Brevet FR2718902A1 — publié le 19951020

ENSEMBLE TURBINE-GENERATEUR SANS REDUCTEUR La présente invention concerne les ensembles de production d'énergie électrique comprenant une turbine et un générateur, par exemple une turbine à gaz entraînant un 5 alternateur. Les turbines à gaz de faible ou moyenne puissance (de quelques MW à quelques dizaines de MW) ont un bon rendement lorsqu'elles tournent à grande vitesse (par exemple de 5000 à 15.000 tours par minute). Pour qu'un l'alternateur à 2 ou 4 pôles débite à une fréquence industrielle de 50 Hz, sa vitesse doit être de 3000 ou 1500 tours/minute. Pour obtenir une fréquence de 60 Hz avec un alternateur de 2 ou 4 pôles, sa vitesse doit être de 3600 ou 1800 tours/minute. On voit qu'il est nécessaire de prévoir, entre la turbine à gaz et15 l'alternateur, un réducteur de vitesse. A ces puissances de turbines à gaz, les réducteurs sont réalisables industriellement à des coûts acceptables et avec un bon rendement. Lorsque les turbines à gaz ont une puissance plus grande (supérieure à 60 MW), ces réducteurs deviennent de prix prohibitif et, aux puissances les plus élevées, impossibles à réaliser. C'est pourquoi on est conduit à limiter la vitesse des turbines à gaz de grande puissance à 3000 tours/minute en 50Hz, et à 3600 tours/minute en 60Hz, pour utiliser un alternateur à 2 pôles fournissant directement le courant à la fréquence industrielle. Ceci peut être préjudiciable au rendement global de l'ensemble turbine à gaz-alternateur. On sait par ailleurs qu'une turbine à gaz ne peut démarrer seule puisqu'il faut comprimer l'air dans sa partie compresseur avant d'injecter le combustible dans sa partie chambre de combustion. Ce démarrage est obtenu grâce à un moteur auxiliaire, électrique ou Diesel, ou par un35 convertisseur statique de démarrage alimenté à partir du réseau alternatif. Un but de la présente invention est de définir un ensemble turbinegénérateur sans réducteur et pouvant tourner à la vitesse de rotation optimale pour la puissance de la turbine utilisée. 5 La présente invention a pour objet un ensemble turbine- générateur couplé sans réducteur de vitesse, destiné à débiter de l'énergie électrique dans un réseau électrique alternatif de fréquence donnée, caractérisé en ce qu'entre le générateur et le réseau est connecté en série un10 convertisseur statique de fréquence convertissant la tension et le courant délivrés par le générateur à une fréquence différente de celle du réseau en grandeurs correspondantes à la fréquence du réseau. Dans un mode particulier de réalisation, le convertisseur statique de fréquence comprend deux ponts à thyristors reliés par une inductance et pilotés par des informations relative à la tension et au courant du générateur, fournies par des transformateurs de mesure. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention dans lequel la turbine est de type quelconque et le générateur est un alternateur comprenant un inducteur, le convertisseur statique de fréquence peut assurer les fonctions d'excitation et de régulation de l'alternateur en agissant sur l'inducteur.25 Selon une autre caractéristique de l'invention, le convertisseur statique de fréquence peut assurer la fonction de démarrage en prélevant de l'énergie sur le réseau pour alimenter le générateur qui fonctionne en moteur. Selon une autre caractéristique de l'invention, la vitesse optimale de l'ensemble peut être ajustée en fonction de la charge débitée dans le réseau. Les dispositions précédentes s'appliquent lorsque le générateur est un alternateur ou une génératrice asynchrone. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description ci-après d'un mode préféré de réalisation de l'invention, avec référence au dessin annexé dans lequel: - les figures 1 à 4 sont des schémas électriques unifilaires d' ensembles de production d'énergie électrique comprenant une turbine à gaz et un alternateur, tels qu'ils existent dans l'art antérieur, 5 - la figure 5 est un schéma électrique unifilaire d'un ensemble de production d'énergie électrique comprenant une turbine à gaz et un alternateur, selon la présente invention. Dans la figure 1, on distingue une turbine à gaz 10, de faible ou moyenne puissance, entraînant un alternateur 11 débitant dans un réseau 13 par l'intermédiaire d'un transformateur 14. Un disjoncteur d'alternateur 15 et un disjoncteur de ligne 16 encadrent le transformateur. Comme il est montré, un réducteur 16 est inséré entre la turbine à gaz 10 et l'alternateur 11, pour que ce dernier puisse tourner à la vitesse lui permettant de fonctionner à la fréquence industrielle. Un moteur 17, électrique ou Diesel, permet le démarrage de l'ensemble, comme il a été expliqué plus haut. L'alternateur possède un inducteur 11A sur lequel un circuit de régulation 18 peut agir pour assurer la régulation de l'alternateur en fonction de la charge. Le circuit régulateur agit en fonction de mesures du courant et de la tension fournis par l'alternateur, au moyen de transformateurs de mesure 19 et 20. La figure 2 représente un ensemble analogue à celui de la figure 1, mais dans lequel la turbine à gaz 10' est de forte puissance, de sorte que le réducteur de vitesse 16 a été supprimé. Les autres éléments de l'ensemble