Brevet FR2406093A1 — publié le 19790511

L'invention a pour objet un nouveau procédé et une installation d'ali- mentation d'un réseau electrique à fréquence fixe à partir d'une turbine hydraulique. Les installations de production d'électricité par l'énergie hydraulique comprennent une turbine hydraulique entrainant une génératrice électrique reliée au reseau de distribution. Le type de la turbine dépend notamment de la hauteur de chute et du débit de l'eau qui l'entraine. Lorsque la hauteur de chute n'est pas très importante , on utilise souvent des groupes immergés dits groupes Bulbe qui sont disposés dans des conduits ménagés par exemple dans un barrage placé en travers d'une voie d'eau et sont entrains par le passage de l'eau dans le conduit. Pour que la génératrice électrique fournisse un courant à une fréquence fixe, par exemple de 50 ou 60 Hertz, susceptible d'alimenter le reseau, il faut normalement que la génératrice soit entrainée à vitesse constante. Or la hauteur de chute et le débit de liteau peuvent varier. C'est pourquoi, généralement, les turbines sont munies de roues-hé- lices à pales d'inclinaison variable pour s'adapter aux conditions hydrauliques. Ces installations sont assez complexes et nécessitent une surveillance constante. Il en résulte que de tels groupes n'ont étéutilises jusqu'à présent que dans les cas où les conditions hydrauliques permettent de rentabiliser l'installation par une production électrique importante. Cependant, les petits cours d'eau présentent un potentiel important de puissance hydro-électrique non exploité. Comme l'exploitation de ce ptentiel in téresse une grande partie de la longueur des cours d'eau, il convient d'an minimiser l'influence sur l'environnement. On est ainsi conduit, afin de limiter la hauteur des retenues et d'éviter les variations de débit, à recourir à la solution dite "au fil de liteau". Mais les fluctuations importantes et fréquentes du debit des petits cours d'eau et la nécessité de maintenir le niveau du barrage de façon à turbiner sous la chute maximale pour extraire le maximum de puissance contraignent à prévoir des installations capables d'absorber un débit variable. Dans les turbines hydrauliques du type Bulbe de forte puissance qui ont eté construites jusqu'à présent, la variation de débit dst obtenue généralement en prévoyant un distributeur réglable et une roue à pales mobiles ou, plus simplement, une seule roue à pales mobiles, la distributeur restant fixe. De tels dispositifs sont complexes et onéreux et nécessitent une surveillance constante. Ils ne sont donc pas applicables d'une manière rentable aux installations de petite dimension. L'invention a pour objet un procédé et une installation pouvant absorber un debit variable et susceptible d'équiper dans des conditions de bonne rentabilité des sites jusqu'à présent négligés. Selon l'invention, la turbine est munie d'une roue-helice à pales fixes entrainée à une vitesse variable dependant des conditions hydrauliques et la gé génératrice fournit un courant électrique à fréquence variable qui est transmis au réseau d'utilisation par l'intermédiaire d'un convertisseur de fréquence débitant sur le réseau à la fréquence de celui-ci. De préférence, on choisit une orientation des pales de la roue-hélice permettant d'obtenir un rendement optimal pour les conditions d'écoulement hydraulique les plus courantes. L'invention va maintenant être décrite, en se référant au schéma de principe annexé. La turbine hydraulique comprend une roue hélice 1 placée à l'extrémité dtune enveloppe profilée 2, l'ensemble étant placé à l'intérieur d'un conduit 3 de guidage de liteau. Comme on l'a indiqué, la roue hélice est à pales fixes. Les caractéristiques de la turbine seront déterminées pour donner le rendement optimal dans les conditions dtécoulement les plus courantes. L'arbre 10 de l'hélice I entraine une génératrice électrique 4, généralement par l'intermédiaire d'un multiplicateur de vitesse 5 qui permet de donner à la génératricedes dimensions assez réduites en ltentrainant à une vitesse convenable. Le refroidissement de la génératrice pourra être obtenu par des moyens classiques dans la construction des groupes Bulbe, par exemple par un gaz éventuellement comprimé se refroidissant sur les parois de ltenveloppe 2. Cependant, dans le cadre d'une instalhtion très économique, on utilisera de préférence une génératrice se trouvant dans le commerce et munie d'un ventilateur 40 de refroidissement par air. Selon une caractéristique intéressante de l'invention, étant donné que la hauteur de chute est faible et que l'on ne recherche pas les conditions hydrauliques les plus parfaites, il est possible de relier l'enveloppe 2 à l'extérieur par une cheminée 20 qui débouche à l'air libre et est séparée par une cloison en deux canaux 21, 22 respectivement d'amenée et d'évacuation d'air frais. Une cloison 23 permet de diriger vers l'avant de la génératrice l'air aspiré par le ventilateur 40 et refoulé dans la cheminée 22. Une telle disposition est évidemment bien plus économique que les solutions retenues jusqu'à présent pour les groupes de forte puissance. Etant donné que les conditions hydrauliques et notamment le débit peuvent varier, la vitesse de rotation de la roue-hélice à pales fixes est également variable et la génératrice 4 fournit sur une ligne 41 un courant alternatif dont la fréquence peut varier. Ce courant est envoyé à un convertisseur de fréquence 6 qui se compose defaçon classique, d'un redresseur 61 qui transforme le courant à fréquence va-riable fourni par la génératrice 4 en un courant continu et d'un onduleur 62 qui transforme ce courant continu en un courant alternatif à fréquence fixe corres pondant à celle du réseau d'utilisation 7, par exemple 50 ou 60 Hertz. Grâce aux dispositions selon