UNIVERSITE LIBRE DE BRUXELLES Faculté des Sciences Appliquées SERVICE "GENIE ELECTRIQUE" (J.C. MAUN) SUJETS DE TRAVAUX DE FIN D'ETUDES 2004/2005 Pour les électromécaniciens, des stages peuvent être proposés chez A.B.B. Jumet et TRACTEBEL. Un support peut être fourni pour la recherche de stages dans le secteur électrique (ELECTRABEL ELIA Bel Engineering) 1. GENERATION DES SIGNAUX TRANSITOIRES ELECTRIQUES POUR LES TESTS DE RELAIS DE PROTECTION DE ELIA ET LES ESSAIS D ALGORITHMES DE SIEMENS On souhaite générer des signaux de tension et de courant par la simulation de configurations typiques de réseaux électriques (ligne - ligne double ; alternateur sur réseau infini). On s appuiera sur le programme EMTP (Electromagnetic Transient Program), qui fait référence en la matière. La création des signaux doit être automatisée. Les modèles seront de complexité variable. L architecture du système sera modulable et inclura un pré-processeur spécialisé et un post-processeur assurant des fonctions de traitement des signaux et préparant leur restitution sous forme analogique. Il permettra de piloter le système de test CMC56 de OMICRON et l installation d essai ELIA, le gestionnaire du réseau électrique belge. Mots clés : modélisation des transitoires des réseaux électriques utilisation et maîtrise de EMTP conception de tests de relais 2. ELECTRE-NT@WEB Le sujet du TFE porte sur l utilisation du logiciel ELECTRE_NT sur Internet. ELECTRE_NT est un logiciel CAO destiné aux applications industrielles de schématique électrique et de câblage. Le sujet de ce travail est en cours d élaboration avec ELSYS, la firme qui développe ELECTRE_NT L encadrement technique sera assuré par Jacques GOLDSTEIN de la société ELSYS. 1
Mots clés : CAO Internet ingénierie collaborative 3. Détection de défauts internes aux moteurs asynchrones par le suivi d'observables attachés au défaut. Une des approches utilisées pour détecter l'apparition de défauts internes (courts-circuits, barres cassées, excentricités,..) dans les machines asynchrones est la génération de signaux sensibles aux défauts et faiblement affectés par les perturbations telles que l'alimentation non sinusoïdale de la machine ou l'oscillation du couple résistant. De telles grandeurs sont appelées résidus. On les engendre en concevant des filtres basés sur un modèle de la machine. Il s'agit de trouver un modèle d'une complexité suffisante pour reproduire raisonnablement le comportement nominal de la machine et ses comportements défectueux tout en limitant la complexité de manière à pouvoir évaluer les résidus en temps réel. Le travail consistera à concevoir différents générateurs de résidus basés sur des modèles plus ou moins complexes, à comparer leurs performances et à retenir ceux qui permettent le diagnostic des défauts envisagés. Mots-clés : Machines asynchrones Modèles temporels Identification de paramètres Modes observables et modes communs Génération de résidus 4. Analyse technico-économique comparée des installations de production de froid utilisant l électricité d une part, le gaz naturel d autre part, comme source principale d énergie Contexte : La libéralisation des secteurs gaz et électricité implique une scission nécessaire des métiers de gestion des réseaux d une part, de production et de vente d énergie d autre part. La gestion des réseaux, raison d être de Sibelga pour la Région de Bruxelles-Capitale, demeure une activité de type monopolistique, mais le rôle des régulateurs, fédéral et régionaux, se traduira dans les prochaines années par une pression accrue sur les coûts (certainement) couplée à des exigences accrues en matière de qualité et de continuité de service (probablement). En outre les régulateurs opéreront par benchmarking, c est-à-dire par comparaison entre les différents 2
gestionnaires de réseau, en Belgique, mais aussi par rapport à nos pays voisins, ce qui se traduira par des objectifs d alignement sur «le 1 er de classe». Un moyen de diminuer les coûts sans entraver la qualité du service fourni est d améliorer l utilisation des réseaux : les réseaux sont dimensionnés pour véhiculer des puissances et des débits en situation de pointe alors qu une partie importante de la tarification de ces réseaux se fait au prorata de l énergie consommée par le clientèle. L utilisation annuelle (énergie annuelle consommée / pointe annuelle de puissance) du réseau gaz de Sibelga est très faible. Ceci s explique par l absence quasi complète d industrie lourde en Région de Bruxelles-Capitale ; le gaz naturel est de ce fait quasi intégralement consommé pour le chauffage et pour la production d eau chaude sanitaire. La