restent inchangés et ont reçu dans la figure 2 les mêmes numéros que les éléments analogues de la figure 1. Dans la figure 3, la turbine à gaz 10 est de nouveau de faible ou moyenne puissance et nécessite un réducteur de vitesse 16.35 Mais le moteur de démarrage est supprimé, le démarrage étant assuré au moyen d'un convertisseur statique de démarrage 22, comprenant un pont thyristors 22 alimenté à partir du réseau par un transformateur de soutirage 23. Les autres éléments de l'ensemble sont inchangés. La figure 4 montre un ensemble dans lequel la turbine à gaz 10' est de forte puissance et est donc couplée sans réducteur à l'alternateur 11. Le moteur de démarrage est supprimé et remplacé, comme dans le cas de la figure 3, par un convertisseur statique de démarrage 22.10 La figure 5 représente un ensemble de production d'énergie électrique selon l'invention. La turbine à gaz 100 est couplée directement à l'alternateur, et quelle que soit sa puissance, l'ensemble turbine-alternateur peut tourner à sa vitesse optimale. Par exemple la turbine à gaz est une turbine de 40 MW et, lorsqu'elle tourne à 5100 tours/minute, l'alternateur possédant deux pôles, fournit une fréquence de 85Hz. Selon une caractéristique de l'invention, l'alternateur est en série avec un convertisseur statique de fréquence 25 (en abrégé CSF), lui-même relié au réseau 13 par le transformateur 14 et le disjoncteur de ligne 16. Un disjoncteur d'alternateur éventuel 15 est disposé en amont du CSF. Le convertisseur comprend deux ponts à thyristors 25A et 25B reliés par une inductance 26. La commande du CSF s'effectue à partir des mesures du courant et de la tension réalisés au moyen des transformateurs de mesure 29 et 30. Le convertisseur statique de fréquence a pour fonction principale de convertir tension et délivrés par l'alternateur à une fréquence différente de celle du réseau (85 Hz dans l'exemple précité), en grandeurs correspondantes à la fréquence du réseau. Il permet ainsi de transmettre la puissance fournie par l'alternateur à la fréquence appropriée. Le CSF offre d'autres possibilités d'utilisation: a) il peut effectuer les fonctions d'excitation et de régulation dévolues, dans l'art antérieur, à des armoires spécialisées. A cet effet, il peut utiliser les données mesurées par les transformateurs de mesure 29 et 30.5 b) il peut assurer la fonction de démarrage. Au démarrage, le courant est prélevé sur le réseau; après l'allumage des chambres de combustion, le courant change de sens pour assurer la transmission de la puissance fournie par l'alternateur. Cette possibilité est offerte en raison10 du caractère réversible du CSF. c) il peut, outre la fonction principale mentionnée précédemment, assurer l'ensemble des fonctions visées sous a) et b). Grâce à l'invention, on peut réaliser de substantielles économies sur le coût d'un groupe comprenant une turbine à gaz et un alternateur et leurs armoires électroniques de commande et également des économies dans le fonctionnement. Il est possible en effet: - de supprimer le réducteur dont le prix de revient est important et qui consomme de l'énergie, - d'optimiser la vitesse de rotation de la turbine à gaz et de l'ensemble turbine-alternateur, à pleine charge ou à charge partielle, d'o un meilleur rendement de l'ensemble. - de supprimer les délicats problèmes de synchronisation entre la fréquence du réseau et celle de l'alternateur. L'invention s'applique à tout type de turbine (turbine à gaz, turbine à vapeur) quelle que soit sa puissance. REVENDICATION 1/ Ensemble turbine-générateur, couplé sans réducteur de vitesse, destiné à débiter de l'énergie électrique dans un réseau électrique alternatif de fréquence donnée, 5 caractérisé en ce qu'entre le générateur (11) et le réseau (13) est connecté en série un convertisseur statique de fréquence (25) convertissant la tension et le courant délivrés par le générateur à une fréquence différente de celle du réseau en grandeurs correspondantes à la fréquence du réseau. 2/ Ensemble turbine-générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur statique de fréquence (25) comprend deux ponts (25A, 25B) à thyristors reliés par une inductance (26) et pilotés par des informations relative à la tension et au courant du générateur, fournies par des transformateurs de mesure (29, 30). 3/ Ensemble turbine-générateur selon l'une des revendications 1 et 2, appliqué à une turbine de type quelconque et à un alternateur comprenant un inducteur,20 caractérisé en ce que le convertisseur statique de fréquence (25) peut assurer les fonctions d'excitation et de régulation de l'alternateur (11) en agissant sur l'inducteur (11A). 4/ Ensemble turbine-générateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le convertisseur statique de fréquence (25) peut assurer la fonction de démarrage en prélevant de l'énergie sur le réseau pour alimenter le générateur (11) qui fonctionne en moteur. 5/ Ensemble turbine- générateur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la vitesse optimale de l'ensemble peut être ajustée en fonction de la charge débitée dans le réseau. 6/ Ensemble turbine-générateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le générateur est un alternateur ou une génératrice asynchrone.