Brevet FR2039420A1 — publié le 19710115

-1- 2039420 Dans la plupart des installations hydro-électriques comprenant une accumulation d'eau amont, le niveau de celle-ci varie souvent provoquant des modifications de chute importantes, même comptées en valeurs relatives, par rapport à la chute. Pour une machine don-5 née, turbine, pompe ou turbine-pompe, tournant à une vitesse déterminée, le rendement hydraulique dépend pour beaucoup de la valeur de la chute. Les variations de celle-ci étant souvent très importantes, les pertes de production dues à l'abaissement du rendement hydraulique de la machine le sont aussi. Il convient donc de tout 10 mettre en oeuvre, de façon que la machine fonctionne avec un bon rendement hydraulique malgré les variations naturelles de chute. Diverses solutions ont été appliquées, tendant à atteindre ce but. Il est connu, par exemple, de réaliser des machines électriques, moteurs ou générateurs synchrones triphasés, exécutées de 15 telle façon qu'elles puissent tourner à au moins deux vitesses différentes, bien que le courant alternatif d'alimentation ait une fréquence constante. Or, à chacune des vitesses de rotation correspond une autre valeur de la chute pour laquelle le rendement hydraulique est optimum. Avec une telle machine, il suffit de choi-20 sir la vite sise de rotation du groupe hydro-électrique convenant le mieux à la chute d'eau existant au moment considéré. La réalisation de la machine électrique est cependant difficile, et le nombre extrêmement limité, en général deux seulement, des vitesses de rotation possibles, est Insuffisant dans la plupart des cas, 25 notamment dans tous les cas où les variations relatives de chute sont importantes. Le but de la présente invention concerne la réalisation de machines hydro-électriques pouvant tourner à toutes les vitesses de rotation nécessaires, permettant de maintenir en tout temps le 30 rendement de l'installation optimum, quelle que soit la valeur de la chute à l'instant considéré. En d'autres termes, elle concerne une installations hydro-électrique connectée à au moins une ligne électrique à courant continu, dans laquelle la chute est soumise à des variations sensibles comprenant une machine hydraulique tur-35 bine, pompe ou turbine-pompe dont le rotor est accouplé à l'arbre d'une machine électrique synchrone à courant alternatif, fonctionnant comme un alternateur, respectivement comme un moteur, l'installation comprenant en outre, dans le cas, du fonctionnement en 69 35552 -2- 2039420 turbine, au moins une batterie de redresseurs transformant en courant continu le courant alternatif produit par l'alternateur, dans le cas du fonctionnement en pompe au moins un onduleur transformant en courant alternatif le courant continu fourni par la ligne 5 électrique et alimentant le moteur, caractérisée en ce que l'installation comprend un dispositif pilote commandant l'organe réglant le débit d'eau traversant la turbine, respectivement lors du fonctionnement en pompe, la fréquence du courant sortant de l'onduleur, pour adapter à chaque instant la vitesse de rotation du rotor de la 10 machine en fonction de la valeur de la chute existant à ce moment, vitesse choisie de telle façon que le rendement de la machine reste sensiblement à sa valeur optimum malgré les variations de chute. Un autre but de la présente invention concerne les machines réversibles, comme les turbines-pompes qui, en plus des variations 15 naturelles de chute, sont soumises à d'autres variations selon la façon dont elles travaillent. En effet, lorsque la machine hydraulique travaille en turbine, la chute nette à disposition entre l'entrée et la sortie de la turbine est égale à la chute brute diminuée des pertes de charge dues au frottement de l'eau dans les 20 conduites forcées. Par contre, lorsque la machine travaille en pompe, celle-ci doit fournir une pression égale à la chute brute augmentée des pertes de charge de l'eau dans les conduites. Donc, pour une même chute naturelle, la chute à disposition lors du fonctionnement en turbine est différente de la hauteur d'élévation 25 à fournir lors de la marche en pompe. La différence