l'invention, on peut utiliser dans de bonnes conditions de rentabilité des turbines de petite taille, dtune puissance pouvant aller de 50 à 500 Kw par exemple, pour équiper des chutes de hauteur limitée, de 1,5 à 5 m par exemple. Cependant le procédé pourrait également être utilisé pour de fortes puissances. Bien que la roue-hélice ait des pales fixes, il est possible de turbiner le maximum du débit disponible. En effet, les caractéristiques hydrauliques d'une roue Kaplan permettent, avec des rendements acceptables, de régler le débit dans une proportion importante, par exemple de 1 à 2. Compte tenu du fait que, dans une turbine hydraulique la valeur du couple résistant augmente quand la vitesse diminue, il suffit d'agir sur ce couple résistant pour contrôler la vitesse de rotation. Or dans un alternateur, le réglage du courant d'excitation permet précisément de contrôler le couple résistant. On a donc la possibilité d'agir sur la vitesse de rotation de la turbine et par conséquent le débit turbiné et la puissance produite en fonction des besoins. Par exemple, dans le cas où l'installation est couplée en appoint sur un réseau général alimenté par ailleurs on cherche à tirer de la chute et du débit disponible le maximum d'énergie. On règlera alors le débit turbiné de façon à maintenir la hauteur de chute maximale. En revanche, si l'installation est couplée sur un réseau séparé, il est nécessaire de s'adapter à la demandede puissance instantanée du réseau. La tension du réseau peut être maintenue en agissant sur la vitesse de la turbine pour s'adapter à la puissance requise Cette possibilité de variation de la vitesse aura un intérêt supplémentairedans le cas des centrales "au fil de lteau". En effet, en période de crues, la chute au niveau de la turbine tend à diminuer puisque le niveau aval remonte. I1 en résulte une diminution rapide de la puissance et du rendement de la turbine si sa vitesse de rotation est maintenue. Grâce aux dispositions de l'invention, il est possible, en augmentant le couple résistant de l'alternateur, de diminuer cette vitesse pour rétablir un fonctionnement normal au point de vue du rendement de l'hélice. Enfin, dans le cas des usines marémotrices, la possibilité d'adaptation de la turbine aux variations de chute prend une importance primordiale. D'autre part, comme on accepte d'entrainer l'alternateur à une vitesse variable, on utilise un multiplicateur de vitesse non réglable et par conséquent simple et robuste et pouvant se trouver dans le commerce. Ainsi, par l'utilisation de machines simples et fabriquées en série, on peut réduire considérablement le coût de l'installation. D'autre part, l'absence de possibilité de réglage permet de limiter au inaximin les frais de surveillance et d'entretien. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux détails du mode de réalisation qui vient d'être décrit. On pourrait en effet imaginer bien d'autres variantes pour l'application de ltinvention, notamnent en mettant en oeuvre des moyens équivalents. Ainsi, on pourrait également utiliser plusieurs turbines entrainant chacune une génératrice immergée. Ces génératrices pourraient d'ailleurs débiter sur un convertisseur unique relié au réseau. D'autre part la génératrice pourrait être refroidie par d'autres moyens on peut utiliser par exemple un montage analogue à celui des moto-pompes immer- gées, le carter de la génératrice, refroidie en circuit fermé, constituant luimême une partie de L'enveloppe extérieure refroidie par le passage de l'eau. REVENDICAZIONS I.- Procédé d'alimentation d'un réseau électrique à fréquence fixe à partir d'une turbine hydraulique entrainant une génératrice électrique reliée au réseau, caractérisé par le fait que,la turbine étant munie d'une roue-hélice à pales fixes contrôle la vitesse derotation de la turbine en fonction de la puissance que lton veut produire et des conditions hydrauliques et que, la génératrice fournissant un courant électrique à fréquence variable on transmet ce courant au réseau dtutilisation par llintermédiaire d'un convertisseur de fréquence débitant sur le réseau à la fréquence de celui-ci. 2.- Procédé d'alimentation d'un réseau selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on règle la vitesse de rotationde la roue-hélice par contrôle du couple résistant de la génératrice. 3.- Installation d'alimentation d'un réseau électrique à fréquence fixe comprenant une turbine hydraulique immergée entrainant une génératrice électrique réliée au réseau, caractérisée par le fait que la turbine est munie d'une rouehélice à pales fixes et que la génératrice est reliée au réseau par l'intermédiaire d'un convertisseur de fréquence recevant le courant produit par la génératrice à une fréquence variable correspondant à la vitesse de rotation de la rouehélice et débitant sur le réseau à la fréquence de celui-ci. 4.- Installation d'alimentation selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la génératrice est munie d'un moyen de réglage de la puissance produite permettant de contrôler la vitesse de rotation de la roue-hélice. 5.- Installation selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisée par le fait que le convertisseur de fréquence se compose d'un redresseur du courant alternatif à fréquence variable en un courant continu, et Lin onduleur dudit courant continu en un courant alternatif à la fréquence du réseau. 6.- Installation selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisée par le fait que, la génératrice étant munie d'un ventilateur de refroidissement par air, l'enveloppe de la turbine immergée est reliée à l'air libre par une cheminée comprenant un conduit d'amenée et un conduit d'évacuation d'air de refroidissement, lesdits conduits ayant une section suffisante pour le passage du débit d'air nécessaire.