Brevet FR2474782A1 — publié le 19810731

La présente invention concerne un groupe convertisseur comportant un moteur à courant triphasé et un générateur ou alternateur synchrone. Des groupes convertisseurs de ce type sont utilisés en tant que stabilisateurs de réseau ou convertisseurs de fré- quence, ou encore dans des installations électriques de se- cours. Les stabilisateurs de réseau sont des moteurs-générateurs qui, côté générateur, alimentent un réseau secondaire sur le- quel sont branchés des appareils d'utilisation de grande va- leur et sensibles. Grâce au moteur-générateur, le réseau se- condaire est complètement séparé du réseau primaire et mainte- nu à l'abri de toutes les perturbations qui se produisent dans celui-ci telles que des pointes de tension, des surtensions ou de brusques chutes de tension. Grâce à l'énergie accumulée dans les masses tournantes, le réseau secondaire est également maintenu à l'abri de l'effetde courtes interruptions de sec- teur dans le réseau primaire. Comme moteurs d'entraînement dans les stabilisateurs de réseau, on peut utiliser des mo- teurs synchrones ou asynchrones. Les générateurs sont, de pré- férence, des générateurs synchrones excités sans balais. Si les fréquencesprimaire et secondaire ne sont pas éga- les entre elles, le moteur-générateur fonctionne en convertis- seur de fréquence, les fréquences différentes étant obtenues, par exemple, pour une même vitesse de rotation du moteur et du générateur, grâce à des nombres de pôles différents. Il est également connu de produire une différence de vitesse de rotation par l'intermédiaire d'engrenages ou encore d'uti- liser des systèmes mixtes, dans lesquels la différence de fréquence est obtenue, d'une part, grâce à des nombres de pôles différents et, d'autre part, au moyen d'un engrenage intermédiaire. Si la fréquence secondaire est très voisine de la fréquence primaire, comme par exemple lorsqu'on passe de à 60 Hz, il est nécessaire de prévoir, dans la forme d'exé- cution Dréférée fonctionnant sans engrenages, de grands nom- bres de pôles qui, comme les engrenages, ont un effet défavo- rable sur l'encombrement, le poids et le prix. Dans les con- vertisseurs de fréquence également, on utilise de préférence, comme moteurs d'entraînement, des moteurs synchrone ou asyn- chrones. D'ailleurs, les convertisseurs de fréquence présen- tent également des propriétés de stabilisateur de réseau. Un point problématique dans les groupes convertisseurs connus réside en ce qu'en cas de panne du secteur, les mo- teurs synchrones et asynchrones utilisés comme moteurs d'en- traînement continuent de fonctionner en générateurs et peu- vent renvoyer des puissances considérables dans le réseau primaire. La puissance ainsi renvoyée doit être prélevée, en même temps que la puissance que doit fournir le générateur, sur l'énergie accumulée dans les masses tournantes. Cela rac- courcit considérablement les temps de "soudure" disponibles lors d'une panne de secteur. Lors du rétablissement du courant du secteur, il se pro- duit en outre, en particulier dans le cas de moteurs asynchro- nes, de fortes impulsions de courant dans le réseau primaire, qui peuvent déclencher des disjoncteurs de puissance montés en amont. De plus, surtout dans-le cas de moteurs synchrones, il est nécessaire de prévoir des dispositifs de synchronisation qui ne permettent une remise en circuit que lors d'une coin- cidence de phases. Dans les moteurs-générateurs destinés à assurer une ali- mentation en courant ininterrompue, le moteur d'entraînement doit, en cas de panne de secteur, être alimenté par une bat- terie. Pour de tels groupes, on utilise par conséquent de préférence des moteurs à courant continu, dans-lesquels la fréquence du réseau secondaire est maintenue constante par contrôle de l'excitation indépendamment de la tension d'ali- mentation et de la fréquence primaire. En raison des grandes constantes de temps de l'excitatrice, pour obtenir une bonne dynamique de régulation lors de l'action de grandeurs pertur- batrices, il est en général nécessaire de prévoir des volants d'inertie supplémentaires qui, en particulier, aux-grandes puissances, peuvent présenter des masses considérables et pour lesquels des paliers spéciaux doivent être prévus. L'invention a pour objet de créer un groupe convertis- seur pouvant être utilisé aussi bien comme stabilisateur de réseau ou convertisseur de fréquence, que pour assurer une alimentation en courant ininterrompue, réalisable selon un mode de construction à boîtier unique et sans balais et pré- sentant une bonne dynamique de régulation, même