Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

T TH HÈ ÈS SE E En vue de l'obtention du D DO OC CT TO OR RA AT T D DE E L L’ ’

T TH HÈ ÈS SE E En vue de l'obtention du D DO OC CT TO OR RA AT T D DE E L L’ ’U UN NI IV VE ER RS SI IT TÉ É D DE E T TO OU UL LO OU US SE E Délivré par l’Institut National Polytechnique de Toulouse Discipline ou spécialité : Génie Electrique JURY M. Christophe ESPANET - Président M. Bernard MULTON – Rapporteur M. Brayima DAKYO – Rapporteur M. Xavier ROBOAM – Directeur de thèse M. Bruno SARENI – Co-directeur de thèse Ecole doctorale : Génie Electrique, Electronique, Télécommunications (GEET) Unité de recherche : Laboratoire LAPLACE – UMR5213 Directeurs de Thèse : M. Xavier ROBOAM, M. Bruno SARENI Présentée et soutenue par Duc-Hoan TRAN le 27 septembre 2010 Titre : Conception Optimale Intégrée d’une chaîne éolienne « passive » : Analyse de robustesse, validation expérimentale tel-00554364, version 1 - 10 Jan 2011 Avant propos Le travail présenté dans ce mémoire a été effectué au Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie (Laplace), Unité Mixte de Recherche N° 5213, au sein de l’Université de Toulouse. Au terme de ces trois années de recherche enrichissantes, je tiens à remercier toutes celles et tous ceux qui ont contribué à l’aboutissement de ce travail et en particulier : - Monsieur Christophe ESPANET, professeur de l’Université Franche – Compte, pour m’avoir fait l’honneur d’accepter la présidence de mon jury de thèse, mais aussi pour avoir m’encouragé de réaliser le prototype de validation expérimentale. Sans votre aide, nous ne pouvons pas les résultats expérimentaux. - Monsieur Bernard MULTON, professeur de l’Ecole Normale Supérieur de Cachan – site Bretagne, pour avoir accepté d’être rapporteur de ce mémoire, pour l’intérêt qu’il a porté sur ce travail, et pour son regard et ses remarques pertinentes étant que spécialiste de la génératrice. - Monsieur Brayima DAKYO, professeur de l’Université du Havre, pour avoir accepté d’être rapporteur de ce mémoire et pour l’intérêt qu’il a porté sur ce travail. Je remercie également, et plus sincèrement encore, les deux personnes complétant mon jury, car elles n’ont pas seulement participé à l’évaluation de mes travaux, mais à la confection de ceux-ci. Il s’agit bien sûr de mes encadrants directs : - Monsieur Xavier ROBOAM, directeur de recherche au CNRS, responsable du Groupe Energie Electrique et Systémique (Génésys), qui fut mon directeur de thèse. Pour son soutien perpétuel et sa confiance malgré les moments de doute, pour ses conseils et la liberté d’action qu’il m’a offert. Je le remercie aussi pour sa disponibilité et son aide précieuse, notamment lors de la rédaction de ce manuscrit. - Monsieur Bruno SARENI, Maître de conférences de l’Université de Toulouse, pour avoir accepté la difficile tâche d’être codirecteur de thèse, pour ses encouragements et son positivisme. Qu’il trouve dans ce mémoire ma profonde gratitude pour son aide inestimable et ses conseils éclairés, notamment lors de la rédaction de cette thèse. J’aimerais aussi remercier les gens avec qui j’ai eu le plaisir de travail dans une condition idéale de recherche durant ces trois années au laboratoire : - Monsieur Maurice FADEL, directeur adjoint du Laboratoire Laplace, pour m’avoir accueilli au sein de son laboratoire de recherche. - Madame Maria DAVID, responsable du Master de Recherche en génie électrique tel-00554364, version 1 - 10 Jan 2011 de l’ENSEEIHT, pour m’avoir accepté de suivi ce master dans les meilleures conditions. - Monsieur Thierry MEYNARD, directeur de recherches au CNRS, avec qui j’ai pu partager beaucoup de moments aussi riches qu’agréables, tant du point de vue humaine que scientifique. Je n’oublierai pas de remercier les filles de l’administration du Laplace (site- ENSEEIHT) qui m’ont beaucoup distrais : Cathy, Valérie, Cécile, Carine. J’adresse aussi mes remerciements aux différentes personnes du laboratoire grâce auxquelles le déroulement de cette thèse fut des plus agréable, en particulier un grand merci à Eric Bru avec qui j’ai passé pas mal de temps pour la validation expérimentale. D’autre part je tiens à remercier un certain nombre de thésards du Laplace avec qui j’ai passé 3 ans avec grands plaisirs : - Bernardo et Meriem: Pour vos gentillesses, sentiments infinis et pour les bons moments que j’ai partagés avec eux ainsi que pour l’aide et le soutien moral que la plupart d’entre eux m’ont apportés… Merci Bernardo pour ton discours « trăm phần trăm » vietnamien dans mon mariage. Vous êtes toujours dans mon cœur et je vous souhaite beaucoup de réussite pour l’avenir. - Je tiens à remercier expressément André (Dédao en Portugais), Nicolas Martinez, Mathieu Couderc, Anthony, Céline, Delphine et François Pigache. Occupants qui se succédés au cours des années et qui ont illuminé ma vie quotidienne de leur bonne humeur et de leur amitié