Brevet FR2783367A1 — publié le 20000317

La présente invention se rapporte à un système d'alimentation en énergie électrique pour appareillage électrique. Dans certaines applications, en particulier dans le domaine de l'électronique et de la micro électronique, il est nécessaire de disposer d'une alimentation de haute qualité. Une telle alimentation doit foumrnir, en permanence, une fréquence très stable, c'est-à-dire, par exemple, avec des variations inférieures à environ 1%, des variations de valeurs de tension inférieures à environ 10%, de préférence inférieures par exemple à 8%, et ce pour une puissance pouvant aller par exemple jusqu'à 30 Mégawatts. De plus, lorsqu'apparait une coupure ou un creux de tension dans l'alimentation, cette dernière ne doit pas se traduire par une variation de fréquence et de tension au-delà des limites fixées. Ainsi, les réseaux de distribution d'énergie électrique publics, susceptible d'engendrer des microcoupures d'une durée de 100 à 800 ms s'accompagnant d'une chute de la valeur de la tension foumrnie, ne permettent pas de fournir une alimentation adéquate pour de telles utilisations. Le but de l'invention est de fournir un système d'alimentation capable de fournir une alimentation de haute qualité, c'est-à-dire capable de répondre aux exigences mentionnées ci-dessus. Elle a donc pour objet un système d'alimentation en énergie électrique pour appareillage électrique, comprenant des moyens générateurs d'énergie électrique assurant l'alimentation de l'appareillage électrique, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de compensation de perturbations dans l'alimentation fournie à l'appareillage, les moyens de compensation comprenant des moyens de stockage d'énergie électrique active adaptés pour échanger de l'énergie électrique active avec l'appareillage électrique, lors de l'apparition d'une perturbation. Le système d'alimentation selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles: - les moyens de stockage d'énergie comportent au moins une masse rotative associée à des moyens de conversion réversibles d'une énergie mécanique en une énergie électrique reliés à une ligne d'alimentation de l'appareillage; - le système comporte en outre des moyens convertisseurs de fréquence associés aux moyens de stockage d'énergie; - il comporte en outre des moyens de conversion réversibles d'une puissance active délivrée par les moyens de stockage d'énergie en une puissance active destinée à être échangée avec l'appareillage; - le système comporte en outre au moins un transformateur élévateur de tension connecté entre la ligne d'alimentation de l'appareillage électrique et les moyens de stockage d'énergie; D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue générale schématique d'un système d'alimentation selon l'invention; - la figure 2 est un schéma électrique montrant la constitution des moyens de compensation des perturbations susceptibles d'apparaître dans l'alimentation fournie à l'appareillage; et - la figure 3 est un schéma électrique d'un autre mode de réalisation des moyens de compensation. Sur la figure 1, on a représenté une vue générale d'un système d'alimentation, conforme à l'invention. Il est destiné à l'alimentation d'un ou plusieurs appareillages électriques, désignés par la référence numérique générale 10. Dans le cadre de la présente description, on entend par appareillage électrique tout type de dispositif ou d'installation consommatrice d'énergie électrique, tels que des dispositifs électroniques de puissance, des moteurs,... Comme mentionné précédemment, l'installation 10 doit être alimentée au moyen d'une alimentation de haute qualité, c'est-à-dire présentant une fréquence stable, avec des variations par exemple inférieures à environ 1%, des variations de tension par exemple inférieures à 10%, de préférence inférieures à 8% et sans creux de tension pouvant apparaître en présence d'une microcoupure ou d'un court-circuit sur un réseau de distribution d'énergie électrique. Par exemple, la tension à fournir à l'appareillage 10 est de plusieurs dizaines de KV, pour une puissance de plusieurs dizaines de Mégawatts. Comme on le voit sur la figure 1, le système d'alimentation comporte une ligne d'alimentation 12 raccordée à un réseau R de distribution d'énergie électrique polyphasé, en l'espèce le réseau de distribution public, et à laquelle sont raccordés un ensemble de générateurs d'énergie électrique, tels que 14, constitués par exemple par des turbines ou des moteurs à gaz appropriés. Le nombre de générateurs 14 utilisés dépend des besoins de l'appareillage 10, c'est-à-dire de la puissance totale à fournir,;de la puissance de chaque générateur, et de l'impact de charge maximum admissible, c'est-à-dire la variation de fréquence engendrée lors du raccordement électriquement de l'appareillage 10. Par exemple, pour des générateurs 14 délivrant chacun une puissance