebas. la sortie de la conduite, dans la centrale,

la force de l'eau fait tourner une turbine qui fait fonctionner son tour un alternateur. Grce

l'nergie fournie par la turbine, l'alternateur (machines asynchrones pour des puissances

infrieures 1 MW et machines synchrones ples saillants au-del) produit de lnergie

lectrique. Ensuite, un transformateur lve la tension du courant lectrique produit par

l'alternateur pour qu'il puisse tre plus facilement transport dans les lignes haute tension.

Enfin, l'eau turbine qui a perdu de sa puissance rejoint la rivire par un canal spcial appel canal

de fuite.


33

Figure 1-9 : Principe de fonctionnement dune centrale hydraulique

Malgr la multitude davantages quoffre les centrales hydrauliques savoir ; une possibilit

de stockage de lnergie, la facilit d'entretien , la faible usure du matriel qui travaille vitesse et

temprature modr, le haut niveau de rendement de conversion de lnergie hydraulique en

nergie lectrique, le faible cot et la souplesse d'exploitation avec une faible mission de CO2, il

faut considrer leffet dvastateur quinduit linstallation dune centrale hydraulique sur

lcosystme, sur la population voisine et sur le paysage naturel. A titre dexemple, linstallation du

plus grand barrage hydraulique du monde, celui des Trois-Gorges en Chine, a caus linondation

de 600 km de terres agricoles et de forts, et le dplacement de 1,8 millions dhabitants.

III.4. Lnergie solaire

La surface de la Terre reoit annuellement 1,6 1018 kWh dnergie solaire ; 30 % sont

directement rflchis dans lespace, 50 % sont absorb, convertis en chaleur et rayonn dans

lespace en rayonnement infrarouge. Une part importante de ce rayonnement infrarouge est

absorbe dans latmosphre maintenant ainsi la surface de la Terre une temprature compatible

avec la vie (cest leffet de serre de latmosphre, sans lui la temprature moyenne la surface de

la Terre ne serait que de -18 C au lieu des +15 C). Lnergie solaire restante assure

principalement les mouvements de leau (17 % en vaporation et pluie), les mouvements de lair

(2 % en nergie cintique des vents), la photosynthse (0,06 %),

La part du rayonnement solaire reu au sol, et qui semble exploitable, est denviron 26 1015

kWh, soit presque 200 fois la consommation nergtique mondiale, mais le plus difficile reste de

convertir cette nergie en une nergie utilisable par lhomme. Dans le cas, dune transformation

en nergie lectrique, deux moyens sont possibles ; soit directement par effet photovoltaque

(solaire photovoltaque), soit indirectement aprs conversion en chaleur puis en nergie


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mcanique dans des centrales thermiques solaires (solaire thermodynamique). La Figure 1-10

illustre les deux chemins pour la conversion du rayonnement solaire en nergie lectrique.

Figure 1-10 : Conversion du rayonnement solaire en nergie lectrique

III.4.a. Solaire thermodynamique

Une fois lnergie solaire convertie en chaleur, le principe de fonctionnement est le mme

que celui dune centrale thermique classique : la chaleur emmagasine est transmise un circuit

dont leau est vaporise. Ensuite, la vapeur fournit de lnergie mcanique en se dtendant dans

une turbine et un alternateur associ convertit cette nergie mcanique en nergie lectrique. Pour

la production grande chelle, on trouve principalement deux grandes familles de systmes

solaires thermodynamiques [CEA_01].

La premire utilise des collecteurs cylindro-paraboliques focalisation linaire ; ce sont des

miroirs cylindriques de plusieurs dizaines de mtres de longueur qui suivent la trajectoire

apparente du soleil en tournant autour dun axe horizontal. Les rayons se concentrent le long

dun tube situ sur la ligne focale du cylindre. Ce tube contient un fluide caloporteur

(gnralement de lhuile) et dont la temprature peut atteindre 390C. Ensuite, un changeur de

chaleur permet de produire de la vapeur 370C sous 10 bar. La Figure 1-11 montre un aperu

dun capteur cylindro-parabolique (Figure 1-11a), appel aussi auge , et un schma du principe

de fonctionnement dune telle centrale (Figure 1-11b). La plus grande centrale lectrique utilisant

ce principe est celle de Kramer Junction en Californie avec une puissance de 354 MW. Le

rendement complet de ce systme a atteint 22 %, sachant que celui de la turbine est de 37 %.

