Chapitre VI OPTIMISATION DE LA CHAINE DE CONVERSION
VI.6. Scénarios
VI.6.3. Approche avec régulation de vitesse
VI.6.3.2. Inertie élevée
On ajoute par exemple 40% d’inertie en plus dans le système à l’aide d’une inertie supplémentaire sur l’arbre haute vitesse. On observe les résultats pour le point de fonctionnement nominal et une ondulation de vitesse à 4,2%.
Figure VI-9 : Résultats de simulation pour une inertie élevée (rotor+inertie supplémentaire ajoutée sur l’arbre haute vitesse)
Inertie (kg.m²) 0,715 Courant efficace par phase (A) 13,3
Courant max par phase (A) 22,2 FEM efficace (V) 63,4 Tem moyen (Nm) 17 Tem efficace (Nm) 17,1 Pertes joule (W) 9,4 Puissance électrique (W) 2465 Vitesse moyenne (rpm) 1405
Tableau VI-23 : Résultats de simulation pour une grande inertie en régulation de vitesse
Comme montré au chapitre 4 à propos de l’influence des inerties permettant d’aboutir à une même ondulation de vitesse autour d’une même vitesse de référence, une inertie élevée sur l’arbre rapide (ici l’équivalent de la moitié de l’inertie du rotor est ajoutée) limite les pertes dans la MSAP. Comme le montre le tableau récapitulatif VI-23 de la simulation, on voit que les pertes sont pratiquement réduites de moitié lorsque de l’inertie est ajoutée.
Petite inertie Grande inertie
Inertie (kg.m²) 0,515 0,715
Courant efficace par phase (A) 17,5 13,3 Courant max par phase (A) 47,5 22,2
FEM efficace (V) 63,7 63,4
Tem moyen (Nm) 17 17
Tem efficace (Nm) 22,6 17,1
Pertes joule (W) 16,3 9,4
Tableau VI-24 : Comparaison des résultats entre une grande inertie et une petite inertie en régulation de vitesse, pour une même vitesse et une même ondulation
VI.7. Conclusion
Cette partie a présenté tout d’abord le principe de l’optimisation avant de développer les outils d’optimisation utilisés. Ensuite on s’attarde sur les résultats fournis par les différents outils statiques et dynamiques en comparant les données électriques récupérées sur une même machine électrique. Puis différents scénarios d’optimisation sont envisagés comme choisir la MSAP la mieux adaptée pour l’application entre celle à rotor interne et la machine à rotor externe. L’optimisation d’inerties sur la chaine complète de conversion en régime dynamique intervient par la suite. Enfin on a pu mettre en évidence l’influence de ces inerties sur les grandeurs électriques du système et notamment les niveaux de courant en utilisant un asservissement de vitesse.
RÉFÉRENCES
Cours GEL-21404 Design II par P Fortier et P Viarouge : Introduction aux méthodes d’optimisation en CAO, Université Laval, hiver 2004
[1] Simulink optimization Toolbox, Mathworks
[2] Bellal M., Analyse numérique et optimisation, Notes de cours, http://benallal.free.fr/an/Optim5/Optim5.htm
[3] Kinsey T., compte rendu de réunion, Réunions_hebdomadaires_HAO.pdf du 15/10/2008
CONCLUSION GÉNÉRALE
Le développement de nouvelles technologies de production d’électricité à partir d’énergies renouvelables est l’un des grands enjeux actuels. Beaucoup de nouvelles idées dont la mise en pratique exploite différentes filières des énergies liées à la mer fleurissent de part le monde. Ici, la filière retenue fait intervenir l’exploitation de l’énergie cinétique contenue dans un écoulement d’eau. Le travail présenté dans ce mémoire traite de la conception de la chaine de conversion électromécanique dans le cadre du projet novateur de développement d’une turbine hydrolienne : l’hydrolienne à ailes oscillantes. La technologie est prometteuse et semble être une bonne alternative aux turbines conventionnelles à axe horizontal.
