Brevet FR2753019A1 — publié le 19980306

DISPOSITIF DE PRODUCTION D'ENERGIE ELECTRIQUE L'invention concerne un dispositif de production d'énergie électrique comportant: - une hélice pouvant être mise en rotation, - un générateur d'énergie électrique comportant un rotor couplé à hélice et un stator fournissant l'énergie électrique à un réseau de distribution. Les dispositifs de production d'énergie électrique comportant une éolienne sont prévus pour fonctionner lorsque la vitesse du vent est comprise entre une valeur minimale et une valeur maximale. Si la vitesse du vent est inférieure à la vitesse minimale, 11 éolienne est mise à l'arrêt. Généralement, I'arrêt est assuré par un frein mécanique qui bloque la rotation de l'éolienne. Lorsque la vitesse du vent devient supérieure à la vitesse minimale, le frein mécanique est mis hors service et l'éolienne se met en rotation. Dès que l'éolienne atteint sa vitesse de rotation nominale, un générateur couplé à l'hélice est connecté à un réseau de distribution électrique. Le générateur fourni alors, de l'énergie électrique au réseau. Si la vitesse du vent augmente, l'énergie fournie par la générateur au réseau est plus importante. Quand la vitesse du vent dépasse la valeur maximale, l'éolienne doit être arrêtée car les contraintes mécaniques deviennent trop importantes. Dans les dispositifs de types connus l'arrêt de l'éolienne est effectué à l'aide d'un frein mécanique. Les freins mécaniques sont efficaces pour ralentir et arrêter l'éolienne. Mais, une utilisation fréquente, conduit à une usure rapide des freins mécaniques et par conséquent à des remplacements fréquents. I1 est connu, pour palier à une usure rapide des freins mécaniques, d'utiliser des dispositifs de freinage à courant de Foucault. Ces dispositifs de freinage sont généralement situés sur des mécanismes de transmission entre l'éolienne et le générateur. Généralement, les dispositifs de freinage à courant de Foucault comportent un enroulement inducteur et un induit formé par un cylindre ou un disque en matériau conducteur. L'enroulement inducteur est alimenté par du courant produit par le générateur. Ce dispositif de freinage par courant de Foucault permet de réduire l'usure des freins mécaniques mais augmente le coût et la complexité du dispositif de production d'énergie électrique. En effet, les dispositifs de freinage par courant de Foucault, situés entre l'éolienne et le générateur, compliquent la fabrication de la partie mécanique et augmente le poids de l'ensemble. Il est aussi très difficile de rajouter ces dispositifs de freinage à courant de Foucault sur des éoliennes déjà installées. Ces dispositifs de freinage supplémentaires doivent être prévus dès la conception de l'éolienne pour éviter des modifications importantes de structures mécaniques. L'invention à pour but un dispositif de production d'énergie électrique comportant une hélice et un dispositif de freinage et de régulation ne nécessitant pas de modification importante des structures mécaniques. Selon l'invention, le dispositif comporte un dispositif de freinage comportant des moyens d'injection connectés au stator du générateur pour injecter un courant continu ou redressé dans des bobinages dudit stator. Selon un mode préférentiel de réalisation 11 hélice est une éolienne, et le dispositif comporte des moyens de contrôle connectés aux moyens d'injection et des premiers moyens de mesure connectés aux moyens de contrôle fournissant un signal représentatif de la vitesse du vent, les moyens de contrôle commandant l'injection du courant dans le stator lorsque le signal représentatif de la vitesse du vent dépasse une première valeur prédéterminée. Dans un développement du mode préférentiel de réalisation, le dispositif comporte des moyens d'interruption connectés entre le stator et le réseau et commandés par les moyens de contrôle pour arrêter la fourniture d'énergie électrique au réseau si le signal représentatif de la vitesse du vent dépasse la première valeur prédéterminée. De préférence, le dispositif comporte des premiers moyens de filtrage connectés entre le stator et le réseau pour empêcher la circulation du courant fourni par les moyens d'injection vers le réseau. Selon un développement de l'invention, le dispositif comporte des moyens de régulation de vitesse connectés aux moyens d'injection et des second moyens de mesure, connectés audits moyens de régulation de vitesse et fournissant un signal représentatif de la vitesse de rotation l'hélice. Les moyens de régulation commandent: - une augmentation de la valeur du courant fourni par les moyens d'injection si la valeur du signal représentatif de la