CONVERSION DE PUISSANCE

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1 Spé ψ Devoir n 6 CNVERSIN DE PUISSANCE L obje de ce problème consise à éudier la producion d énergie élecrique à parir d une éolienne. Le disposiif pore alors le nom d «aérogénéraeur» e es consiué de plusieurs sous-ensembles qui von êre éudiés successivemen. La phoographie ci-conre représene deux mas éoliens servan de suppor aux aérogénéraeurs : ils son de haueur 30 mères, les pales éan de longueur 14 mères. La puissance nominale de chaque aérogénéraeur es P n = 300 kw. Les pales enraînen une générarice élecrique qui doi fournir une énergie élecrique «uile». Les aérogénéraeurs son souven reliés au réseau élecrique de disribuion ce qui nécessie une énergie sous forme alernaive, de fréquence 50 Hz e de valeur efficace de ension sable e égale à V n = 400 Vols. PARTIE I GENERATRICE SYNCHRNE La générarice uilisée es une machine à couran alernaif de ype synchrone, à exciaion indépendane. Le principe simplifié d une elle machine, el qu il sera uilisé dans la suie es le suivan : «l indui» de la machine, bornes e du schéma de la figure 1, fourni une ension sinusoïdale noée v M (), au moyen d un schéma élecrique équivalen fourni par la figure 2 cidessous : Sur ce schéma, e M () désigne la force élecromorice (ou f.e.m.) e i M () représene le couran délivré par la machine (convenion généraeur). Le couran, la f.e.m. e la ension son ous supposés sinusoïdaux, de même pulsaion ω M. n peu alors noer : ( ) = 2 sin ( ω + α ) ; v ( ) = V 2 sin ( ω ) ; i ( ) = I 2 sin ( ω ϕ) e E E+ E ω figure 1 E M, V M e I M représenen respecivemen la valeur efficace de e M (), v M () e i M (). L angle α es le déphasage «avance» de la f.e.m. par rappor à la ension ; l angle ϕ es le déphasage «reard» du couran par rappor à la ension. La viesse de roaion de la machine synchrone sera noée ω e son couran d exciaion sera noé I E : il s agi d un couran coninu qui doi circuler enre les bornes E+ e E du schéma de la figure 1. Compe enu de ces noaions, les propriéés de la machine permeen d écrire les relaions suivanes : E M = k ω M I E. k es une consane «de consrucion», L représene une inducance équivalene. Leurs valeurs numériques son les suivanes : k = 0,11 V s A 1 ; L = 3 mh. I-1) Rappeler le principe de foncionnemen d une générarice synchrone en soulignan les caracérisiques principales Spé ψ page 1/5 Devoir n 6 v M () L e M () i M () figure 2 v M ()