La récupération de l’énergie électrique est réalisée par une machine électrique tournante. Le choix d’une machine synchrone à aimants permanents (MSAP) est dicté par le rendement et l’encombrement de l’ensemble de la chaine de conversion ainsi que par la simplicité de la maintenance en vue des tests sur le prototype. Après avoir étudié les machines à rotor interne et externe, on aboutit à un outil permettant de dimensionner chacune des deux machines et de récupérer les paramètres électriques du circuit équivalent.
Les problèmes liés au couple hydrodynamique auquel seront soumis la machine électrique et l’ensemble de la chaine de conversion électromécanique doit inclure un multiplicateur. Étant donné la faible vitesse de rotation de la turbine, il a pour objectif de réduire les dimensions totales du système. L’outil mis au point prend en compte divers paramètres dont les pointes du couple hydrodynamique, sa période, des facteurs de sécurité, etc…Il est issu d’un regroupement des données disponibles sur de nombreux multiplicateurs et s’inspire du dimensionnement des multiplicateurs planétaires pour lesquels les données sont facilement accessibles.
L’autre difficulté réside en la présence de pointes de couple très importantes ainsi qu’une ondulation de vitesse qui est préjudiciable pour la validation du concept des ailes oscillantes. Des inerties doivent être ajoutées sur la chaine de conversion afin de limiter les pointes de couple et l’ondulation de vitesse. Il a été observé qu’il est beaucoup plus
inversions de couples présentes ici sont néfastes pour les engrenages du multiplicateur. Ainsi une inertie sur l’arbre lent avant le multiplicateur lui permettrait de soulager grandement sa mécanique. Mais la masse et les dimensions de l’inertie sont beaucoup trop élevées pour pouvoir être insérées dans le système. Une inertie est ainsi placée du côté de l’arbre pour réduire l’ondulation de vitesse. Un outil statique permet de dimensionner les machines électriques à aimants permanents et son convertisseur statique ainsi que le multiplicateur et les inerties.
Les simulations dynamiques de l’ensemble réalisées sous Matlab/Simulink montrent aussi l’influence de la taille des inerties sur les grandeurs électriques du système. Ainsi le choix d’une inertie est un compromis entre les pertes souhaitées dans la machine électrique et la taille de l’inertie. Plus l’inertie est faible et plus les pertes sont importantes ce qui implique alors de surdimensionner le convertisseur statique. Le choix d’une drive assurant l’asservissement de la vitesse de la turbine est choisie en tenant compte des niveaux de courant dans la machine.
Enfin, la partie pratique du projet non mentionnée dans les précédents chapitres s’est en fait déroulée sans la MSAP mais avec une machine à courant continu. Un système d’alimentation électrique à base de batteries a été utilisé ainsi qu’une drive du marché associé à un resolver pour récupérer l’information de vitesse et assurer l’asservissement. Le tout était enfermé dans de boitiers hermétiques évitant les projections d’eau sur l’électronique. Une roue d’inertie a également été associée à la machine électrique. Finalement, les batteries et la drive retenues pour les tests ont donné entière satisfaction ainsi que la machine DC de remplacement. Les annexes expliquent davantage les différentes parties du système électrique qui a servi pour mener à bien les essais sur le prototype de turbine à ailes oscillantes.
ANNEXE A Système électrique associé à
l’hydrogénérateur à ailes oscillantes
Présentation
Pour mener à bien les tests et valider le modèle hydrodynamique des ailes oscillantes, la régulation de vitesse est indispensable. Pour cela une drive a été choisie en fonction des contraintes sur l’alimentation électrique de la partie puissance qu’imposent l’utilisation d’une embarcation et de la puissance dans le système. Il faudra être autonome en énergie sur le bateau et disposer d’une source suffisante pour alimenter aussi toute l’électronique de mesures et d’acquisition des données fournie par différents capteurs autre que la drive. Il est question ici d’abord du choix du système d’alimentation électrique de la partie puissance. A partir de là il devient possible de choisir une drive compatible avec l’alimentation envisagée. Ensuite on apportera quelques éléments d’informations sur le resolver associé à la drive. On terminera par la solution retenue pour alimenter les systèmes électroniques de mesures et les précautions à adopter pour éliminer les bruits de mesures.