vitesse de l'hélice dépasse une valeur prédéterminée, ou - une diminution de la valeur du courant fourni par les moyens d'injection si la valeur du signal représentatif de la vitesse de 11 hélice devient inférieure à la valeur prédéterminée. Les premiers moyens de filtrage comportent des condensateurs connectés en série sur les lignes du réseau. Dans un mode particulier de réalisation, le dispositif comporte des seconds moyens de filtrage connectés entre les moyens d'injection et le stator pour empêcher la circulation, dans les moyens d'injection, de courants alternatifs produits par le générateur. De préférence, le générateur est de type asynchrone triphasé comportant un stator à trois enroulements, l'injection du courant fourni par les moyens d'injection s'effectuant entre un premier enroulement et un second enroulement disposés en série. Dans un procédé de freinage, le circuit de contrôle: - ferme les moyens d'interruption si le signal représentatif de la vitesse du vent est comprise entre une valeur minimale prédéterminée et une valeur maximale prédéterminée, - ouvre les moyens d'interruption et commande les moyens d'injection pour injecter le courant continu dans le stator si le signal représentatif de la vitesse du vent dépasse la valeur maximale prédéterminée, et - commande les moyens d'injection pour arrêter l'injection du courant continu dans le stator lorsque le signal représentatif de la vitesse du vent devient inférieur à la valeur minimale prédéterminée. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, de modes de mise en oeuvre de l'invention, donné à titre d'exemples non limitatifs, et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 représente le schéma d'un dispositif de production d'énergie électrique à éolienne de type connu. La figure 2 représente le schéma d'un dispositif de production d'énergie électrique à éolienne selon un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 3 représente un organigramme d'un procédé de freinage pouvant être mis en place dans un dispositif selon l'invention. La figure 4 représente un schéma de connexion d'un stator d'un générateur triphasé pendant une phase de freinage. La figure 5 représente le schéma d'un dispositif de production d'énergie électrique à éolienne selon un second mode de réalisation de l'invention. Le dispositif de production d'énergie électrique à éolienne représenté sur la figure 1, comporte de manière connue, une hélice 1 et un générateur 2 couplés mécaniquement. Le générateur 1 comporte un rotor 3 relié à l'hélice, et un stator 4 comportant des enroulements destinés à fournir de l'énergie électrique à un réseau 5. La protection électrique du générateur 2 et du réseau est assurée par un premier disjoncteur 6 connecté entre trois lignes de sortie S1, S2 et S3 du stator 4 et le réseau 5. Dans le dispositif de la figure 1, le générateur 2 est de type asynchrone triphasé et l'hélice 1 a des pales fixes. Lorsque le générateur est de forte puissance ou lorsque une installation à alimenter est éloignée du générateur, le réseau 5 comprend un transformateur 7 élévateur de tension. Le transformateur 7 comporte des enroulements primaires 8 basse tension et des enroulements secondaires 9 haute tension. Les enroulements primaires 8 sont connectés, à travers le disjoncteur 6, au stator 4 du générateur. les enroulements secondaires 9 alimentent une partie haute tension 10 du réseau. Le dispositif connu de la figure 1 comporte un frein mécanique 11 couplé à hélice 1 pour freiner et immobiliser l'éolienne en rotation. Généralement, les dispositifs comportant des éoliennes fonctionnent lorsque la vitesse du vent est comprise entre une vitesse minimale et une vitesse maximale. tant que la vitesse du vent est inférieure à la vitesse minimale, le générateur ne peut fournir d'énergie au réseau et le disjoncteur 6 reste ouvert. L'éolienne peut être maintenue arrêtée par le frein mécanique. Si la vitesse du vent dépasse la vitesse minimale, l'éolienne est débloquée, le disjoncteur est fermé et le générateur peut fournir de l'énergie électrique du réseau. lorsque la vitesse du vent devient supérieure à la vitesse maximale, l'éolienne doit être arrêtée pour éviter qu'elle ne subisse des contraintes mécaniques trop importantes. Lors de l'arrêt de l'éolienne, le frein mécanique 11 est activé, et le disjoncteur est ouvert. Le frein mécanique ralenti la rotation de l'éolienne puis l'immobilise. Les freins mécaniques s'usent rapidement, et demandent, par conséquent, une maintenance fréquente et coûteuse. Cette usure rapide ne permet pas, non plus, d'utiliser ces freins mécaniques pour réguler la vitesse de rotation de