Brevet FR2341042A1 — publié le 19770909

L'inwentlon concerne une unit d'entraînement pour trans- nette de la puissance d'un acteur fonctionnant de prEfOrence avec du gaz ou des huiles lêre. Leo centrales lectriques, dont la chaleur dgagée est envoyée de façon adéquate à un utilisateur pour augmenter le rendement thermique global, portant la dénomination "centrales de chauffage". Pour des installations allantdés petites installations aux installations de puissance moyennes, il est. usuél d'utiliser l'expression "centrales à chauffage de bloc". On utilisera ces dénominations dans la suite. La technique de la création simultanée de courant et de chaleur utiles dans les centrales de chauffage de bloc, existe sous diverses combinaisons de moteur et de génératrice et de leur disposition réciproque. C'est ainsi notamment que, en combinaison avec les procédés à la vapeur, de tels moyens ont déjà été mis en oeuvre, alors que la version énergie totale, actuellement développée aux Etats Unis, comportant des moteurs à gaz ou a' huiles légères, ne-commenceSqu'à s'imposer de façon générale en Europe. L'important pour le développement réside dans les considérations d'économie d'énergie,considérations qui sont d'un type nouveau, engendré par la situation de l'énergie, situation qui a une très grande importance pour la présente invention-. En considérant le nombre réduit de centrales à chauffage de bloc réalisées jusqu a présent dans la version indiquée il n' existe que des moteurs d'exception dont la puissance nominale soit disponible pour une vitesse -de rotation adéquate pour le fonctionnement du générateur. Pour l'adaptation à la vitesse de rotation du générateur conditionné par la fréquence du réseau, on est amené à faire tourner les moteurs en général à vitesse de rotation réduite; c'est-à-dire à puissance réduite, ce qui entrasse de façon générale, une augmentation des coats caractéristiques de l'installation.Une interposition de transmission mécanique entraRne des moyens supplémentaires pour réduire l'usure et le bruit et ces moyens supplémentaires mettent en cause l'utilité des moyens mis en oeuvre. D'autres problèmes,liés à l'utilisation de moteurs en série existants, peuvent se présenter du fait de la masse importante du générateur qui doit être accélérée lors du démarrage Pour maintenir l'à-coup de courant dans des limites raisonnables, tant du point de vue de la valeur que de la durée, lors de la mise en oeuvre du générateur, il faut actuellement prévoir des dispositifs auxiliat- res onéreux pour équiper. le moteur et l'installation. C'est ainsi qu'il faut par exemple un moteur de démarrage surdimensionné, et muni de moyens de protection de commutation, pour permettre des charges augmentées.Suivant le type de construction, le générateur fonctionne alors conme moteur électrique en cas de chute de la puissance d'entratnement-; Dans un tel cas, le moteur.électrique agit contre la puissance de compression du moteur à combustion interne, si bien qu'il y a un courant de retour qui est envoyé dans le réseau. Enfin, il est à remarquer que le rapport entre le courant et la chaleur utiles fournis d'une centrale de chauffage de bloc, est déterminé par le système, et dépend de ce fait du bilan thermique du moteur et ne peut pratiquement pas être modifié par les procédés connus, c'est-à-dire de pouvoif~être appliqué directement sans nécessiter d'accumulateurs de chaleur. La combinaison d'entraînement proposée dans ce qui suit remédie aux inconvénients cités ou les réduit considérablem'ent. Cela résulte de l'application d'un convertisseur de couple hydrody namique, connu en soi, et qui a déjà été décrit par Föttinger des 1905 dans les brevets 221 422 et 238 804 ; dans la suite, ces dispositifs seront désignés par l'expression ' "convertisseurs". La présente invention a d'abord et principalement pour but de prévoir un tel convertisseur assurant l'adaptation de la vitesse de rotation entre le moteur et le générateur, ce qui a pu être considéré jusqu'à présent comme une solution non avantageuse et non utilisable, à cause de la perte de puissance mécanique. Les combinaisons d'entraînement réalisées jusqu'à présent ne deviennent intéressantes que si l'on considère le rendement thermique global et le rendement de puissance que l'on peut obtenir dans une centrale à chauffage de bloc. Comme représenté schématiquement à la figure 1, le convertisseur 1 constitue une transmission continue entre le moteur 2 et le générateur 3. Comme, dans les meilleures conditions, le convertisseur présente un rendement d'environ 85 % (par rapport à 95% au plus dans les transmissions mécaniques) une telle combinaison était considérée jusqu'à présent comme non économique F En liaison avec la technique de récupération de chaleur des centrales à chauffage de bloc, il est possible de prendre la chaleur engendrée dans le convertisseur à l'aide d'un fluide de travail pour amener cette chaleur à 1'échangeur de chaleur 4 7 en continu, et ainsi la récupé- rer pour l'ensemble de l'installationv Du reste il est a' remarquer que la perte de puissance apparente résultant du rendement du convertisseur est plus que compensée par le fait que le moteur peut travailler à une vitesse de rotation correspondant à la puissance nominale totale De cette façon, l'utilisation des convertisseurs dans des centrales à chauffage de bloc devient de façon notable un facteur positif sur le plan de l'économie du fonctionnement. L'exploitation de la chaleur dégagée selon la figure I se fait du reste de façon connue en faisant passer