2 I-2) L aérogénéraeur ourne à viesse consane e la machine synchrone ourne égalemen à la viesse consane ω Μ. Le couran d exciaion de la machine es égalemen mainenu consan. Les valeurs numériques son les suivanes : ω M = 314 rd s 1 e I E = 25 A. Dans ces condiions, la valeur efficace de la f.e.m. ainsi que la pulsaion son consanes. a) Jusifier l expression de E M e calculer les valeurs numériques de E M e de la fréquence f M de oues les grandeurs sinusoïdales. Quelle es, en r mn 1, la viesse de roaion de la machine noée N 0? Quelle es l inerpréaion de α? b) La machine délivre un couran de valeur efficace I M1 = 300 A, en phase avec la ension (récepeur résisif). Tracer l allure du diagramme de Fresnel représenan les ampliudes complexes E M, V M e I M en faisan apparaîre, si besoin es, les angles orienés α e ϕ. c) Calculer numériquemen la valeur efficace de la ension V M1 aux bornes de la machine. I-3) En réalié, le récepeur n es pas puremen résisif e possède une impédance Z C. a) Tracer l allure du diagramme de Fresnel représenan les ampliudes complexes E M, V M e I M pour un angle ϕ négaif quelconque, en faisan apparaîre, si besoin es, les angles orienés α e ϕ. b) Éablir la relaion donnan E M sin(α) en foncion de I M, ϕ e Z où Z es l impédance de la bobine L. Cee relaion dépend-elle du signe de ϕ. c) Donner l expression de la puissance moyenne reçue par la charge, noée P, en foncion de E M, V M, Z e de l angle α. Quel es le domaine de définiion de α? d) Pour une valeur de ension V M fixée, quelle valeur α 0 de l angle α perme d obenir une puissance maximale si la viesse rese consane e l exciaion égalemen? e) Pour cee valeur de ension e pour ce angle α 0, quelle es alors la naure du récepeur? PARTIE II REDRESSEMENT Afin d éliminer les problèmes liés à la variaion de viesse de roaion de l éolienne nécessaire pour assurer le maximum de puissance qui dépend de la viesse du ven, on doi uiliser un éage de conversion élecronique avan de délivrer la puissance au réseau. Le disposiif es alors celui représené sur la figure 3 où deux converisseurs, appelés Redresseur e nduleur, son disposés en cascade enre la machine e le récepeur. ω v M () = REDRESSEUR i L u C L C v L C C figure 3 v C = NDULEUR SECTEUR n noera la présence de l inducance L C e du condensaeur C C. Dans oue cee parie 2, on considère que la ension v C aux bornes du condensaeur rese consane, égale à V C. n néglige l influence de L e l on peu donc considérer que la ension alimenan le redresseur es égale à : ( ) ( ) 2 sin ( ) v = e = E ω avec E M = 400 V e M ω M = 314 rd s 1. Le redresseur es un pon double à diodes comme représené sur la figure 4 ci-conre, les diodes éan considérées comme parfaies. n considère que ce monage D 1 D 2 Spé ψ page 2/5 figure Devoir 4 n 6 v M i M D 1 i L D 2 u C

3 redresseur foncionne en conducion coninue e que, par conséquen, le couran i L () qu il délivre ne s annule jamais lorsque le monage foncionne en régime éabli, seul régime éudié ici. Compe enu des noaions, on aura donc : i L () > 0. II-1) Calcul de la ension V C. a) À parir du racé de la ension e M (), jusifier e racer l allure de la ension u C () en sorie du redresseur. b) Déerminer, en foncion de E M, l expression liérale donnan la valeur moyenne U C0 de cee ension u C (). c) En déduire l expression de la ension V C aux bornes du condensaeur. Calculer numériquemen V C. II-2) n souhaie déerminer la valeur minimale à donner à l inducance L C. Pour cela, on uilise la décomposiion en série de Fourier de la ension u C (). Comme la foncion u C () es paire, 2 T C l ampliude de son fondamenal es donné par la relaion UC1 2 = uc ( ) cos( C) d T ω. 0 E M. a) Déerminer la valeur efficace de son erme fondamenal, noé U C1, en foncion de Rappel : sin ( a) sin ( b) = 1 sin ( a + b) + sin ( a b) 2. b) Déerminer la valeur efficace V L1 du erme fondamenal de la ension v L () en foncion de E M. c) En déduire l expression de la valeur efficace du erme fondamenal du couran i L (), erme noé I L1, en foncion de E M, ω M e L C. d) Quelle es la valeur minimale à donner à l inducance L C pour que l ampliude du fondamenal du couran i L () rese inférieure à 5 A? Calculer numériquemen cee valeur. II-3) Le disposiif délivre une puissance moyenne P = 300 kw. a) Déerminer la valeur moyenne I L0 du couran i L (). Calculer numériquemen I L0. b) Que peu-on conclure sur l allure du couran i L () si la conraine de la quesion II- 2-d es vérifiée? II-4) Quels son les effes d un ralenissemen de l aérogénéraeur? C PARTIE III ASSERVISSEMENT DU CURANT D EXCITATIN Dans le disposiif éudié précédemmen, une variaion de viesse peu s avérer préjudiciable au bon foncionnemen de la conversion d énergie. Afin de la compenser, on réalise un asservissemen en piloan le couran d exciaion i E de la machine. En effe, on peu considérer que la ension v C obenue (cf. figure 3) es proporionnelle à ce couran e l on noera donc : v C = k C i E. Une augmenaion du couran i E perme donc d augmener cee ension. La valeur numérique du coefficien de proporionnalié es : k C = 4 Ω. Le bobinage d exciaion de la machine (bornes E+ e E T L E de la figure 1) peu aisémen êre modélisé par un dipôle résisif e u inducif, de résisance R E e d inducance L E comme indiqué sur la T () figure 5 ci-conre. V 0 D u S Sur cee même figure 5 es égalemen dessiné le disposiif de commande du couran réalisé au moyen d un simple hacheur figure 5 série, lui-même alimené par une source de ension V 0 consane. L inerrupeur noé T es parfai e se compore de la façon suivane : lorsque sa commande u T es posiive, il es fermé (équivalen à un cour-circui) e lorsque sa commande u T es négaive, il es ouver (équivalen à une impédance infinie). La diode D es parfaie (aucune pere, commua- Spé ψ page 3/5 Devoir n 6 ie R E

