Memoire Online - Etude et conception d'un système de régulation automatique de la fréquence et de la tension de sortie d'une hydrolienne en fonction de la vitesse de la roue (cas du projet d'électrification décentralisée de la ferme Benjin Agriculture).

L'énergie électrique est un des facteurs les plus importants dans l'amélioration de la qualité de vie de nos contemporains et de surcroît du développement économique et social d'un pays.

En effet, notre pays, la République Démocratique du Congo étant en phase de reconstruction présente un taux de desserte national en électricité de 5,7(soit environ 6 ménages sur 100) [1]. On attribue ce faible taux au manque d'électrification du monde rural, où vit 70% de la population avec pour conséquence, la destruction de l'environnement en utilisant le bois de chauffage, et pour pouvoir contribuer a ce développement d'une manière aussi seine nous nous somme tournés vers la production d'une énergie électrique viable par les sources d'énergies renouvelables, dont l'hydrolienne pour les milieux ruraux défavorisés.

D'où l'intitulé de notre sujet de mémoire « conception d'un système de régulation automatique de la fréquence de la tension de sortie d'une hydrolienne » (cas du projet d'électrification décentralisée de la ferme Benjin Agriculture).

La Commission Nationale de l'Energie (CNE) envisageait déjà en 2001 électrifier cinquante villages Congolais grâce au procédé « Hydrolienne », constitué principalement d'un flotteur, d'un rotor et d'un stabilisateur, le mode de fonctionnement de l'hydrolienne est d'une simplicité enfantine[2].

Il s'agit d'un hydro-générateur flottant sur une rivière à un point où la vitesse du courant est au moins égale à un mettre par second, le courant fait tourner une roue qui produit de l'électricité dans les zones où il n'y en a jamais eu.

Lorsque la hauteur de l'eau augmente ou diminuer, le flotteur oblige l'hydrolienne à se déplacer verticalement ; le rotor est toujours en rotation.

· A permettre l'électrification rurale décentralisée des villages et alentour des grandes villes actuellement dans le noir. Jusqu'ici les populations utilisaient le bois pour se procurer un peu de lumière. Le projet d'électrification entre dans le cadre d'un programme de développement visant à augmenter l'accès des populations à l'électricité. Ainsi, plusieurs rivières pourront être utilisées dans la région.

· A participer à la préservation de l'environnement en réduisant la consommation du feu de bois tout en améliorant ainsi la qualité de la vie.

· A fournir de l'énergie électrique de manière permanente et fiable à faible coût tout en facilitant la gestion de celle-ci puisqu' elle devait se faire localement.

· A promouvoir les entreprises permettant la production locale des hydroliennes, notamment par l'Atelier Central Panda, ACP en seigle.

· A réguler la puissance électrique (fréquence) de distribution autonome que fournirait l'hydrolienne de la ferme Benjin Agriculture.

Notre travail viens en fait compléter un premier qui consistait à la conception et au dimensionnement d'une hydrolienne que produirait l'Atelier Central de Panda de la Gecamines pour le bénéfice des milieux ruraux décentralisés dont le ferme Benjin Agriculture, quant à nous, nous nous étendrons sur l'étude et la conception d'un système de régulation de fréquence d'une hydrolienne en fonction de la vitesse d'entraînement de la roue, en effet dans nos hypothèses nous considérerons l'hydrolienne « hydro générateur flottant » comme une roue hydraulique pour lequel le poids propre est pris à sa juste valeur calculée, le courant d'eau de la rivière Kiswishi ne s'écoulerait que dans un seul sens et qui au niveau du contact avec les pales de la roue produirait des cavitations qui certes, seront négligeable dans les calculs du fait qu'inférieurs à 10m/s[3]. Le régulateur de vitesse que nous concevrons sera à faible poids par rapport au poids global de l'hydrolienne, et l'eau de la rivière sera prise comme tel sans tenir compte de ses métaux lourds, sable, branches mortes.

Le travail que nous présentons outre l'introduction générale et la conclusion sera subdivisé en cinq chapitres dont ;

Le premier concerne la présentation de la ferme Benjin Agriculture et son besoin énergétiques, le second s'étendra sur l'état de l'art et la situation de l'hydrolienne dans le contexte des énergies renouvelables, le troisième quant a lui traitera des généralités de la régulation automatique et électronique de puissance ainsi que quelques exemples des régulateurs, le quatrième chapitre fera un état de l'art sur la problématique de ce travaille en présentant l'hydrolienne dimensionnées pour la ferme Benjin Agriculture, les paramètres d'entrés (vitesse d'écoulement) ainsi que les paramètres de sortie (fréquence du réseau, tension de sortie) et enfin le cinquième chapitre, étant même le noeuds du travail traitera de l'étude et la conception du système de régulation de la fréquence et de la tension sortie en fonction de la vitesse de la roue d'une hydrolienne .

CHAPITRE I : PRESENTATION DE LA FERME BENJIN AGRICULTURE ET SA PUISSANCE ELECTRIQUE NETTE

I.1. PRESENTATION DE LA FERME BENJIN AGRICULTURE.

La ferme Benjin Agriculture est situées à 58 Km de la ville de Lubumbashi, au sud-est sur la route Kasenga, non loin du village Kanama : Elle s'étend sur une superficie de 3800 Ha et a une altitude de 1200 m tout en se laissant drainé par la rivière Kiswishi.

Crée sous l'initiative du général John Numbi en 1998, la ferme Benjin Agriculture a pour objectif.

§ La production végétale (Maïs, Haricots, soja, arachide, pomme de terre, manioc, la culture maraîchère).

Pour la culture de maïs particulièrement, elle vise produire 6000 Tonnes pour l'an 2008 sur 1000Ha de plantation, 3000 plantes de palmiers

§ La production animale : elle possède 110 têtes de vaches, 100 moutons, 126 chèvres, 70 lapins ainsi que la volaille (poules, dindons, pintades, canards,...)

§ La création d'un centre d'attraction touristique avec un mini zoo, elle possède 60 crocodiles, un âne, une autruche, des singes, perroquets...

§ A long terme, elle vise implanter deux écoles, un centre de santé (en construction), un guest house (en construction), etc.

Les facteurs climatiques tels que les précipitations et les températures sont indispensables pour expliquer certains caractères du tarissement et de la dynamique des rivières.

L'examen des différentes caractéristiques telles que la température, les précipitations, l'insolation, l'humidité de l'air, le vent et l'évaporation justifient l'appartenance du territoire de Lubumbashi et en particulier de la ferme Benjin Agriculture au climat du type soudanien caractérisé par l'alternance d'une saison des pluies et d'une saison sèche.

D'après les données prélevées sur le site depuis sa création, la pluviométrie varie de 800 à 1200 mm avec constat qu'elle est en train de diminuer (1500 en moyenne pour l'année 2003, 1100 pour l'année 2004 et 870 pour l'année 2005).

	Novembre	Décembre	Janvier	Février	Mars	Avril	Mai	Total
Quantité de pluies en mm	105	274	433	87	118	13	-	1045

	Novembre	Décembre	Janvier	Février	Mars	Avril	Mai	Total
Quantité de pluies en mm	95	134	203	148	219	62	20	881

Pour la période 2006-2007, la quantité de pluie relevée (de novembre à mars) est 987 mm.

L'humidité relative varie entre 70 et 80 pendant la saison de pluie et elle varie entre 10 et 20 durant la saison sèche.

I.1.1 Données Hydrologiques De La Riviere Kiswishi

Comme dit ci haut, la ferme Benjin Agriculture est drainée par la rivière Kiswishi. Cette dernière présente plusieurs irrégularités (profondeur, largeur, et vitesse d'écoulement par endroit) lors de son passage dans l'étendue de la ferme.

Deux endroits ont attirés notre attention pour la mise en place des hydroliennes^1(*). Ce sont les parties de la rivière situées en aval d'un mini rapide réalisé suite à un aménagement du lieu.

Les mesures de vitesse effectuées pendant les périodes d'étiages correspondant au mois d'Août et Septembre ont données une vitesse moyenne d'écoulement de l'ordre de 2,53m/s.

Soulignons que la vitesse est déterminée par le rapport de la distance parcourue par un flotteur sur le temps réalisé.

Pour ce qui est de la vitesse moyenne pendant la période de pluie abondante (mois de Décembre - Janvier) est elle de 3,217m/s.

Néanmoins, puisse qu'il s'agit de l'électrification rurale décentralisée, s'il arrivait qu'un cours d'eau ne fournit pas la vitesse souhaitée pour le bon fonctionnement de l'hydrolienne, plusieurs aménagement peuvent être envisagées pour relever la vitesse.

I.2 GENERALITES SUR LES ECOULEMENTS A SURFACE LIBRE

I.2.1 Introduction

Les écoulements à surface libre sont des écoulements qui s'écoulent sous l'effet de la gravité en étant en contact partiellement avec un contenant (canal, rivière, conduite) et avec l'air dont la pression est généralement à surface libre. Contrairement aux écoulements en charge, la section d'écoulement devient une caractéristique de l'écoulement et non plus seulement de la géométrie du contenant.

I.2.1.1 Classification des écoulements

Un écoulement qui ne varie pas dans le temps est un écoulement permanent autrement, il est non permanent. À l'échelle de quelques heures, un écoulement en rivière peut être considéré comme permanent, par contre l'écoulement dans un estuaire est continuellement en changement sous l'effet des marées.

On dit qu'un écoulement est uniforme si l'aire de sa section d'écoulement est constante tout le long de son parcours, autrement il est non uniforme. Si la non uniformité est faible, on qualifiera l'écoulement de graduellement varié. Si le changement de section s'effectue sur une courte distance, alors l'écoulement sera brusquement varié. Un écoulement permanent, le long d'une rivière, est une succession d'écoulements uniformes, graduellement et brusquement variés.

De plus, en fonction du rapport de la vitesse du fluide sur la célérité d'une onde de surface (nombre de Froude^2(*), Fr), l'écoulement peut avoir un comportement torrentiel (Fr>1), critique (Fr=1), ou fluvial (Fr<1).

I.2.1.1.2 L'écoulement permanent uniforme

Cet écoulement, le plus simple mais pas nécessairement le plus fréquent, apparaît dans un canal, lorsque la profondeur d'écoulement est constante sur la longueur du canal et que la pente de la surface libre est égale à la pente du fond.

· Considérations théoriques

Considérons un volume d'eau dans un canal incliné tel que montré à la figure 1 :

Fig.1. 3 : Équilibre des forces sur une portion d'écoulement permanent uniforme.

Où, F1 et F2 sont les forces de pression hydrostatique,

est la contrainte de frottement entre l'eau et le périmètre mouillé P le long de la distance L, W est le poids du volume d'eau considéré et

est l'angle du canal par rapport à l'horizontale.

Si l'écoulement est uniforme y₁ et y₂ sont égaux, par conséquent F1 et F2 et Q1 et Q2 sont aussi égaux. L'équation 1 se simplifie alors en :

où A est la section d'écoulement et R est le rayon hydraulique ( R = A/P). Lorsque l'angle

est petit,

est égal à la pente du canal S.

est un coefficient de frottement qui dépend de la rugosité du canal et du nombre de Reynolds de l'écoulement.

I.2 PUISSANCE ELECTRIQUE NETTE DE LA FERME

I.2.1 Introduction

La puissance électrique nette n'est autre que celle exigée par le consommateur, le dimensionnement ayant été fait par nos prédécesseur, nous nous contenterons de restituer les différents calculs afin de s'en assurer pour la suite du travail étant donné que l'objectif primordial de l'hydrolienne est de générer de l'énergie électrique, plusieurs facteurs entrerons en jeux pour l'évaluation à savoir;

- les récepteurs ne fonctionnent pas absolument à pleine charge et simultanément ;

I.2.2 Hypothèses

1. Les charges d'une même classe, définies ultérieurement, ont des puissances supposées identiques.

3. La démarche globale préliminaire de maîtrise de l'énergie sera nécessaire (changer les réfrigérateurs de mauvais rendement, éviter les halogènes et les lampes à incandescence et leur préférer les lampes basse consommation, équiper les appareils à veille de rallonges avec interrupteur intégré, et surtout, exclure le chauffage électrique...). L'usage de l'électricité doit être réservé aux applications nobles de celle-ci : éclairage, informatique, télévision, hi-fi, moteurs électriques.

I.2.3 Méthodologie de calcul

L'estimation des besoins en énergie électrique pour toute la ferme Benjin Agriculture se fera sur base de la formule :

En résumé, connaissant tous les effectifs des charges par classe et les différents coefficients de simultanéité, d'utilisation, nous allons dans cet ordre déterminer¹³ :

Tableau I.3 Coefficient de simultanéité pour abonnés

Nombre d'abonnes groupés	Coefficient de simultanéité	Nombre d'abonnés groupe	Coefficient de simultanéité
2 à 4	1	25 à 29	0,46
5 à 9	0,78	30 à 34	0,44
10 à 14	0,63	35 à 39	0,42
15 à 19	0,53	40 à 49	0,41
20 à 24	0,49	50 et au-dessus	0,4

Tableau I.4 Coefficient d'utilisation

Type d'équipement	Exemple d'équipements	Coefficient d'utilisation
Équipements industriels	Les moteurs	0,75
Équipements ménagers	Eclairage	1
	Appareils cuisson	0,7

I.2.4 Evaluation des puissances installées (pi) et d'utilisation (pui) par classe de consommateurs.

Classe 1 : Ménages.

Des études statistique [4] faites antérieurement en milieux ruraux du Katanga révèlent que 10% des ménages consomment 5 Kw/ménage et 90% des ménages 2 Kw/ménage ; Soit en moyenne

Classe 2 : Bâtiments administratifs.

Les puissances installées et d'utilisations valent p₂ = p_u2 = (6 x 0,02x1)/0,86 =0,14 Kw

Classe 3 : Hangars.

Servant au stockage des divers produits, les hangars comporteront essentiellement l'éclairage.

Classe 4 : Restaurant.

Classe 5 : Salle d'informatique

Les informations reçues par les concepteurs du projet nous indique que la puissance consommée dans la salle d'informatique :

Classe 6 : Eclairage public

Des études antérieures faites par le ministère de l'énergie, en cette matière, fixent 20 tubes de 20 w pour point lumineux, soit 0,8 Kw.