Choix de l’alimentation électrique de la partie puissance
L’alimentation électrique de la drive pose quelques problèmes puisque l’embarcation étant mobile, il n’est pas question d'utiliser le secteur pour alimenter la drive. En plus lorsque la turbine fonctionnera effectivement en génératrice, le courant débité retournera vers la source d’alimentation. La solution la plus simple qui a été retenue est de débiter dans des batteries. La drive est ainsi alimentée par une source de tension continue. La charge est alors un bus de batteries qui sera rechargé pendant la phase de génération d’électricité mais servira aussi de source d’alimentation pour la drive pendant les phases de démarrage de la turbine. Les batteries devront alors disposer d’une autonomie suffisante durant cette phase afin de ne pas les décharger dangereusement. Le dimensionnement du bus de batteries doit tenir compte de plusieurs facteurs :
l’encombrement disponible sur l'embarcation car l’espace est très limité du poids total avec le boitier car celui-ci doit être transportable par 2 personnes
Des projections d’eau pouvant être occasionnées par le déplacement du ponton, le vent et les vagues, elles doivent être particulièrement bien protégées à cet effet. C’est pourquoi elles sont placées dans un compartiment hermétiquement clos. Toutefois 2 bouches d’aération sont prévues pour laisser sortir du boitier la chaleur et l’hydrogène, ce dernier étant généré pendant la charge. La ventilation s’effectue par convection naturelle. L’eau ou les projections ne pourront pas entrer dans le boitier malgré les aérations.
Photo 1 : Intérieur du boitier contenant les batteries
Photo 2 : Vue de côté du boitier des batteries
Choix de la drive
Les drives peuvent en général être aussi bien alimentées par un courant continu que par un courant alternatif. Une drive dite AC se trouve dans ce cas. Toutefois, lorsque son alimentation est une source continue, sa capacité à supporter un courant de pointe et continu est réduite de 30% par rapports aux données nominales garanties pour une source alternative (cf Advanced Motion Control). Ainsi le choix se porte sur une drive entièrement alimentée par une tension continue.
La drive Elmo, modèle Drum R60/200R a été retenue. Elle intègre toute l’électronique de puissance et les contrôleurs nécessaires à la régulation de vitesse ainsi que des entrées/sorties numériques et analogiques indispensables pour les fonctionnalités désirées que l’on détaillera par la suite. Son rôle est d’essayer de maintenir l’ondulation de vitesse sur l’arbre lent de la turbine à environ 20% pour une vitesse d’écoulement donnée. La drive alimente toute son électronique de commande interne à partir du bus de batteries, il n’y a donc pas besoin d’une source externe. La commande et la puissance étant issues d’une même source, la Drum réalise l’isolation des 2 parties en interne.
Elle est alimentée par une tension continue d’environ 180V fournie par un bus de batteries constitué de 13 modules de 12V/10Ah reliés en série. Un fusible 600V/30A protège le bus. Deux batteries supplémentaires non connectées se trouvent dans le boitier renfermant le bus. Le capteur de position de type resolver est disponible en option avec la drive et il se trouve être le choix le plus approprié parmi les autres types de capteurs étant donné l’environnement marin dans lequel évolue le système. Le resolver est entièrement étanche, c’est le capteur le plus robuste pour ce type d’application. C’est le modèle H25-FS-R2C fabriqué par Advanced Micro Controls (AMC). La drive possède l’électronique nécessaire pour faire fonctionner le resolver et traiter ses signaux.
La puissance que peut transmettre la drive en continu, 9,6kW, est largement suffisante pour l’application qui se situe aux alentours de 2kW au maximum. Le critère qui a alors dicté son choix est basé sur l’amplitude maximale du courant qu’elle peut supporter étant donné la nature ondulatoire du couple de la turbine sur l’arbre de transmission et donc du courant. Pour un fonctionnement continu, son courant de sortie peut atteindre 60A d’amplitude et 42A efficace. Les 2 figures suivantes montrent la drive ainsi que quelques unes de ces caractéristiques. Le modèle retenu est encadré en rouge sur la figure.
