Étude de machines électriques non conventionnelles pour des alternateurs industriels
Production d’électricité
L’importance de l’électricité comme vecteur d’énergie n’a cessé de croitre depuis les premières applications à la fin du XIXème siècle. La tendance devrait se prolonger au cours du XXIème siècle, comme l’annoncent toutes les prévisions [IEA14]. A ces besoins croissants en énergie s’ajoute le besoin d’aller vers des technologies avec le moindre impact possible sur l’environnement. Les machines électriques tournantes sont depuis leur origine au cœur du système électrique, soit comme génératrice d’énergie électrique ou comme moteur. L’industrie des actionneurs électriques évolue donc vers des densités de puissance plus élevées, vers des meilleurs rendements et vers un meilleur usage des matières premières. La production d’électricité continue à nos jours à être principalement basée sur des systèmes de conversion électromécanique : un alternateur transforme en énergie électrique la puissance mécanique transmise par une force motrice ou source primaire à laquelle il est couplé. Les types de forces motrices les plus répandues sont : les turbines à gaz, les turbines à vapeur, les turbines hydrauliques, les éoliennes et les moteurs diesel [BOL06a]. Les turbines à gaz et à vapeur utilisent des combustibles fossiles, de l’énergie nucléaire ou géothermique. Les turbines hydrauliques fonctionnent à partir de l’énergie potentielle hydraulique. Les éoliennes obtiennent une énergie mécanique à partir du mouvement du vent. Toutes ces forces motrices ont des caractéristiques différentes en termes de puissance mécanique et de vitesse de rotation. Par conséquent, pour chacune de ces sources, il est nécessaire d’avoir des alternateurs avec des caractéristiques différentes. Pour les turbines à gaz, les turbines à vapeur, les moteurs diesel et les turbines hydrauliques, qui ont une vitesse de rotation constante, des alternateurs synchrones sont surtout utilisés. L’alternateur fournit alors une tension de sortie à fréquence constante. Pour le cas des éoliennes où la source est intermittente, des systèmes de conversion à vitesse variable sont habituellement employés. Le choix des topologies d’alternateurs à vitesse variable est alors plus flexible [BOL14a]. Nous allons maintenant décrire notre application où l’alternateur est couplé à un moteur diesel, constituant un groupe électrogène. Notre application : Groupe électrogène Les groupes électrogènes sont composés d’un moteur thermique diesel, dans la plupart des cas, associé à un alternateur synchrone qui est assemblé sur le même arbre. La figure I.1 présente un diagramme de sa structure [BEN14]. Dans un groupe électrogène conventionnel, le moteur tourne à vitesse constante et l’alternateur alimente directement la charge ou est connecté au réseau électrique. Le régulateur du moteur assure une vitesse constante face aux variations et l’alternateur a donc une fréquence stable. Le régulateur de l’alternateur contrôle le courant d’excitation. A partir de ce dernier, on peut contrôler les niveaux de la tension de sortie de l’alternateur si celui est couplé à une charge. Lorsqu’il est connecté au réseau, on peut contrôler sa puissance réactive. Figure I.1. Structure d’un groupe électrogène [BEN14] Nous allons nous focaliser sur les groupes électrogènes à basse tension, avec 400/230 𝑉 à la sortie de l’alternateur et une fréquence de 𝑓 = 50 𝐻𝑧 ou 𝑓 = 60 𝐻𝑧. Les puissances électriques de ces alternateurs vont de 8.5 𝑘𝑉𝐴 jusqu’à 2 𝑀𝑉𝐴 pour des fréquences de 50 𝐻𝑧. Les moteurs diesel travaillent à des vitesses de 𝑛 = 1500 𝑡𝑟/𝑚𝑖𝑛 (pour avoir 50 𝐻𝑧) ou de 𝑛 = 1800 𝑡𝑟/𝑚𝑖𝑛 (pour avoir 60 𝐻𝑧). Le nombre de paires de pôles 𝑝 est alors : 𝑝 = 60 𝑓 𝑛 ( I.1 ) Les alternateurs synchrones pour notre cas doivent être à 4 pôles. Nous pouvons distinguer deux types d’applications pour les groupes électrogènes : Applications comme source de puissance principale : Le groupe doit fournir de la puissance en permanence comme dans les sites isolés électriquement. Un exemple de cette application pourrait être celui des réseaux embarqués dans les bateaux ou celui des chantiers de construction. Le coût d’exploitation est réduit si l’alternateur a un bon rendement. Applications comme source de puissance de secours (stand-by) : Le groupe électrogène est démarré lorsqu’il y a des coupures d’électricité comme dans le domaine résidentiel, dans les hôpitaux, dans les centres informatiques, etc… Puisque l’alternateur est en fonctionnement un nombre d’heures réduit dans l’année, le prix constitue un critère de choix important pour l’alternateur. Les groupes électrogènes sont habituellement surdimensionnés et fonctionnent à faible charge. Des améliorations peuvent être obtenues si le groupe travaille à vitesse variable. Dans ce cas, il est associé à un à convertisseur AC/DC et puis à un convertisseur DC/AC permettant [BRO02] : D’augmenter la vitesse de fonctionnement du moteur diesel et de réduire sa taille pour une même puissance. D’hybrider le groupe électrogène : Cela consiste à rajouter un moyen de stockage, comme des supercondensateurs ou des batteries, connectées au bus DC. La flexibilité obtenue par le moyen de stockage permet une réduction de la taille du groupe et une économie du carburant [KRA15]. D’utiliser des machines plus compactes grâce à l’augmentation de la vitesse. D’autres topologies de machines électriques peuvent être employées avec un nombre autre que quatre pôles : machines à aimants permanents [TOL03], machines à commutation de flux, machines à double excitation, etc… Pourtant, le coût des convertisseurs limite à l’heure actuelle l’emploi de ce type de technologie dans les groupes. La plupart restent à vitesse constante. Objectif de la thèse: L’objectif de ces travaux est d’analyser des structures de machines électriques non conventionnelles pour une application groupe électrogène à vitesse fixe. Nous cherchons des structures permettant un contrôle du flux d’excitation. Ces structures devraient employer moins de matières actives et/ou faciliter la fabrication.