l'éolienne. Il est connu d'utiliser des freins supplémentaires à courant de Foucault disposés entre l'hélice et le générateur pour palier aux problèmes d'usure des freins mécaniques. mais, ces freins supplémentaires sont encombrants et ne peuvent pas être facilement installés sur des générateurs à éolienne déjà en fonction. Dans un dispositif de production d'énergie électrique selon l'invention, représenté sur la figure 2, un dispositif (12, 13, 14) de fourniture d'un courant continu Ic est connecté au stator 4 du générateur pour ralentir et freiner l'éolienne. Le générateur est utilisé pour produire l'énergie électrique à fournir au réseau et pour freiner l'éolienne lorsqu'il reçoit un courant continu Ic sur le stator. Lorsque le stator reçoit le courant continu Ic, des courants sont induits dans le rotor en rotation. Les champs magnétiques induits par les courants dans le stator et le rotor provoquent un ralentissement efficace du générateur et de l'éolienne. Un champ magnétique fixe généré au stator force le rotor à s'arrêter. Ce fonctionnement est analogue, mais avec des paramètres inverses, à celui d'un moteur électrique où un champ tournant entraîne un rotor en rotation. Dans un dispositif selon l'invention, le champ fixe, de vitesse de rotation nulle, ralenti et freine le rotor. Le rotor peut être de type bobiné ou à cages. Le frein mécanique peut être utilisé pour bloquer l'éolienne lorsque, après un freinage effectué par le générateur, sa vitesse de rotation devient très faible. Dans le dispositif de production de la figure 2, le dispositif de fourniture de courant continu comporte un dispositif d'alimentation 13 ayant des sorties de courant continu connectées, à travers un second disjoncteur 12, à deux lignes de sortie S1 et S2 du stator. Une entrée du dispositif d'alimentation peut être connectée au réseau 5 par une ligne 24 d'alimentation. Un dispositif d'accumulation 14 d'énergie électrique est connecté au dispositif d'alimentation pour assurer une autonomie de fonctionnement lorsque le réseau 5 n'est plus alimenté. Le freinage par le générateur est contrôlé par un circuit de contrôle 15 qui commande l'ouverture et la fermeture des disjoncteurs 6 et 12. Une entrée du circuit de contrôle est connectée à un capteur 16 fournissant un signal représentatif de la vitesse du vent. Un dispositif de verrouillage 26 disposé entre les disjoncteurs 6 et 12 empêche que les deux disjoncteurs puissent être simultanément en état de fermeture. Le frein mécanique peut-être utilisé conjointement avec le freinage par le générateur, notamment pour immobiliser l'éolienne. Dans ce cas, une sortie du dispositif de contrôle peut actionner le fonctionnement du frein 11. Un exemple de cycle de fonctionnement d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention, est représenté sur la figure 3. Après une phase de démarrage 17, les disjoncteurs 6 et 12 sont ouverts et le frein mécanique 11 est bloqué lors d'une étape 18. Dans une étape 19 le circuit de contrôle 15 surveille un signal représentatif de la vitesse du vent VV fourni par le capteur 16. Si la vitesse du vent est supérieure à une vitesse maximale Vmin et inférieure à une vitesse maximale Vmax, dans une étape 20, le frein 1 1 est débloqué et le disjoncteur 6 est fermé. Le générateur fournit, alors, de l'énergie électrique au réseau. Pendant cette période de production d'énergie, le circuit de contrôle surveille la vitesse du vent VV. Si la vitesse du vent VV devient inférieure à la vitesse minimale Vmin (étape 21), le disjoncteur 6 est ouvert et le frein 1 1 est bloqué. Le dispositif se trouve alors dans l'état de l'étape 18. Lorsque la vitesse du vent dépasse la vitesse Vmax, étape 22, le disjoncteur 6 est ouvert et le disjoncteur 12 est fermé (étape 23). Le dispositif est alors dans une phase de freinage Un courant continu est injecté dans des enroulements du stator et le rotor est ralenti de manière rapide et efficace. Pendant cette phase, le frein mécanique 1 1 est inactif et, par conséquent, ne s'use pas. A la fin de la phase de freinage la vitesse de rotation est très faible, l'éolienne est presque à l'arrêt. Le frein mécanique peut-être actionner pour immobiliser complètement le dispositif. Ensuite, l'injection du courant continu Ic n'étant plus utile, le disjoncteur 12 est ouvert par le dispositif de contrôle 15. Pour améliorer l'efficacité du freinage il est possible d'alimenter en courant continu les trois enroulements du stator. Un schéma représenté sur la figure 4 montre le stator 4 comportant trois enroulements 4a, 4b et 4c connectés en étoile et reliés aux lignes de sortie respectivement S1, S2 et S3. Comme dans le