Classe 7 : Moulin, groupe frigorifique et station de pompage

La puissance électrique nette demandée sera égale à la sommation de toutes les puissances utiles (formule I.2.1) :

Signalons que pour le moment l'électrification de la ferme est réalisée grâce à 4 groupes électrogènes dissémines sur le site dont les caractéristiques sont : S=30 KVA ; I=43,3 A

C'est un gaspillage mais ceci se justifie par l'étendu de la ferme et la situation géographique de différents bâtiments vu qu'un câblage sérieux n'a pas encore été effectuée.

CHAPITRE II : ETAT DE L'ART ET SITUATION DE L'HYDROLIENNE DANS LE CONTEXTE DES ENERGIES RENOUVELABLES

Dans le cadre du développement durable, face au double enjeu planétaire posé par l'épuisement prochain des ressources énergétiques fossiles et les problèmes posés vis a vis du respect de l'environnement, de fortes incitations poussent au développement des énergies renouvelables. En effet, la consommation mondiale d'énergie ne cesse de croître (Figure 1-1données 2000 selon [5]) posant des questions cruciales sur l'effet de serre et l'amenuisement des ressources énergétiques.

Aujourd'hui plus de 85% de l'énergie produite est obtenue à partir des matières fossiles comme le pétrole, le charbon, le gaz naturel ou de l'énergie nucléaire. La Figure II-2 montre la répartition en termes d'énergie primaire dans le monde pour toutes les ressources actuelles. Les formes de production d'énergie non renouvelables engendrent une forte pollution environnementale par rejet des gaz à effet de serre qui provoque un changement climatique irréversible ou dans le cas du nucléaire une pollution par radiations de longue durée qui pose le problème, aujourd'hui non résolu, du stockage des déchets radioactifs [6].

L'autre argument qui milite à l'avantage des sources renouvelables est lié à la pérennité des ressources en énergies. Dans le courant de 21ème siècle, le paysage énergétique va radicalement changer car plusieurs ressources fossiles risquent de disparaître.

De l'état de l'art et situation de l'hydrolienne dans le contexte des énergies renouvelables.

Il existe plusieurs ressources en énergies renouvelables : l'énergie hydraulique, l'énergie éolienne, l'énergie solaire thermique et photovoltaïque, l'énergie produite par les vagues et la houle ainsi que les courants marins, la géothermie et la biomasse. Ces ressources en énergie sont pratiquement inépuisables et propres. Dans le contexte économique actuel où l'on ne chiffre qu'une partie des coûts en occultant certains « coûts collatéraux » (démantèlement de centrales, pollution,...) les installations à énergie renouvelable peuvent encore aujourd'hui avoir un coût important (exemple des panneaux solaires photovoltaïques) et sont donc plutôt réservées à des pays développés où elles peuvent dans d'autres cas être assez peu onéreuses (exemple de la combustion de la biomasse) et peuvent être utilisées dans les pays en voie de développement.

II.1. GENERATION D'ENERGIE RENOUVELABLE

Une des propriétés qui limite l'utilisation de l'énergie renouvelable est lié au fait que la matière première (source de l'énergie) n'est pas transportable dans la majorité des cas contrairement aux sources traditionnelles comme le pétrole ou l'uranium qui est extrait des gisements respectifs et acheminé « sans gros problèmes » vers les distributeurs ou les usines qui peuvent être éloignées de milliers de kilomètres. Par contre, le lieu de « l'extraction » de l'énergie renouvelable est déterminant pour le lieu de transformation. Seule la biomasse semble avoir les propriétés les moins restrictives. Par exemple un site éolien doit être précisément déterminé en choisissant les lieux géographiques les plus régulièrement ventés, les panneaux solaires doivent évidemment être placés dans les zones bien ensoleillés, les propriétés de la houle ne sont pas favorables partout sur les mers. Dans les zones où le réseau existe, il est donc pratique et dans la majorité des cas nécessaire de transformer l'énergie renouvelable sous la forme électrique qui est transportable via les lignes électriques.

La production énergétique est alors centralisée et mise en réseau entre plusieurs sites de production et de consommation. Cependant, le caractère capricieux des sources renouvelables pose le problème de la disponibilité énergétique et du stockage de masse, actuellement principalement assuré par l'hydraulique.

Parmi les énergies renouvelables, trois grandes familles émergent : l'énergie d'origine mécanique (la houle, éolien), énergie électrique (panneaux photovoltaïques) ou l'énergie sous forme de la chaleur (géothermie, solaire thermique,...) en sachant qu'à la racine de toutes ces énergies est l'énergie en provenance du Soleil transformée ensuite par l'environnement terrestre. Etant donné que l'énergie mécanique est très difficilement transportable, elle n'est utilisable directement que ponctuellement (pompage direct de l'eau, moulins,...). Cette énergie est donc majoritairement transformée en énergie électrique. A l'exception de la biomasse et de l'hydraulique, l'autre inconvénient majeur des énergies renouvelables vient de la non régularité des ressources. A l'opposé, les fluctuations de demande en puissance selon les périodes annuelles ou journalières ne sont pas forcément en phase avec les ressources. Par exemple, en hiver il y a un besoin énergétique plus important pour le chauffage et l'éclairage mais les journées d'ensoleillement sont plus courtes. La solution à retenir est certainement la diversification voire le couplage entre plusieurs sources, par exemple du solaire avec l'énergie éolienne.

Le stockage de l'énergie électrique à grande échelle n'est pas pour le moment envisageable même si l'hydrogène synthétisé par électrolyse de l'eau semble être un débouché privilégié des énergies renouvelables. Ainsi, la pile à combustible fonctionnant à l'hydrogène d'origine renouvelable constituerait une filière entièrement propre et disponible. De plus, stocker l'hydrogène en même temps qu'on produit de l'électricité dans une ferme éolienne ou une centrale solaire permettra d'absorber les surplus de ces « énergies capricieuses » et d'améliorer considérablement le lissage de la production d'électricité, aspect critique des énergies renouvelables pour les gestionnaires de réseau.

A l'opposer, un couplage des énergies renouvelables (solaire, éolien) avec la pile à combustible résout en très grande partie le problème de la disponibilité de l'énergie

Des travaux au stade R&D sont par exemple en cours sur le stockage d'hydrogène d'origine éolienne en Espagne (Région de Navarre) où la société EHN, premier promoteur mondial en éolien, s'est associée à la société canadienne `Stuart Energy Systems' [7] spécialisée dans les technologies de l'hydrogène (électrolyseurs,...).

Figure II-3 Module de génération de l'hydrogène par l'électrolyse de l'eau

Cependant, cette filière hydrogène, quoique très prometteuse, souffre encore aujourd'hui de sa rentabilité.

La problématique du stockage s'applique différemment dans les sites isolés et de petites puissances où il est parfaitement envisageable, voire impératif d'associer un élément de stockage de type accumulateur électrochimique ou volant d'inertie.

La Figure II-4 donne la vue sur la répartition de la production d'électricité entre les différentes sources renouvelables ainsi que leurs prévisions pour les années à venir.

Figure II-4 Production mondiale de électricité basée sur les énergies renouvelables [8]

II.1 GENERATION DE LA CHALEUR

Une grande partie de l'énergie consommée par l'humanité est sous la forme de chaleur (chauffage, procédés industriels...). Cette énergie est majoritairement obtenue par la transformation de l'électricité en provenance du nucléaire, gaz ou du pétrole. Il existe des moyens de remplacer ces sources conventionnelles par des sources renouvelables. Une description et quelques commentaires sont proposés ci-dessous.

II.1.1 Thermo solaire

Une des façons de profiter directement de l'énergie des photons émis par le soleil est le chauffage direct des capteurs thermiques. Ils se comportent comme une serre où les rayons du soleil cèdent leur énergie à des absorbeurs qui à leur tour réchauffent le fluide circulant dans l'installation de chauffage. La température du fluide peut atteindre jusqu'à 60 à 80°C. Ce système est totalement écologique, très peu cher et la durée de vie des capteurs est élevée.

Une autre propriété qui rend ce type des capteurs universels est que l'ensoleillement ne doit pas forcément être direct ce qui signifie que, même dans les zones couverts de nuages (peu denses évidemment) le fonctionnement reste correct. Le grand inconvénient est l'impossibilité de transporter l'énergie ainsi captée à grande distance. Cette source est donc à utilisation locale (principalement chauffage individuel, piscines). En 2003 environ 14000 m2 de capteurs de ce type ont été en utilisation en Union Européenne avec une croissance annuelle de 22% [9].

Une autre application de la technique thermo solaire est la production d'eau douce par distillation qui est très intéressante du point de vue des pays en voie de développement.

La technologie thermo solaire plus évoluée utilisant des concentrateurs optiques (jeu de miroirs) permet d'obtenir les températures très élevées du fluide chauffé. Une turbine permet alors de transformer cette énergie en électricité à l'échelle industrielle. Cette technologie est néanmoins très peu utilisée et demande un ensoleillement direct et permanent .

II.1.2 Géothermie

Le principe consiste à extraire l'énergie contenue dans le sol. Partout, la température croît depuis la surface vers le centre de la Terre. Selon les régions géographiques, l'augmentation de la température avec la profondeur est plus ou moins forte, et varie de 3 °C par 100 m en moyenne jusqu'à 15°C ou même 30°C. Cette chaleur est produite pour l'essentiel par la radioactivité naturelle des roches constitutives de la croûte terrestre. Elle provient également, pour une faible part, des échanges thermiques avec les zones internes de la Terre dont les températures s'étagent de 1 000 °C à 4 300 °C. Cependant, l'extraction de cette chaleur n'est possible que lorsque les formations géologiques constituant le sous-sol sont poreuses ou perméables et contiennent des aquifères [10].

Quatre types de géothermie existent selon la température de gisement : la haute (>180°C), moyenne (>100°C), basse (>30°C) et très basse énergie. Les deux premiers types favorisent la production de l'énergie électrique. La géothermie basse énergie permet de couvrir une large gamme d'usages : chauffage urbain, chauffage de serres, utilisation de chaleur dans les processus industriels... La géothermie très basse énergie nécessite l'utilisation des pompes à chaleur et donc une installation particulière [14].

Par rapport à d'autres énergies renouvelables, la géothermie présente l'avantage de ne pas dépendre des conditions atmosphériques. C'est donc une énergie fiable et disponible dans le temps. Cependant, il ne s'agit pas d'une énergie entièrement inépuisable dans le sens où un puit verra un jour son réservoir calorifique diminuer. Si les installations géothermiques sont technologiquement au point et que l'énergie qu'elles prélèvent est gratuite, leur coût demeure, dans certains cas, très élevé.

En 1995 la puissance installée dans le monde était de l'ordre de 7000 MW (il s'agit de production de l'électricité donc de la géothermie grande et moyenne énergie). En 2004 ce chiffre est passé à près de 8500 MW. En Europe, les installations utilisant les pompes à chaleur permettent d'extraire théoriquement environ 1000MW de puissance sous forme de la chaleur. Ce chiffre augmente chaque année d'environ 50MW installés [11].

II.1.3 Biomasse

La biomasse désigne toute la matière vivante d'origine végétale ou animale de la surface terrestre. Généralement, les dérivés ou déchets sont également classés dans la biomasse. Différents types sont à considérer : le bois - énergie, les biocarburants, le biogaz.

Le bois - énergie est une ressource très abondante. C'est la ressource la plus utilisée au monde. En Europe par exemple, c'est 51% de la part de l'énergie renouvelable qui appartient à ce mode de production d'énergie [12]. Elle se concentre sur l'utilisation destinée au chauffage. On peut utiliser toutes les ressources du bois : les chutes ou déchets de production des industries de transformation du bois (bois d'élagage, le bois forestier provenant de l'entretien des espaces boisés ou le bois de rebut provenant d'emballages, de palettes etc.). L'utilisation va de petites chaufferies individuelles jusqu'à la production de la chaleur industrielle de plus de 15 MW.

Le développement des biocarburants est souvent corrélé aux cycles de variation des prix du baril de pétrole. Aujourd'hui éthanol (betterave, blé...) et biodiesel (colza, tournesol...) offrent des avantages environnementaux appréciables dans le contexte de la lutte contre l'effet de serre. L'Union européenne en parlant de ceux qui sont déjà avancé,projette d'atteindre une production de 17 millions de tonnes de biocarburant par an en 2010 par rapport au million produit actuellement.

La principale motivation qui pousse à la production du biogaz est environnementale. La production de l'énergie, peut être vue seulement comme une méthode d'élimination des gaz polluants, mais elle représente une ressource renouvelable très importante. Quelle que soit l'origine, le biogaz non valorisé contribue, du fait de ses fortes teneurs en méthane, à l'effet de serre, mais c'est le bilan global du cycle qui doit être considéré. Il peut être utilisé comme source brute ou après le processus d'épuration injecté dans les réseaux de distribution.

Longtemps le biogaz ne servait qu'à la production de la chaleur. De nos jours la filière carburant ainsi que la génération de l'électricité est en pleine expansion. En 1993, 6 millions de m3 ont été utilisés dans le monde. 80% provenait des décharges d'ordure ménagères [13].

L'utilisation du biogaz n'est pas encore à son maximum : une croissance de cette technologie est donc à prévoir.

II.3 GENERATION D'ELECTRICITE

Une autre famille d'énergies renouvelables est celle où l'énergie produite est directement sous la forme électrique. A l'aide des panneaux solaires ou de génératrices hydrauliques et éoliennes, la puissance électrique peut être récupérée et immédiatement utilisée par un récepteur ou bien transportée vers les réseaux de distribution. Nous donnons ici une description sommaire de chaque ressource énergétique et la façon de produire l'énergie électrique.