sans volants d'inertie supplémentaires. A cet effet, suivant l'invention, le moteur synchrone et le générateur synchrone sont réalisés sous la forme d'une machine comportant une roue polaire commune excitée sans balais et, côté stator, deux bobinages galvaniquement séparés l'un de l'autre, à savoir un enroulement de moteur et un en- roulement de générateur, et l'enroulement de moteur est con- necté, côté courant triphasé, à un convertisseur de courant alimenté par une source de courant continu. Selon d'autres caractéristiques avantageuses du groupe convertisseur suivant l'invention; - le convertisseur de courant est piloté de l'extérieur et ses impulsions d'amorçage sont déterminées par la position de phase de la tension régnant dans l'enroulement de moteur; - le convertisseur de courant est piloté en fonction de la position de la roue polaire; - les enroulements sont réalisés sous la forme d'enrou- lements pauvres en harmoniques; - il est prévu un filtre d'harmoniques avec un circuit de résonance monté en parallèle avec les bornes de l'enroule- ment de moteur; - le filtre d'harmoniques est calculé de manière à pré- senter une fréquence de résonance comprise entre les cinquiè- me et septième fréquences harmoniques; - la puissance d'onde fondamentale du filtre d'harmoni- ques est calculée de telle manière que la puissance réactive du convertisseur de courant soit couverte; - il est prévu pour la roue polaire un moteur de lan- cement; - le convertisseur de courant est connecté, côté courant continu, par l'intermédiaire d'un redresseur de réseau non commandé, à un réseau de courant alternatif; - le redresseur est à six ou douze impulsions; - le redresseur peut être sélectivement connecté à une batterie. Le groupe convertisseur suivant l'invention offre cet avantage qu'en cas de panne de secteur un retour de puissance est impossible tandis que, lors du rétablissement du courant 474782 de secteur, aucune impulsion de courant incontrôlée n'appa- raît. Le groupe convertisseur peut être alimenté à partir de batteries comme cela est nécessaire dans les installations d'alimentation en courant ininterrompue. Il est toutefois, également possible de prévoir une alimentation à partir d'un secteur à courant alternatif en passant par un circuit in- termédiaire de courant continu, celui-ci pouvant être alimen- té par l'intermédiaire de redresseurs non commandés. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la des- cription détaillée qui suit et à l'examen du dessin joint qui en représente, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution. Sur ce dessin - la figure unique représente un schéma de montage d'un groupe convertisseur suivant l'invention. La machine synchrone combinée "moteur-générateur" 2 présente, côté stator, deux bobinages 4, 6 galvaniquement sé- parés l'un de l'autre mais qui sont excités par une roue po- laire commune 8. La roue polaire est montée sur un arbre 10 sur lequel est également disposée l'excitatrice 7 par laquelle la roue polaire est excitée sans balais. Sur l'arbre commun agit en outre un moteur de lancement 12. L'enroulement de moteur 4 de la machine synchrone 2 est connecté à un convertisseur de courant 14. Ce convertisseur de courant alimente l'enroulement de moteur par l'intermédiai- re de redresseurs de convertisseur de courant commandés 16. Côté courant continu, le convertisseur de courant est alimen- té à partir d'un réseau de courant alternatif 18 par l'inter- médiaire de redresseurs non commandés 20. Dans la mesure o ceci est nécessaire, par exemple dans des groupes destinés à assurer une alimentation en courant ininterrompue, il est en outre prévu une batterie 22. Le circuit de courant continu peut également être un secteur à courant continu. Le redres- seur peut être à six impulsions. Un fonctionnement avec douze impulsions est toutefois également possible, par exemple par montage devant le redresseur d'un transformateur séparateur triphasé à deux secondaires isolés l'un de l'autre, décalés entre eux de 30 degrés électriques. Dans ce cas, chaque secon- daire est chargé avec un redresseur monté en pont de courant triphasé. Avec un montage redresseur à douze impulsions, le réseau primaire est maintenu dans une large mesure exempt des harmoniques de courant engendrés par le redresseur. Seuls restent non amortis les harmoniques de onzième et treizième ordres représentant respectivement 9% et 7,5% de la composan- te d'onde fondamentale. Comme les redresseurs sont non commandés, la tension du circuit intermédiaire de courant continu est directement proportionnelle à la tension du réseau