schéma de la figure 2, le courant continu Ic est injecté entre les lignes S1 et S2 lorsque le disjoncteur 6 est ouvert et le disjoncteur 12 est fermé. Sur le schéma de la figure 4, un interrupteur 25 est connecté entre la ligne S2 et S3. Cet interrupteur est commandé, en même temps et de la même manière que le disjoncteur 12, pour mettre en parallèle les enroulements 4b et 4c. Ainsi, lors d'une phase de freinage, le courant Ic est injecté, par la ligne S1, sur l'enroulement 4a. Puis, lorsque l'interrupteur 25 est fermé, le courant sortant de 4a est partagé entre les enroulements 4b et 4c en parallèle. Le courant circulant dans 4b et 4c est recueilli dans la ligne S2 et revient vers le dispositif 13. Ce type de connexion peut aussi être utilisé avec un stator comportant trois enroulements connectés en triangle. Dans ce cas, deux enroulements reliés en série sont connectés en parallèle avec un troisième enroulement. Dans un développement de l'invention, l'injection de courant dans le stator peut-être aussi utilisée pour réguler la vitesse de rotation de l'éolienne et du générateur. Un schéma d'un dispositif selon un second mode de réalisation de l'invention comportant un dispositif de régulation est représenté sur la figure 5. Le dispositif de production d'énergie électrique de la figure 5, comporte un circuit de régulation 26 connecté au dispositif d'alimentation 13 pour réguler la valeur du courant continu Ic injecté au stator. Un capteur de vitesse 27, connecté à une entrée du circuit de régulation, fournit un signal VH représentatif de la vitesse de l'éolienne. Dans ce dispositif de production, si la vitesse du vent est suffisante, la vitesse de rotation de l'hélice est maintenue la plus proche possible d'une vitesse de référence VR. la valeur de la vitesse de référence VR est fournie par un dispositif de paramétrage 28. En fonctionnement, si la vitesse de l'éolienne VH est supérieure à la vitesse de référence VR, le circuit de régulation 26 commande le dispositif d'alimentation 13 pour augmenter le courant continu Ic injecté dans le stator. L'augmentation du courant continu Ic provoque un ralentissement de la vitesse de rotation du générateur 2 et de l'hélice 1. Lorsque la vitesse de l'éolienne VH devient inférieure à la vitesse de référence VR, le circuit de régulation 26 commande le dispositif d'alimentation 13 pour diminuer la valeur du courant continu Ic injecté dans le stator. La diminution du courant Ic permet au générateur et à l'éolienne de tourner plus rapidement. La régulation de la vitesse se fait pendant que le générateur fourni de l'énergie électrique au réseau. Dans ce cas, le courant continu Ic est superposé, dans le stator au courant alternatif généré par le générateur 2. Dans ce dispositif de production, les disjoncteurs 6 et 12 doivent être fermés en même temps, pendant la fourniture d'énergie électrique au réseau. Pour éviter que le courant continu Ic se propage vers le réseau et que du courant alternatif soit appliquer à la sortie du dispositif d'alimentation 13, le dispositif de la figure 5 comporte un premier filtre 29 connecté entre le disjoncteur 6 et le réseau 5, et un second filtre 30 connecté entre le stator 4 et le disjoncteur 12. Le premier filtre 29 est une batterie de condensateur C1, C2 et C3 disposés en série sur les lignes du réseau. Ces condensateurs arrêtent le courant continu Ic et laissent passer le courant alternatif fourni par le générateur 2. Les condensateurs C1, C2 et C3 peuvent permettre aussi la compensation d'énergie réactive du générateur asynchrone. Le second filtre 30 comporte des circuits LC qui bloquent le courant alternatif et laissent passer le courant continu Ic. Le dispositif de la figure 5 est utilisé aussi pour freiner l'éolienne. Dans ce cas, la vitesse de référence VR devient nulle et le dispositif de régulation 26 commande le dispositif d'alimentation pour injecté un courant continu Ic maximal afin de freiner et arrêter la rotation de l'éolienne. Pendant le freinage le disjoncteur 6 est ouvert. Puis, lorsque l'éolienne est bloquée par le frein 11, le disjoncteur 12 est également ouvert. Les commande des disjoncteurs 6 et 12 et du frein 1 1 peuvent être réalisées par un circuit de contrôle centralisé qui tient compte du mode de fonctionnement du circuit de régulation 26. Le courant continu Ic fourni par le dispositif 13 d'alimentation peut-être aussi du courant redressé ou du courant impulsionnel régulé par une modulation de largeur d'impulsion. Les modes de réalisation décrits ci-dessus sont particulièrement bien adaptés aux dispositifs comportant des hélices à pales fixes qui ne peuvent pas être régulés en fonction de