Brevet FR2458938A1 — publié le 19810102

La présente invention concerne un dispositif pour l'amor- tissement d'oscillations mécaniques de torsion dans une généra- trice à courant alternatif, un convertisseur de courant contrôla- ble étant raccordé à la génératrice pour la transmission de courant entre cette dernière et un réseau. Dans le cas de machines électriques, il peut se produire des oscillations de torsion dans les éléments rotatifs de la machine, l'arbre de celle-ci étant soumis à des efforts de- torsion. A titre d'exemple d'une machine dans laquelle des ef- forts intenses peuvent être produits par des oscillations de torsion, on mentionnera une turbo-génératrice entraînée par une turbine à vapeur. La masse en rotation, qui se compose des arbres et des rotors de la turbine et de la génératrice, peut effectuer des oscillations de torsion qui sont faiblement amorties et à une fréquence relativement basse, de quelques dizaines d'hertz par exemple. De telles oscillations peuvent se produire par exemple lors de la synchronisation, en cas de court-circuit ou lors du raccordement de la génératrice à une ligne de force compensée en série. Dans certains cas, par exemple lorsque la génératrice est raccordée par l'intermédiaire d'un convertisseur de courant à une ligne de transmission pour courant continu sous haute ten- sion,il a même été constaté que l'amortissement des oscillations peut être négatif. Cela vaut en particulier pour des machines dans lesquelles les oscillations de torsion ont une basse fré- quence propre et, de ce fait, il peut être impossible de raccor- der une telle machine à une transmission de courant continu sous haute tension. L'invention a pour but de fournir un dispositif pour l'amortissement d'oscillations de torsion dans une.génératrice à courant alternatif, dispositif par lequel les efforts mécani- ques dus aux oscillations puissent être réduits en ce qui concer- ne leur amplitude et leur durabilitéet grâce auquel il soit possible de raccorder des génératrices à des transmissions de courant continu sous haute tension, même si elles ont de basses fréquences propres d'oscillation. A cet effet ce dispositif comporte des organes détecteurs qui forment un signal correspondant aux variations de vitesse de rotation de la génératrice qui ont une fréquence qui correspond 10. à une fréquence propre des oscillations de torsion dans la géné- ratrice, signal qui est appliqué aux organes de commande du convertisseur de courant raccordé par ses bornes de courant al- ternatif à la génératrice de telle manière qu'il influe directe- ment sur l'angle de retard du convertisseur de courant et, par suite, sur la puissance active de ce dernier en -vue de l'amortis- sement des oscillations. L'invention va être décrite ci-après de façon plus dé- taillée en référence aux figures 1 et 2 annexées. La figure 1 représente un dispositif suivant l'invention, adjoint à une turbo-génératrice. La figure 2 illustre un autre mode de réalisation possi- ble du dispositif suivant la figure 1, la détection des varia- tions de vitesse de rotation de la génératrice étant effectuée par mesure de la fréquence de stator de la génératrice. La figure 1 représente un groupe moteur comportant une turbine à vapeur TU avec les étages à haute, à moyenne et à basse pressions HP, MP et LP. A la turbine est accouplée une génératrice électrique à courant alternatif triphasé G. Les arbres de la génératrice et de la turbine sont combinés en un arbre commun SH. La génératrice G est reliée à un réseau tri- phas.é N par l'intermédiaire d'un transformateur Ti. Un conver- tisseur de courant SR est connecté au même réseau avec interpo- sition d'un transformateur T2. Le convertisseur de courant transmet la puissance entre le réseau N et un réseau à tension continue L. Il peut s'agir par exemple d'une ligne de transmis- sion pour courant continu sous haute tension. Le convertisseur de courant SR contient un pont redresseur à six valves à thy- ristor TRI - TR6. Le convertisseur de courant comporte un système de commande du type décrit dans le brevet français n0 1 593 852. Un calculateur en anneau RC délivre à tour de rôle aux valves du pont des impulsions de commande dans l'ordre correct et avec la durée qui convient. Toutes les fois que le calcula- teur en anneau reçoit une impulsion SP de la bascule MV, il progresse d'un pas et, dans ces conditions, une impulsion de commande est délivrée à une nouvelle valve. La basculç MV est activée au moyen d'un détecteur de niveau LD chaque fois que le signal de sortie s du circuit sommateur SM devient positif. Un transformateur