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.
On pourra avoir :
- 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.
Pour parvenir à cet objectif, idéalement une
hydrolienne doit comporter
- 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
Dans les centrales hydroélectriques, le rôle du
régulateur mécanique est :
- 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.
- Prévenir les grands écarts de vitesse
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.
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