En

erg

ie S

ola

ire

En

erg

ie E

lect

riq

ue

Photopile

Chaleur Energie

Mcanique

Centrale thermique solaire


35

Figure 1-11 : Capteurs cylindro-paraboliques (a) et principe de fonctionnement dune centrale solaire thermodynamique (b)

La seconde famille, appele centrales tour, est constitue dun absorbeur (ou chaudire)

unique install au sommet dune tour. Ce dernier reoit le rayonnement solaire rflchi par de

nombreux hliostats dots dun miroir plan ou lgrement focalisant orientation automatique en

fonction de la course du soleil. Labsorbeur contient un liquide caloporteur qui est rchauff puis

converti en vapeur afin dactionner le turbo-alternateur qui produira llectricit. Les installations

de ce type nont pas dpass le stade exprimental dans plusieurs pays, en France

lexprimentation de la centrale Thmis dans les Pyrnes a donn des rendements faibles (15 %)

avec un cot non comptitif du kWh produit. Par contre, aux USA des exprimentations plus

encourageantes ont donn naissance la centrale Solar Two (Figure 1-12) dune puissance de

10MW en Californie (2000 hliostats orients vers une tour de 100 m de hauteur).

Figure 1-12 : Principe de fonctionnement (a) et photo de la centrale Solar Two en Californie (b)

Un des inconvnients majeur des centrales solaires thermodynamiques est quelles ne

fonctionnent que le jour. Pour assurer un fonctionnement continu, il faut stocker le fluide

caloporteur chaud pour sen servir la nuit. Ou encore recourir des carburants fossiles (gaz,

charbon) une fois le soleil couch. Cette dernire solution rduit en partie les effets bnfiques


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de la centrale en termes environnementaux, mais amliore sa comptitivit sur le plan

conomique. En effet, une tude montre que le cot de production du kWh dune centrale

auges couple avec un chauffage au gaz atteint 0,1 .

III.4.b. Solaire photovoltaque

La dcouverte de leffet photovoltaque date dil y a bien longtemps, ctait en 1839 par

Antoine Becquerel. En fait, la dualit ondulatoire et corpusculaire de la lumire considre celle-ci

comme une onde lectromagntique transportant de lnergie sous forme dun flux de photons.

Si ce flux est suffisamment important, il peut arracher et dplacer les lectrons dun matriau qui

lui est expos. La lumire est donc capable de mettre en mouvement des lectrons, cest--dire de

crer un courant lectrique.

Le matriau le plus utilis pour la conception dune photopile est le silicium monocristallin.

Initialement le silicium est un matriau isolant, on a alors recourt un dopage pour crer un

semi-conducteur ; soit par des atomes de phosphore (cration dun semi-conducteur de type N)

soit par des atomes de bore (cration dun semi-conducteur de type P).

En crant une jonction entre les deux types de silicium P et N on obtient : du ct P des

charges ngatives avec des atomes de bore ayant un lectron en plus et du ct N des charges

positives avec des atomes de phosphore ayant un lectron en moins. Lorsquun photon du

rayonnement lumineux vient frapper la zone de transition entre les siliciums de type P et N, il

arrache latome de silicium P un lectron. Le trou ainsi cr va se dplacer du ct P et

llectron du ct N, crant ainsi un courant lectrique (Figure 1-13).

Figure 1-13 : Principe de fonctionnement dune photopile

1

2

N P e-

N P e-

Au contact des deux couches de silicium (N et P), les lectrons en excs dans N diffusent dans P. Celle-ci devient alors charge ngativement et la couche N positivement. Ainsi, il y a cration dun champ lectrique au niveau de la jonction.

Sous leffet dun rayonnement solaire, chaque photon libre un lectron de la couche P. Ensuite, ces lectrons rejoignent la couche N en crant un courant lectrique.


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Pour la production dlectricit domestique ou industrielle, les panneaux photovoltaques

sont associs en srie et en parallle et dbitent dans un convertisseur dlectronique de puissance

DC/AC (onduleur). Gnralement, lnergie lectrique la sortie du convertisseur est stocke

dans une batterie. Le jour, les panneaux chargent les batteries et la nuit les batteries peuvent

fournir llectricit. Par contre lutilisation de batteries de stockage augmente considrablement le

cot du kWh produit.

Dans plusieurs pays (Allemagne, France, Japon, Espagne, Etats Unis, Australie,) lEtat

encourage linvestissement dans la filire photovoltaque avec des programmes nationaux

offrant des incitations financires telles que des tarifs de rachats bonifis de l'lectricit. Ces

encouragements ont contribu une forte expansion de ce secteur avec une production mondiale

qui passe de 287 MW en 2000 37185 MW en 2011. La Figure 1-14 montre lvolution de la

puissance installe mondiale des panneaux photovoltaques sur la priode 2000/2011.

Figure 1-14 : Puissance installe de cellules photovoltaques

Linconvnient de la production dlectricit par cellules photovoltaques cest la

dpendance aux conditions climatiques. Plus il y a dheures densoleillement pendant une anne

plus une installation photovoltaque est rentable. On a alors intrt profiter des climats

favorables des pays du sud. Mais il faut aussi noter que le rendement dun panneau

photovoltaque est largement tributaire de sa temprature (15% de rendement 25C et 10%

40C). Une alternative futuriste est celle de la production photovoltaque dans lespace (pas de

nuage, ni dalternance jour-nuit) avec transmission au sol par faisceaux micro-ondes.