de tension UT capte la tension alter- native u du convertisseur de courant, tension qui est appliquée à un circuit PIC qui calcule, sur la base de l'écart entre les passages par zéro de la tension alternative, une grandeur T/n qui correspond à la durée d'une période T de la tension alter- native, divisée par le nombre d'impulsions n du convertisseur de courant (dans le cas présent, n = 6). La grandeur T/n est appliquée à une entrée inverseuse du circuit somiateur SM. Un organe de mesure du temps TT, par exemple un intégrateur à tension d'entrée constante, est remis à zéro à chaque impulsion de commande. Le signal de sortie t de l'organe TT correspond donc au temps écoulé depuis l'impulsion de commande précédente et il est appliqué au circuit sommateur SM. Toutes les fois que t = T/n, le signal de sortie s du circuit sommateur passe de la valeur négative à la valeur positive et une impulsion de comman- de est délivrée au convertisseur de courant. Un régulateur de courant IR est prévu pour le contrôle de l'angle de retard, c'est-à-dire de la position de phase des impulsions de commande par rapport à la tension alternative. A partir d'un potentiomètre P, une valeur de référence Ir pour le courant continu du convertisseur de courant est appliquée au régulateur. Un appareil de mesure de courant IM, par exemple un transducteur de mesure, délivre un signal I qui correspond au courant continu du convertisseur de courant et qui est appliqué au régulateur IR avec inversion de signe. Le signal de sortieà i du régulateur est fonction de l'erreur de réglage I - Ir. Le signalii est appliqué au circuit sommateur SM: il influe sur la fréquence des impulsions de commande et, par 245893g suite, sur leur position de phase et sur l'angle de retard du convertisseur de courant, de telle sorte que le courant soit amené à coïncider avec la valeur de référence I. Un générateur tachymétrique TG est accouplé mécaniquement à la génératrice G et délivre un signal de tension continue qui est à tout moment proportionnel à la vitesse de rotation de la génératrice. Ce signal est appliqué à un filtre passe-bande BF. Ce dernier est conçu de telle sorte qu'il laisse passer des signaux à une fréquence qui correspond à la fréquence d'oscil- lation propre en ce qui concerne les oscillations de torsion du groupe moteur, c'est-à-dire de l'arbre SE avec les masses rotatives de la turbine et de la génératrice montées sur lui. Le filtre peut avoir une bande relativement large, par exemple une bande passante de 10 à 40 Hz, et il peut alors laisser pas- ser les fréquences propres de plusieurs modes différents d!os- cillations de torsion. Par contre, les fréquences dans des gammes différentes de celle dans laquelle se produisent les oscillations de torsion considérées sont amorties. Le signal de sortie n' du filtre passe-bande est appliqué à un circuit DR de limitation d'amplitude et d'adaptation du signal. Le signal de sortie n" du circuit DR est appliqué au circuit sommateur SM. Ce signal correspond aux variations, pro- duites par les oscillations de-torsion, de la vitesse de rota- tion de la génératrice. Une valeur positive du signal n1' signi- fie que la vitesse de rotation de la génératrice est plus élevée que la valeur moyenne et elle a pour conséquence une augmentation de la fréquence des impulsions de commande et, par suite, une avance de ces impulsions, c'est-à-dire une diminution del'angle de retard du convertisseur de courant. Cela provoque à son tour une élévation de la tension continue et du courant du convertis- seur de courant et, par suite, une augmentation de la puissance active du convertisseur de courant délivrée à la ligne à courant continu. Cette augmentation de puissance entraîne un accroisse- ment du moment de freinage au niveau de la génératrice. De maniè- re correspondante, une valeur négative du signal n" produit une diminution de la puissance du convertisseur de courant et du moment de freinage au niveau de la génératrice. Ainsi,- dans le cas du dispositif décrit, le courant et la puissance du convertisseur de courant sont modulés, en cas d'oscillations de torsion dans le groupe moteur, de manière à contrecarrer ces oscillations. On obtient de la sorte un amor- tissement efficace des oscillations de torsion qui se produisent. Cela a d'une part pour conséquence que les efforts mécaniques de groupes moteurs (en particulier de l'arbre SH) sont considéra- blement réduits et, d'autre part, qu'il est possible d'accoupler au convertisseur de courant des groupes moteurs à basses fré- quences propres d'oscillation, par exemple pour le transport d'énergie