d'alimentation. La tension continue du circuit intermédiaire de courant continu est reconvertie en une tension alternative triphasée par un convertisseur de courant à thyristors monté en pont de courant triphasé et qui, côté courant triphasé, est connec- té à l'enroulement de moteur. Le convertisseur de courant fonctionne en onduleur, par l'intermédiaire duquel la puissance active nécessaire au fonctionnement de la machine synchrone est prélevée dans le circuit de courant continu. La puissance réactive de commande et de commutation né- cessaire au convertisseur de courant est par contre fournie par la machine synchrone. Par réglage de l'amorçage des thy- ristors par rapport à la tension aux bornes de l'enroulement de moteur, on peut contrôler la consommation de puissance ac- tive de la machine synchrone. Cette consommation est, pour une tension de moteur constante et une vitesse de rotation constante, pratiquement proportionnelle au courant passant dans le circuit intermédiaire de courant continu. La régulation de vitesse de rotation de la machine peut être réalisée d'une manière connue, comme dans les commandes à courant continu alimentées par des thyristors, au moyen d' un circuit régulateur de vitesse de rotation auquel est as- socié un circuit régulateur de courant. Le circuit régulateur de courant établit une limitation de courant agissant dynamiquement pour la protection de l'en- semble de l'installation et offre la possibilité d'une élimi- nation des grandeurs perturbatrices par le courant de charge du générateur. La régulation de la -tension de la machine est assurée par un régulateur de tension transistorisé 26, qui reçoit sa tension de fonctionnement, en partie, à partir de la tension aux bornes de l'enroulement de moteur et, en par- tie, à partir de la tension du réseau. Une excitation fiable de la machine est ainsi assurée dans toutes les circonstances. Lors du calcul de l'enroulement de moteur de la machine synchrone, il y a lieu de tenir compte de la charge supplé- mentaire par la puissance réactive du convertisseur de cou- tant ainsi que par les harmoniques du courant. Les harmoniques de courant engendrés par le convertis- seur de courant peuvent être éliminés par l'incorporation de circuits de filtrage 24. Ces circuits de filtrage sont de préférence réalisés sous la forme de circuits résonance série accordés, dont la fréquence de résonance est comprise entre les cinquième et septième fréquences harmoniques. Ces filtres se comportent, au-dessous de la fréquence de résonance, et en particulier pour la fréquence fondamentale, comme un conden- sateur. On obtient des conditions particulièrement favorables si le condensateur 25 est dimensionné de telle manière qu'il couvre la puissance réactive du convertisseur de courant. Avec un tel dimensionnement, l'enroulement de moteur 4 de la machine est déchargé des harmoniques de courant ainsi que, dans une large mesure, du courant déwatté du convertisseur de courant, moyennant quoi l'on obtient une influence favorable sur le rendement. Le rendement peut en outre être encore amé- lioré grâce au fait que le condensateur de filtrage 25 couvre une partie de l'excitation en marche à vide et, par conséquent, contribue à une dissipation de la puissance de l'excitatrice. La teneur en harmoniques de la tension de l'enroulement de moteur 4, teneur qui est diminuée par les circuits de fil- trage 24, assure en outre une réduction de la teneur en har- moniques de la tension aux bornes de l'enroulement de généra- teur 6. Pour éviter un effet réactif du système de moteur sur le système de générateur, il peut également être avantageux de munir la roue polaire d'un enroulement d'amortissement à fai- ble effet pelliculaire. Une réduction des harmoniques trans- mis peut également être obtenue par un choix approprié des dimensions périphériques des bobines dans les deux systèmes de bobinages. La machine "moteur-générateur" peut être réalisée sous L474782 la forme d'une machine à pôles saillants excitée sans balais. Afin de pouvoir supprimer, pour le pilotage du convertis- seur de courant 14 au voisinage de l'arrêt, c'est-à-dire pour une faible contre-tension, les dispositifs de commutation forcée qui devraient normalement être prévus, on utilise un moteur de lancement 12. Le moteur de lancement peut être un moteur asynchrone. Si l'on ne dispose que de courant continu, le moteur de lan- cement peut également être réalisé sous la forme d'un moteur à courant continu. On peut également utiliser des moteurs hy- drauliques ou pneumatiques comme moteurs de lancement, si 1' on dispose des fluides