II.3.1 Photovoltaïque

L'énergie photovoltaïque est obtenue directement à partir du rayonnement du soleil. Les panneaux photovoltaïques composés des cellules photovoltaïques à base de silicium ont la capacité de transformer les photons en électrons. L'énergie sous forme de courant continu est ainsi directement utilisable. Les panneaux solaires actuels sont relativement onéreux à la fabrication malgré la matière première peu coûteuse et abondante (silice) car une énergie significative est nécessaire à la production des cellules. Cependant, de nets progrès ont été faits à ce sujet et on considère aujourd'hui qu'il suffit de 3 à 5 ans pour qu'un panneau produise l'énergie que sa construction a nécessitée. Un autre inconvénient est celui de la pollution à la production qui est due à la technologie utilisée. Des progrès technologiques sont en cours pour rendre l'énergie photovoltaïque plus compétitive. En raison des caractéristiques électriques fortement non linéaires des cellules et de leurs associations, le rendement des systèmes photovoltaïques peut être augmenté par les solutions utilisant les techniques de recherche du point de puissance maximale (techniques dites MPPT). Cette dernière caractéristique est assez commune avec la production d'énergie éolienne.

Les panneaux solaires sont très pratiques d'utilisation. L'intégration dans le bâtiment est facile et devient même esthétique. Pour les sites isolés et dispersés qui demandent peu d'énergie, c'est une solution idéale (télécommunication, balises maritimes, etc..).

La technique photovoltaïque malgré sa complexité est aussi en très forte croissance. En 2001, en Europe on comptait environ 250 MW installés et en 2003 ce chiffre est monté jusqu'au 560 MW de puissance installée. La Figure 1-5 montre l'évolution mondiale de cette ressource qui est en très nette progression depuis le début du siècle (la production est équivalente à la puissance installée).

Figure II-5 Evolution de la production mondiale de cellules photovoltaïques en MW [14]

La RD Congo a par le truchement de la coopération technique belge eu a développé cette technique,au village Katanga situé à 80 Km de Lubumbashi. En 1982,il a été partiellement électrifié par un système photovoltaïque (6KWc de capteurs,5500 Ah de batteries,un onduleur de 7 KVA).Il alimentait en alimentait en électricité 10 bâtiments (dont le centre de santé et la maison du chef du village).l'éclairage des rues et un atelier (moulin,tour à bois,meuleuse,poste à souder ,chargeur de batteries).Cependant des pannes répétées de l'onduleur impliquait l'intervention régulière de la coopération belge. Quand, en 1995, la coopération a cessé, le projet s'est arrêté. Aujourd'hui, mis à part les supports des capteurs solaires et les boites électriques,il ne reste plus rien.[15]

II.3.2 Production éolienne

La ressource éolienne provient du déplacement des masses d'air qui est dû indirectement à l'ensoleillement de la Terre. Par le réchauffement de certaines zones de la planète et le refroidissement d'autres une différence de pression est créée et les masses d'air sont en perpétuel déplacement. Après avoir pendant longtemps oublié cette énergie pourtant exploitée depuis l'antiquité, elle connaît depuis environ 30 ans un essor sans précédent notamment dû aux premiers chocs pétroliers. Dans l'échelle mondiale, l'énergie éolienne depuis une dizaine d'années maintient une croissance de 30% par an. En Europe, principalement sous l'impulsion Allemande, Scandinave et Espagnole, on comptait en 2000 environ 15000 MW de puissance installée. Ce chiffre a presque doublé en 2003, soit environ 27000 MW pour 40000MW de puissance éolienne installée dans le monde. En prévision, pour l'année 2010, on peut espérer une puissance éolienne installée en Europe de l'ordre 70000 MW [16].

II.3.3 Hydraulique

L'eau, comme l'air est en perpétuelle circulation. Sa masse importante est un excellent vecteur d'énergie. Les barrages sur les rivières ont une capacité importante pour les pays riches en cours d'eau qui bénéficient ainsi d'une source d'énergie propre et « stockable ».

Cette source représentait en 1998 environ 20% de la production mondiale de l'énergie électrique [17].Certains pays comme la France sont déjà « saturés » en sites hydroélectriques exploitables et ne peuvent pratiquement plus progresser dans ce domaine. Les sites de petite puissance (inférieures à 10kW) sont des solutions très prisées dans les applications aux petits réseaux isolés. Une forte stabilité de la source ainsi que les dimensions réduites de ces sites de production sont un grand avantage.

En Europe, en 1999, on comptait environ 10000 MW de puissance hydraulique installée. A l'horizon 2100, cette puissance devrait passer à plus de 13000 MW.

La RD Congo possède un potentiel hydroélectrique de réputation mondiale mais sous-exploité. Prenons juste le cas du barrage d'Inga situé sur le fleuve Congo,qui alimente entre autre la ville de Kinshasa,offrant un potentiel énergétique de 44000 MW dont seulement 1775 MW sont actuellement

utilisés(deux tranches :INGA I et INGA II)et cette puissance ne développe en outre que 800MW,ce qui est du ,entre autre ,au mauvais état des lignes à haute tension dont le système de protection n'existe quasiment plus,et comme la demande électrique à Kinshasa est plus grande que ce que peut délivrer la ligne électrique en provenance d'Inga,les quartiers Kinois sont alimentés en alternance[18]....

II.3.3.4 Energie de la mer

L'énergie des vagues est encore une fois une forme particulière de l'énergie solaire. Le soleil chauffe inégalement les différentes couches atmosphériques ce qui entraîne des vents eux-mêmes responsables par frottement des mouvements qui animent la surface de la mer (courants, houle, vagues). Les vagues créées par le vent à la surface des mers et des océans transportent de l'énergie. Lorsqu'elles arrivent sur un obstacle elles cèdent une partie de cette énergie qui peut être transformée en courant électrique [19]. Il existe trois grandes familles de systèmes : rampe de déferlement ou overtropping (Maurice, Maré, Tapchan en Norvège, Wave Dragon en Danemark...), colonne d'eau oscillante ou OWC (Kvaerner en Norvège, Pico en Açores en Portugal, Islay en Ecosse, Limpet, Osprey...) et puis les flotteurs articulés (Cockerel raft, Pelamis en Ecosse...) ou les flotteurs sur ancrage (Salter duck, AWS en Portugal...). Des projets de recherche sont aussi en cours [20].

Une autre façon de récupérer l'énergie de la mer est la production grâce à la marée qui est due à l'action de la lune sur les eaux. Les barrages ou des hydroliennes installées dans les endroits fortement touchés par ce phénomène peuvent être une source de l'énergie substantielle comme c'est le cas de l'usine de la Rance ou bien celle de Annapolis au Canada.

L'énergie en provenance du mouvement des eaux de la mer est une énergie très difficilement récupérable bien qu'elle représente un potentiel immense. Les investissements sont très lourds dans un environnement hostile et imprévisible. Cette énergie est à exploiter dans l'avenir et ne représente

qu'une toute petite quantité de l'énergie produite à ce jour par rapport aux autres ressources exploitées.

Néanmoins, il y a une autre façon de récupérer l'énergie de la mer le long des cotes grâce aux hydroliennes flottantes pour la production des faibles énergies comme c'est le cas par exemple du projet hydro-gen en France appliquant deux versions avec une puissance 10 KW en 2004, 50Kw en 2007 et visant le MW d'ici 2010;

1. Une version pour les courants de marée qui s'inversent toutes les 6 heures environ. La machine tourne donc dans un sens pendant les 6 heures du flot (courant de marée montante) avec un maximum en milieu de période. Elle s'arrête pendant la renverse et est actionnée en sens inverse pendant les 6 heures de jusant (courant de marée descendante) avec, là aussi, un pic à mi-marée.

Les machines sont embossées (ancrées de l'avant et de l'arrière) en chaînes dans l'axe du courant de façon à capter un maximum de courant sur une surface minimum.

2. Une version pour les fleuves ou courants unidirectionnels. A chaque fois que la profondeur et la vitesse de courant le permettent, par exemple à la sortie des retenues de barrages de régulation des grands fleuves, les courants peuvent atteindre 10 noeuds (et de fortes turbulences!)

Les machines sont munies de pales asymétriques car elles tournent toujours dans le même sens. Le rendement énergétique va augmenter sensiblement et la production sera beaucoup plus régulière que sous l'action des courants de marée.

En R D Congo, une hydrolienne fut installée en janvier 2000 par la société Rutten, du nom du constructeur Belge,Jean Rutten. Elle alimente tout le village de Kikimi situé aux environ de Kinshasa le long de la rivière Ndjili (#177;

2OOO habitants),soit 300 points lumineux,2 frigos,une télévision,un magnétoscope. L'hôpital et l'administration, situés au bord de la rivière sont également éclairés. Un réseau câblé de #177; 7000 m est également relié à l'hydrolienne. L'installation tourne maintenant depuis 7 ans 24H/24H.Les habitants de Kikimi sont mieux lotis que les habitants de Kinshasa, qui subissent de fréquentes coupures d'électricité. Tous les jours les habitants de ce village sont alimentés en éclairage et sa croissance n'est plus à démontrer .Cette technologie est une source d'énergie inépuisable,non polluante et gratuite,en dehors des avantages indéniables liés à l'environnement,l'hydrolienne est beaucoup moins chère que le courant conventionnel[19].

v LES HYDROLIENNES

Elles constituent un autre type d'équipement permettant de produire de l'électricité sur un cours d'eau. Une hydrolienne est une machine sous marines ou de surfaces servant à puiser l'énergie cinétique de l'eau en mouvement pour la convertir en énergie électrique.

Pour puiser l'énergie disponible d'un cours d'eau en mouvement, on emploie une turbine (roue hydraulique), qui, couplée à un générateur via un multiplicateur de vitesse, nous donne du courant utilisable. La turbine (roue hydraulique) est l'élément principal de tout système, car elle permet de disposer de l'énergie hydraulique et de transformer la force naturelle de l'eau en énergie mécanique. Cette dernière sera ensuite transformée en énergie électrique par un générateur électrique.

La densité plus élevée de l'eau permet à un générateur simple de fournir des niveaux significatifs d'énergie. Leur particularité est qu'elles ne nécessitent aucun génie civil et récupèrent l'énergie cinétique de l'écoulement selon le principe de la roue hydraulique.

En utilisant la formule de Bertz, utilisée pour calculer le rendement d'une éolienne, on remplace la masse volumique de l'air par celle de l'eau : Energie cinétique de l'eau contenue dans un cylindre de section S est :

v TYPES D'HYDROLIENNES

La terre reçoit de façon inégale l'énergie solaire : elle n'est pas la même que l'on se trouve au pôle ou à l'équateur. Au pôle, les rayons arrivent de manière très inclinée tandis qu'à l'équateur ils arrivent perpendiculairement. La zone intertropicale reçoit alors autant d'énergie que tout le reste de la planète. Ce déséquilibre met alors en mouvement l'atmosphère et les océans qui vont rééquilibrer thermiquement l'ensemble. Il génère aussi des vents qui sont les facteurs principaux des courants de surface. Ces mouvements sont influencés par la rotation de la Terre, appelée force de Coriolis. Ce déséquilibre entraîne également des différences de température suivant la latitude. Cette différence de température entraîne une différence de salinité de l'eau et donc de densité, créant ainsi les courants de profondeur.

« Après 800m de profondeur les vents n'ont plus d'influence sur les courants marins. Ils ne peuvent donc plus être les moteurs des circulations océaniques profondes. Ces courants sont basés sur des différences de température et de salinité (l'eau froide est plus dense que l'eau chaude et l'eau salée est plus dense que l'eau douce), entre les différentes couches de l'océan.

Les courants les plus profonds portent le nom de courant thermo halin et ceux qui vont un peu moins en profondeur portent le nom de circulation thermocline. Les eaux chaudes de surface se chargent en sel, à cause de l'évaporation ce qui tend à les rendre plus denses.

Lors de la formation de la banquise, en hiver, la glace une fois formée expulse le sel qui alourdit encore davantage l'eau non gelée qui devient « tellement » dense qu'elle plonge vers les profondeurs. Les courants de surfaces et les courants profonds ainsi formés se trouvent interconnectés, on a alors introduit l'expression imagée de « tapis roulant » pour décrire le transport d'eau profonde de l'Atlantique vers le Pacifique et son retour en surface.

L'océan est un énorme réservoir de chaleur grâce à la capacité thermique de l'eau. Sa variation thermique étant beaucoup plus importante que celle de l'air, il tempère les changements thermiques saisonniers des masses d'air, qui autrement seraient beaucoup plus importants. Ainsi les courants chauds des couches de surface peuvent réchauffer le climat d'une région. À l'inverse, les eaux froides qui remontent en surface modèrent la température des eaux des régions équatoriales. Cependant cette circulation reste mal connue car difficile à mesurer directement. L'océan joue ainsi un rôle essentiel pour la régulation du climat de notre planète et il assure un transport de chaleur de l'équateur vers les pôles aussi important que l'atmosphère »¹⁰.

De la théorie précédente, s'est dégagé deux classifications des hydroliennes à courant :

Parmi les hydroliennes sous marines c'est-à-dire à courant de profondeur nous distinguons : les hydroliennes axe vertical et les hydroliennes à courant à axe horizontal

Il existe plusieurs types d'hydroliennes à surface notamment celles qui fonctionnent avec la houle, celles basées sur l'utilisation de l'écoulement hydraulique.

Les hydroliennes à houle sont catégorisées en trois grands types : hydrolienne à flotteur, hydrolienne à palettes, hydrolienne à air comprimé.

La houle et les vagues constituent une source d'énergie dont la récupération occupe l'esprit de l'homme depuis la fin du XIXème siècle. Dans l'ouvrage de A.Berget de1923 intitulé "Vagues et marées", on peut déjà trouver quelques dispositifs proposés pour récupérer l'énergie mécanique représentée par le mouvement des vagues. Plusieurs mécanismes peuvent être utilisés et permettrons de distinguer les différents types d'hydroliennes. Ainsi, nous rencontrons:

Le flotteur : un support stable porte un axe de rotation autour duquel peut tourner une poulie. A cette poulie est accrochée d'un côté un flotteur et de l'autre un contre poids. Cette idée a été adoptée en 1886 par l'abbé Le Dantec pour son "moteur à vagues". Le flotteur, en montant et en descendant alternativement, actionnait, par une tige verticale à double denture, deux pignons à l'aide de deux "roues libres"; le premier tournait à l'ascension, le second à la descente, et tous deux transmettaient, par engrenages, leur mouvement à une roue unique qui se trouvait avoir ainsi un mouvement de rotation continu. De ce mouvement de rotation continu, on pouvait faire tourner un moteur électrique afin de produire l'électricité.