Figure Annexe 1 : Drive Elmo
Aperçu du système électrique
Par l’intermédiaire des photos suivantes, on montre tout le système électrique de l’hydrogénérateur à ailes oscillantes tel qu’il a été conçu.
La photo 3 ci-dessous présente l’intérieur du boitier étanche contenant l’électronique de commande de la machine DC.
Photo 3 : Description de l’intérieur du boitier contenant la drive Elmo
Ferrites Drive Régulateur de tension Carte commande rapprochée Convertisseur DC-DC : 200V-20V Bus continu : 195V max RS-232 Signal resolver E/S + encodeur émulé IGBT
La photo 4 ci-dessous montre l’ensemble constitué du bus de batteries et de la drive sur le bateau durant les essais du prototype.
Photo 4 : Système électrique de l’hydrogénérateur à ailes oscillantes comprenant le boitier des batteries et celui de la drive sur l’embarcation pendant les essais
Sur la photo 5 on peut visualiser le système d’acquisition des données qui est séparé du système électrique de la machine DC.
Photo 5 : Pupitre de commande de la drive et de l’ensemble d’acquisition
1 : PC d’acquisition et de traitement des données. Il permet aussi de communiquer avec la drive via le port série RS-232 et de récupérer ses signaux.
2 : bouton d’arrêt d’urgence, il enclenche le frein et déconnecte la machine DC de la drive 3 : carte d’acquisition des signaux comme les signaux du couplemètre, des accéléromètres, de la drive…
4 : bouton de connection/déconnection de la machine DC (instruction MO de la drive) 5 : boitier de commande de la drive disposant des entrées/sorties (voir ANNXEXE C) :
trigger (IN6)
bouton d’arrêt d’urgence (IN5)
1 7 5 6 3 2 8 9 4 10
signal analogique de commande de la vitesse (ou du courant suivant le type de régulation) (AN1). La référence de vitesse est imposée à l’aide du potentiomètre.
une sortie digitale (OUT1)
6 : boitier contenant le DSP nécessaire au système d’acquisition ainsi que toutes les alimentations de l’électronique d’acquisition issues du 12V de la batterie marine.
7 : frein mécanique
8 : batterie marine 12V/150Ah 9 : couplemètre
10 : multiplicateur
Enfin la photo 6 ci-dessous montre l’embarcation constituée de la chaine de conversion électromécanique.
Photo 6 : Vue de l’embarcation au lac Beauport
Batterie marine alimentant les systèmes d’acquisition Machine à courant continu Roue d’inertie Multiplicateur x20 Couplings Couplemètre Arbre basse vitesse
Le code suivant est celui du programme implanté dans la drive lors des tests effectués au lac Beauport durant la campagne d’essais de l’été et l’automne 2009. Le programme permet de réguler la vitesse à l’aide d’un potentiomètre et de gérer les systèmes de sécurité (les boutons poussoirs) :
// le programme se lance automatiquement une fois la drive sous tension #@AUTOEXEC
//Initialisation des variables et masks d’interruption int test,checkAN,mask; MI=0xFFFF mask=0xFFEEFFFF checkAN=0 test=mask|IP //Moteur off MO=0
//Vérification des systèmes de sécurité avant de lancer le programme principal :
// les boutons poussoirs doivent être relâchés et le potentiomètre se trouver proche //de la valeur nulle
while test != mask || IB[5] || AN[1]>0.1 test=mask|IP
end