à courant continu sous haute tension. L'amplitude de la modulation de puissance qui est effec- tuée par le dispositif suivant l'invention peut être faible en comparaison de la puissance transmise normalement par le conver- tisseur de courant et la fonction normale du convertisseur de courant n'est pas perturbée par la modulation de puissance in- troduite par ce dispositif. Lorsque le convertisseur-de courant SR fait partie de l'une des stations convertisseuses d'un réseau de transmission de courant continu, un convertisseur de courant correspondant est prévu à l'autre extrémité du réseau de transmission. La modulation de puissance peut être alors effectuée, à titre de -variante, dans ce dernier convertisseur de courant. On obtient l'amortissement le plus efficace lorsque la puissance du convertisseur de courant n'est pas -faible en comparaison de la puissance dé la machine électrique et l'inven- tion offre le maximum d'avantages dans les cas o la puissance du convertisseur de courant est du même ordre de grandeur que celle de la machine. S'agissant de l'amortissement d'oscillations de torsion dans une machine à plusieurs fréquences propres différentes ou dans plusieurs machines à fréquences propres différentes raccor- dées au convertisseur de courant, il peut être prévu plusieurs filtres passe-bande BP, dont chacun comporte opportunément un circuit d'adaptation DR séparé, pour agir sur l'angle de retard du convertisseur de courant de la manière illustrée par la figure 1. Chaque filtre passe-bande peut alors laisser passer une fré- quence propre de la machine dont il détecte les variations de vitesse de rotation. Dans le cas du dispositif suivant l'invention, le signal qui correspond aux variations de vitesse de rotation (le signal de sortie du filtre passe-bande) agit directement sur l'angle de retard du convertisseur de courant. Par le terme "directement", on veut dire que le signal est appliqué directe- ment aux organes qui déterminent l'angle de retard du convertis- - seur de courant, et non par l'intermédiaire de régulateurs de courant ou de puissance situés en amont de ces organes. En effet, avec les fréquences actuelles, de tels régulateurs introduiraient un amortissement et/ou une rotation de phase ayant des grandeurs telles que l'on ne pourrait pas obtenir l'amortissement voulu :- des oscillations de torsion. Il a été indiqué sur la figure 1 comment on obtient le signal dépendant de la vitesse de rotation d'un générateur tachy- métrique accouplé à la génératrice. Mais on peut obtenir un si- gnal qui constitue une mesure de la vitesse de rotation instanta- née de la génératrice à l'aide d'autres indicateurs de vitesse en soi connus, par exemple avec une roue dentée ou cannelée et un système delecture magnétique ou optique et de conversion de la fréquence d'impulsions obtenue en une tension continue cor- respondante. Il existe plusieurs possibilités pour accoupler l'indicateur de vitesse utilisé à la génératrice. Mais il doit être étroitement raccordé mécaniquement à la génératrice, de telle sorte qu'il suive bien les variations de vitesse de rota- tion de celle-ci. Une autre possibilité pour obtenir un signal qui corres- pond aux variations de vitesse de rotation de la génératrice dans la gamme de fréquences considérée consiste à équiper l'arbre de la génératrice d'un indicateur de torsion qui délivre un signal correspondant au moment de torsion de l'arbre. Ce signal est appliqué aux organes du convertisseur de courant qui déter- minent l'angle de retard afin d'influer sur cet angle, le cas échéant par l'intermédiaire d'organes produisant une rotation de phase, pour obtenir une position de phase correcte lors de la modulation de puissance. Une troisième possibilité pour obtenir le signal corres- pondant aux variations de vitesse de rotation est illustrée par la figure 2. L'équipement qui y est représenté est identique à celui qui apparaît sur la figure 1, à cette exception près que la mesure de vitesse de rotation est ici remplacée par une mesu- re de la fréquence de la génératrice G. Cette méthode peut être appliquée lorsque la génératrice détermine à elle seule ou pra- tiquement à elle seule la fréquence dans le réseau N, cette fréquence étant alors une mesure de la vitesse de rotation instantanée de la génératrice. Un organe FM qui mesure la fréquence est raccordé au réseau N et délivre un signal f qui est une mesure de la valeur instantanée de la fréquence. La mesure de fréquence peut être effectuée d'une manière en soi connue, par exemple en mesurant la durée des demi-périodes de la tension alternative. Le