Les palettes : ce n'est plus la poussée hydrostatique occasionnée par l'ascension de l'eau au passage d'une vague qui est utilisée ici, mais le choc d'une vague sur une surface mobile, par exemple sur une palette.

L'air comprimé : tout comme cela a pu être imaginé pour la récupération de l'énergie marémotrice, on peut utiliser un mécanisme de compression d'air. L'air comprimé peut être alors utilisé par exemple pour un moteur à vapeur.

CHAPITRE III : GENERALITES SUR LA REGULATION AUTOMATIQUE ET L'ELECTRONIQUE DE PUISSANCE

Dans ce chapitre il sera question puisqu'il s'agit en fait de la conception d'un système, de régulation de définir la régulation automatique ainsi que toutes ses techniques suivis de quelques exemples dans le contexte des régulateurs de vitesses puis en fin de ce chapitre nous palerons de l'électronique de puissance en développant sur les semi-conducteurs étant donné que nous les utiliserons dans la suite de ce travail.

III.1. LA REGULATION AUTOMATIQUE[22].

La régulation automatique ou « l' automatique » fait partie des sciences de l' ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et, de la régulation des systèmes dynamiques. Elle a pour fondements théoriques les mathématiques, la théorie du signal et l' informatique théorique. L'automatique permet l'automatisation de tâches par des machines fonctionnant sans intervention humaine. On parle alors de système asservi ou régulé. L'état désiré du système est nommé la consigne.

Un exemple simple, est celui du régulateur de vitesse d'une automobile, il permet de maintenir le véhicule à une vitesse constante, vitesse-consigne prédéterminée par le conducteur.

III.1.2 Définitions

· Régulateur : un dispositif dont le but est d'agir sur le monde réel de manière à lui imposer un certain état.

· Grandeur réglée : C'est la grandeur mesurée dont on veut réguler la valeur.

· Mesure : La mesure est la grandeur physique, physico-chimique, ou chimique que doit atteindre le système à réguler. Elle s'exprime en unités physiques ( unités de pression, de niveau, de débit, de température, en unité de Ph, Rh, en unités de viscosité, densité etc. )

· Consigne : Elle s'exprime dans la même grandeur physique que la mesure. C'est la valeur « cible » que doit atteindre la mesure. Lors d'un changement de consigne, la boucle de régulation fonctionne en mode « asservissement ». Lorsque la boucle de régulation élimine les effets des perturbations, elle fonctionne en mode « régulation ».

· Organe correcteur : l'organe correcteur est le dispositif permettant de doser la grandeur réglante dans une boucle de régulation. Il peut être constitué soit d'une vanne automatique soit d'un variateur de vitesse associé à une pompe centrifuge ou à cylindrée variable soit d'un gradateur de puissance associé à des résistances chauffantes.

· Grandeur réglante : C'est la sortie du régulateur, soit la grandeur physique qui agit sur l'organe correcteur. Par exemple la puissance électrique délivrée dans des résistances chauffantes.

· Grandeur perturbatrice : Les grandeurs perturbatrices sont les grandeurs physiques qui peuvent s'opposer à l'action du régulateur mais que le régulateur ne contrôle pas. Il peut les mesurer directement ou indirectement pour apprécier leur action sur le système à réguler. Par exemple l'ouverture de la porte d'un four, la vitesse du vent pour le régulateur de direction d'un avion.

· Transmetteur de mesure : Un transmetteur de mesure est l'instrument qui traduit l'information d'un capteur pour la transformer en un signal transportable et utilisable par le système de régulation. Pour une température, on peut imaginer un capteur de type thermocouple dont la tension délivrée en micro-volts est transformée par un transmetteur en un signal 4-20 mA pour pouvoir être transporté sur quelques dizaines de mètres.

III.2 REPRESENTATION GRAPHIQUE D'UN SYSTEME ASSERVI

Les automaticiens ont l'habitude de représenter graphiquement un système asservi par l'utilisation de schéma-bloc.

Note : on parle généralement de procéder pour le système réel et de système pour désigner sa modélisation (généralement sous forme d'équations différentielles ou d'équations aux dérivées partielles). On parle également de système asservi pour désigner le système complet, avec le régulateur (correcteur).

· soit d'une seule entrée et d'une seule sortie (SISO : Single Input Single Output)

Exemple : la consigne de température d'un thermostat de chauffage domestique (l'entrée) et la température de la pièce (la sortie)

· soit de plusieurs entrées et plusieurs sorties (MIMO : Multiple Inputs Multiple Outputs)

Exemple : la consigne de température et de niveau d'un liquide dans une cuve industrielle (les entrées), la température et le niveau de ce liquide (les sorties)

Les entrées du système sont appelées variables exogènes, qui rassemblent les perturbations et les variables manipulées, commandes ou grandeurs réglantes. Elles sont souvent représentées de manière générique par la lettre u ou e. Les sorties du système sont appelées variables contrôlées, mesures ou grandeurs réglées. Elles sont souvent représentées de manière générique par la lettre y.

III.3. LES DIFFERENTS TYPES DE SYSTEMES

Il est à noter qu'aucun système n'est strictement linéaire, ne serait-ce que par les saturations (butées physiques, par exemple) qu'il comporte ou encore par les phénomènes d' hystérésis. Inversement, un système non-linéaire peut parfois être considéré comme linéaire dans une certaine plage d'utilisation. Il faut toujours garder à l'esprit que le système sur lequel on peut travailler n'est qu'un modèle mathématique de la réalité, et que par conséquent il y a une perte d'information lors du passage au modèle. Bien sûr, il incombe à l'ingénieur de juger la pertinence de son modèle vis à vis des objectifs fixés.

· Systèmes à temps discrets : ce sont des systèmes dont le temps à été discrétisé. Ces systèmes n'existent pas à l'état naturel (la majorité des systèmes physiques naturels sont de type à temps continu), mais étant donné que la plupart des contrôleurs utilisés en automatique sont calculés par des processeurs numériques, il est parfois intéressant de modéliser le système commandé comme un système à temps discret. La modélisation de ces systèmes utilise des fonctions de transfert avec la transformée en Z ou une représentation d'état discrète.

· Systèmes à évènements discrets : systèmes dont le fonctionnement peut être modélisé par des évènements discrets. Généralement, ces systèmes sont modélisés par des réseaux de Pétri, ou par les algèbres de booles. Des exemples sont les réseaux ferroviaires, ou le fonctionnement d'une chaîne de montage.

· Systèmes hybrides : Systèmes dont la modélisation nécessite l'utilisation des techniques liées aux systèmes continus et aux systèmes à évènements discrets, par exemple : une boite de vitesse de voiture.

III.4 SYSTEME BOUCLE

La technique d'automatisation la plus répandue est le contrôle en boucle fermée. Un système est dit en boucle fermée lorsque la sortie du procédé est prise en compte pour calculer l'entrée. Généralement le contrôleur effectue une action en fonction de l'erreur entre la mesure et la consigne désirée. Le schéma classique d'un système linéaire pourvu d'un régulateur linéaire en boucle fermée est le suivant:

La boucle ouverte du système est composée du procédé et du correcteur. La fonction de transfert de ce système en boucle ouverte est donc:

Avec cette architecture on peut recalculer une nouvelle fonction de transfert du système : la fonction de transfert en boucle fermée à l'aide des relations entre les différentes variables:

La fonction

représente la fonction de transfert en boucle fermée. On peut remarquer que

: c'est la formule de Black qui permet de passer d'une fonction de transfert en boucle ouverte à une fonction de transfert en boucle fermée.

· La boucle de retour est le chemin qui part de la sortie et qui revient au comparateur avec le signe "moins". Dans cette boucle, il y a généralement un bloc représentant, dans la plus grande majorité des cas, un capteur. Si ce bloc a comme fonction de transfert "1" (ce qui équivaut à une absence de bloc car la multiplication par 1 ne change rien), on dit que le schéma bloc est à retour unitaire. La formule précédemment énoncée n'est valable que si le schéma bloc est à retour unitaire.

· Quel que soit le schéma bloc (unitaire ou non, avec ou sans perturbation, ...), le dénominateur de la fonction de transfert en boucle fermée est toujours : 1 + H_BO(s) avec H_BO(s) étant la fonction de transfert en boucle ouverte c'est-à-dire le produit de tous les blocs de la boucle, y compris ceux de la boucle de retour.

L'étude de cette fonction de transfert en boucle fermée permet l' analyse fréquentielle et temporelle du système général avec le contrôleur.

III.5. STABILITE

Dans le cas des systèmes linéaires représentés par une fonction de transfert, l'analyse des pôles permet de conclure sur la stabilité du système. On rappelle que les pôles d'une fonction de transfert sont les complexes p0,p1... qui annulent le dénominateur.

· Dans le cas d'une fonction de transfert continue utilisant la transformée de Laplace, tous les pôles doivent être à partie réelle strictement négative pour que le système soit stable.

· Dans le cas d'une fonction de transfert discrète utilisant la transformée en Z, tous les pôles doivent avoir un module inférieur à 1 pour que le système soit stable.

Signalons qu'en automatique, le terme stabilité doit être défini précisément car il existe une dizaine de sortes de stabilités différentes. En général on fait référence à une stabilité asymptotique.

Dans le cas des systèmes non-linéraires, la stabilité est généralement étudiée à l'aide de la théorie de Lyapunov.

III.6 LES DIFFERENTES TECHNIQUES [23]

Il existe différentes techniques pour synthétiser les régulateurs. La technique industrielle la plus largement utilisée est le régulateur PID qui calcule une action Proportionnelle, Intégrale et Dérivée en fonction de l'erreur consigne/mesure. Cette technique permet de satisfaire la régulation de plus de 90% des procédés industriels. Néanmoins, de nombreuses techniques de commandes dites « avancées » peuvent être utilisées pour la régulation de systèmes plus complexes lorsque le régulateur PID est insuffisant :

· La commande prédictive se basant sur l'utilisation d'un modèle dynamique du système pour anticiper son comportement futur.

· La commande robuste permettant de garantir la stabilité par rapport aux perturbations et aux erreurs de modèle.

· La commande adaptive qui effectue une identification en temps réel pour actualiser le modèle du système.

· Les contrôleurs non linéaires utilisant la théorie de Aleksandr Lyapunov, comme les commandes linéarisantes ou la commande par modes glissants, plus robuste.

· La commande par platitude différentielle, qui permet l'inversion de modèle sans passer par l'intégration des équations différentielles, et ainsi de calculer les signaux nécessaires sur les entrées pour garantir les trajectoires voulues en sortie.

III.7 EXEMPLE DE BOUCLE DE REGULATION

On le commande en choisissant l'ouverture du papillon des gaz intégré au système d' injection du moteur. L'ouverture est directement liée à la force appliquée sur le piston donc à l' accélération du véhicule. Disons qu'elles sont proportionnelles (on néglige les pertes et la résistance de l'air sur le véhicule).

On veut maintenir une certaine vitesse, 90 km/h par exemple. 90 km/h est la consigne, il faut la comparer à la vitesse réelle donnée par un tachymètre.
La différence donne la variation de vitesse à réaliser. On en déduit l'accélération à demander au véhicule.
Connaissant le rapport entre l'accélération et l'ouverture du papillon, on calcule l'ouverture à donner au papillon pour s'approcher de la vitesse de consigne. Le compteur de vitesse prend alors la nouvelle valeur de la vitesse pour réitérer l'opération. De cette manière, lorsqu'on approche de la vitesse voulue, l'accélération diminue jusqu'à s'annuler sans brutalité.
On obtient donc ce schéma.

En réalité, à cause des pertes, il faut maintenir une certaine accélération entre autres pour lutter contre la résistance de l'air.

III.2 ELECTRONIQUE DE PUISSANCE

III.2.1 Généralités

L'électronique de puissance, que l'on devrait d'ailleurs nommer « électronique de conversion d'énergie » a moins de 50 ans. Elle a connu un tel essor qu'aujourd'hui près de 15 % de l'énergie électrique produite est convertie sous une forme ou une autre. Au cours de ces années la taille, le poids et le coût des convertisseurs n'ont fait que diminuer, en grande partie grâce aux progrès faits dans le domaine des interrupteurs électroniques.

Rappelons qu'un convertisseur de puissance de rendement unitaire (sans pertes) ne peut être constitué que d'interrupteurs idéaux et de dipôles purement réactifs donc sans la moindre résistance parasite : condensateurs et inductances. Les dipôles réactifs sont des éléments de stockage d'énergie dont la taille (et donc le coût) est inversement proportionnelle à la fréquence de fonctionnement.

En plus des applications traditionnelles de l'électronique de puissance comme la traction électrique et les entraînements industriels, il est apparu de nouveaux domaines d'application :

· L' automobile : très forte augmentation de l'utilisation de l'énergie électrique dans les automobiles actuelles et en perspective : il y aura un très gros marché au moment du passage prévu, (mais retardé ?) en 42 V, les véhicules hybrides, ...

III.2.2 Les interrupteurs [23]

Fig.III.1.Synthèse sur les interrupteurs de puissance

Historique

C'est dans le domaine du redressement de forte puissance que se développent les premiers convertisseurs statiques destinés à remplacer les convertisseurs électromécaniques. Dans les années 1950, pour la traction électrique, on s'oriente vers la solution - transport en alternatif + motorisation en continu. Les convertisseurs statiques nécessaires sont réalisés à l'aide de redresseurs à vapeur de mercure (ignitrons) ayant la même fonctionnalité que les thyristors.

· Les premières diodes de puissance au silicium apparaissent en 1956 et les thyristors en 1961. Dans les années 1970, thyristors et diodes sont utilisés dans des dispositifs auto commutés comme les hacheurs et les onduleurs, les années qui suivent voient le développement de transistors bipolaires de puissance qui favorise le développement d'une électronique de conversion de faible et moyenne puissance.

· Au début des années 1980, les dispositifs à transistors poussent les dispositifs à thyristors vers des puissances accrues : vers 1990, les GTO ne sont plus utilisés qu'en très fortes puissances (> 1 MW) ou pour des tensions supérieures à 2 kV.

· L' IGBT apparaît en 1985, d'abord dans le domaine des moyennes puissances (quelques dizaines de kilowatts), il supplante les transistors Darlington. Il devient dans les 10 ans qui suivent un composant utilisable en forte puissance.

