Essais de systèmes électriques multi-MW pour éoliennes dans la chambre climatique OWI-Lab

L’année passée, Sirris a investi dans l’infrastructure de test de l’OWI-Lab, afin de soutenir ainsi l’industrie éolienne en proposant des possibilités d’essai pour les machines électriques, comme si elles étaient installées dans une éolienne. CG Power Systems était un des premiers clients à réaliser des essais.

Sirris abrite une des plus grandes chambres climatiques d’Europe. Elle servira à mener à bien des projets de recherche, d’essai et de validation portant sur la résistance aux conditions climatiques des machines électromécaniques lourdes et de grande taille. Avec sa grande chambre climatique unique en son genre, Sirris peut apporter son soutien aux campagnes d’essais fonctionnels, tant pour des conditions climatiques froides, très chaudes et tropicales et pour des machines pesant jusqu’à 150 tonnes. 

Le département R&D en énergie éolienne OWI-Lab a utilisé ce dispositif pour tester des machines multi-MW et l’électronique de puissance utilisées dans les turbines éoliennes terrestres et offshore. Le labo est en mesure de tester de telles machines d’une puissance jusqu’à 10 MW, tant en 50 Hz qu’en 60 Hz et cela dans les conditions climatiques les plus sévères et exigeantes sur terre. L’année passée, le site a réalisé un nouvel investissement pour soutenir ses clients dans la réalisation d’essais fonctionnels de transformateurs, comme s’ils étaient installés dans une éolienne existante.

Cas d’essai d’un transformateur KDAF

Pour l’électronique grand public comme les tablettes et les smartphones, les fabricants accordent beaucoup d’attention à un allègement et à une réduction de taille des appareils. Ces appareils demandent aussi une autonomie accrue de la batterie et une plus grande puissance de calcul, ce qui pose des défis à la conception de ces appareils grand public en matière de gestion de la chaleur, de consommation électrique et d’efficacité. 

Les fournisseurs de composants électriques pour l’industrie éolienne sont confrontés à des défis et à des tendances similaires. Tout d’abord, ils doivent rendre les machines aussi compactes que possible avec une grande densité de puissance, afin de réduire l’espace à prévoir dans l’éolienne. En deuxième lieu, une réduction de poids est importante car ce dernier a un impact sur le coût de l’installation. Du fait que ces machines électriques de forte puissance deviennent plus compactes et qu’en outre elles doivent fonctionner dans des conditions climatiques différentes partout à travers le monde, entre –40°C et +50°C, la gestion de la chaleur dissipée doit être bien conçue et validée avant d’utiliser la machine sur le terrain. 

En outre, la capacité de puissance des éoliennes a tendance à augmenter. Actuellement, l’éolienne à la pointe du progrès offre une puissance maximale de 8 MW. Pour résister à la chaleur générée, de nombreux composants électriques de puissance sont équipés d’un refroidissement liquide et d’échangeurs de chaleur ou de dissipateurs externes pour pouvoir fonctionner dans toutes les conditions ambiantes. On utilise différents types de refroidissement pour les transformateurs. La figure ci-dessous donne un aperçu des fluides de refroidissement et des méthodes de circulation utilisés pour un transformateur et le type KDAF comme exemple. Mais on utilise encore des transformateurs à refroidissement naturel conventionnel dans l’industrie éolienne.

 

CG Power Systems, fournisseur de premier plan de transformateurs pour éoliennes, suit aussi cette tendance. Il soumet également ses conceptions à des essais climatiques dans la chambre climatique de l’OWI-Lab pour être sûr qu’en plus de fonctionner dans un environnement simulé, ils soient aussi performants dans des conditions réalistes. « Les essais dans une chambre climatique nous aident à valider notre prototype dans des environnements réalistes à conditions contrôlées, ce qui permet de réduire le temps de mise sur le marché, » explique Bart Cloet, responsable de l’équipe R&D chez CG Power Systems. On a testé un transformateur du type KDAF fin 2015 pour optimiser la commande de la pompe et du ventilateur d’un prototype de transformateur. Cela nous a permis de valider le comportement de l’appareil dans la chaleur du désert et lors d’un démarrage à froid par un froid polaire. 

Pieter Jan Jordaens de l’OWI-Lab déclare : « pour gérer la pompe et le ventilateur de ce prototype, nous avons utilisé notre nouveau convertisseur mobile, aussi utilisé pour tester la lubrification et le refroidissement des boîtes d’engrenages et de leurs appareils auxiliaires. Comme nous effectuons des essais pour des marchés géographiquement différents, il est souvent nécessaire d’alimenter les appareils auxiliaires des prototypes à 60 Hz ou 690 V, au lieu des 50 Hz que l’on trouve généralement en Europe. Le convertisseur mobile acquis récemment nous apporte une grande souplesse dans les essais fonctionnels des appareils auxiliaires proposés aux clients.

Cas d’essai back to back 

Alors que pour la plupart des essais en chambre climatique, nous utilisons un court-circuit du côté basse tension (vous trouverez plus de détails dans le document « Cold start of a 5.5 MVA offshore transformer »), ce type d’essai nous fournit toutes les informations nécessaires pour valider le fonctionnement du transformateur dans toutes les conditions d’exploitation. Pour tester le transformateur dans des conditions de pleine charge et à puissance nominale en consommant le moins possible d’électricité, nous devons créer un circuit fermé avec deux transformateurs. De la sorte, nous devons prévoir uniquement les pertes thermiques du circuit électrique. Avec nos partenaires du labo de test, nous avons démontré cette installation d’essai unique et nous l’avons utilisée pour des essais fonctionnels à la fin de l’année, lors d’une campagne d’essais climatiques.

 Les avantages d’une vaste salle climatique

Une vaste salle climatique présente comme avantage supplémentaire de pouvoir tester plusieurs éléments de test au cours d’une même campagne d’essais et exposer plusieurs systèmes en une fois aux mêmes conditions d’essai. Des essais simultanés peuvent être intéressants pour comparer par exemple les résultats d’un changement dans la conception avec d’autres versions de machines dans les mêmes conditions climatiques. Cela permet aussi de réduire les coûts des essais d’un prototype quand plusieurs systèmes peuvent être testés simultanément. 

Vous trouverez plus d’infos sur la chambre climatique sur le site web d’OWI-Lab