Alternateur synchrone avec rotor bobiné à pôles saillants
Dans cette section, nous faisons une description de l’alternateur synchrone. Ensuite nous dressons un état de l’art des structures d’alternateur avec contrôle du flux d’excitation et des innovations dans le système d’excitation.
Description de l’alternateur
L’alternateur est composé d’une machine principale et d’un système d’excitation. La machine principale est à quatre pôles saillants avec un bobinage d’excitation alimenté en courant continu. Le système d’excitation est sans bagues et balais (dit brushless). Il est formé par une machine inversée, appelée excitatrice, dont l’induit est connecté à un pont redresseur tournant. Une vue de l’alternateur et de ses composants se trouve sur la figure I.2. Figure I.2. Eléments de l’alternateur principal [LS01] L’alimentation de l’excitatrice est contrôlée par un régulateur. Il y a plusieurs systèmes pour alimenter l’inducteur de l’excitatrice : alimentation directe depuis la tension de sortie de l’alternateur (excitation SHUNT), alimentation par une génératrice à aimants permanents (excitation PMG) et alimentation par des bobinages supplémentaires au stator qui captent les harmoniques de l’induction magnétique d’entrefer (excitation AREP). La machine à pôles saillants est une structure de machine utilisée depuis l’invention des systèmes électriques triphasés. La première machine à pôles saillants est attribuée à Haselwander en 1887 [NEI92]. La figure I.3 présente cet alternateur, avec 4 pôles et une puissance de 2.8 kW. Figure I.3. Premier alternateur triphasé à pôles saillants de Haselwander, 1887 [WIK01] L’alternateur avec rotor à pôles saillants est une structure mature et fiable. Les principales avancées dans ce type de technologie correspondent aux évolutions dans les matériaux ferromagnétiques, dans les matériaux isolants [BOU04] et au développement des logiciels de calcul éléments finis qui ont permis de raffiner le design sur le plan multi-physique. Toutes ces avancées ont entrainé une amélioration de la puissance massique et du rendement de la machine. Cependant, au niveau du design électromagnétique, la structure reste semblable à celle d’origine. La machine à pôles saillants actuelle possède les caractéristiques suivantes : Le bobinage statorique est à pas raccourci de 2/3 pour éviter l’existence d’une composante harmonique de courant de rang 3. Le rotor a un circuit amortisseur. Il est formé par plusieurs barres en cuivre ou aluminium court-circuitées par deux plaques aux extrémités du paquet de tôles. En régime permanent, les amortisseurs lissent la forme d’onde de l’induction magnétique d’entrefer qui contient des pulsations liées aux encoches et à la distribution discrète des conducteurs dans le stator. En régime transitoire, le circuit amortisseur influe le comportement de la machine (son couple et les courants de défaut) en court-circuit et face aux variations soudaines de charge, couple ou courant. L’utilisation de la machine à pôles saillants est très répandue comme génératrice dans la production d’électricité à basse vitesse. Depuis ces dernières années, elle ressuscite l’intérêt pour des applications moteur comme alternative aux machines à aimants permanents. La machine à pôles saillants a un rendement et une densité de puissance massique plus faibles que les machines à aimants pour des volumes d’encombrement réduits. Ceci s’explique parce que le bobinage d’excitation requiert plus de place qu’une excitation par des aimants. En revanche, elle reste une structure intéressante du point de vue économique. Par exemple, le moteur électrique de traction de la Renault ZOE est de ce type [SAN12]. Nous traitons dans ce paragraphe des innovations récentes dans l’alternateur. Nous distinguons celles qui concernent l’alternateur principal de celles du système d’excitation.
Innovations dans l’alternateur principal
L’analyse bibliographique de l’alternateur principal commence par les structures d’alternateur à simple excitation bobinée, objet de la thèse, et continue avec les structures à double excitation. (1) Structures à excitation simple bobinée Parmi les structures à excitation simple bobinée, l’alternateur classique à pôles saillants continue d’être la structure la plus répandue pour notre application. A notre connaissance, les publications concernant l’amélioration des structures à simple excitation sont peu nombreuses dans la littérature. Par la suite, nous montrons quelques exemples. Dans l’article [YAN15], un rotor avec des pôles asymétriques est proposé (il se trouve sur la figure I.4). Il permet une insertion facile des bobinages d’excitation. Ses performances sont semblables à celles d’une machine conventionnelle.
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