· L'avènement du thyristor IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) vers 1997 dans le domaine des tensions supérieures à 6 kV risque d'entraîner à moyen terme la disparition du thyristor GTO.

· Dans le domaine des faibles puissances, du fait de sa rapidité et de la simplicité de sa commande, le transistor MOSFET de puissance supplante le transistor bipolaire. Grâce aux techniques d'intégration planar et l'essor du marché du portable (téléphone, ordinateur, lecteur CD, etc.) nécessitant une électronique de conversion efficace et miniaturisée, il supplante même les diodes dans des applications comme le redressement (redresseur synchrone).

· Les composants à base de carbure de silicium (SiC) apparaissent en 2002. Ceux à base de diamant sont encore à l'étude en 2004. Leurs fortes énergies d'ionisation permettent un blocage de tension plus élevée et/ou des fonctionnements à haute température.

Les diodes

· La tension maximale de blocage du composant, c'est-à-dire la tension au-delà de laquelle se produit le claquage et donc la destruction de la diode.

Elles sont utilisées dans le domaine des convertisseurs de forte puissance comme les onduleurs de traction. Elles sont réalisées en boîtier encapsulé. La jonction qui les constitue est de type PiN (P - Intrinsèque - N), ou PN-N+. L'introduction d'une zone très faiblement dopée permet d'obtenir une tension de blocage élevée.

Elles ont des temps de recouvrement de l'ordre de quelques dizaines de nanosecondes.

Elles sont constituées d'une jonction métal - semi-conducteur. Par rapport aux diodes PiN, la tension de seuil est plus faible, mais la résistance est plus élevée (d'où une chute de tension qui dépend plus fortement du courant qui la traverse). Elles peuvent fonctionner à des fréquences très élevées mais la tension inverse maximale autorisée est plus faible. Pour toutes ces raisons, elles sont principalement utilisées dans les convertisseurs fonctionnant en TBT et à fréquence élevée : alimentations à découpage.

Elles conjuguent C très faible et une tension de blocage plus élevée que les diodes Schottky classiques mais ces améliorations se font au détriment de l'augmentation de V_S.

Les MOSFET de puissance

Ce sont des interrupteurs électroniques dont le blocage ou l'amorçage sont commandés par une tension (Ils se comportent comme des portes que l'on peut ouvrir ou fermer à volonté). Ce sont les plus utilisés dans le domaine des faibles et moyennes puissances (quelques kilowatts).

Leur domaine d'utilisation est limité à quelques centaines de volts, excepté le domaine des fréquences élevées pour lesquelles le MOSFET surclasse tous les autres composants.

Leur principal défaut est qu'à l'état passant ils se comportent comme des résistances (R_DSon) de quelques dizaines de mÙ. Cette résistance est responsable des pertes en conduction. Le MOSFET peut aussi présenter des pertes de commutation lorsqu'il est utilisé comme interrupteur dans les alimentations à découpage. En effet, à chaque commutation, les capacités parasites présentes à ses bornes doivent être chargées ou déchargées entraînant des pertes en CV².

Les Transistors bipolaires de puissance

Par rapport aux transistors MOS de puissance, ils nécessitent une commande plus compliquée et ont des performances dynamiques plus médiocres. Toutefois ils sont thermiquement plus stables et surtout, du fait d'une commande en courant, ils sont moins sensibles aux perturbations électromagnétiques.

Les IGBT

Le transistor MOS est rapide et facile à commander, mais les transistors bipolaires ont une meilleure tenue en tension et présentent une chute de tension à l'état passant plus faible pour des courants élevés. La volonté de cumuler ces deux avantages a donné naissance à des composants hybrides nommés IGBT.

Depuis les années 1990, ce sont les composants les plus utilisés pour réaliser des convertisseurs fonctionnant avec des tensions de quelques centaines de volts à quelques kilovolts et avec des courants de quelques dizaines d'ampères à quelques kiloampères.

Les thyristors

Composant fonctionnant grossièrement comme un clapet commandé par un « tire-suisse » :

· Pour qu'il devienne passant il faut l'amorcer : il faut maintenir le courant de gâchette jusqu'à ce que le courant principal atteigne le courant d'accrochage.

· Au blocage il faut attendre une certaine durée le désamorçage (turn-off) pour que le thyristor puisse effectivement bloquer la tension inverse.

Pour ces raisons le thyristor est réservé à des applications concernant les très fortes tensions (> kilovolts) et les forts courants, où son coût inférieur compense ses limitations techniques. Par exemple les liaisons longues distances ou sous-marines par courant continu - haute tension ( HVDC) sont presque toujours réalisées avec des thyristors.

Commutation dure et commutation douce

La montée en fréquence des convertisseurs statiques entraîne une augmentation des pertes par commutation dans les interrupteurs. Ces pertes peuvent être réduites, mais surtout délocalisées par l'adjonction de circuit d'aide à la commutation (CALC) sans modifier le principe de fonctionnement du convertisseur.
Une autre possibilité consiste à modifier la nature des interrupteurs pour qu'ils réalisent une commutation spontanée, dite aussi commutation douce car les pertes sont nulles, mais aussi celle des convertisseurs qui doivent alors créer les conditions de commutations. Ces convertisseurs sont dits convertisseurs (quasi) résonnants.

Deux types d'interrupteurs peuvent être utilisés, conduisant à deux types de commutations douces :

· Interrupteur à amorçage commandé et blocage spontané, comme le thyristor. Le blocage est alors réalisé au passage à zéro du courant, nommé ZCS (Zero Current Switching) en anglais.

· Interrupteur à blocage commandé et amorçage spontané. Le blocage est alors réalisé au passage à zéro de la tension ou ZVS (Zero Voltage Switching) en anglais.

Pour parvenir au passage à zéro de l'une des grandeurs il est nécessaire d'ajouter un circuit oscillant dans le montage, d'où leur nom de convertisseurs quasi résonnants.

Quelques dispositifs

On distingue généralement quatre grandes fonctions de convertisseurs dans l'électronique de puissance :
Conversion continu - continu, alternatif - continu, continu - alternatif et alternatif - alternatif.

Mais en plus de ces dénominations purement fonctionnelles, des noms particuliers ont été donnés à certains convertisseurs.

CHAPITRE IV : PRESENTATION DE L'HYDRAULIENNNE DIMENSIONNEE POUR LA FERME BENJIN AGRICULTURE AINSI QUE LES PARAMETRES A REGULER

Apres avoir fait un large tour sur les énergies renouvelables, dont l'hydroélectricité avec l'hydrolienne, la présentation de la ferme avec sa puissance électrique nette, nous procéderons dans ce chapitre à la présentation d'une manière beaucoup plus descriptive de l'hydrolienne que fabriquerait l'ACP, de préciser les paramètres d'entrées et de sortie tout en donnant le model mathématique de certains de ses constituants, afin de concevoir un dispositif de contrôle adéquat.

IV.1 PRESENTATION DE L'HYDROLIENNE [4]

Cette hydrolienne est en fait un hydro générateur flottant tel que définit dans l'introduction générale dont l'élément essentiel est une roue flottante pour laquelle la rotation entraîne le rotor d'un alternateur transformant ainsi l'énergie mécanique en énergie électrique.

IV.2 LA ROUE HYDRAULIQUE

C'est l'élément capital de l'hydrolienne flottante car elle transforme l'énergie cinétique de l'eau en énergie mécanique recueillie sur l'arbre.

Les grandeurs précédentes, mis à part le nombre de palettes, sont des longueurs. Elles seront exprimées en mètre dans les applications numériques.

Sur le plan dynamique, les grandeurs de base de notre roue hydraulique sont les suivantes :

IV.2.1 Détermination des quelques grandeurs géométriques

IV.2.1.1 Grandeurs géométriques

IV.2.1.2 Détermination du couple de torsion

Quant au couple résistant, il dépend du moteur et du rapport de multiplication ou rapport de transmission :

C'est un appareil destiné à transformer une vitesse N en une vitesse N' telle que N'>N. sur notre hydrolienne il sert à adapter la vitesse (lente) de la roue à celle de la génératrice.

Avec respectivement Z_s: nombre de dent à la sortie, w ; vitesse angulaire ; Ns=vitesse de la génératrice

Z_e: nombre de dent à l'entrée de la roue ; we_,vitesse de la roue, Ne; vitesse de la roue

La vitesse du moteur électrique est garantie à plus ou moins 5%²⁴pour permettre une légère modification du rapport k.

Ce qui donne une certaine marge de tolérance sur les rapports de multiplication étant donné que ce sont des entiers.

Série exceptionnelle : 13, 15, 17, 19, 21, 23, 24, 26, 27, 30, 34, 38, 48, 53, 63, 67, 75, 85, 95, 106, 118, 132, 150

IV.3 LA GENERATRICE ELECTRIQUE

Pour convertir l'énergie mécanique de rotation, nos prédécesseurs ont eu à faire un choix entre une machine à courant continu, une machine asynchrone et une machine synchrone, en fonctionnement générateur . Voici une petite présentation de chacune.

IV.3.1. La génératrice continue

Le générateur continu a certains avantages : la tension en sortie est directement utilisable pour charger une batterie, les moteurs sont souvent couplés à un réducteur qui se transforme en multiplicateur de très bon rendement lorsqu'on l'utilise en générateur. Les deux types suivants sont triphasés, ce qui leur assure un meilleur rendement.

IV.3.2. La génératrice asynchrone

De plus son rotor en forme de "cage d'écureuils" est très léger. Tous les moteurs asynchrones triphasés peuvent être utilisés comme générateur, ce qui n'est pas le cas de tous les moteurs à courant continu. Le phénomène de glissement du champ magnétique permet de moins solliciter la structure mécanique lorsque la vitesse de pales varie. Mais pour produire de l'électricité il faut faire tourner le rotor plus vite que la vitesse nominale moteur (exemple: si vous récupérez un moteur ayant une vitesse nominale de 1500tr/min, alors il vous faudra dépasser cette vitesse pour produire). Ce type de génératrice est rarement utilisé sauf pour les petits barrages, les éoliennes et les hydroliennes.

Avantages

Inconvénients

- Adapté pour les faibles puissances,soit inférieures à 200 Kw
- Coût relativement faible.
- Peut supporter une survitesse de 200% sans danger. Ce qui est dû au fait que le rotor n'est pas bobiné. Le Rotor n'a pas besoin d'être branché sur une source de tension extérieure
- Simple : pas d'enroulements rotoriques (cage d'écureuil), pas de balais, par rapport à l'alternateur synchrone. Pas d'entretien.

-Tension non stable
-Ponctionne de l'énergie pour son excitation (il est producteur et consommateur à la fois)

IV.3.3 La génératrice synchrone ou alternateur

Son rotor peut être un électroaimant ou un aimant permanent. Ce dernier est à éviter, car il est lourd et perd de son efficacité au fil du temps. La génératrice synchrone équipée d'un électroaimant, aussi appelée alternateur, est la plus adaptée à notre projet. En effet, son rotor est plus léger, permet la régulation de la tension, et son bobinage est facilement modifiable. De nos jours, toutes les voitures sont équipées d'un alternateur avec son régulateur de tension. Cependant il a un balai-collecteur comme le moteur à courant continu.

Avantages	Inconvénients
- Adapté pour les fortes puissances. - Fonctionne généralement bien dans un réseau autonome. - Si la vitesse de rotation du rotor est stable avec un bon régulateur, alors la fréquence distribuée au réseau sera stable - S'utilise principalement dans les réseaux autonomes ou réseaux isolés.	- Nécessite dans certains cas une alimentation continue sur le rotor. - Coût élevé. - Pas prévus pour des survitesses importantes. - Les roulements sont à graisser : entretien.

Fréquence réseau : 50Hz Facteur de puissance : 90% Cette la génératrice sera une génératrice asynchrone contrairement au choix effectué par nos prédécesseurs de cet avant projet qui avaient la génératrice synchrone

Ainsi, pour l'électrification de la ferme Benjin Agriculture, nous placerons deux hydroliennes fournissant chacune une puissance de 15Kw.

IV.4.LES FLOTTEURS

Les flotteurs fonctionnent sous le principe d'Archimède qui dit ; « Tout corps plongé dans un liquide subi une poussée verticale de bas vers le haut, égale au poids de la quantité du liquide déplacé »

Fig.IV.4 Représentation schématique de la roue hydraulique reposant sur ses flotteurs

CHAPITRE V : ETUDE ET CONCEPTION DU SYSTEME DE REGULATION DE FREQUENCE EN FONCTION DE LA VITESSE DE LA ROUE DE L'HYDROLIENNE

Dans ce chapitre il sera question de concevoir tout en étudiant chaque élément à prendre, le système de régulation automatique des grandeurs de sortie (fréquence, tension) en fonction de la vitesse d'entraînement de la hydrolienne donc la vitesse du cours d'eau.

En effet, la conception d'un objet se déroule de diverses façons selon le but poursuivi.

- Une création : l'objet fabriqué étant conçu en nihilo à partir d'une idée originale, c'est une conception innovante.

- Une amélioration : la conception vise à optimiser une caractéristique de l'objet qui n'est pas modifié dans son principe de fonctionnement. C'est le cas par exemple d'une raquette de tennis, initialement en bois est réalisé en composite à base de fibres de carbones, en vu d'une diminution du prix ou d'une amélioration des performances.

- Une variation : le principe de fonctionnement est conservé, mais le changement des dimensions ou une modification des détails impose une conception nouvelle. c'est le cas par exemple, du passage d'un petit réservoir à une grande citerne.

- Les deux derniers sont traditionnels et c'est dans cette optique que se situe notre travail.

En effet, étant donné une hydrolienne a pour rôle de convertir l'énergie cinétique de l'eau en énergie électrique, ses différents éléments sont conçus pour maximiser cette conversion et d'une manière générale, une adéquation entre les caractéristiques couple/vitesse de la turbine (roue hydraulique) et de la génératrice est indispensable.

- Un système qui permet de le contrôler mécaniquement (ouverture ou fermeture de la vanne ou diffuseur ou encore orientation des pales de l'hydrolienne sous-marine, décrochage ou freinage)

- Un système qui permet de le contrôler électriquement (machine électrique associée à l'électronique de commande).