//Initialisation des registres de la drive CA[16]=1 CA[18]=65536 CA[19]=2 CA[20]=1 CA[22]=1 CA[25]=1 CA[28]=1 CA[23]=0 CA[32]=200 CA[33]=300 CA[34]=0 YA[4]=4 //PM=0; RM=1; CL[1]=30 CL[2]=100 CL[3]=135 PL[1]=50 PL[2]=3
//Registres à initialiser pour les protections contre les survitesses/sousvitesses LL[2]=-87381 // lim inf fdbck
HL[2]=130000 // lim sup fdbck en count/sec (120rpm) VL[2]=-87381 // lim inf com
VH[2]=130000 // lim sup com 120rpm SD=1000000000
AC=20000000 //limite max accélération DC=20000000 //limite max décélération //paramètres régulateurs de courant et de vitesse
KP[1]=1.6 //KP courant
KI[1]=2725 //KI courant
KP[2]=60 //KP vitesse
KI[2]=10000 //KI vitesse
AG[2]=9175.04 // 9175.04counts/sec/V <=> 8.4rpm/V 7864.32/sec/V <=> 7.2rpm/V AS[1]=0.0008
//Initialisation de l’enregistreur intégré de la drive ##RECORD RR=0 RV[1]=7 // DC Bus RV[2]=1 // main speed RV[3]=10 // active current Iq RP[0]=1 RP[1]=1 RP[2]=0 RP[3]=5 RP[4]=1 RP[5]=0 RP[6]=0 RG=17 RL=1365 RP[8]=0 RP[9]=1024 ##START //Initialisation E/S IL[2]=4;IL[3]=4;IL[4]=4
IL[1]=0x6 // GPI1 (MO on/off)
IL[5]=0x16 // IN5 abort (MO off + frein activé) IL[6]=0x6 // GPI6 (trigger recorder)
MI=0xff7f
//Programme principal ##RESTART
while MO!=0 end
//Tentative de remise en marche du moteur (MO=1) une fois tous les BP relachés MI=0xffff
test=mask|IP
while ( !checkAN || test != mask ) test=mask|IP
try
if test == mask && !MO && AN[1]<0.1 checkAN=1 MO=1 end catch MO=0 end end checkAN=0
//réactivation des masks une fois MO=1 MI=0xff7f
goto ##RESTART return
//Routine d’interruption du BP 1 gérant la mise à OFF/ON du moteur #@AUTO_I1 MI=MI|0x80 MO=0 //MI=0xef7f Return REMARQUE
Il est à noter que dans ce programme le BP 2 est associé directement à une fonction de la drive ayant une très grande priorité par rapport aux autres événements. Un simple appui sur BP 2, après avoir initialisé l’entrée correspondante à la bonne valeur, active cette fonction prioritaire afin de mettre le moteur OFF et d’activer le frein. Après la détection de l’événement, la mise à OFF intervient au bout d’1μs. On aurait pu utiliser une fonction du
même genre associée au BP 1 mais une interruption est utilisée à la place et réagit au bout de 5 μs.
En fonctionnement normal, lorsqu’un bouton poussoir est enclenché, la machine électrique est déconnectée de la drive, c'est-à-dire que l’énergie emmagasinée dans la roue d’inertie n’est pas restituée à la drive. Il n’y a plus de lien électrique entre la drive et la machine DC. La roue et la machine tournent en roue libre. Pour pouvoir établir à nouveau le lien entre la machine DC et la drive, le signal de commande de la vitesse doit se trouver à une valeur très faible pour éviter de redémarrer le système alors que la consigne de vitesse pourrait se trouver à une valeur élevée. Tous les boutons poussoirs doivent être également relâchés.
PIN SIGNAL COULEUR FILS
1 ANLIN+ Noir – shield rouge
2 ANLIN- GND du 20V
3 ANLRET GND du 20V
4 OUTRET2 NC
5 OUT2 NC
6 IN6 Blanc – shield vert
7 INRET GND du 20V
8 INRET GND du 20V
9 OURET1 GND du 20V
10 OUT1 Noir – shield bleu
11 IN1 Vert – shield bleu
12 IN2 NC
13 IN3 NC
14 IN4 NC
15 IN5 Noir – shield vert
Pins 2, 3, 7, 8, 9 reliées ensembles NC : non connecté