infinie. La vie à vos côté a été une expérience enrichissante tant du point de vue personnel que professionnel. - Ensuite je remercie les différents collègues, en premier, Clément, Giuliano, Raphaël, Mathieu, Sylvain, Olivier, Aurélien, Sébatien, Mounir, Linh, Marwan, Laurianne (Big mama), Djibrillah, Didier, Labo, Rémy, Amine, Majid, Julie, Cédéric et les autres que je n’énumère pas, mais qui sont dans mes pensées. Pour les moments passés en votre compagnie et l’entraide qui émane de ce groupe bien particulier des thésards. - Une pensée affectueuse également pour l’équipe du bureau E514 avec laquelle j’ai partagé d’agréables moments durant la dernière année de thèse : Madiha Charrada, Benoît Morin. Je voudrais maintenant remercier mes collègues vietnamiens du laboratoire : Doanh, Duc, Quan, Hung, Huy Hung, Van Hai, Linh, Tung, Thanh, Huong pour m’aider éventuellement dans mon travail et pour leurs sympathies et bonnes humeurs… Je ne peux terminer sans avoir une pensée pour mes grands-mères, mes parents, mon frère. Ils m’ont toujours soutenu et encouragé. Le parcours que j’ai eu jusqu’à ce jour est en partie leur œuvre. tel-00554364, version 1 - 10 Jan 2011 Enfin, je voudrais témoigner ici de tout mon amour pour celles qui illuminent mes journées de leur présence, A ma femme, Ngoan tel-00554364, version 1 - 10 Jan 2011 Tables des matières Introduction générale............................................................................................................... 3 Chapitre I.................................................................................................................................. 3 Etat de l’art et contexte de l’étude : vers une chaîne éolienne « passive » de petite puissance ................................................................................................................................... 3 I.1 Introduction....................................................................................................................... 3 I.1.1 L’énergie éolienne : « une filière en plein développement ».......................................... 4 I.1.2 Caractéristiques du vent et conversion aéroélectrique.................................................... 5 I.1.2.1 Caractéristiques du vent.............................................................................................. 5 I.1.2.2 Conversion d’énergie aérodynamique en énergie électrique ..................................... 6 I.2 Petit éolien et systèmes passifs.......................................................................................... 9 I.2.1 Petit éolien et applications .............................................................................................. 9 I.2.2 Quelques configurations de chaînes de conversion dédiées au petit éolien.................. 12 I.2.3 Chaîne éolienne « passive» - une nouvelle structure pour le petit éolien ? .................. 17 I.2.3.1 Caractéristique du système éolien « passif » ............................................................ 18 I.2.3.2 Démarche pour l’amélioration de l’efficacité énergétique et formulation du problème de conception ................................................................................................... 20 I.3 Conclusion....................................................................................................................... 20 Chapitre II .............................................................................................................................. 22 Modélisation et dimensionnement de la chaîne éolienne « passive »................................. 22 II.1 Introduction..................................................................................................................... 22 II.2 Modélisation du vent....................................................................................................... 23 II.3 Modélisation de la turbine............................................................................................... 24 II.3.1 Caractéristiques de la turbine ...................................................................................... 24 II.3.2 Conversion électromécanique...................................................................................... 26 II.4 Modélisation de la génératrice synchrone à aimants permanents ................................... 27 II.4.1 Introduction ................................................................................................................. 27 II.4.2 Modèles analytiques de dimensionnement de la génératrice synchrone à aimants permanents ........................................................................................................................... 27 II.4.3 Modèles éléments finis de la génératrice..................................................................... 