De notre part, nous allons mettre au point un dispositif de contrôle qui nous permettra à parvenir aux 2 objectifs cités ci haut avec les connaissances que nous avons acquis tout au long de notre formation d'Ingénieur civil Electromécanicien et au moyen dont nous disposons (calculatrices, logiciels...)

Rappelons que l'hydrolienne de notre travail est appelée à flotter en surface et ne dispose d'aucun mécanisme de concentration des masses d'eaux et même de contrôle de ses masses d'eau sur ses palles.

La démarche à suivre est telle que nous commencerons par le système de régulation mécanique partant de différents systèmes utilisés sur les turbines hydrauliques et les aérogénérateurs.

Quant au système qui permet de le contrôler électriquement, nous ferons une étude complète de la génératrice asynchrone, puis pour le convertisseur statique de puissance, nous partirons de ce qui existe sur les aérogénérateurs (éoliennes )et les hydroliennes tant sous-marines que de surface pour faire une étude du principe de fonctionnement, afin de l'adapter au système de contrôle de notre hydrolienne, mais vu les moyens limités à notre disposition c'est-à-dire un outil pour la modélisation des systèmes discrets (Electroniques de Puissance) comme par exemple, une connaissance parfaite de la modélisation par le Graphe Informationnel Causal (GCI) ou la Représentation Energétique Macroscopique (REM).

Pour ce qui est de la régulation du coté électrique nous ferons une études conceptuelle du système, c'est-à-dire, le conception du circuit de puissance de la chaîne de conversion avec son circuit de commande sans aller plus loin dans l'étude des performances du régulateur conçu.

Enfin nous ferons un choix du convertisseur de puissance avec son circuit de commande étant donné que celui-ci se retrouve sur le marché.

V.1 LE DISPOSITIF MECANIQUE DE CONTROLE

- De maintenir une vitesse de rotation constante et donc de maintenir la fréquence du réseau constante. Pour cela le système de régulation agit sur le débit d'eau admis dans la turbine pour équilibrer la puissance fournie par la turbine et la puissance absorbée par le réseau. Ainsi le régulateur doit commander un organe de la machine capable soit de contrôler le débit d'eau entrant dans la turbine comme c'est le cas avec le système de vannage sur les turbines Francis ou les injecteurs sur les turbines Pelton, soit de contrôler l'énergie transférer par l'eau à la turbine, comme c'est le cas pour les turbines Kaplan ou les groupes bulbes grâce à la commande des pales.

En plus de son rôle d'adaptation à des vitesses de rotation, le régulateur a pour but de limiter à une valeur admissible, les grands écarts de vitesses qui serait occasionnés par des brusques variations de charge et dont l'amplitude peut parfois être très grande, sont rôle est entre autre la protection du groupe turboalternateur.

Notons que en ce qui concerne notre démarche, l'hydrolienne est munie des pales fixes et asymétriques, étant donné qu'elles ne tourneront toujours que dans le même sens pour une optimisation du rendement et une augmentation de la production. La modification de la roue hydraulique à palette fixe au profit de celles mobiles afin de réaliser une régulation de vitesse à commande par pales comme sur les turbines Kaplan citée ci haut, imposerait un système complexe de commande et difficile à réaliser afin de respecter les caractéristiques hydrodynamiques de celle-ci et ajoutant ainsi un poids trop important vu que la structure est appelée à flotter, bref les flotteurs serait aussi sous dimensionné dans ce cas.

Une autre option serait d'ajouter une structure mécanique sur l'hydrolienne faisant objet de diffuseur à la roue afin de contrôler le débit d'eau par un système de vannage, mais pour les mêmes raisons que ceux cités ci haut cette démarche serait donc à abandonner du fait que ce type d'hydrolienne serait une surévaluation vu la puissance faible à produire, néanmoins ce type d'hydrolienne existe pour une production de puissance supérieur au Mégawatt dans les marées à courant d'eau d'une vitesse supérieure à 10 m/s.

Enfin au vu de l'analyse effectuée çi-haut ainsi que nos recherches auprès des constructeurs des Hydrolienne dont la Firme Belge Rutten Electromécanique et la firme Française SARL AQUAPHILE nous conclurons que pour une hydrolienne tel que la notre on ne peut pas réguler la vitesse de la roue, on ``la subit'' donc, contrairement à l'éolienne fonctionnant sous le même principe.

Donc il ne faut pas chercher à installer un dispositif de freinage ou de régulation en principe mais tout dépend de la vitesse et de la variation du courant d'eau.

Conformément au chapitre un, les données hydrologiques de la rivière Kiswishi sont 2,48 m/s pendant la période d'étiages et 3m/s pendant la période des crues donnant une variation de [3-2,48]=0,52m/s. Le régulateur mécanique sera à abandonner au profit du régulateur électronique.

V.2 LE DISPOSITIF ELECTRONIQUE DE CONTROLE DE FREQUENCE: GENERATRICE ASYNCHRONE +CONVERTISSEUR DE PUISSANCE

Comme il a été montré plus haut le moyen le plus crédible pour maintenir la fréquence et la tension de sortie constante est l'utilisation des convertisseurs statiques commandés, lesquels influerons sur le fonctionnement de la génératrice asynchrone. La génératrice asynchrone ayant été choisie nous présenterons une étude approfondie à ce sujet afin de comprendre le principe de la régulation plus loin ensuite nous expliquerons chaque partie du convertisseur statique.

a)Principe général.

L'hydrolienne fonctionnant avec une vitesse variable, le générateur (synchrone ou asynchrone) produit un courant alternatif de fréquence variable. L'emploi de deux convertisseurs de puissance permet de fixer la fréquence de sortie à la fréquence du réseau c'est-à-dire 50 Hz issue des fréquences variables des courants de la machine par la création d'un bus continu intermédiaire. Avec une telle structure, les fluctuations rapides de la puissance générée peuvent être filtrées par le condensateur en autorisant une variation de la tension du bus continu sur une plage donnée.

Ces convertisseurs seront dimensionnés pour 100% de la puissance nominale de la génératrice, ceci augmente significative le coût de l'installation et les pertes. Selon la topologie des convertisseurs utilisés, deux structures de conversion peuvent être utilisées et sont maintenant détaillées.

Fig.V.1Hydrolienne à vitesse variable connectée au réseau isolé de distribution via des convertisseurs statique.

b) Alimentation utilisant un redresseur à diode et un onduleur contrôlés par MLI

Cette topologie utilise un onduleur fixe (50Hz) à IGBT^3(*) contrôle par MLI placé entre le bus continu et le réseau de distribution, et un redresseur à diodes entre le bus continu et la génératrice. La puissance transitée entre la génératrice et le bus continu est donc unidirectionnelle et la génératrice ne peut donc être que freinée en cas d'utilisation d'une commande vectorielle de la génératrice (suivie d'un dispositif d'orientation des pales comme sur les éoliennes). Ce type de montage n'est pas recommandé parce qu'en cas de variation d'amplitude de tension alternative à l'entrée, le condensateur du bus continu recevra également une tension d'amplitude moyenne relativement basse ce qui perturberait le circuit de commande de l'onduleur MLI et donc il y aura un défaut de régulation (Fig.V.2)

c) alimentation utilisant un redresseur et un onduleur contrôlé par MLI

Pour cette structure, le redresseur à diode est remplacé par un convertisseur à IGBT contrôlé par MLI fonctionnant à fréquence variable. La vitesse de la génératrice est alors parfaitement contrôlable, une meilleure capture de la puissance est obtenue par rapport à la structure précédente (fig.V.2). Un deuxième convertisseur, à MLI connecté au réseau est nécessaire pour générer des grandeurs à 50 Hz sur le réseau électrique isolé de distribution.

V .1.1 GÉNÉRATRICE ASYNCHRONE

Il s'agit en fait d'une une machine à induction asynchrone triphasée qui transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique. Pour réaliser cette transformation elle doit pour cela être entraînée au-delà de la vitesse de synchronisme (variable suivant la charge). Son rotor est généralement à cage d'écureuil ; elle bénéficie donc de la robuste simplicité du moteur à cage et des mêmes moyens de fabrication. La puissance nécessaire à sa magnétisation est fournie par le réseau lorsqu'elle est couplée en parallèle ou par une batterie de condensateurs dans le cas d'une utilisation isolée comme c'est le cas pour notre travail.

Ø Principe de fonctionnement d'une génératrice asynchrone [25]

Une génératrice synchrone (alternateur) est entraînée en fonctionnement normal à sa vitesse de synchronisme (par exemple 1500 tr.min^-1 pour 4 pôles). La génératrice asynchrone elle, doit être entraînée au-delà de sa vitesse de synchronisme pour fournir de l'énergie électrique. Cependant, ces machines asynchrones ne possèdent pas comme les alternateurs un circuit d'excitation. II faut néanmoins fournir la puissance de magnétisation aussi bien en génératrice qu'en moteur; il ne s'agit pas d'une puissance utilisable, appelée puissance active, mais d'une puissance fictive, puissance réactive, correspondant à une composante du courant à facteur de puissance nul. Ce courant peut être emprunté au réseau mais peut aussi bien être obtenu de façon statique en branchant en parallèle à la machine une batterie de condensateurs. En outre, en ajustant ces condensateurs de façon précise, il est possible, dans certaines conditions, d'utiliser une génératrice asynchrone en dehors d'un réseau, fonctionnement autonome pour alimenter une charge isolée qui dans notre cas est le réseau de distribution de la Ferme Bejin. Le stator aura 3 enroulements couplés en étoile ou en triangle qui seront alimentés par le système triphasé de tensions. Il en résultera alors une création d'un champ magnétisant glissant dans l'entrefer de la machine (Théorème de FERRARIS). La vitesse de glissement de ce champ par rapport au stator est :

(V.1)

où ù_S désigne la pulsation du réseau du réseau d'alimentation triphasé statorique et p est le nombre de bobines de chaque bobinage et également le nombre de paires de pôles du champ magnétique apparaissant au stator. Le rotor de la machine supporte un bobinage triphasé avec un même nombre de pôles que celui du stator. Le rotor de la machine supporte un bobinage triphasé avec un même nombre de pôles que celui du stator couplé en étoile. Ce type de rotor est dit bobiné on peut envisager un rotor plus sommaire constitué de barres conductrices court-circuitées par un anneau conducteur à chaque extrémité. Ce second type de machines est appelé machine asynchrone à cage. Le rotor tourne par rapport au stator à la vitesse

(V.2) ,

La fig.V.4 rappelle la position des axes des phases statoriques et rotoriques dans l'espace électrique (angle électrique est égal à l'angle réel multiplié par le nombre p de paire de pôles par phase.

Le sens des enroulements de phase est conventionnellement repéré par un point(.) ;un courant positif i entrant par ce point crée un flux

compté positivement selon l'orientation de l'axe de l'enroulement.

Fig.V.5 Représentation de la machine asynchrone dans l'espace électrique[28]

Ø Rappel sur la loi de Faraday

La loi de Faraday exprime la relation entre la tension v aux bornes d'une bobine de résistance

d'inductance

, le courant i, la variation du flux totalisé

Avec

où

est un flux de couplage magnétique avec d'autres enroulements, et

est le flux propre de l'enroulement.

Rappelons que pour l'hydrolienne la génératrice choisie comporte les caractéristiques suivantes :

Et donc au niveau du multiplicateur nous devrons revoir les calculs effectués dans la première partie de cet avant projet en surmultipliant la vitesse de l'écoulement de l'eau afin d'avoir au rotor une vitesse supérieure à 1500 tr/min pour pouvoir respecter le principe de fonctionnement des génératrices asynchrones.

Soit que

était la raison du multiplicateur précédemment dimensionné, nous nous fixons N ou vitesse au niveau du rotor =1550 tours/minutes, donc on aura :

Nous prendrons pratiquement un multiplicateur dont k=65 mais pour raison de conformité aux normes k=70 Cfr. Chap.IV

V.2 LE REDRESSEUR

Un redresseur, également appelé convertisseur alternatif - continu (rectifier en anglais), est un convertisseur destiné à alimenter une charge de type continu, qu'elle soit inductive ou capacitive à partir d'une source alternative. La source est, la plupart du temps, du type tension.

Les redresseurs sont essentiellement réalisés à partir de diodes et de thyristors. Ces derniers ne sont utilisés que s'il est nécessaire de faire varier les grandeurs électriques en sortie du redresseur. Les transistors MOSFET et IGBT peuvent être utilisés dans certains cas spécifiques.

Les redresseurs non commandés sont utilisés pour convertir une grandeur alternative en une grandeur continue. Ils sont par exemple utilisés pour entraîner des moteurs à courant continu. Ils constituent l'étage d'entrée de la quasi totalité des alimentations à découpage qui alimentent l'équipement audio-visuel des ménages.

Les redresseurs commandés à thyristor sont en voie d'obsolescence et sont avantageusement remplacés par la mise en cascade d'un redresseur non commandé et d'un hacheur. D'une part, la commande d'un transistor à effet de champ ou d'un IGBT est beaucoup plus simple que celle d'un thyristor et d'autre part, les fréquences de fonctionnement des hacheurs qui dépassent aujourd'hui les 200 kHz permettent d'adapter le rapport cyclique du hacheur pour obtenir une régulation de la tension de sortie. Cette propriété permet d'obtenir une tension de sortie constante sans être contraint d'ajouter un condensateur de forte capacité.

Pour qui fait l'objet de notre travail ce redresseur devra convertir la tension alternative issue du générateur en une tension continue de même ordre de grandeur pratiquement c'est-à-dire 220 Volts

V.2.1 Pont de Graetz classique

V.2.1.1 Pont de Graetz idéal

La Fig.V.2.1.b.Principe de fonctionnement d'un pont de Graetz à six pulsations (p = 6)

La figure V.2.1 rappelle la structure et le fonctionnement d'un pont de Graetz à six pulsations (p = 6), supposé idéal, que l'on obtiendrait sous deux conditions :

-- d'une part, des inductances nulles du côté alternatif, permettant des commutations de courant instantanées d'un thyristor à l'autre, et donc des empiétements nuls ;

Le courant alternatif i a, ainsi, une forme parfaitement rectangulaire (figure 1c), dite 2/3 - 1/3 : pendant 2/3 du temps, le courant est non nul et, pendant 1/3 du temps, il est nul.

