Soutenances de doctorat de Mr. ARAB MOHAMED

République Algérienne Démocratique et Populaire

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Université du 20 Août 1955 Skikda

Faculté de Technologie

Département de Génie Mécanique

THESE

Présentée en vue de l’obtention du diplôme de

Doctoraten Sciences

Spécialité : Mécatronique

Par :

Mr. ARAB MOHAMED

Soutenue le :

Devant le Jury composé par :

Vibrations in wind turbines come from various sources, such as blade vibration and gearbox vibration due to the phenomenon of the backlash generated at the level of the gears and the bearing defects. The presence of backlash in the wind turbine is a source of performance limitations because it introduces non-linearities that reduce their efficiency in speed/torque control and affect the quality of the energy produced. Due to production tolerances during rotation, tooth contact is lost for a small angle, until it is restored, it produces a backlash phenomenon. The desire to compensate for this phenomenon is often difficult to achieve due to nonlinear dynamic behavior. To solve this problem, we propose to develop an anticipatory control in order to minimize the adverse effects on the quality of the wind energy. In this context, the research works carried out in this thesis essentially focuses first on: the development of a system based on a wind turbine using the bond graph tool under 20Sim and proposing a PID regulator and a controller LQ-RST to reduce the effect of disturbing torque transmitted inside the dead zone at the gearbox. The effectiveness of the proposed control methods is illustrated by the results obtained on simulation cases.

Keywords: Modeling, Bond Graph, wind turbine, Backlash, quadratic linear control, PID, RST.

Résumé

Les vibrations dans les éoliennes proviennent de diverses sources, telles que les vibrations des pales et les vibrations de la boîte de vitesses dues au phénomène du jeu engendrer au niveau des engrenages et les défauts des roulements.

La présence de jeu (backlash) dans l'éolienne est une source de limitations de performance car elle introduit des non-linéarités qui réduisent leur efficacité dans le contrôle de vitesse / couple et qui affectent la qualité de l'énergie produite. En raison des tolérances de production pendant la rotation, le contact des dents est perdu pour un petit angle, jusqu'à ce qu'il soit rétabli, il produit un phénomène de backlash. Le désir de compenser  ce phénomène est souvent difficile à réaliser en raison du comportement dynamique non linéaire. Pour résoudre ce problème, nous proposons  de développer une commande anticipatrice afin de minimiser les effets néfastes sur la qualité de l’énergie éolienne. Dans cette optique, les travaux de recherches menés dans cette thèse s’articulent essentiellement en premier lieu sur : le développement d’un système à base d’une turbine éolienne en utilisant l’outil bond graph sous 20Sim et proposer un régulateur PID et un contrôleur LQ-RST pour réduire l’effet du couple perturbateur transmis à l'intérieur de la zone morte au niveau de l’engrenage de la boîte de vitesses (Gear Box). L'efficacité des méthodes de contrôle proposées est illustrée par les résultats obtenus sur des cas de simulations.           

Mots clés : Modélisation, Bond Graph, éolienne, Backlash, commande linéaire quadratique, PID, RST.

 ملخــــــــص

تعتبر الاهتزازات في مولدات طاقة الرياح من اكثر المعوقات التي تؤثر على نوعية الطاقة المنتجة. و من اهم مصادر نشأة هذه الاهتزازات نذكر مثلا اهتزازات الشفرات، الاهتزازات في علبة التروس لوجود المناطق الميتة على مستوى المسننات، وكذلك بسبب عيوب المدحرجات على مستوى المحركات.

وفي موضوع بحثنا هذا، نركز اهتمامنا على سبب الاهتزازات الذي منشأه المناطق الميتة على مستوى المسننات والتي تؤدي الى ظهور بما يسمى ظاهرة رد الفعل العكسي بفعل قوى الاحتكاك والصدمات.

يعد وجود رد الفعل العكسي على مستوى تروس علبة سرعات توربينات الرياح مصدرًا لتقييد الأداء الجيد التي تنتج ارتباطات غير خطية تقلل من كفاءة التحكم في السرعة او عزم الدوران والتي تؤثر على جودة الطاقة المنتجة.

 أثناء الدوران وبسبب متطلبات التصنيع، يتم فقدان زاوية صغيرة عند تلامس الأسنان، وإلى أن يتم استعادتها ينتج عنها ظاهرة المنطقة الميتة. الرغبة في تعويض هذه الظاهرة غالبًا ما يصعب تحقيقها بسبب السلوك الديناميكي غير الخطي. ولحل هذه المشكلة، نقترح تطوير تحكم استباقي لتقليل الآثار الضارة على جودة طاقة الرياح. وفي هذا السياق، فإن العمل البحثي الذي تم انجازه في هذه الأطروحة يدور بشكل أساسي حول: تطوير نموذج محاكاة لتوربينات الرياح باستخدام أداة الرسم البياني باستعمال البرمجية 20Sim واقتراح قانون منظم PID ووحدة تحكم LQ-RST لتقليل تأثير التشويش على عزم الدوران المنقول داخل المنطقة الميتة على مستوى التعشيق في علبة التروس. ولقد تم توضيح فعالية طرق التحكم المقترحة من خلال النتائج التي تم الحصول عليها في حالات المحاكاة.

الكلمات المفتاحية: النمذجة، الرسم البيانيBG،توربينات الرياح، المنطقة الميتة، التحكم الخطي التربيعي، PID، LQR, RST.