4 ions insananées). n rappelle que le rappor cyclique d un hacheur série correspond à la fracion de période pendan laquelle l inerrupeur T es «fermé». III-1) Le signal de commande u T es obenu par comparaison d une ension u H (), supposée varian «lenemen» au cours du emps, avec une foncion périodique f() de forme riangulaire, d ampliude u H0 = 10 V (on noera T H la période de f()). La figure 6 ci-conre présene le monage uilisan un A.L.I. parfai, alimené par des sources de ensions symériques + V DD e V DD (avec V DD > u H0 ) non représenées. Sur le documen réponse ci-dessous, à rendre avec la copie, racer l allure des ensions u T () e u S (). u H () f() + figure 6 III-2) Le rappor cyclique es mainenu consan, égal à β 0, pendan plusieurs périodes successives de f(), ce qui correspond donc à une ension u H consane. n s inéresse alors à un régime éabli périodique de oues les grandeurs élecriques éudiées sur ce hacheur. En pariculier, le couran i E () es périodique. a) Déerminer l expression de la valeur moyenne U S0 de la ension u S en foncion de β 0 e de V 0. b) Déerminer la valeur moyenne du couran i E () noée I E0, en foncion de β 0, V 0 e R E. III-3-a) En prenan comme origine des emps un insan de fermeure de l inerrupeur T, déerminer le couran i E () en uilisan V 0, les paramères R E e L E e les valeurs maximale (resp minimale) noées I MAX e I MIN du couran i E (). Ces deux valeurs son supposées sricemen posiives. LE n noera τ E =. R E b) n suppose dans la suie que la période T H es rès faible devan τ E. Déerminer l expression rès simple donnan I MIN en foncion de β 0, V 0 e R E. c) Déerminer l expression donnan I MAX en foncion de I MIN, T H, β 0 e τ E. III-4) n souhaie déerminer la valeur limie de la fréquence de commuaion f H. a) En uilisan les expressions simplifiées obenues aux quesions précédenes, déerminer l expression de l ondulaion du couran i E noée i E en foncion uniquemen de β 0, V 0, L E e T H. b) Quelle valeur de rappor cyclique β 0 rend cee ondulaion maximale? c) Déerminer, en foncion de L E, l expression de la période de découpage maximale du hacheur, noée T HMAX, assuran une ondulaion I E < 1 A, quel que soi le rappor cyclique. Calculer alors la fréquence minimale f MIN de foncionnemen de ce hacheur pour les valeurs numériques suivanes : L E = 50 mh e V 0 = 400 V. u T () Spé ψ page 4/5 Devoir n 6

5 Documen réponse Nom e prénom :... u H0 f() u H () T H 2T H 3T H 4T H u T () u S () Spé ψ page 5/5 Devoir n 6

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