l'eau de refroidissement du moteur dans un circuit fermé à travers l'échangeur 4 du convertisseur, la chaudiere de refroidissement 5 pour le refroidissement des gaz d'échappement du moteur ainsi que l'échangeur de chaleur 6 auquel est relié l'utilisateur de chaleur. Suivant les conditions de fonctionnement en variante, on peut réaliser d'autres dispositifs de récupération comme par exemple selon la figure 2, une bâche à huile commune pour l'huile du moteur et l'huile du conver- tisseur, et un échangeur de chaleur combiné. Le dispositif d'entraînement proposé, présente certaines caractéristiques de fonctionnement propres, en plus de la signification économique de cette solution ; ces caractéristiques distinguent considérablement le dispositif de l'invention par rapport aux dispositifs connus. Comme le montre la figure 3a, le moteur démarre par rapport a' l'arbre d'entraînement du convertisseur avec un couple excédentaire considérable c'est-å-dire rapidement et sans unité de démarrage renforcée. A la sortie du convertisseur, est prévu un couple d'entraînement augmenté d'un multiple, pour l'accélération de la masse du générateur (voir figure 3b) ; le générateur arrive ainsi d'autant plus rapidement à la vitesse de rotation synchrone. Contrairement à un accouplement rigide entre le moteur et le gênera teur, l'interposition d'un convertisseur, par un choix adéquat des aubes du convertisseur selon la figure 4 permet une adaptation relativement fine des deux caractéristiques de fonctionnement, par exemple pour arriver à une valeur de cosinus 9 optimale. Une autre caractéristique de l'ensemble d'entraînement selon l'invention concerne le fait que pour une réalisation correspondante, le convertisseur est plus sensible du point de vue du rendement par rapport aux petites variations de remplissage du moteur La figure 5 indique quee pour une légere charge partielle du moteur, tout en conservant la vitesse de rotation synchrones on peut fonctionner suivant une autre courbe de fonctionnement dans le faisceau de courbes caractéristiques du convertisseur Cela signifie que le rapport courant/chaleur fourni d'un dispositif de chauffage par bloc, peut être modifié en continu dans certaines limites, et sans offrir de fonctionnement intermittent. I1 est en outre important que0 lors d'une défaillance brusque de la puissance fournie par un moteur asynchrone, le moteur électrique fonctionne immédiatement et prend du courant dans le réseau ; du fait de la possibilité considérablement réduite d'absorption de couple dans la zone de surrotation ou de freinage du convertisseur cela se produit toutefois avec une réception de courant fortement réduite comme le montre la figure 6. Le même effet souhaité existe du reste lorsque le moteur est démarré par le générateur Le courant demandé agit dans ce cas pendant une durée plus courte que dans un couplage direct A titre complémentaire, on remarque la possibilité que l'ensemble moteurgénérateur puisse fonctionner par application d'une prise directe, c' est-a-dire au ralenti, avec une puissance ou une vitesse de rotation réduite du moteur, dans le cas où les courbes de charge de l'utilisateur rendent un tel fonctionnement souhaitable. Les moyens nécessaires pour une telle possibilité de réglage supplémentaire sont relativement faibles Bien entendu; l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté? à partir duquel on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention R E V E N D I C A T I.O N S 10) Unité d'entraînement pour transme.ttre de la puissance d'un moteur fonctionnant de préférence avec du gaz ou des huiles légères, unité caractérisée en ce que la transmission-des efforts à un générateur se fait pour créer du courant, à l'aide d'un convertisseur de couple hydrodynamique prévu entre le moteur et le générateur 2 ) Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chaleur disponible dans le liquide de fonctionnement du convertisseur est envoyée en permanence à un circuit de récupération de chaleur et cela à l'aide d'un circuit ouvert ou fermé 30) Unité selon la revendication 2, caractérisée en ce que le niveau de température que l'on rencontre dans le liquide de fonctionnement est introduit dans le circuit de récupération de chaleur par un choix adéquat. 40) Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'opération de démarrage se fait de façon accélérée par suite des caractéristiques du convertisseur, si bien que les contraintes électriques qui se créent du coté du générateur restent pratiquement inchangées. 50) Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce que les possibilités de choix entre les divers aubages d'un convertisseur offrent une plus grande adaptabilité entre les caractéristiques du moteur et du générateur. 6 ) Unité selon la revendication 2, caractérisée en ce que, par un choix adéquat du convertisseur on modifie le rapport de puissance entre le courant et la chaleur utiles, en modifiant simplement le degré de remplissage du moteur. 70) Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce que, à l'aide d'une prise directe intégrée dans le convertisseur, on dispose d'une zone de fonctionnement supplémentaire à vitesse et à puissance réduite pour le moteur à combustion interne, pour le réglage du circuit de récupération de chaleur. B ) Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce que la vitesse nominale n # nsyn du moteur peut être amenée à la vitesse de rotation synchrone du générateur, sans entraîner de bruit d'usure ou autre inconvénient du point de vue de la transmis sinon.