la vitesse du vent. Mais, ils peuvent avantageusement être aussi utilisés dans des dispositifs à pales orientables. Les générateurs 2 sont, de préférence, de type triphasé comportant des rotors bobinés ou des rotors à cage. Cependant, l'invention peut être appliqué à des dispositifs comportant des générateurs monophasés ou biphasés. L'invention a été décrite pour des dispositifs à éolienne, mais il est évident que l'invention peut être appliquée à des dispositifs comportant d'autres type d'hélice, notamment, des turbines hydrauliques ou à vapeur. REVENDICATIONS 1. Dispositif de production d'énergie électrique comportant: - une hélice (1) pouvant être mise en rotation, - un générateur (2) d'énergie électrique comportant un rotor (3) couplé à l'hélice et un stator (4) fournissant l'énergie électrique à un réseau (5, 7, 10) de distribution, dispositif de production caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (13, 12, 3, 4) de freinage comportant des moyens (13, 12) d'injection connectés au stator (4) du générateur pour injecter un courant (Ic) continu ou redressé dans des bobinages (4a, 4b, 4c) dudit stator. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'hélice est une éolienne et que le dispositif comporte des moyens (15) de contrôle connectés aux moyens d'injection (12) et des premiers moyens (16) de mesure connectés aux moyens (15) de contrôle fournissant un signal (VV) représentatif de la vitesse du vent, les moyens (15) de contrôle commandant l'injection du courant (Ic) dans le stator (4) lorsque le signal représentatif (VV) de la vitesse du vent dépasse une première valeur (Vmax) prédéterminée 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (6) d'interruption connectés entre le stator (4) et le réseau (5) et commandés par les moyens (15) de contrôle pour arrêter la fourniture d'énergie électrique au réseau si le signal représentatif (VV) de la vitesse du vent dépasse la première valeur (Vmax) prédéterminée. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte des premiers moyens (6, 29) de filtrage connectés entre le stator (4) et le réseau (5) pour empêcher la circulation du courant (Ic) fourni par les moyens (13, 12) d'injection vers le réseau. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (26, 28) de régulation de vitesse connectés aux moyens d'injection (13) et des second moyens (27) de mesure, connectés audits moyens (26, 28) de régulation de vitesse et fournissant un signal (VH) représentatif de la vitesse de rotation 11 hélice. 6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que les moyens (26, 28) de régulation commandent: - une augmentation de la valeur du courant (Ic) fourni par les moyens d'injection si la valeur du signal (VH) représentatif de la vitesse de l'hélice dépasse une valeur (VR) predéterminée, ou - une diminution de la valeur du courant (Ic) fourni par les moyens d'injection si la valeur du signal (VH) représentatif de la vitesse de l'hélice devient inférieure à la valeur (VR) prédéterminée. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6 caractérisé en ce que les premiers moyens de filtrage comportent des condensateurs (C1, C2, C3) connectés en série sur les lignes du réseau (5). 8. Dispositif selon lune quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il comporte des seconds moyens (30) de filtrage connectés entre les moyens (13, 12) d'injection et le stator (4) pour empêcher la circulation, dans les moyens d'injection (12, 13), de courants alternatifs produits par le générateur (2). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le générateur (2) est de type asynchrone triphasé comportant un stator (4) à trois enroulements (4a, 4b, 4c), l'injection du courant (Ic) fourni par les moyens d'injection s'effectuant entre un premier enroulement (4a) et un second enroulement (4b, 4c) disposés en série. 10. Procédé de freinage d'un circuit de contrôle d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 9 caractérisé en ce que le circuit de contrôle: - ferme les moyens d'interruption (6) si le signal représentatif (VV) de la vitesse du vent est comprise entre une valeur (Vmin) minimale prédéterminée et une valeur (Vmax) maximale prédéterminée, - ouvre les moyens d'interruption (6) et commande les moyens (12, 13) d'injection pour injecter le courant (Ic) continu dans le stator si le signal représentatif (VV) de la vitesse du vent dépasse la valeur (Vmax) maximale prédéterminée, et - commande les moyens (12, 13) d'injection pour arrêter l'injection du courant (Ic) continu dans le stator lorsque le signal représentatif (VV) de la vitesse du vent devient inférieur à la valeur (Vmin) minimale prédéterminée.