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Renforcement de l’Efficacité Energétique d’un Système de Pompage Solaire par l’

Renforcement de l’Efficacité Energétique d’un Système de Pompage Solaire par l’application des Techniques de Variation de Vitesse Section : Sciences Industrielles de l’Ingénieur SII Option : Sciences Industrielles de l’Ingénieur et Ingénierie Electrique Centre Régional des Métiers de l’Education et de la Formation CRMEF Casablanca - Settat Réalisé Par : JAI ANDALOUSSI Zakariae Année 2018 Dossier Industriel Efficacité Energétique d’un Système de Pompage Solaire Page 2 Dossier Industriel 2018 Résumé Dans ce dossier, on va décrire le système de pompage photovoltaïque, en étudiant les performances d’une structure de pompage constituée par un moteur asynchrone accouplé à une pompe centrifuge. L’ensemble est alimenté par un générateur photovoltaïque à travers deux convertisseurs statiques pilotés de manière indépendante. Afin d’améliorer le rendement du système, deux stratégies de commande ont été mises en œuvre. La première, basée sur la commande scalaire pour assurer un flux statorique constant. La deuxième, utilise le concept de la commande vectorielle par orientation du flux rotorique pour piloter le fonctionnement du moteur asynchrone entraînant la pompe centrifuge. Par ailleurs, on va établir une relation explicite permettant d’adopter la vitesse de rotation de consigne de la machine asynchrone et par conséquent le débit de la pompe. Mots clés : Pompage solaire, Pompe centrifuge, MAS, Commande scalaire, Commande vectorielle a flux rotorique orienté. Notations et Symboliques PPV : Pompage Photovoltaïque ; GPV : Générateur Photovoltaïque ; MAS : Machine Asynchrone ; MS : Machine Synchrone ; MCC : Machine à Courant Continu ; FOC : Commande Vectorielle à Flux Orienté (Field Oriented Control) ; Vs : Tension appliquée au stator (V) ; Vr : Tension appliquée au rotor (V) ; fs, fr : Respectivement les fréquences statorique et rotorique (Hz) ; s, r : Respectivement les angles de positions statorique et rotorique ; Rs : Resistance d’une phase statorique (Ω) ; Rr : Resistance d’une phase rotorique (Ω) ; Ls : Inductance propre d’une phase statorique (H) ; Lr : Inductance propre d’une phase rotorique (H) ; M : Inductance mutuelle cyclique (H) ; Cem : Couple électromagnétique de la machine asynchrone (N.m) ; Cr : Couple résistant (N.m) ; J : Inertie des masses tournantes ; f : Coefficient de frottement visqueux ; p : Nombre de pair de pole ; g : Glissement ; Ω : Vitesse mécanique (rad/s) ; s : Vitesse synchrone (rad/s) ; réf : Vitesse de référence (rad/s) ; (d, q) : Axes directe et quadratique correspondants au référentiel lié au champ tournant ; Ids, Iqs : Courant Statorique suivant l’axe d, q ; Idr, Iqr : Courant Rotorique suivant l’axe d, q ; sd, sq : Flux Statorique suivant l’axe d, q ; rd, rq : Flux Rotorique suivant l’axe d, q ; réf : Flux de référence. Efficacité Energétique d’un Système de Pompage Solaire Page 3 Dossier Industriel 2018 Table des Matières Section : .......................................................................................................................................1 Option : .......................................................................................................................................1 Résumé............................................................................................................................................2 Notations et Symboliques .................................................................................................................2 Introduction Générale .......................................................................................................................5 Chapitre I. Contexte Général du Projet...............................................................................................6 I.1. Introduction............................................................................................................................6 I.2. Présentation du système ..........................................................................................................6 I.3. Problématique ........................................................................................................................7 I.4. Cahier de charge .....................................................................................................................7 Chapitre II. Conception du Système de Pompage Solaire ....................................................................8 II.1. Introduction ..........................................................................................................................8 II.2. Générateur photovoltaïque .....................................................................................................9 II.3. Onduleur Triphasé .................................................................................................................9 II.3.1 - Introduction : .................................................................................................................9 II.3.2 - Principe de fonctionnement d'un onduleur de tension triphasé ...........................................9 II.3.3 - Modélisation de l’onduleur ........................................................................................... 