est dans les grandes lignes égale au double de la somme des pertes de charge de l'eau dans l'ensemble des conduites. Les relations liant dans une machine hydraulique la vitesse de rotation et la chute sont connues; chacun sait que plus une pompe 50 tourne vite, plus la hauteur d'élévation qu'elle délivre est importante. C'est cette propriété qui est utilisée dans la présente invention. Mais la réalisation d'une machine électrique de bon rendement, de très grande puissance, alimentée par, ou alimentant une ligne à 35 haute tension, capable de travailler sur toute une plage de vitesses de rotation, et enfin ne nécessitant pas de travaux d'entretien excessifs n'est aujourd'hui pas encore possible. Cependant, tout en utilisant une machine électrique synchrone, moteur ou alterna- 69 35552 -3- 2039420 teur conventionnel, possédant l'ensemble des qualités mentionnées ci-dessus, le but recherché peut être atteint. En effet, les progrès faits récemment dans la construction des appareilsredresseurs de courant, c'est-à-dire transformant en courant continu le eou-5 rant alternatif, et dans la construction des onduleurs faisant le travail inverse, soit transformant un courant continu en courant alternatif, permettent d'envisager l'emploi de tels éléments qui sont économiques et sûrs même pour de très hautes tensions et grandes puissances. En intercalant de tels appareils, à savoir un re-10 dresseur et un onduleur,entre une machine électrique alternative synchrone et un réseau alternatif, cela revient à découpler les fréquences, celle de la machine pouvant être différente de celle du réseau. La liaison électrique ne sert plus qu'au passage de la puissance, donc de l'énergie, il n'y a plus synchronisation de la 15 maéhine sur le réseau. Ce découplage des fréquences permet donc à la machine hydro-électrique de tourner à une autre vitesse que celle qu'imposerait le synchronisme du réseau, et notamment à la vitesse la meilleure, c'est-à-dire celle lui permettant de maintenir le rendement optimum malgré les variations de chute pouvant se 20 produire. La figure unique du dessin annexé représente, schématiquement et à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'installation selon l'invention. Cette installation hydro-électrique est composée des principaux éléments suivants: 25 1- un bassin d'accumulation amont; 2- une conduite d'amenée dans le cas du fonctionnement en turbine; une conduite de refoulement dans le cas du fonctionnement en pompe; 3- une machine hydraulique turbine, pompe, turbine-pompe; 30 4- un tuyau d'aspiration; 5- un bassin aval de restitution dans le cas du fonctionnement en turbine; et d'aspiration dans le cas du fonctionnement en pompe; 6- un cercle de vannage, appareil réglant le débit de la tur-35 bine; 7- un servo-moteur de manoeuvre du cercle de vannage; 8- un régulateur; 9- un régleur élaborant un signal de réglage fonction de la différence entre la vitesse réelle du rotor du groupe et la vitesse désirée; 69 35552 -4- 2039420 10- un arbre du rotor liant les machines hydraulique et électrique ; 11- un organe de prise de la vitesse pour le fonctionnement en turbine; 5 12- un organe de prise de la vitesse pour le fonctionnement en pompe; 13- un régulateur pour le fonctionnement en pompe, élaborant un signal de réglage fonction de la différence entre la fréquence réelle de la ligne de liaison alternative 15 et 10 la fréquence désirée; 14- une machine électrique alternateur, respectivement moteur synchrone; 15- ligne électrique de liaison à courant alternatif; 16, 17, 18 - trois disjoncteurs; 15 19- un onduleur de groupe; 20- un redresseur de groupe; 21, 22, 23- trois lignes électriques d'énergie à courant continu; 24- un redresseur de réseau; 20 25- un onduleur de réseau; 26, 27- deux disjoncteurs; 28- un réseau alternatif; 29- une ligne directe à courant alternatif; 30- un organe pilote de l'onduleur de réseau 25; 25 31- un bouton de réglage permettant l'introduction d'un signal de réglage de vitesse désirée; 32- un bouton de réglage permettant l'introduction d'un signal de réglage de fréquence désirée. Le fonctionnement de l'installation est le suivant: 30 