consommation est donc fortement dépendante de la température extérieure, avec une pointe hivernale et une consommation «résiduelle» en été. L utilisation annuelle du réseau électricité de Sibelga est beaucoup plus importante (de l ordre de 5500h). Selon les quartiers, la charge alimentée est soit de type résidentielle, soit de type professionnelle tertiaire. La pointe est observée dans le premier cas en début de soirée et en hiver (influence de l éclairage et présence de chauffage électrique d appoint) ; certains immeubles résidentiels sont par ailleurs équipés de chauffage électrique à accumulation et présentent une pointe assez marquée au début de la période d heures creuses (22 ou 23heures). En ce qui concerne les consommations professionnelles, la pointe est observée aux alentours de midi en hiver, mais nous observons une nette inversion de tendance dans les quartiers de construction récente pour lesquels la pointe est significativement plus élevée en été, en raison de la généralisation de l air conditionné. De ce constat, il appert que, du point de vue du gestionnaire de réseaux gaz et électricité, il serait profitable de limiter autant que faire se peut les charges électriques fonction de la température (chauffage & air conditionné), et de promouvoir l utilisation du gaz naturel pour ces usages. Ceci peut paraître saugrenu, mais il faut savoir que les installations de climatisation utilisant le gaz naturel sont déjà largement répandues au Japon. Le point de vue du gestionnaire du réseau ne doit pas éluder d autres considérations : Le coût d investissement / exploitation / maintenance pour l utilisateur Les bilans écologique et énergétique (rendement, bilan CO 2 notamment) Travail proposé Sibelga souhaite obtenir une analyse comparative fouillée des installations de climatisation utilisant l électricité d une part, le gaz naturel d autre part, comme source d énergie. Cette analyse doit conclure à l opportunité ou non de promouvoir, en Région de Bruxelles-Capitale, les installations de climatisation utilisant de l eau glacée produite au moyen du gaz naturel. L analyse portera sur : 1. La description des différents systèmes de climatisation disponibles aujourd hui. 3
2. L évaluation de ces systèmes sous les angles énergétique, économique et écologique pour l usage domestique / petit professionnel d une part, pour l équipements de grands immeubles tertiaires d autre part. 3. L estimation des coûts évités en développement / renforcement du réseau électrique par le gestionnaire du réseau grâce à la promotion de la climatisation au gaz naturel (à exprimer en / kw d air co installé) Un bilan chiffré global, prenant en compte les résultats du point 3, conclura l analyse et devra déboucher sur une orientation en faveur ou en défaveur du gaz naturel. Sibelga est d avis que ce travail peut constituer un sujet intéressant de mémoire de fin d étude. Il serait même possible de confier les analyses gaz et électricité à deux étudiants distincts, à charge pour eux de s accorder sur la conclusion. Opportunité Sibelga est une entreprise très jeune et dynamique, occupant une trentaine d agents dont trois ingénieurs (ce nombre devrait croître dans un avenir proche). Elle est confrontée à des défis importants (donc exaltants) dans un secteur stratégique, celui de l énergie. Le ou les étudiants qui seront retenus pour le travail proposé, tout en bénéficiant d un encadrement professionnel de qualité, auront une opportunité unique d observer de près les moments clé de la libéralisation des marchés du gaz et de l énergie en Région de Bruxelles- Capitale. 5. LOCALISATION DES DEFAUTS DANS LES RESEAUX URBAINS La localisation des défauts dans les réseaux urbains se doit de résoudre des problèmes particuliers En effet, une modélisation grossière des sections de câbles entraîne des erreurs par trop importantes pour être satisfaisante. De plus, ces réseaux sont généralement exploités en boucle fermée, rendant possible après synchronisation des mesures, une méthode de localisation basée sur les mesures aux deux extrémités, plus précise que des méthodes simple extrémité. Une application envisagée serait la localisation de défaut ayant eu lieu sur le réseau de distribution bruxellois à partir de perturbographies prises par des relais de distance. Mots clés : localisateur de défaut modélisation de câbles électriques perturbographies 4