10 II.3.4 - Commande Modulation de Largeur d’impulsion (MLI) :................................................. 11 II.4. Machine Asynchrone triphasé............................................................................................... 12 II.4.1 - Constitution de la machine asynchrone .......................................................................... 12 II.4.2 - Avantages et inconvénients de la machine asynchrone .................................................... 13 II.4.3 - Mise en équation de la machine asynchrone ................................................................... 13 II.5. Pompe Centrifuge ................................................................................................................ 16 II.5.1 – La Hauteur Manométrique HMT .................................................................................. 16 II.5.2 – Puissance Hydraulique ................................................................................................. 16 II.5.3 - Caractéristiques de la pompe......................................................................................... 16 II.5.4 – Loi de Similitude Débit-Vitesse.................................................................................... 17 II.6. Dimensionnement de l’installation ........................................................................................ 18 II.6.1 – Gisement solaire .......................................................................................................... 18 II.6.2 - Dimensionnement de la Pompe Centrifuge..................................................................... 18 II.6.3 - Dimensionnement du Module Photovoltaïque ................................................................ 19 I.7. Conclusion ........................................................................................................................... 19 Chapitre III. Régulation de débit par variation de vitesse ................................................................... 20 III.1. Introduction ....................................................................................................................... 20 Efficacité Energétique d’un Système de Pompage Solaire Page 4 Dossier Industriel 2018 III.2. Commande Scalaire V/f....................................................................................................... 20 III.2.1 - Principe...................................................................................................................... 20 II.2.2 - Modélisation de la machine asynchrone en régime permanent ......................................... 21 III.2.3 – Résultats de Simulation .............................................................................................. 23 III.2.4 - Conclusion ................................................................................................................. 26 III.3. Commande Vectorielle à flux rotorique orienté .................................................................... 26 III.3.1 - Introduction ................................................................................................................ 26 III.3.2 – Principe de la FOC ..................................................................................................... 26 III.3.3 - Mise en équation et estimation des paramètres .............................................................. 27 III.3.4 - Défluxage entre Vitesse et Flux ................................................................................... 27 III.3.5 – Résultats de simulation ............................................................................................... 28 III.3.6 - Conclusion ................................................................................................................. 31 Chapitre IV. Synthèse des deux commandes..................................................................................... 32 IV.1. Introduction : ..................................................................................................................... 32 IV.2. Comparaison au niveau régulation de vitesse-Débit .............................................................. 32 IV.3. Comparaison au niveau du couple électromagnétique ........................................................... 33 VI.3.1 – Interprétation des performances de chaque commande.................................................. 33 IV.4. Conclusion ........................................................................................................................ 33 Chapitre V. Exploitation Pédagogique ............................................................................................. 34 V.1. Introduction ........................................................................................................................ 34 V.2 - Objectifs de l’enseignement ................................................................................................ 34 V.3 - Connaissances préalables recommandées ............................................................................. 34 V.4 – Energie photovoltaïque (S21) ............................................................................................. 