III.5. La gothermie

La chaleur mise par la terre, mme si elle est trs faible et nest pas perceptible par

lhomme, peut devenir exploitable une fois accumule et stocke dans certaines parties du sous-

sol. Cette chaleur est en gnral stocke dans des nappes deau souterraines contenues dans des


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sdiments ou des roches poreuses, constituant ainsi des rservoirs naturels dnergie thermique.

Le flux de chaleur est plus important dans certaines rgions o rgne une activit gothermique

intense, gnralement dans les rgions sur le pourtour des plaques tectoniques.

La gothermie est classe en deux catgories : la gothermie basse temprature (50 90C)

qui reprsente un potentiel important pour le chauffage domestique et la gothermie haute

nergie (150 350C) qui permet de produire de llectricit en transformant leau en vapeur.

Pour la production dlectricit, leau haute temprature est pompe vers la surface et passe

dans des changeurs ; la vapeur produite est ensuite turbine comme dans les centrales

thermiques classiques. La Figure 1-15 prsente un descriptif plus dtaill dune chane de

production de llectricit gothermique.

Figure 1-15 : Chane de production dlectricit gothermique

La puissance mondiale installe dlectricit gothermique est encore faible compar aux

autres nergies renouvelables, on compte 8,5 GW de puissance installe ce qui reprsente 12 %

des rserves qui semblent conomiquement exploitables. Les trois premiers producteurs sont les

Etats-Unis, lIndonsie et les Philippines o 28 % de l'lectricit gnre y est produite par la

gothermie. Quant la rentabilit des centrales gothermiques, elle est gnralement bonne avec

un cot du kWh de lordre 0,04 .

Cependant, lexploitation de la gothermie pour produire de llectricit prsente quelques

inconvnients, on peut citer ; dabord, la localisation gographique. Ensuite, la ncessit dun

forage pour accder la source deau chaude, une opration coteuse et dont la dure de vie est


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parfois assez courte. Et enfin, un risque de pollution quand leau extraite contient des mtaux

lourds.

III.6. La biomasse

Pour la production dlectricit, on peut brler des carburants issus de la biomasse la

place des combustibles fossiles. Deux sources principales peuvent tre utilises :

- Les vgtaux cultivs ou non,

- les dchets organiques provenant de la consommation domestique, de lindustrie ou de

lagriculture, rsidus dhuile dolive, sciures de bois, pailles, bagasses, bouses, fiente et

lisiers dlevage...

On peut distinguer deux types de chanes de conversion de la biomasse en nergie

lectrique. Le premier processus se fait par conversion en chaleur (bionergie). En effet la

combustion du bois, de la paille, de la bagasse et lincinration des dchets organiques quils

soient mnagers, industriels ou agricoles permet de rcuprer de lnergie sous forme dlectricit

grce une turbine vapeur. Le rendement dun tel processus peut atteindre 25 % et un systme

de cognration dans lequel la chaleur, habituellement perdue, est valorise pour des applications

divers (chauffage des locaux, besoin industriels et agricoles) permet daccroitre de le rendement

jusqu 50 %. Toutefois, en utilisant ce processus les missions de polluants sont les mmes que

ceux des centrales charbon ou au fuel et lon doit recourir aux mmes systmes de dpollution.

Le deuxime processus ncessite une conversion biologique soit en biogaz soit en

biocarburant. Le biogaz, gnralement du mthane, est obtenu par fermentation des dchets

organiques (les dchets dlevages, les effluents agroalimentaires et les ordures mnagres). Quant

aux biocarburants, ils sont industriellement produits partir de culture nergtique (colza,

betterave, tournesol, bl, mas, orge). Pour la production dlectricit, des turbines gaz et des

groupes lectrognes moteur thermique sont ensuite utiliss.

Avec une production de 263,2 TWh en 2010, la biomasse est la troisime nergie

renouvelable permettant la production dlectricit dans le monde. Cest un secteur en rapide

progression avec un taux de croissance moyen de 6,3 % entre 2000 et 2010. Cependant, les

processus de conditionnement imposent des cots de production levs et comme tout systme

flamme, les centrales alimentes par la biomasse rejettent des gaz polluants ce qui ncessite

lutilisation des procds de filtration des fumes pour obtenir une ressource renouvelable et peu

polluante.


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III.7. Energies marines

Les mers et ocans reprsentent 71 % de la surface du globe. Ils pourraient en thorie

fournir 348,8 1015 kWh partir du seul rayonnement solaire sur leur surface, 465 1012 kWh par la

force du vent en mer dont une partie se transforme en houle et vagues, 23 1012 kWh par la force

des courants de mares dus l'attraction lunaire et une nergie due la diffrence de temprature

selon la profondeur. A titre indicatif, la consommation mondiale dnergie primaire en 2011 est

de 140 1012 kWh.

Dans ce paragraphe, on considre les nergies marines celles due la houle des vagues et

aux phnomnes des mares. En 2010 lne

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