signal f est filtré dans un filtre passe-bande BF adapté à la fréquence propre des oscillations de torsion. effectives. Le signal de sortie f' du filtre est une mesure des variations de vitesse de rotation liées aux oscilla- tions. Etant donné que la mesure de fréquence s'accompagne d'un certain retard, le signal f' est appliqué au circuit d'adapta- tion DR par l'intermédiaire d'un dispositif PCH qui produit une rotation de phase positive de grandeur suffisante pour compenser la rotation de phase négative dans l'organe de mesure de fré- quence FM (ainsi que d'autres rotations de phase éventuelles). Le filtre passe-bande BF doit avoir une bande passante plus étroite que dans le cas de l'équipement suivant la figure 1, car la mesure de fréquence peut provoquer des oscillations in- désirables dans le signal de mesure f. La valeur Q du filtre peut être par exemple de 10. Lorsqu'on veut obtenir un amortissement de plusieurs oscillations à fréquences propres différentes (dans la même machine ou dans différentes machines raccordées au convertisseur de courant), on peut appliquer le signal de mesure f à plusieurs filtres passe-bande adaptés aux fréquences. considérées: leurs signaux de sortie sont appliqués, par l'intermédiaire d'organes de rotation de phase et d'adaptation, au circuit sommateur SM pour influer sur l'angle de retard du convertisseur de courant. Le mode de réalisation représenté des dispositifs du convertisseur de courant produisant les impulsions de commande n'est qu'un exemple et l'invention peut être appliquée de maniè- re correspondante à d'autres sortes de dispositifs générateurs d'impulsions de commande. Le réseau triphasé N n'a pas besoin d'être un réseau dans le sens propre du terme. La génératrice G peut n'être rac- cordée qu'au convertisseur de courant SR, auquel cas le réseau N n'est constitué par les rails de courant qui relient la génératrice au convertisseur de courant. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour l'amortissement d'oscillations mécani- ques de torsion dans une génératrice électrique à courant alter- natif (G), un convertisseur de courant contrôlable (SR) étant raccordé par ses bornes de courant alternatif à la génératrice pour la transmission de puissance entre cette dernière et le côté courant continu du convertisseur de courant, caractérisé en ce qu'il comporte des organes détecteurs (TG, BF) qui forment un signal (n') correspondant aux variations de vitesse de rota- tion de la génératrice qui ont une fréquence qui correspond à une fréquence propre des oscillations de torsion dans la généra- trice, signal qui est appliqué aux organes de commande (SM, LD, MV) du convertisseur de courant de telle manière qu'il influe directement sur l'angle de retard du convertisseur de courant et, par suite, sur la puissance active de ce dernier en vue de l'amortissement des oscillations. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les organes détecteurs comprennent un organe détecteur de vitesse de rotation (TG) dont le signal de sortie (n) est appli- qué aux organes de commande du convertisseur de courant par l'intermédiaire d'un filtre passe-bande (BF) qui laisse passer des signaux (n') ayant une fréquence qui correspond à une fré- quence propre pour les oscillations de torsion dans les parties rotatives de la génératrice et dans les masses rotatives soli- daires de celles-ci. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'organe détecteur de vitesse de rotation est un générateur tachymétrique (TG) accouplé mécaniquement à la génératrice. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'organe détecteur de vitesse de rotation est un orga- s ne détecteur de fréquence (FM) relié à la tension statorique de la génératrice, organe qui forme un signal (f) qui correspond à la fréquence de ladite tension. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les organes détecteurs comprennent des organes de rotation de phase (PCH) pour produire une rota- tion de phase positive du signal (f") qui correspond aux varia- ?10 tions de vitesse de rotation de la génératrice. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les organes de commande du convertisseur de courant comprennent des organes générateurs d'impulsions de commande qui délivrent une impulsion de commande chaque fois qu'un certain intervalle de temps de durée contrôlable s'est écoulé depuis la production de l'impulsion de commande précéden- te, caractérisé en ce que le signal provenant des organes détecteurs est appliqué aux organes générateurs d'impulsions de commande pour influer sur la durée dudit intervalle de temps.