Supposons que la machine fonctionne en turbine. L'eau contenue dans le bassin 1 alimente par la conduite 2 la turbine 3* puis sort par le tuyau d'aspiration 4 qui la restitue au bassin a/al 5« Le débit d'eau est réglé par la position qu'occupe le cercle de vannage 6. L'énergie produite pair la turbine qui entraîne, par 35 11 intermédiaire de 1'arbre 10, le rotor de 1'alternateur synchrone 14 sort par l'intermédiaire de la ligne électrique de distribution 15. Le disjoncteur 17 est fermé, alors que les disjoncteurs 16 et 18 sont ouverts. Puis cette énergie passe à travers le redresseur 69 35552 -5- 2039420 20 qui transforme le courant alternatif en courant continu et alimente le réseau de distribution à courant continu 21. Les installations de transport d'énergie à haute tension et à très grandes distances à courant continu sont aujourd'hui de plus 5 en plus nombreuses, car avec cette forme de courant, les pertes en ligne sont nettement réduites par rapport à celles existant dans une ligne de transport à courant alternatif. Cependant, il est également possible d'utiliser cette énergie qui est sous la forme de courant continu et de la consommer sous la forme de courant alter-10 natif, comme c'est le cas pour la grande majorité des utilisations actuelles. A cet effet, il suffit de fermer le disjoncteur 27 en laissant le disjoncteur 26 ouvert, ce qui met en service l'onduleur de réseau 25 qui transforme en courant alternatif le courant continu sortant du redresseur de groupe 20. L'installation peut 15 comprendre un dispositif régleur supplémentaire 30 commandant l'onduleur de réseau 27* de telle façon que la fréquence que cet onduleur délivre soit précisément égale à la fréquence du réseau 28. Par cette disposition, on constate que les fréquences des réseaux 28 et 15 peuvent être différentes l'une de l'autre, et ceci 20 dans tme très grande mesure. Le régleur 9 mesure la vitesse du groupe par l'intermédiaire de l'organe 11 et actionne, par l'intermédiaire du régulateur 8, du servo-moteur 7* le cercle de vannage 6 de telle manière que la vitesse de rotation du rotor du groupe, donc de l'arbre 10, soit 25 précisément égale à la vitesse permettant d'assurer le rendement optimum de la machine, compte tenu de la chute existant à l'instant considéré. Bien entendu, cette vitesse varie lorsque la chute varie et peut être adaptée de façon plus ou moins continuelle suivant le cas. 30 D'une façon générale, la vitesse de variation de la chute est très faible, car elle est sensiblement égale à la vitesse de modification du plan d'eau dans le bassin. La plupart du temps, une action manuelle sur le bouton 31 est suffisante* Cependant, on pourrait aussi automatiser cette action en faisant agir la valeur 35 de la chute sur le dispositif 31 adaptant ainsi continuellement la vitesse désirée du groupe aux variations de chute. Le circuit de réglage 7, 8, 9 intervient de façon continue pour que la vitesse réelle reste égale à la vitesse désirée. 69 35552 -6- 2039420 Dans le cas du fonctionnement en pompe, les disjoncteurs 17, 18 et 27 sont ouverts, par contre le disjoncteur 16 est fermé. L'énergie provenant soit d'une ligne de distribution à courant continu 21, soit du réseau alternatif 28 passant alors par l'intermédiaire 5 du disjoncteur 26 également fermé et du redresseur de réseau 24, alimente, par l'intermédiaire d'un onduleur 19* la machine électrique 14. L'installation comprend en outre un dispositif de réglage 13 influençant l'onduleur de telle façon que la fréquence du courant électrique délivré par cet appareil soit réglée en fonction de la 10 fréquence désirée, soit précisément de la chute, et ceci de la même manière que le régleur de vitesse 9* dans le cas du fonctionnement en turbine. En effet, la vitesse de rotation du groupe est directement liée, pour une machine électrique synchrone, à la fréquence du courant d'alimentation 15» Pour fixer la vitesse de rotation de 15 l'arbre 10 de la pompe, il suffit de piloter la fréquence de sortie de l'onduleur 19- Le régulateur 13 reçoit de l'organe 12 un signal de fréquence réelle, et du bouton 32 un signal de fréquence désirée. Il élabore un