6. IMPACT D ACTIONS DE MAINTENANCE PREVENTIVE SUR LA DEGRADATION D EQUIPEMENTS DU RESEAU ELECTRIQUE (en collaboration étroite avec le service de Gestion de la Maintenance d Elia) Promoteurs : P-E. Labeau J.C. Maun Contexte Les équipements industriels vieillissent, ce qui augmente leur propension à tomber en panne et diminue conjointement leur niveau de performance. La maintenance préventive a pour objet de rajeunir un composant vieillissant, afin d en réduire les risques de panne, et s effectue généralement de manière périodique, ou plus vraisemblablement sur la base d inspections périodiques de l état du composant. Il est cependant difficile d exprimer, dans le cadre d une modélisation hors ligne d un planning de maintenance, dans quel état se trouve un composant, alors qu une telle information est plutôt du ressort de la surveillance en ligne ou de la mesure d une quantité physique (p.ex. un niveau d huile) permettant d extrapoler cet état. Les instants auxquels des interventions de maintenance préventive doivent s effectuer peuvent en tout cas difficilement être considérés comme liés de manière déterministe à l âge (effectif) du composant. Ils seront plus vraisemblablement fonction d un niveau de dégradation ou d usure atteint par l équipement en question et relevé lors d une inspection. Impact de la maintenance préventive Supposons qu un processus stochastique décrive l évolution au cours du temps d une variable de dégradation. Celle-ci se poursuit jusqu à ce qu un seuil de dégradation soit atteint, celui-ci correspondant à la défaillance du composant. À cette dégradation s ajoute une probabilité de panne directe du composant. Les paramètres de ce double processus (dégradation + panne directe) doivent être déterminés afin de donner une distribution du temps de défaillance cohérente avec les hypothèses du problème (p. ex. une Weibull). Les opérations de maintenance peuvent être planifiées chaque fois qu un seuil d alerte sur la dégradation est franchi, ou plus précisément chaque fois que ce franchissement est détecté au cours d une inspection. Les performances d une politique de maintenance préventive peuvent donc être estimées en simulant au cours du temps l évolution de la dégradation et en tenant compte du rajeunissement obtenu à chaque intervention. Ce dernier phénomène se caractérise par une réduction de la dégradation du composant. Cette réduction est liée à l augmentation de vie résiduelle moyenne apportée au composant, et est d autant moins importante que le nombre d interventions préalables de maintenance préventive est élevé. L évolution d un tel facteur de réduction avec le nombre d interventions peut être considérée comme connue, sur la base de cette augmentation de vie résiduelle. Le problème pratique auquel on est confronté est le volume de calcul requis pour introduire une simulation continue de la dégradation dans un modèle de maintenance sur un intervalle de temps long, avec de multiples équipements en interaction. Il est dès lors souhaitable de disposer d un outil plus efficace en termes de temps de calcul, basé p. ex. sur l approche suivante : une maintenance est programmée chaque fois que l âge effectif du composant excède une valeur donnée, mais la réduction d âge effectif obtenue est une variable aléatoire, croissante en moyenne avec le nombre d interventions déjà effectuées. 5
Une piste de travail consisterait donc à traduire la courbe déterministe de réduction de la dégradation obéissant à un processus aléatoire en des distributions de probabilité pour les coefficients de réduction de l âge effectif, au fur et à mesure des interventions de maintenance effectuées. Cette traduction devrait se faire en conservant le plus possible un certain nombre de caractéristiques du composant. Une telle correspondance serait d abord réalisée pour un seul composant soumis à un seul type de maintenance. Elle pourrait être étendue à des processus mélangeant les interventions de maintenances mineure et majeure. Une autre extension concernerait un ensemble de composants présentant des dégradations corrélées (par un environnement partagé et des conditions d exploitation communes). Ceci conduirait potentiellement à des âges effectifs différents pour des composants inspectés simultanément, avec une décision à prendre sur la maintenance conjointe d équipements dont certains n ont pas atteint l âge effectif requis. 