Si l'on néglige, en outre, les chutes résistives de tension, le fonctionnement du convertisseur est assimilable, du côté continu (figure 1b), à celui d'une source de tension continûment réglable, au moyen de á, angle de retard à l'amorçage ou angle d'allumage (avec 0 < á < ð) :

de puissance 15KW ou 20 Ch .En ce qui nous concerne ,nous allons considérer un raccordement ? :

Avec : E_d tension continue moyenne, ou tension redressée (d pour direct current ),

La tension réelle fournie par le convertisseur se décompose en une composante continue, une composante alternative de fréquence 6 f et des harmoniques de 6 f, f = ù/2ð étant la fréquence fondamentale. Considéré du côté continu, le pont de Graetz est une source de tension en amont de l'inductance de lissage, et une source de courant en aval. Vu du côté alternatif, il se comporte comme une source de courant rectangulaire. En revanche, l'action sur l'angle á joue non pas sur l'amplitude de ce courant mais sur son déphasage, en retard par rapport à la tension alternative. Le facteur de déplacement, cos ?, c'est-à-dire le facteur de puissance associé au fondamental, est alors exactement égal à cos á : cos ? = cos á (V.2.3)

Les valeurs efficaces I_h des harmoniques du courant rectangulaire décroissent linéairement en fonction de leur rang h et sont indépendantes de á :

V.3 LE CONDENSATEUR DE FILTRAGE

Définition : un condensateur est un composant constitué par 2 conducteurs parallèles, appelés armatures séparés sur toute l'étendue de leur surface par un milieu isolant de faible épaisseur , exprimé par sa rigidité diélectrique år (epsilon) ou permittivité relative.

Pour les applicatios en Electronique de puissance,3grandes familles sont utilisés :les condensateurs électrolytiques à l'Aluminium

Pour le filtrage de la tension continue ,on utilise les condensateur électrolytiques. Avec les progrès réalisés pour augmenter la durée de vie permettent leur emploi dans les appareillages de moyenne puissance .P>10 KW ; U<1000 V

Pour le calcul de dimensionnement, le mieux est de consulter les constructeurs avec un cahier de charge précis donnant les formes d'ondes de tensions et courants, ainsi que la durée de vie espérée.

Néanmoins, les catalogues des constructeurs donnent des indications qui nous ont de dégrossir le problème, c'est ainsi que nous avons opté d'un condensateur électrolytique de 4OOV/1000 uF

V.4 L'ONDULEUR

V.4.1. Généralités

Un onduleur est un convertisseur statique qui transforme la puissance électrique fournie par une source de fréquence nulle, en puissance électrique fournie par une source de fréquence nulle, en puissance électrique alternative. Vu des bornes de sortie, il se comporte comme un générateur mono ou polyphasé dont la fréquence et l'amplitude sont le plus souvent réglables .Sa représentation schématique est donné à la figure suivante ci-dessous :

La conversion est effectuée avec un rendement énergétique proche de l'unité, par fermeture et ouverture contrôlée d'interrupteurs statiques (thyristors) placés entre borne d'entrée et de sortie. Aux faibles pertes près dues aux conductions des thyristors et à leurs transitoires de coupure, les grandeurs d'entrée et de sortie sont liées par la loi de conservation de la puissance active P[23].

L'ingéniosité s'est avérée spécialement florissante dans la conception de ce type de convertisseurs et un grand nombre de montages différents a de ce fait été développé. Avant de nous limiter dans le cadre de notre travail, aux schémas les plus couramment utilisés en électrotechnique, mentionnons les familles caractéristiques principales suivant lesquelles peuvent se distinguer les onduleurs :

-Les onduleurs de tension et de courant : Selon que la source continue se comporte comme un générateur de tension ou un injecteur de courant, la sortie sera vue par l'utilisateur comme des sources de tension ou des injecteurs de courants alternatifs. Le choix dépend de l'utilisation, une alimentation de secours ou un réseau de bord nécessite des onduleurs de tension ; les onduleurs de courant permettent quant à eux, un meilleur contrôle des systèmes d'entraînement à moteurs alternatifs et limite le courant de court-circuit en cas de défaut.

-Les onduleurs autonomes et non autonomes : Lorsque l'onduleur est destiné à fournir de l'énergie alternative à un récepteur doté de forces électromotrices, celles-ci peuvent utilisées pour provoquer naturellement la commutation des thyristors. Par contre, le récepteur impose les tensions de sortie, et comme les thyristors doivent être amorcés sur base de ces dernières, l'onduleur est dit non autonome. Des exemples courants d'applications sont l'alimentation sous vitesse variable de moteurs synchrones, ou la récupération d'énergie continue avec réinjection sur le réseau industriel. D'autre part lorsque la charge est passive, l'onduleur doit disposer d'autres moyens aptes à provoquer l'extinction de ses thyristors : la fréquence et la forme du signal de sortie peuvent alors être choisit librement et l'on parle d'onduleurs autonomes. Par ailleurs on distingue les onduleurs autonomes à commutation libre ou onduleurs pilotés par la charge ou le récepteur est un circuit oscillant et les onduleurs autonomes à commutation forcée qui sont particulièrement destinés à l'alimentation des moteurs asynchrones triphasées en vitesse variable. Les deux grands domaines d'application classiques des onduleurs de tension sont les alimentations de secours et les entraînements à vitesse variable. Ils sont caractéristiques de deux grandes familles, celles de fréquence fixe et celle des systèmes à fréquence variable .La première configuration typique à fréquence fixe est celui de l'onduleur d'alimentation sans coupure (ASI) qui permet de palier les défaillances d'un réseau alternatif en recréant la tension correspondante à partir d'une batterie. Dans la suite nous ferons apparaître dans la cellule le symbole familier de l'IGBT afin de présenter aux lecteurs un symbole familier qui correspond de surcroît au composant le plus largement utilisé, il faut néanmoins insister sur le fait que n'importe quel composant commandable à l'amorçage et au blocage peut tenir ce rôle. La forte évolution de cette fonction s'est appuyée, d'une part, sur le développement de composants à semi conducteur entièrement commandable, puissants, robuste et rapides, d'autres part, sur l'utilisation des techniques dites de modulation de largeur d'impulsion (MLI ou Pulse With Modulation PWM) ; ces dernières s'appuyant sur les performances en fréquence de découpage permises. La structure utilisée est majoritairement triphasée, les tensions découpées sont appliquées à la machine, dont les inévitables inductances de commutation agissent comme des filtres de courant[23].

V.4.2 Principe de la conversion

Si l'on revient au principe d'une conversion continu -alternatif basée sur l'électronique de commutation, qu'il s'agissent de générer une onde de tension alternative en connectant cycliquement la sortie à un certain nombre de sources de tension continue par l'intermédiaire d'interrupteurs. La cellule de commutation reste toujours l'élément de base indispensable à la mise en oeuvre d'une telle fonction mais est une structure minimale ne permettant pas l'obtention que de deux valeurs de tension (0 et E). D'une façon plus générale on peut estimer qu'il existe deux moyens d'actions pour réaliser cette fonction de conversion :

-Le premier (figure V.6) s'appuie sur l'utilisation directe de la cellule de base et consiste à régler la fréquence et la durée des interconnexions de la source avec la sortie. Il est donc temporel et débouche sur les techniques de modulation de largeur d'impulsion.

-Le second revient à contrôler l'amplitude soit de façon continue en créant une source réglable (ce qui suppose l'existence d'un autre étage de conversion), soit de façon discrète en disposant d'un nombre suffisant de sources.

V.4.3 Fonction de modulation de la cellule

Dans le cas des commandes adjacentes (et en négligeant les temps morts), il est intéressant de définir la notion de fonction de modulation f_m de la cellule. Il s'agit d'une fonction temporelle analogique. La tension de sortie est sous forme de piliers contins et vaut :

A un facteur constant près, elles sont entièrement données par les fonctions f_m, qui peuvent être choisit périodiques de moyenne nulle. Chaque signal de sortie présentera une composante fondamentale de fréquence et phase réglable par f_m et des harmoniques. Appliquées à la charge, ces tensions y développent des courants alternatifs, qui se retrouvent additionnés ou soustraits dans les lignes d'entrée, selon la position des interrupteurs qui en effectuent ainsi le redressement :

(V.4.2)

Si la charge est du type inductive, elle offre une impédance du type croissante avec la fréquence et se comporte comme un filtre atténuateur pour les harmoniques, les courants seront beaucoup plus proches de la sinusoïde pure que les tensions [31].

V.4.4 Caractéristiques de la tension de sortie [32]

Pour une fonction f rectangulaire de pulsation

, la décomposition en série de Fourier de la tension Vs (t) permet d'écrire pour une un onduleur monophasé :

(V.4.3)

Le signal ne comporte que des harmoniques impaires ; la valeur efficace du fondamental vaut :

[V.4.4]

L'association de deux cellules de base conduit au montage en pont qui constitue la version la plus répandue de l'onduleur de tension composée (cfr. Annexe).

La tension de sortie s'obtient comme la différence vectorielle de deux tensions V_eff1 et V_eff2. Cette technique permet, outre la suppression d'une prise médiane sur la source, de régler l'amplitude de la résultante par action sur le déphasage. La Fig.V.7 illustre l'élaboration de la tension de sortie donnée par :

[V.4.6]

Le signal ne comporte que des harmoniques impaires, dont l'importance est modifiée par le réglage d'amplitudes selon un facteur

Comme le montre les expressions ci-dessus, l'amplitude est théoriquement réglable entre 0 et 100 pour 100 mais en pratique suite aux distorsions des harmoniques prépondérantes sur la fondamentale aux faibles amplitudes, on se limite à une gamme de réglage de 50 à 100 pour 100 ce qui revient à adopter une valeur minimale

Le passage au montage triphasé revient adjoindre une troisième cellule élémentaire au pont monophasé des fonctions f_r(t), f_s(t), f_T(t)de même fréquence et forme, mais déphasées entre elles de

En considérant les bornes de sortie 2 à 2, l'étude du fonctionnement se ramène rigoureusement à celle de 3 montages monophasés en pont, travaillant sous décalage de

; les relations établies pour le pont monophasé. La somme des angles de décalage entre cellules valent toujours

Le décalage ne peut donc plus être modifié pour effectuer un réglage d'amplitude, il faudra recourir à d'autres techniques dont la modulation à largeur d'impulsion dans notre cas. De plus la valeur de

entraîne l'annulation de toutes les harmoniques multiples de 3. Il ne subsiste que dès lors que des harmoniques impaires d'ordre 6k+1= 5, 7, 11, 13...

Introduisant ces particularités dans la loi de tension du pont monophasé les tensions composées seront :

V.4.5 Génération alternative par modulation de largeur d'impulsion

Cette technique est fortement inspirée de celles utilisées dans la transmission d'informations et consiste à moduler une onde porteuse (pour nous issue d'un découpage à fréquence Fd) par une onde modulante (fréquence Fs) à fréquence beaucoup plus basse. Il existe néanmoins une différence fondamentale puisque, à l'inverse de la transposition spectrale recherchée en transmission, nous voulons générer une composante basse fréquence à partir de l'onde porteuse. Pour obtenir ce résultat, c'est la valeur moyenne de cette onde porteuse définie sur la période Td qui est modulée tandis qu'elle reste nulle en transmission. Piloté selon ce principe, un bras d'onduleur, autour d'un point de polarisation que l'on fixe a la moitié de la tension continue et se comportera donc comme un amplificateur à découpage, dont les composantes harmoniques parasites liées à la fréquence de découpage pourront être éliminées.

Par filtrage, Insistons néanmoins sur le fait que cette décomposition n'est possible que si la fréquence de découpage est très supérieure à la fréquence de la modulante. Dans le cas contraire, le spectre est unique, ce qui impose d'optimiser les motifs de commande pour minimiser des composantes harmoniques à basse fréquence n'appartenant pas à la modulante. Outre cette dernière il existe aussi la génération alternative par niveaux qui est une sorte de conversion numérique analogique largement utilisée en électronique de traitement du signal que nous n'allons ni développé ni utilisé.

V.4.6 Influence de la fréquence de modulation

Le dimensionnement d'un onduleur est guidé par la connaissance de deux fréquences bien distinctes et généralement très différentes. La première concerne la fréquence de découpage, qu'on souhaite la plus élevées possibles pour réduire les filtres et augmenter les performances dynamiques, mais qui devra rester compatible avec les caractéristiques des semi-conducteurs (temps de commutation, pertes...) .En pratique, cette fréquence dépend énormément des applications et en particulier de la puissance. Les valeurs typiques peuvent aller de quelques de hertz a 50hz pour des puissances allant de quelques mégawatts à 1kw. La fréquence de modulation, quant à elle, est imposée par le réseau d'alimentation ou par les caractéristiques de la charge et dans la plupart des cas elle est comprise entre 0 et 100hz. L'écart important entre ces deux fréquences montre que tous les efforts faits pour gagner du poids et du volume en augmentant la fréquence de découpage peuvent être réduits à néant par la préparation de composants réactifs ou de transformateurs dimensionné pour la fréquence de modulation.

V.4.7 Mécanismes de transfert de puissance

Les onduleurs de tension sont, par essence, réversibles en puissance. Il est intéressant de développer quelques peu les différents modes de fonctionnement résultant de cette propriété. Considérons une fonction de modulation unipolaire simple et symétrique dont le courant de sortie de l'onduleur est parfaitement sinusoïdal et déphasé de phi par rapport au fondamental de fm.

a) Quand la puissance active délivrée par l'onduleur est positive elle transite depuis la source continue vers la source alternative, ceci pour -ð/2 < ö < ð/2 ce mode de fonctionnement est classique

b) Quand la puissance active fournie par l'onduleur est nulle, il n' y a que la présence de la puissance réactive fondamentale ; l'onduleur, vis-à-vis de la source alternative, peut fonctionner comme un compensateur d'énergie réactive. La valeur moyenne du courant absorbé sur la source est nulle, elle peut être résumé par un condensateur et la valeur de phi vaut ö=#177; ð/2

c) Quand la puissance active délivrée par l'onduleur est négative et transite depuis la source alternative vers la source continue, la valeur moyenne du courant est effectivement négative ; l'onduleur fonctionne alors comme un redresseur avec ð/2 < ö < 3ð/2 [33]

V.4.8 Calculs sur l'onduleur

Soient l'expression de la tension composée de sortie triphasée de l'onduleur :

V.5 INDUCTANCE DE LISSAGE

Le filtrage de sortie par inductance est principalement utilisé dans les générateurs devant se substituer aux réseaux industriels. Le rôle du filtre est de réduire le contenu harmonique haute fréquence du au découpage.

