La consommation électrique sur le réseau 

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Nécessité de la régulation automatique sur une microcentrale

La consommation électrique sur le réseau :

On appelle réseau un ensemble de générateurs et de récepteurs interconnectés par des lignes de transport de l’énergie électrique. En régime stabilisé, la puissance absorbée par les récepteurs et les différentes pertes (lignes, …) est égale à la somme des puissances fournies par les générateurs 8& ∑8
Avec :
8 & : puissance consommé
8 : Puissances fournies
Ainsi, on constate que si la puissance consommée par le réseau venait à baisser brutalement, c’est-à-dire si 8& chutait, sachant que le couple moteur Cm est à peu près constant à débit constant, l’énergie qui n’est plus absorbée par le réseau sous une forme électrique serait consommée par le générateur sous forme mécanique, ce qui se traduirait par une accélération de la vitesse de rotation de l’arbre de la turbine.
Et inversement, en cas de hausse brutal de la puissance demandée par le réseau, on aurait un ralentissement puis un arrêt de la turbine. La figure 7 montre la variation de rotation de la turbine en fonction de la puissance consommée sur le réseau.

But de la régulation :

Le premier but de la régulation est alors de maintenir la fréquence du réseau constante. Pour cela, le système de régulation agit sur le débit d’eau admis dans la turbine pour équilibrer la puissance fournie par la turbine et la puissance absorbée par le réseau
Ainsi, la régulation doit commander un organe de la machine capable : soit de contrôler le débit d’eau entrant dans la turbine, comme c’est le cas avec les systèmes de vannage sur les turbines Francis ou les injecteurs sur les turbines Pelton ; soit de contrôler l’énergie transférée par l’eau à la turbine, comme le cas pour les turbines Kaplan ou les groupes bulbes grâce à la commande des pales.
En plus de son rôle d’adaptation à des vitesses de rotation, le régulateur à pour but de limiter, à une valeur admissible, les grandes écarts de vitesse qui seraient occasionnée par de brusques variations de charges, et dont l’amplitude peut parfois être très grande.
Le système de régulation a donc un rôle de protection du groupe turboalternateur. En effet, les brusques variations de charge sont l’une des sources de détérioration du matériel hydroélectrique les plus importantes. En fait, on voit que le deuxième rôle du système de régulation des turbines hydroélectriques est d’accroître la durée de vie du groupe turbine-alternateur
En conséquence, sans système de régulation, une variation de charge de grande amplitude pourrait, dans un cas extrême, engendré la décharge totale de l’alternateur

Rôle du régulateur :

Le système de régulation des groupes turbine-alternateur a donc deux fonctions principales adapter la vitesse de rotation N à la fréquence du réseau, ce qui est alors une fonction utilisée de manière permanente au cours du fonctionnement de la turbine, et protéger le groupe des brusques variations de charges qui ont pour conséquence le raccourcissement de la durée des installations. On constate cependant que cette fonction n’est que très rarement utilisée, voire exceptionnellement, et ce, même si elle est tout aussi importante que la première.
Ce sont deux qualités qui doivent caractériser un régulateur de vitesse, la promptitude qui consiste à ne pas laisser la fréquence s’écarter trop loin de la valeur de la consigne, c’est-à-dire de celle du réseau alimenté, et ce, en adaptant le plus rapidement possible la puissance produite à la puissance demandée pour satisfaire aux besoins du réseau.

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Conclusion :

Nous pouvons conclure que la régulation des débits d’eau de l’injecteur s’avère très nécessaire, pour une meilleure stabilisation des fréquences du réseau, ainsi que pour la sécurité des matériels. Pour satisfaire cette exigence, on a recours à l’hydraulique proportionnelle plus précisément le distributeur à effet proportionnel dont l’étude de ce dernier sera entamée dans la partie suivante .d Principe de fonctionnement de la commande du distributeur :
L’association des deux technologies hydraulique et électroniques permet :
de moduler, au besoin la force, la pression ou la vitesse
de déterminer avec précision des critères de position
d’avoir une grande souplesse d’utilisation
d’augmenter la durée de vie des équipements

Générateur de saut :

Il provoque un saut de la tension du signal de commande, ce qui permet de franchir rapidement la zone de gain au débit nul dû au recouvrement positif du tiroir des distributeurs à commandes proportionnels. En effet sans un tel générateur il faudrait une grande variation de la tension aux solénoïdes du distributeur, à partir de la valeur zéro (fig. 8) pour qu’un effet se manifeste au récepteur.

