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Titre: Title: Modélisation de systems électromécaniques multi-masses à base de

Titre: Title: Modélisation de systems électromécaniques multi-masses à base de machines asynchrones, à l’aide des outils MATLAB et EMTP, avec application aux éoliennes Auteurs: Authors: Sanae Rechka, Gilles Roy, Sébastien Dennetiere et Jean Mahseredjian Date: 2004 Type: Rapport / Report Référence: Citation: Rechka, Sanae, Roy, Gilles, Dennetière, Sébastien et Mahseredjian, Jean (2004). Modélisation de systèmes électromécaniques multi-masses à base de machines asynchrones, à l'aide des outils MATLAB et EMTP, avec application aux éoliennes. Rapport technique. EPM-RT-2004-04 Document en libre accès dans PolyPublie Open Access document in PolyPublie URL de PolyPublie: PolyPublie URL: http://publications.polymtl.ca/2616/ Version: Version officielle de l'éditeur / Published version Non révisé par les pairs / Unrefereed Conditions d’utilisation: Terms of Use: Autre / Other Document publié chez l’éditeur officiel Document issued by the official publisher Maison d’édition: Publisher: École Polytechnique de Montréal URL officiel: Official URL: http://publications.polymtl.ca/2616/ Mention légale: Legal notice: Tous droits réservés / All rights reserved Ce fichier a été téléchargé à partir de PolyPublie, le dépôt institutionnel de Polytechnique Montréal This file has been downloaded from PolyPublie, the institutional repository of Polytechnique Montréal http://publications.polymtl.ca EPM–RT–2004-04 MODÉLISATION DE SYSTÈMES ÉLECTROMÉCANIQUES MULTI-MASSES À BASE DE MACHINES ASYNCHRONES, À L’AIDE DES OUTILS MATLAB ET EMTP, AVEC APPLICATION AUX ÉOLIENNES Sanae Rechka, Gilles Roy, Sébastien Dennetiere et Jean Mahseredjian Département de Génie Électrique École Polytechnique de Montréal Juillet 2004 EPM-RT-2004-04 MODÉLISATION DE SYSTÈMES ÉLECTROMÉCANIQUES MULTI-MASSES À BASE DE MACHINES ASYNCHRONES, À L’AIDE DES OUTILS MATLAB ET EMTP, AVEC APPLICATION AUX ÉOLIENNES par Sanae Rechka, Gilles Roy, Sébastien Dennetiere et Jean Mahseredjian Département de Génie Électrique Section Énergie électrique École Polytechnique de Montréal Juillet 2004 2004 Sanae Rechka, Gilles Roy, Sébastien Dennetiere, Jean Mahseredjian Tous droits réservés Dépôt légal : Bibliothèque nationale du Québec, 2004 Bibliothèque nationale du Canada, 2004 EPM-RT-2004-04 Modélisation de systèmes électromécaniques multi-masses à base de machines asynchrones, à l’aide des outils Matlab et EMTP, avec application aux éoliennes par : Sanae Rechka, Gilles Roy, Sébastien Dennetière, Jean Mahseredjian Département de Génie Électrique, Section Énergie électrique École Polytechnique de Montréal Toute reproduction de ce document à des fins d'étude personnelle ou de recherche est autorisée à la condition que la citation ci-dessus y soit mentionnée. Tout autre usage doit faire l'objet d'une autorisation écrite des auteurs. Les demandes peuvent être adressées directement aux auteurs (consulter le bottin sur le site http://www.polymtl.ca/) ou par l'entremise de la Bibliothèque : École Polytechnique de Montréal Bibliothèque – Service de fourniture de documents Case postale 6079, Succursale «Centre-Ville» Montréal (Québec) Canada H3C 3A7 Téléphone: (514) 340-4846 Télécopie: (514) 340-4026 Courrier électronique: biblio.sfd@polymtl.ca Ce rapport technique peut-être repéré par auteur et par titre dans le catalogue de la Bibliothèque : http://www.polymtl.ca/biblio/catalogue.htm -i- Remerciements Je tiens à remercier M. Gilles Roy (EPM - École Polytechnique de Montréal) pour le soutien technique qu’il m’a apporté pour mener à bonne fin ce travail ainsi que pour ses encouragements et sa grande présence. Je remercie M. Sébastien Dennetiere (IREQ - Institut de recherche Hydro-Québec) d’avoir supervisé de près ce projet ainsi que de sa disponibilité pour répondre à mes questions. Et finalement je remercie M. Jean Mahseredjian (IREQ - Institut de recherche Hydro-Québec) de son apport à cette étude ainsi que de m’avoir intégré à son équipe de recherche pour la réalisation de mon stage donnant lieu ainsi à la production de ce rapport. -ii- Sommaire Le présent rapport représente le résultat d’un travail de stage effectué à l’Institut de recherche Hydro-Québec (IREQ) sous le parrainage de l’École Polytechnique de Montréal (EPM). Il décrit toute l’étude suivie aux fins de validation d’un modèle d’entraînement électrique multi- masses à base de machine asynchrone – le modèle de celle-ci ayant déjà été développé à l’IREQ - dans l’objectif de l’intégrer dans la bibliothèque de l’outil de simulation EMTP; de nombreux résultats d’analyse de modèles multi-masses, tenant compte de différents cas pratiques, font partie de cet ouvrage. Ce travail se présente en trois chapitres: - Le premier chapitre traite le développement d’un modèle multi-masses d’un entraînement électromécanique à base de machine à courant continu. Ce modèle servira de référence pour élaborer des simulations numériques sous Matlab-Simulink et sous EMTP, dont les résultats sont analysés et ensuite comparés pour mettre en relief les similitudes et les différences entre les deux plates-formes de simulation. - Dans le deuxième chapitre, nous mettons au point un modèle multi-masses d’un entraînement électromécanique à base de machine asynchrone que nous simulons sous Matlab-Simulink ; nous comparons les résultats obtenus avec les résultats de simulation du modèle développé