signal de réglage qui est fonction de leur différence et commande la fréquence de l'onduleur de telle manière que 20 la vitesse de rotation de la pompe soit la meilleure possible, compte tenu de la valeur de la hauteur d'élévation à fournir. La pompe tournant à sa bonne vitesse aspire l'eau dans le bassin aval 5 et la renvoie par la conduite 2 dans le bassin amont 1. Comme dans le cas du fonctionnement eh turbine, le système peut 25 être automatisé, la chute intervenant directement sur l'organe 13 pour modifier la fréquence de sortie de l'onduleur. Le schéma mentionne en outre la possibilité d'obtenir une liaison directe par l'intermédiaire de la ligne 29 et du disjoncteur 18 permettant de lier, s'il y a lieu, directement la machine électri-30 que 14 au réseau dans le cas où la vitesse de rotation de l'ambre permettant un rendement optimum de la machine hydraulique est précisément égale à la vitesse qu'aurait cet arbre s'il était synchronisé directement sur le réseau. Les deux réseaux sont connectés l'un à l'autre par l'intermédiaire du disjoncteur 18 et de la ligne 35 29. Les autres disjoncteurs 16 et 17, 26 et 27 étant alors ouverts. Le fonctionnement d'une turbine-pompe est identique, suivant le cas, à l'un ou l'autre des deux types de fonctionnement décrits. La description ci-dessus mentionne le cas des machines et ré 35552 -7- 2039420 seaux à courant alternatif; il est claix> qu'il peut s'agir de courant monophasé, triphasé ou polyphasé. De même, on pourrait réaliser des machines électriques ayant un nombre de phases différent de celui du réseau, et notamment plus grand, ce qui améliore senslble-5 ment le fonctionnement des redresseurs. 69 35552 -8- 2039420 Revendications 1. Installation hydro-électrique connectée à au moins une ligne électrique à courant continu dans laquelle la chute est soumise à des variations sensibles, comprenant une machine hydraulique, tur- 5 bine, pompe, ou turbine-pompe, dont le rotor est accouplé à l'arbre d'une machine électrique synchrone à courant alternatif, fonctionnant comme un alternateur, respectivement comme un moteur, l'installation comprenant en outre, dans le cas du fonctionnement en turbine, au moins une batterie de redresseurs transformant en cou-10 rant continu le courant alternatif produit par l'alternateur, dans le cas du fonctionnement en pompe au moins un onduleur transformant en courant alternatif le courant continu fourni par la ligne électrique et alimentant le moteur, caractérisée en ce que l'installation comprend un dispositif pilote commandant l'organe réglant le 15 débit d'eau traversant la turbine, respectivement lors du fonctionnement en pompe, la fréquence du courant sortant de l'onduleur pour adapter à chaque instant la vitesse de rotation du rotor de la machine en fonction de la valeur de la chute existemt à ce moment, vitesse choisie de telle façon que le rendement de la machine reste 20 sensiblement à sa valeur optimum malgré les variations de chute. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la ligne électrique à courant continu est alimentée en énergie à partir d'un réseau électrique alternatif par l'intermédiaire d'au moins une batterie de redresseurs, respectivement alimente en éner- 25 gie un réseau électrique alternatif par l'intermédiaire d'au moins un onduleur. 3- Installation selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la machine hydro-électrique et la batterie de redresseurs alimentant en énergie la ligne électrique à courant continu sont 30 situées dans un même lieu géographique. 4. Installation selon la revendication 1, caractérisée en oe que la machine électrique alternative est polyphasée. 5. Installation selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le réseau électrique alternatif alimentant en énergie à tra- 35 vers une batterie de redresseurs la ligne électrique en courant continu est polyphasé. 6. Installation selon les revendications 1, 4 et 5, caractérisée 69 35552 -9- 2039420 en ce que le nombre de phases du réseau électrique alimentant en énergie la ligne à courant continu est différent du nombre de phases de la machine électrique à courant alternatif.