7. EXPLOITATION DU RETOUR D EXPERIENCE SUR LE RESEAU ELECTRIQUE POUR L OPTIMISATION DE SA POLITIQUE DE MAINTENANCE (en collaboration étroite avec le service de Gestion de la Maintenance d Elia) Promoteurs : P-E. Labeau J.C. Maun Elia est entré dans le processus de définition de banque de données de retour d expérience destinée à être utilisée dans le processus d optimisation de sa politique de maintenance. Le but de ce travail consiste à estimer les lois de comportement du matériel sur base de ce retour d expérience. Il faudra tenir compte de l effet de la maintenance qui entache la mesure des taux de défaillance. La définition précise de ce travail est en cours d élaboration avec Elia. Les informations de base disponibles comprennent : - Le retour d expérience de la maintenance : coût de la maintenance, durée de la maintenance, historique des entretiens, avis de pannes, age réel des équipements, - Le retour d expérience de l analyse d incident: probabilités d apparition d un défaut, probabilités de défaillances de matériel, statistiques d incidents, performances des appareils, - Le retour d expérience de l exploitation : coût de l exploitation des lignes et des transformateurs, coût d une coupure planifiée, coût des coupures non planifiées - Le retour d expérience des experts et des constructeurs : durée de vie estimée des équipements, fiabilité, MTTF, MTBF, 8. Etude du comportement de la machine asynchrone à double alimentation face à des perturbations asymétriques. Le propos de ce projet est d étudier et compléter le modèle dynamique de la machine asynchrone à double alimentation en cas de perturbation asymétrique. La machine à double alimentation comporte un redresseur et onduleur à IGBTs au rotor pour augmenter les performances d une 6
machine classique pour la génération d énergie éolienne (contrôle de vitesse et de tension). Différentes stratégies de contrôle du convertisseur de puissance devront être modélisées et évaluées dans le but d étudier leur impact sur le comportement de la machine. Les perturbations à simuler comporteront des défauts asymétriques et différents niveaux de déséquilibre de la tension de phase. Le support utilisé sera Matlab. Mots clés : Energie Eolienne Machine à double alimentation Défauts asymétriques Matlab 9. Analyse des caractéristiques de production électrique d une petite éolienne prototype de Turbowinds (Collaboration avec le Prof M. Huart et M. Overdick de Turbowinds) La commission électrotechnique international (CEI) a initié la standardisation sur la qualité de la puissance fournie par les turbines eoliennes en 1995. Le premier draft a été publié par le CEI vers la fin de 1998 : le standard IEC-61400-21 Power Quality Requirements for Grid Connected Wind Turbines. Un travail a été effectué dans le Service de Génie électrique pour implémenter les procédures proposées par le groupe chargé de la qualité de puissance dans le projet European Wind Turbine Testing Procedure Developments dans le cadre du programme SMT de la UE. L objectif de ce travail est de vérifier les procédures existantes sur un prototype de génératrice éolienne à cage d écureuil de petite taille du constructeur belge Turbowinds. Les supports utilisés seront : Labview pour la partie acquisition de données et Matlab pour le traitement de données. Mots clés: Qualité de puissance Norme International Eolienne Monitoring Labview 10. Analyse énergétique d un système solaire photovoltaïque connecté au réseau électrique belge (1 kw à Ittre) (Collaboration avec Prof M. Huart) Depuis le 27 février de 2004, une installation photovoltaïque (10 m² de modules solaires photovoltaïques) est couplée au réseau public d'électricité à Ittre. Dès lors, 20 à 25% de la consommation domestique d'électricité sera dorénavant couverte par cette production, et ce, de manière non polluante, silencieuse et pratiquement sans entretien. L objectif du projet porte sur un monitoring de la qualité de la puissance et une analyse du fonctionnement in situ. Le support utilisé sera Labview. Mots clés Modules photovoltaïques 7
Qualité de puissance Monitoring Labview 11. Analyse de la power quality aux bornes d un parc éolien La commission électrotechnique international (CEI) a initié la standardisation sur la qualité de la puissance fournie par les turbines eoliennes en 1995. Le premier draft a été publié par le CEI vers la fin de 1998 : le standard IEC-61400-21 Power Quality Requirements for Grid Connected Wind Turbines. Un travail a été effectué dans le Service de Génie électrique pour implémenter les procédures proposées par le groupe chargé de la qualité de puissance dans le projet European Wind Turbine Testing Procedure Developments dans le cadre du programme SMT de la UE. L objectif de ce travail est de vérifier les procédures existantes sur une génératrice éolienne à double alimentation appartenant au parc éolien de Gembloux, de 2MW du constructeur GE. Les supports utilisés seront : Labview pour la partie acquisition de données et Matlab pour le traitement de données. Mots clés: Qualité de puissance Norme International Eolienne Monitoring Labview 8