par l’IREQ sous EMTP, et ce pour fins de validation de ce dernier, particulièrement en mode moteur. Différents cas pratiques sont considérés pour l’analyse des deux modèles. - Au troisième chapitre, nous procédons à l'étude de ces mêmes modèles à base de machine asynchrone en mode générateur dans une application de générateur éolienne. Un modèle d’aérogénérateur, utilisant une machine asynchrone, est mis au point et évalué sous Simulink et EMTP; le couple exercé par le vent sur l'éolienne est également modélisé dans ce système. Il est à noter que le développement des modèles d’entraînement à base de machine à courant continu ou à base de machine asynchrone a été inspiré principalement de la thèse de Mamadou Doumbia [1] tout en se référant à d’autres publications et ouvrages scientifiques [2], [3]. Quant à la mise au point de l’application de l’éolienne comme telle, de nombreux livres et articles scientifiques nous ont été d’un grand support pour dresser une démarche scientifique originale enrichie par les données numériques de l’application pratique, fournies directement par Tomas Petru et Torbjörn Thiringer en complément de ceux déjà présents dans leur publication citée en référence [12]. Cette étude présente en effet un support souple et riche en matière de données et résultats liés au sujet. -iii- Table des Matières Remerciements ……………………………………………………….………………… i Sommaire ………………………………………………………………….……………. ii Table des matières ...……………………………………………………………………. iii Introduction …………………………………………………………………………….. 1 Chapitre 1 - Modélisation d’entraînement électromécanique multi-masses à base de machine à courant continu ………………....... 3 1.1 - Modèle théorique de la machine à courant continu ………………….…………..… 3 1.2 - Modèle théorique du système mécanique multi-masses ………….………….…….. 3 1.3 - Données numériques d’un entraînement 3-masses à base de moteur à courant continu …...……….……………………………………….... 5 1.4 - Simulation du modèle de l’entraînement 3-masses à base de moteur à courant continu sous Matlab-Simulink ………….………….……….. 6 1.5 - Simulation du modèle de l’entraînement 3-masses à base de moteur à courant continu sous EMTP .…………….…………………….……. 11 1.6 - Comparaison des résultats obtenus par EMTP et Matlab-Simulink .……………… 16 Chapitre 2 - Modélisation d’entraînement électromécanique multi-masses à base de machine asynchrone ………………...………... 19 2.1 - Modèle théorique de la machine asynchrone ..…….…..…….…..…….…….....…... 19 2.2 - Modèle théorique du système mécanique multi-masses ….….….….….….….…..... 20 2.3 - Données numériques d’un entraînement 3-masses à base de moteur asynchrone ….….….….…...….…..….…..….…..….………….….….. 22 2.4 - Simulation du modèle de l’entraînement 3-masses à base de moteur asynchrone sous Matlab-Simulink .….….….….….….….….….….….…… 22 -iv- 2.5 - Simulation du modèle de l’entraînement 3-masses à base de moteur asynchrone sous EMTP ….….…….….…….….…….….…..….…….….... 28 2.6 - Comparaison des résultats obtenus par EMTP et Matlab-Simulink ……..…………. 33 Chapitre 3 - Application de la modélisation multi-masses du générateur asynchrone au domaine des éoliennes ….….…….….…. 36 3.1 - Modèle théorique de la turbine à vent .….…………………………………………. 36 3.2 - Description et données numériques d’un modèle 2-masses d’une éolienne à base de machine asynchrone .……...……………………...……… 38 3.3 - Simulation du système de l’éolienne à base de machine asynchrone sous Matlab-Simulink ………………………………......……………. 40 3.4 - Validation du système de l’éolienne à base de machine asynchrone sous EMTP ………………………………………..…………………... 51 Conclusion …………………………………………………………………………....… 56 Bibliographie …………………………………………………………………………… 58 -1- Introduction De nombreux systèmes électromécaniques peuvent être modélisés en tant que systèmes multi- masses, composés d’une machine électrique et d’une charge mécanique interconnectées par un arbre flexible, à savoir: les systèmes de laminage, les ponts roulant, les systèmes d’entraînement d’antennes, les robots, les moulins de papier, les élévateurs, les machines- outils, les presses-imprimantes, et aussi les éoliennes ainsi que beaucoup d’autres applications industrielles. Le couplage élastique entre la machine électrique et le mécanisme entraîné, causé par l’élasticité de l’arbre et des engrenages, est souvent inévitable et peut causer des vibrations indésirables qui affectent la performance dynamique de l’entraînement; d’où il se présente l’intérêt d’une analyse détaillée de tels systèmes. En utilisant un modèle à une masse qui suppose que les liaisons entre les différents éléments du mécanisme sont entièrement rigides, nous négligeons les propriétés oscillatoires de ce mécanisme. Pour tenir compte de la réalité de fonctionnement caractérisé par une élasticité entre les éléments du système mécanique, une modélisation multi-masses reflétant la complexité du mécanisme entraîné est indispensable pour l’étude de nombreux systèmes industriels. Conscient de l’importance d’une telle représentation, l’Institut de recherche Hydro-Québec (IREQ) s’est intéressé à développer un modèle d’entraînement électrique multi-masses à base de machine asynchrone, dans l’objectif de l’intégrer dans la bibliothèque de l’outil de simulation EMTP. Une partie importante de ce développement s’est fait à travers un projet de stage réalisé à l’IREQ par l’auteur principal de ce rapport (S. Rechka). Le projet de stage comportait deux objectifs: le premier était la validation d’un uploads/s1/epm-rt-2004-04-rec-hka.pdf