Une inductance est caractérisée par sa valeur en henry, par le courant qui la traverse et l'énergie qu'elle est capable d'emmagasiner .L'énergie joue ici un rôle important, c'elle qui détermine le volume de l'inductance .Il existe en effet une relation entre les grandeurs électriques de l'inductance de lissage du courant d'un convertisseur et ses dimensions géométriques c- a- d entre l'énergie que peut stocker une inductance et son volume.

Pour le dimensionnement de l'inductance, nous nous somme fixé certaines conditions [32] ; la chute de tension que provoquerait la bobine vaut :5 Volts admissible. Si on se fixe une ondulation de courant de 10% du courant nominal (soit 4 A), la valeur L de l'inductance de lissage est donnée par un fonctionnement à rapport cyclique

,par

Après avoir fait le choix du matériau donc Bmax, il sera question de déterminer

en fonction de la densité de courant J et du coefficient de foisonnement á qui tient compte des isolants et de la place perdue. Dans le cas où l'on veut ajuster ì en réalisant un entrefer d'épaisseur e eu supposant que ce dernier est suffisamment faible pour que le flux reste canalisé sur la relation

Pour notre part nous n'allons pas monter un entrefer ayant la valeur de L par calcul nous allons consulter les catalogues des constructeurs afin de réaliser un choix avec celui qui correspondrait pour notre convertisseur mais ce serait encore plus facile de demander à notre revendeur du convertisseur (onduleur) de nous fournir cette inductance s'il ne a pas inséré dans le boîtier de ce dernier

V.6.ASPECT ECONOMIQUE

Nous avons justifié techniquement l'utilisation d'un moteur asynchrone suivi de deux structures à convertisseur à la place d'un moteur synchrone, et il sera question dans ce paragraphe d'analyser la faisabilité du projet en examinant les coûts conséquents .Nous tenons à signaler que ce dernier n'est pas une étude économique approfondie mais plutôt un aperçu sur ce que peut coûter sa réalisation. Nous avons laissé tomber la mise en oeuvre de la régulation mécanique qui devait exiger des modifications à apporter à la structure d'hydrolienne déjà conçu en plus de ces inconvénients au profit de la régulation électronique ci-dessus présentée. L'analyse de la faisabilité se fera par l'estimation du prix d'achat pour chaque composant à commander puis une sommation en suivra :

TableauV.1.Synthèse des prix du dispositif électronique de contrôle de vitesse

Désignation	Caractéristiques	Prix en dollars USD ($)
Moteur Asynchrone	3x220v/15kw (20ch)	650
Redresseur à IGBT	entrée 3x220v/sortie300vmax continue	60
Onduleur à IGBT	entée 300v continue/sortie 3x220v	80
Dispositif de commande Pour redresseur MLI	commande de la tension continue	25
Dispositif de commande Pour onduleur MLI	commande de la fréquence et de la puissance	30
Bobine de lissage	L=4mH,I=50A	20
Condensateur de filtrage	400v/1000ìF	15
Total		880

Pour notre part,nous pensons que le coût du dispositif que nous avons conçu est viable par rapport au coût global d'une hydrolienne du type rutten Model delta 15KVA[2],équivalent au notre,quoique la première partie de notre avant-projet n'a pu été chiffrée..

CONCLUSION GENERALE

La qualité de la vie à la quelle aspire la population mondiale est liée à la consommation de l'énergie alors que cette dernière n'a cessé d'augmenter et que le réchauffement climatique persiste. La RDC n'est pas seulement un scandale géologique mais aussi hydrologique malgré que le taux de desserte en énergie électrique reste encore faible en milieu urbain .Face à cet état de chose en milieu rural ,il serait plus évident de promouvoir des projets plutôt réactives en adoptant une solution à long terme qui est l'hydrolienne .La finalité de ce travail a été celui de concevoir un système de régulation pour l'hydrolienne conçu et dimensionnée pour la ferme Benjin Agriculture .Après une brève présentation de cette dernière nous avons parler de la régulation puis de l'électronique de puissance ,nous avons présenté l'hydrolienne en définissant les paramètres à réguler enfin nous somme passé à la conception du système de régulation de la tension et fréquence de sortie en fonction de la vitesse d'écoulement de l'eau.

La principale contrainte est l'impossibilité d'agir sur la vitesse d'écoulement de l'eau ce qui ne nous a pas permis d'utiliser le régulateur mécanique.

Nous voici au terme de ce travail, après analyse nous avons opter pour la mise en place d'un régulateur électronique, comportant deux structures de convertisseurs statiques. Le premier est un redresseur (AC de fréquence variable /DC) nous permet à travers ces diverses possibilités d'absorber les fluctuations de la tension dues aux variations de la vitesse d'entraînement en régulant la tension continue. Le deuxième convertisseur (DC/AC de fréquence fixe 50hz) est un onduleur nous donnant la possibilité d'avoir une tension de fréquence constante par un asservissement et de maintenir la tension d'alimentation constante en fonction de la charge ceci en gérant le transfert de puissance active et réactive.

En les mettant en place, les utilisateurs auront à leur disposition une énergie électrique disponible et fiable à un coût moindre même dans les milieux les plus reculés de notre pays comme se sera le cas une fois le projet réalisé de la Ferme Benjin agriculture.

Nous en appelons à d'autres chercheurs d'emboîter nos pas dans le domaine des énergies renouvelables en faisant une modélisation complète de l'hydrolienne et une simulation du fonctionnement de celle-ci.

BIBLIOGRAPHIE

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[2]L'ex-Zaïre s'illumine - R_D_C_ - Energie - Belgique - Afrique.mht, le 26 juillet 2001

[3] KAPENDA MUTSHAKA et MUTONJI LUBUYA : « Conception d'une hydrolienne prévu pour un projet d'électrification en milieu rural décentralisé »(cas du projet d'électrification de la ferme Benjin Agriculture),Mémoire ;UNILU, 2005-2006.

[5] Renewables In Global Energy Supply. An IEA Fact Sheet. International Energy Agency.Novembre 2002.

[6] Agence Nationale Pour la Gestion des Déchets Radioactifs. http://www.andra.fr/

[9] Le baromètre du solaire thermique. Systèmes solaires n°163. Octobre 2004.

[10] Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie. http://www.ademe.fr

[11] Baromètre de la géothermie. Systèmes solaires n°156. Août 2003. EurObserv'ER.

[12] Wood Energy Barometer. Systèmes solaires n°158. Décembre 2003. EurObserv'ER.

[14] Photovoltaic Energy Barometer. Systèmes solaires n°160. Avril 2004. EurObserv'ER.

[21] LUKUMU MULAMBA : «cours d'Hydraulique générale », cours ; UNILU/2002-2003 ; Inédit

[22]KAMABU Tsongo : «cours d'Application de l'Energie Electrique », cours ; UNILU/2005-2006 ; Inédit

[29]Michel CHATAIN, « Conception d'un objet »Techniques de l'ingénieur AM3810

[29]PHILIPPPE LETURCQ : « Composants sémi-conducteurs de puissance ; caractère propre »Technique de l'Ingénieurs, traité génie électrique .D3100

[30]Henri FOCHE, François FOREST et Thierry Meynard « Onduleur de tension, structures.principes, applications »Techniques de l'Ingénieurs, traité génie electrique.D3176

[31]Henri FOCHE, François FOREST et Thierry Meynard , « Onduleur de tension,mise en oeuvre »Techniques d'Ingénieurs ,traité génie electrique.D3177

[32]Henri FOCHE, François FOREST et Thierry Meynard : « Convertisseur du type Forward, Dimensionnement »technique de l'Ingénieur, traité Génie Electrique.D3167

[33]Jacques du PARC : « Convertisseurs statiques, réduction de la puissance réactive et des harmoniques »Technique de l'ingénieur, traité Génie électrique.D3210

ANNEXES

Réseau de caractéristiques de puissance d'une hydrolienne en fonction de la vitesse de rotation et de la vitesse du courant. Courbe de puissance typique d'une hydrolienne incluant un écrêtage de la puissance

Types d'hydrogénérateurs marins. De gauche à droite : turbine à axe horizontal (HydroHelix), turbine à axe vertical (Gorlov) et à aile oscillante (Stingray).

Hyrdogénérateur Seaflow de MCT : photos (en maintenance et en service) et schéma fonctionnel électrique (Courtesy of Marine Current Turbines™ Ltd).

Système Stingray (Engineering Business Ltd) à aile hydrofoil : dessin, photographie du prototype et vue d'artiste d'une ferme sous marine .

TABLE DES MATIERES

EPIGRAPHE......... ..................................................................................... I

DEDICACE......... ....................................................................................... II

AVANT-PROPOS .........................................................................................III

* ² William Froude (1810 - 1879) : Ingénieur anglais qui a contribué à l'avancement de l'hydraulique et de la mécanique des fluides. Ses travaux ont surtout porté sur les vagues et les écoulements à surface libre. Le nombre de Froude a été nommé ainsi, en 1919, par le professeur allemand Moritz Weber (1871 - 1951) en l'honneur de Froude qui, en réalité, ne l'a jamais utilisé.

Etude et conception d'un système de régulation automatique de la fréquence et de la tension de sortie d'une hydrolienne en fonction de la vitesse de la roue (cas du projet d'électrification décentralisée de la ferme Benjin Agriculture).

INTRODUCTION GENERALE

CHAPITRE I : PRESENTATION DE LA FERME BENJIN AGRICULTURE ET SA PUISSANCE ELECTRIQUE NETTE

I.1. PRESENTATION DE LA FERME BENJIN AGRICULTURE.

I.1.1 Données Hydrologiques De La Riviere Kiswishi

I.2 GENERALITES SUR LES ECOULEMENTS A SURFACE LIBRE

I.2.1 Introduction

I.2.1.1 Classification des écoulements

I.2.1.1.2 L'écoulement permanent uniforme

· Considérations théoriques

I.2 PUISSANCE ELECTRIQUE NETTE DE LA FERME

I.2.1 Introduction

I.2.2 Hypothèses

I.2.3 Méthodologie de calcul

Tableau I.3 Coefficient de simultanéité pour abonnés

Tableau I.4 Coefficient d'utilisation

I.2.4 Evaluation des puissances installées (pi) et d'utilisation (pui) par classe de consommateurs.

Classe 1 : Ménages.

Classe 2 : Bâtiments administratifs.

Classe 3 : Hangars.

Classe 4 : Restaurant.

Classe 5 : Salle d'informatique

Classe 6 : Eclairage public

Classe 7 : Moulin, groupe frigorifique et station de pompage

CHAPITRE II : ETAT DE L'ART ET SITUATION DE L'HYDROLIENNE DANS LE CONTEXTE DES ENERGIES RENOUVELABLES

II.1. GENERATION D'ENERGIE RENOUVELABLE

II.1 GENERATION DE LA CHALEUR

II.1.1 Thermo solaire

II.1.2 Géothermie

II.1.3 Biomasse

II.3 GENERATION D'ELECTRICITE

II.3.1 Photovoltaïque

II.3.2 Production éolienne

II.3.3 Hydraulique

II.3.3.4 Energie de la mer

v LES HYDROLIENNES

v TYPES D'HYDROLIENNES

CHAPITRE III : GENERALITES SUR LA REGULATION AUTOMATIQUE ET L'ELECTRONIQUE DE PUISSANCE

III.1. LA REGULATION AUTOMATIQUE[22].

III.1.2 Définitions

III.2 REPRESENTATION GRAPHIQUE D'UN SYSTEME ASSERVI

III.3. LES DIFFERENTS TYPES DE SYSTEMES

III.4 SYSTEME BOUCLE

III.5. STABILITE

III.6 LES DIFFERENTES TECHNIQUES [23]

III.7 EXEMPLE DE BOUCLE DE REGULATION

III.2 ELECTRONIQUE DE PUISSANCE

III.2.1 Généralités

III.2.2 Les interrupteurs [23]

Fig.III.1.Synthèse sur les interrupteurs de puissance

Historique

Les diodes

Les MOSFET de puissance

Les Transistors bipolaires de puissance

Les IGBT

Les thyristors

Commutation dure et commutation douce

Quelques dispositifs

CHAPITRE IV : PRESENTATION DE L'HYDRAULIENNNE DIMENSIONNEE POUR LA FERME BENJIN AGRICULTURE AINSI QUE LES PARAMETRES A REGULER

IV.1 PRESENTATION DE L'HYDROLIENNE [4]

IV.2 LA ROUE HYDRAULIQUE

IV.2.1 Détermination des quelques grandeurs géométriques

IV.2.1.1 Grandeurs géométriques

IV.2.1.2 Détermination du couple de torsion

IV.3 LA GENERATRICE ELECTRIQUE

IV.3.1. La génératrice continue

IV.3.2. La génératrice asynchrone

IV.3.3 La génératrice synchrone ou alternateur

IV.4.LES FLOTTEURS

CHAPITRE V : ETUDE ET CONCEPTION DU SYSTEME DE REGULATION DE FREQUENCE EN FONCTION DE LA VITESSE DE LA ROUE DE L'HYDROLIENNE

V.1 LE DISPOSITIF MECANIQUE DE CONTROLE

V.2 LE DISPOSITIF ELECTRONIQUE DE CONTROLE DE FREQUENCE: GENERATRICE ASYNCHRONE +CONVERTISSEUR DE PUISSANCE

a)Principe général.

b) Alimentation utilisant un redresseur à diode et un onduleur contrôlés par MLI

c) alimentation utilisant un redresseur et un onduleur contrôlé par MLI

V .1.1 GÉNÉRATRICE ASYNCHRONE

Ø Principe de fonctionnement d'une génératrice asynchrone [25]

Ø Rappel sur la loi de Faraday

V.2 LE REDRESSEUR

V.2.1 Pont de Graetz classique