Module des amplificateurs :

Les amplificateurs qui constituent le cœur de la commande proportionnelle, sont la plupart du temps conçus pour satisfaire aux diverses utilisations tant en boucle ouverte qu’en boucle fermé.
Les amplificateurs remplissent essentiellement quatre fonctions :
L’inversion des polarités La sommation des signaux
La génération de signal de commande L’amplification du signal de commande
L’inversion de polarités :
Il permet d’obtenir un signal dont la tension est positive ou négative, selon les besoins.
La sommation des signaux :
Elle engendre un signal dont la valeur de la tension est la somme algébrique de celles des tensions individuelles. Parmi les tensions que l’on somme généralement, citons : la tension du signal temporisé ; la tension de réglage de la valeur zéro ; la tension de signal de rétroaction ; la tension d’un signal alternatif de faible amplitude et de fréquence élevée (signal « dither »), qui a pour effet de réduire l’hystérésis associé au solénoïde et les frottements au niveau du tiroir.
La génération de signal de commande :
Dans une commande par régulation de course de tiroir, elle doit être adaptée aux caractéristiques du distributeur à effet proportionnel. Le signal de commande est constitué, la plupart du temps, d’une composante proportionnelle, P, à laquelle s’ajoute une composante intégrale, I, ou une composante dérivée, D, ou les deux. Cette fonction est appelée (Régulation PID)
L’amplification du signal de commande :
L’amplification de signal de commande permet, à l’étage de sortie, d’obtenir un courant dont l’intensité (proportionnelle à la tension du signal de commande) est suffisante pour satisfaire aux exigences particulières des solénoïdes. A ce niveau, le courant qui alimente les solénoïdes est souvent haché ; on obtient ainsi un train d’impulsions de largeur variable, ce qui permet de réduire la consommation d’énergie et génération de chaleur. Dans ce cas, l’utilisation d’un signal dither n’est plus utile.

modélisation d’une microcentrale hydraulique

Les éléments d’asservissement de la microcentrale :

En plus du distributeur à commande proportionnelle avec commande électronique intégrée. On a ajoute un régleur électronique et un capteur de position sur le système. Comme le montre la figure.
Le régleur électronique est destiné pour asservir la boucle de système distributeur plus l’injecteur et le turbine y compris l’alternateur, plus précisément pour asservir la fréquence de l’alternateur, pour qu’il n’y ait pas de disfonctionnement et de détérioration de l’ensemble des matériaux. Nous allons détailler ultérieurement les éléments constitutifs de cet appareil dans ce chapitre.
Pour donner une bonne précision et une meilleure stabilité de commande au distributeur, on a adapté à celui-ci un capteur de position qui intercepte la position de la tige du vérin de commande de l’injecteur (crémaillère). En principe les capteurs de position est un élément qui transforme une grandeur de positon d’une machine ou d’un processus en une grandeur normée, généralement électrique, qui peut être interprétée par un dispositif de contrôle commande.

Régleur électronique :

Les éléments constitutifs du régleur électronique sont :
Les variomètres
L’appareillage
L’actionneur ou actuateur

Les variomètres :

Les termes variomètre généralise ici les capteurs des positions et des vitesses (ou fréquence). C’est un appareil qui fournit une tension en fonction de la position d’un organe, ce dernier pouvant être un organe, ce dernier pouvant être un organe à asservir ou un bouton de commande.
Certains comportent un stator et un rotor jouant les rôles de primaire et de secondaire d’un transformateur, le calage angulaire du rotor est modifié par l’action extérieure. La position de la tension de sortie est nulle. En décalant le rotor une tension de sortie apparaît, cette tension de sortie est uniquement en fonction de la déviation angulaire. Par ailleurs, les tensions de sortie sont, pour des déviations angulaires à droite et à gauche, en opposition de phase.
D’autres sont constitués de deux circuits magnétiques fixes, jouant respectivement les rôles de primaire et de secondaire d’un transformateur dans l’entrefer où se déplace, en translation, un noyau mobile. Le déplacement du noyau fait varier le couplage entre les deux circuits.

L’appareillage :

Il est constitué d’éléments électromagnétiques, ou d’élément électroniques. Certains constructeurs préfèrent les éléments électromagnétique qu’ils estiment d’une fonction plus sur.
Ces équipements sont constitués des pièces détachées du commerce (résistances, condensateur, diode, etc.). On les assemble pour constituer des unités dans des boites ou tiroirs métalliques, qui assurent une protection mécanique et électrostatique efficace.

L’actionneur :

Il transforme les signaux électriques en déplacements au tiroir de distribution. Il doit présenter les qualités suivantes :
Un facteur d’amplification, c’est-à-dire un rapport entre les niveaux d’énergie des grandeurs de sortie et d’entrée.
Une bonne précision statique, la grandeur de sortie est une fonction univoque et réciproque de la grandeur d’entrée.
Un retard dynamique aussi réduit que possible, c’est- à-dire un déphasage négligeable entre les oscillations des grandeurs de sortie et d’entrée.
Une faible consommation d’énergie auxiliaire.

Le capteur de fréquence :

Implanté dans l’ensemble du régleur électronique, il est constitué par un pont de Wien dont le schéma est représenté par la figure ci dessous. Il est accordé sur la fréquence nominale de l’alternateur pendulaire et il fournit un signal sous la forme d’une tension alternative proportionnelle.