34 V.5 – Séquencement Machine Asynchrone (S351) ........................................................................ 34 V.5.1 - Contexte...................................................................................................................... 34 V.5.2 - Fiche déroulement de la séquence ................................................................................. 35 V.5.3 - Fiche de déroulement des séances ................................................................................. 37 V.6. Séquencement Convertisseur de fréquence (S352) ................................................................. 38 Conclusion Générale :..................................................................................................................... 39 Bibliographie : ............................................................................................................................... 40 Paramètres Machine Asynchrone..................................................................................................... 40 Efficacité Energétique d’un Système de Pompage Solaire Page 5 Dossier Industriel 2018 Introduction Générale De nos jours, l'utilisation des énergies fossiles devient de plus en plus une énigme aux décideurs politiques. De plus la nécessité d'assurer une continuité de service et de maîtriser l'énergie. Parmi les solutions présentes, l'énergie solaire photovoltaïque demeure la solution idéale pour les raisons suivantes : ▪ L’énergie est renouvelable et propre ; ▪ La matière de base des modules photovoltaïques, le silicium, est abondante ; ▪ La possibilité de fournir de l’énergie à des sites isolés. Une des applications importantes est l’alimentation en énergie électrique des sites isolés de pompage d’eau souterraine pour subvenir au besoin des populations en eau potable et pour l’irrigation. En effet la demande en eau est très forte. Parallèlement, la disponibilité en rayonnement solaire est tout aussi impressionnante. Le pompage photovoltaïque (PPV) est ainsi une alternative optimale. Le pompage photovoltaïque se fait par l’intermédiaire d’un moteur, que ce soit à courant continu ou alternatif, entraînant une pompe qui lui est directement couplée. Ceci permet de subvenir aux besoins en alimentation d’eau potable particulièrement en milieu rural ou pour des sites isolés soit pour des besoins d’irrigation ou d’abreuvage pour le bétail. Le choix d’une pompe se fera en fonction des caractéristiques hydrauliques de l’installation envisagée et également en fonction des conditions particulières d’utilisation En général, pour les faibles niveaux de pompage, on utilise des pompes de surface alors que pour les profondeurs plus importantes, on utilise des pompes immergées. A la première ère de la promotion du photovoltaïque, et à cause du manque de souplesse de la commande des moteurs asynchrones, on utilisait les moteurs à courant continu. Depuis l’évolution de l’électronique de puissance et des nouvelles techniques de commande des machines électriques, les pompes à moteur asynchrone, qu’elles soient en surface ou immergées, sont désormais les plus utilisées. La présente étude dont le thème est « Renforcement de l’Efficacité Energétique d’un Système de Pompage Solaire par l’Application des Techniques de Variateur de Vitesse » vise à proposer une solution économiquement fiable pour améliorer le rendement du système. L’étude vise également de partir de cet exemple pour analyser l’intérêt d’utiliser un variateur de vitesse performant qui développerait l’efficience de la chaine. Ce dossier est réparti en cinq chapitres : Le premier chapitre correspond à la présentation du contexte général du projet, dans lequel on énonce la problématique qui engendre la chaine de pompage solaire, ainsi la présentation du cahier de charge qui concerne la modélisation, l’analyse et l'optimisation du système de pompage photovoltaïque. Le deuxième chapitre est consacré à l’étude des éléments du système de pompage photovoltaïque. Dans une première étape, en exposant d’une manière bref la modélisation mathématique, le principe de fonctionnement du générateur PV. Dans une seconde étape, un aperçu théorique sur le convertisseur DC/AC associé au moteur asynchrone, et finalement la pompes centrifuge. Le troisième chapitre est consacré à la description du principe de fonctionnement, avantages et les inconvénients et l’intérêt d’utiliser les techniques de variation de fréquence pour l’optimisation du rendement système de pompage, ou on étudiera la commande scalaire et la commande vectorielle à flux rotorique oriente. Le quatrième chapitre est consacré à la simulation du système de pompage photovoltaïque. Enfin on terminera notre travail par une conclusion générale, dans laquelle, nous ferons une synthèse récapitulative et une étude comparative et les bénéfices apportés par chaque commande. Efficacité Energétique d’un Système de Pompage Solaire Page 6 Dossier Industriel 2018 Pour le cinquième chapitre, on va s’intéresser à l’exploitation pédagogique du système présenté, par la description d’une séquence d’enseignement sur les techniques de variation de vitesse de la machine asynchrone uploads/Industriel/ renforcement-de-lefficacite-energetique.pdf