33 II.4.4 Comparaison des différents modèles sur une génératrice de référence....................... 34 II.5 Modélisation électrique de l’ensemble génératrice - redresseur ..................................... 36 tel-00554364, version 1 - 10 Jan 2011 II.6 Modélisation des pertes du système................................................................................ 40 II.6.1 Pertes mécaniques dans la voilure et la génératrice .................................................... 40 II.6.2 Pertes fer et pertes Joules dans la GSAP..................................................................... 40 II.6.2.1 Pertes Joule .............................................................................................................. 40 II.6.2.2 Pertes fer................................................................................................................... 40 II.6.3 Pertes par conduction du pont de diodes ..................................................................... 43 II.7 Modélisation thermique de la génératrice et du redresseur à diodes............................... 43 II.7.1 Introduction ................................................................................................................. 43 II.7.2 Modèle thermique de la génératrice ............................................................................ 44 II.7.3 Modèle thermique du pont de diodes .......................................................................... 48 II.8 Conclusion....................................................................................................................... 48 Chapitre III............................................................................................................................. 50 Optimisation multicritère de la chaîne éolienne « passive » par algorithme génétique .. 50 III.1 Introduction..................................................................................................................... 50 III.2 Formulation du problème de conception optimale intégrée............................................ 50 III.2.1 Définition des critères de conception......................................................................... 50 III.2.2 Définition des variables de conceptions..................................................................... 52 III.2.3 Définition des contraintes de conceptions.................................................................. 52 III.2.4 Processus d’optimisation............................................................................................ 56 III.3 Résultats .......................................................................................................................... 57 III.3.1 Solutions optimales .................................................................................................... 57 III.3.2 Analyse de solutions particulières.............................................................................. 61 III.3.3 Sélection d’une solution candidate pour la réalisation d’un prototype ...................... 65 III.4 Réalisation de la génératrice synchrone à aimants permanents ...................................... 67 III.4.1 Stator .......................................................................................................................... 67 III.4.2 Rotor........................................................................................................................... 68 III.5 Conclusion....................................................................................................................... 70 Chapitre IV ............................................................................................................................. 72 Validation expérimentale issue de l’approche optimisation et analyse sur banc de test . 72 IV.1 Introduction..................................................................................................................... 72 IV.2 Description du banc de test ............................................................................................. 72 IV.2.1 Introduction................................................................................................................ 72 IV.2.2 Réalisation d’un émulateur physique de la turbine tripale......................................... 75 IV.3 Caractérisation du modèle circuit de la GSAP................................................................ 77 IV.3.1 Caractérisation de la résistance.................................................................................. 77 IV.3.2 Caractérisation du flux magnétique et de la FEM...................................................... 78 tel-00554364, version 1 - 10 Jan 2011 IV.3.3 Caractérisation de l’inductance synchrone ................................................................ 79 IV.4 Chaîne éolienne « passive uploads/Science et Technologie/ tran-2010.pdf