Modélisation de l’ensemble de la microcentrale hydroélectrique :

On a pu modéliser la microcentrale hydroélectrique selon le schéma de la figure ci après.
Les fonctions de transfert des éléments du système sont les suivants :
1/K
CP : fonction de transfert du capteur de position
K
A : fonction de transfert de l’amplificateur
K
D : fonction de transfert du distributeur
K
P : fonction de transfert du vérin plus l’injecteur
K
T : fonction de transfert de la turbine
K
R : fonction de transfert du régleur électronique
K
I : fonction de transfert du convertisseur U/I
La partie encadrée en rouge de la figure de la modélisation représente l’ensemble du régleur électronique

Le côté écologique de la microcentrale hydroélectrique :

En principe, l’automatisation des microcentrales hydroélectriques ne porte aucun changement sur le milieu environnemental. Néanmoins, la microcentrale affecte un peu la structure de l’environnement. C’est-à-dire, les nouvelles structures de l’aménagement perturbent ou même détruisent les populations primaire et les paysages naturels. C’est pourquoi, il existe des lois qui obligent toutes personnes manœuvrant un projet comme telle, de considéré les faits suivants :
L’appréhension des milieux naturels La prévision et évaluation des impacts de l’aménagement sur les lieux en cause Formulation des moyens à mettre en œuvre pour lutter contre les nuisances éventuelles. Les impacts sur le régime des eaux : l’écosystème aquatique, le paysage et les impacts socio-économiques.
Il est vrai que la microcentrale n’évacue pas des gaz pollueur d’environnement ou des gaz à effet de serre, comme le cas des autres centrales d’énergie électrique. Cependant, il y à des mesure à prendre pour conserver les milieux environnementaux. Parmi lesquelles :
Il faut bien définir le débit réservé à laisser déverser sur l’ouvrage.
Mettre un passe poisson pour les poissons migrateurs.
Planifier un entretient périodique de l’eau : nettoyer les périphéries, les fonds, etc.
Avant tout projet, la descente sur terrain est nécessaire,
Pour bien prévoir d’avance toutes les précautions à prendre et pour avoir une bonne information sur l’environnement générale du lieu.

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Table des matières

INTRODUCTION :
PARTIE I 2 GENERALITE D’UNE MICROCENTRALE
CHAPITRE I : PRESENTATION D’UNE MICROCENTRALE HYDRAULIQUE
I.1 Ouvrage génie civil :
I.2 Les turbines et leur régulation :
I.3 L’équipement électrique :
CHAPITRE II : GENERALITE DE LA TURBINE PELTON
II.1 Caractéristique
II.2 Paramètre de l’injecteur :
II.3 Paramètre de la roue :
CHAPITRE III : NECESSITE DE LA REGULATION AUTOMATIQUE SUR UNE MICROCENTRALE
III.1 La consommation électrique sur le réseau
III.2 But de la régulation :
III.3 Rôle du régulateur :
III.4 Conclusion :
PARTIE II 18 LES DISTRIBUTEURS A COMMANDE PROPORTIONNELLE
CHAPITRE I : GENERALITES
I.2.a Définition d’un distributeur :
I.2.a Description d’un distributeur à commande proportionnel:
I.2.b Symbolisation d’un distributeur
I.2.c Caractéristique du tiroir de distribution :
I.2.d Principe de fonctionnement de la commande du distributeur :
CHAPITRE II : ÉLEMENT CONSTITUANT D’UN DISTRIBUTEUR PROPORTIONNEL :
I.2.a Électroaimant proportionnel :
I.2.b Commande des distributeurs :
I.2.c Diagramme fonctionnel d’une carte électronique
I.2.d Élément constituant de la commande électronique
CHAPITRE III : DETERMINATION DU DEBIT NOMINAL
I.2.a Cas d’un tiroir symétrique :
I.2.b Cas d’un distributeur proportionnel pour commande d’injecteur :
PARTIE III 46 UTILISATION PRATIQUE DU DISTRIBUTEUR A EFFET PROPORTIONNEL SUR UNE MICROCENTRALE 
CHAPITRE I : MODELISATION D’UNE MICROCENTRALE HYDRAULIQUE
I.2.b Les éléments d’asservissement de la microcentrale :
I.2.c Alimentation stabilisée :
I.2.d Régleur électronique :
I.2.e Autre élément de l’asservissement :
I.2.f Modélisation de l’ensemble de la microcentrale hydroélectrique :
CHAPITRE II : APPLICATION :
I.2.a Calcul de la puissance nette
I.2.b Puissance mécanique sur l’arbre
I.2.c Coefficient de vitesse d’entrainement
I.2.d Coefficient de vitesse absolue
I.2.e vitesse d’entrainement : u
I.2.f vitesse à l’entrée de la roue : C
I.2.g La vitesse à l’entrée de la roue
I.2.h Le diamètre du jet :
I.2.i Force hydrodynamique sur l’auget
I.2.j Détermination de la section du vérin
I.2.k la fonction de transfert de l’asservissement en position
I.2.l Les différentes courbes de représentation du système
CHAPITRE III : LE COTE ECOLOGIQUE DE LA MICROCENTRALE HYDROELECTRIQUE
CONCLUSION 

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