d'actionnement correspondants. D'une manière connue en soi, on peut également faire démarrer la machine synchrone sur un mode asynchrone. En fonctionnement, après l'accélération du groupe, par l'intermédiaire du moteur de lancement 12, jusqu'au voisinage de la vitesse de rotation nominale et excitation de la machine à la tension nominale, l'amorçage des thyristors du convertis- seur de courant est déclenché. Pour un flux constant dans la machine synchrone, le courant dans le circuit intermédiaire de courant continu correspond à la consommation de puissance active de la partie moteur. Le convertisseur de courant four- nit ainsi la puissance active nécessaire au maintien de la vitesse de rotation, et cela même pour une puissance variable, par commande du courant actif dans l'enroulement de moteur. La puissance réactive de commande et de commutation nécessaire au fonctionnement du convertisseur de courant est, par contre, fournie par la machine synchrone. Le convertisseur de courant 14 fonctionne normalement en convertisseur de courant piloté de l'extérieur. L'amorçage des redresseurs peut ainsi s'effectuer de la manière la plus simple en fonction de la tension alternative de service, c' est-à-dire en fonction de la tension du moteur. Il est toutefois également possible de piloter le con- vertisseur de courant d'une manière connue en fonction de la position de la roue polaire de la machine synchrone, si lors d'une surcompensation de la puissance d'onde fondamentale on désire obtenir une marcûe plus stable de la machine. Lors de coupures du secteur, ou d'affaissement de la tension du secteur au-dessous de valeurs admissibles, le con- vertisseur de courant est tout d'abord commandé à la limite d'accrochage d'un onduleur. Une prise en charge automatique sans problème après le retour du courant du secteur est ainsi possible si la vitesse de rotation n'a pas encore été trop fortement réduite. L4474782 REVENDICATIONS 1. Groupe convertisseur comportant un moteur triphasé et un générateur ou alternateur synchrone, ledit groupe étant caractérisé en ce que le moteur synchrone et le générateur synchrone sont réalisés sous la forme d'une machine synchrone (2) comportant une roue polaire commune (8) excitée sans balais et, côté stator, deux bobinages séparés galvaniquement l'un de l'autre, à savoir un enroulement de moteur (4) et un enroulement de générateur (6), et en ce que l'enroulement de moteur, côté courant triphasé, est connecté à un convertis- seur de courant (14) alimenté par une source de courant con- tinu (20; 22). 2. Groupe convertisseur suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le convertisseur de courant (14) est pi- loté par l'extérieur tandis que ses impulsions d'amorçage sont déterminées par la position de phase de la tension présente dans l'enroulement de moteur (4). 3. Groupe convertisseur suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le convertisseur de courant (14) est pi- loté en fonction de la position de la roue polaire. 4. Groupe convertisseur suivant l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que les enroule- ments sont réalisés sous la forme d'enroulements pauvres en harmoniques. 5. Groupe convertisseur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est prévu un filtre d'harmoniques (24) avec un circuit de résonance monté en parallèle avec les bornes de l'enroulement de moteur (4). 6. Groupe convertisseur suivant la revendication 5, ca- ractérisé en ce que le filtre d'harmoniques est calculé de manière à présenter une fréquence de résonance comprise entre les cinquième et septième fréquences harmoniques. 7. Groupe convertisseur suivant l'une quelconque des re- vendications 5 à 6, caractérisé en ce que la puissance d'onde fondamentale du filtre d'harmoniques (24) est calculée de telle manière que la puissance réactive du convertisseur de courant soit couverte. 8. Groupe convertisseur suivant l'une quelconque des re- L474782 vendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est prévu pour la roue polaire un moteur de lancement (12). 9. Groupe convertisseur suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le convertisseur de courant (14) est connecté, côté courant continu, par l'intermédiaire d'un re- dresseur de réseau non commandé (20) à un secteur à courant alternatif (18) 10. Groupe convertisseur suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le redresseur (20) est à six ou douze impulsions. 11. Groupe convertisseur suivant la revendication 9, ca- ractérisé en ce que le convertisseur de courant (14) peut être sélectivement connecté à une batterie (22>.