de 3, 8 Mégawatts, huit générateurs 14 identiques sont utilisés et raccordés en parallèle sur la ligne d'alimentation 12, de manière à obtenir une puissance globale de 30 Mégawatts environ. On voit par ailleurs sur la figure 1 que chaque générateur 14 est associé à un transformateur élévateur de tension, tel que 16, capable d'élever la tension fournie sur la ligne 12 jusqu'au niveau de tension à fournir à l'appareillage 10, c'est-à-dire jusqu'à une tension égale à 20 KV, par exemple. Par ailleurs, le système d'alimentation est pourvu de moyens de compensation de perturbations susceptibles d'apparaître dans l'alimentation fournie à l'appareillage 10, désignés par la référence numérique générale 18 et succinctement représentés sur cette figure. Il sont interposés entre le réseau R de distribution d'énergie électrique et la ligne d'alimentation 12. Les moyens de compensation 18 comportent des moyens de stockage d'énergie électrique 20 constitués par une masse rotative associée à des moyens 21 de conversion réversibles de l'énergie mécanique délivrée ou absorbée par cette dernière en énergie électrique, reliés à la ligne d'alimentation 12. Sur la figure 2, on a représenté un premier exemple de réalisation des moyens de compensation 18. On voit sur cette figure 2 que les moyens de stockage d'énergie 20 des moyens de compensation 18 sont connectés entre deux bobines d'inductance 22 et 24 raccordées d'un côté au réseau R de distribution d'énergie électrique et de l'autre à la ligne 12 d'alimentation, pour permettre un échange d'énergie avec l'appareillage électrique et le réseau lorsqu'apparait une perturbation dans l'alimentation, par exemple une microcoupure générée par le réseau R d'alimentation, ou un dysfonctionnement de l'un des générateurs 14, en vue de maintenir constante la tension d'alimentation de l'appareillage 10. Les moyens 20 de stockage d'énergie sont raccordés aux bobines 22 et 24 l'intermédiaire d'un transformateur 26 élévateur de tension capable par exemple de fournir une puissance active de 5 MW. Ils comportent plusieurs branches identiques 28,30 et 32 disposées en parallèle et raccordées au transformateur 26 par l'intermédiaire de dispositifs de commutation appropriés, tels que 33. Chacune des branches 28,30 et 32 est adaptée pour échanger de la puissance active avec l'appareillage électrique 10 et le réseau R pour compenser les perturbations susceptibles d'apparaître dans l'alimentation de ce dernier. Pour ce faire, chacune des branches 28,30 et 32 comporte une masse rotative, 34,36 et 38, constituée par un volant d'inertie de type classique, associé à des moyens de conversion réversibles d'une énergie mécanique en une énergie électrique, respectivement , 42 et 44, en vue de la conversion, d'une part, de l'énergie mécanique fournie par les volants d'inertie 34,36 et 38 en énergie électrique et, d'autre part, de l'énergie électrique à absorber sur la ligne de l'alimentation 12 en énergie mécanique correspondante pour l'entraînement en rotation des volants d'inertie. Par exemple, chacun des volants d'inertie est un volant d'inertie capable de délivrer une puissance active égale à 1650 KW pendant 10 s. Le point de fonctionnement de ces volants d'inertie est réglé de manière à être positionné au milieu de leur plage de fonctionnement, de manière à absorber ou délivrer indifféremment de la puissance active. Par ailleurs, ils sont associés chacun à des moyens moteurs (non représentés) permettant leur mise en rotation, lors de la mise en marche du système. Les moyens convertisseurs d'énergie 40,42 et 44 sont en outre reliés à un convertisseur de fréquence, respectivement 46,48 et 50, de type classique, capable de foumrnir, en sortie, une fréquence égale à 50 Hz compatible avec la fréquence d'alimentation de l'appareillage électrique 10. Chacune des branches 28,30 et 32 est en outre complétée par un convertisseur, 52,54 et 56, constitué par exemple par un alternateur, capable de transformer la puissance active fournie par les volants d'inertie 34,36 et 38 en une puissance active correspondante, en vue de son injection sur la ligne 12 d'alimentation et de transformer de la puissance active prélevée sur cette dernière en puissance active correspondante, pour être stockée dans les volants d'inertie. Trois volants d'inertie étant utilisés dans le cadre de l'exemple de réalisation envisagé, il est possible d'échanger avec la ligne 12 d'alimentation une puissance égale à environ 5 Mégawatts, ce qui permet de pallier la défaillance momentanée de l'un des générateurs 14 et de limiter les impacts dus à une microcoupure apparaissant sur le réseau R de distribution. Lorsqu'apparaît un court-circuit sur le réseau R, les bobines 22 et 24 limitent la transmission d'énergie électrique en direction de la portion de réseau incriminée tant qu'un disjoncteur 58 équipant classiquement le réseau R n'est pas actionné, ce qui intervient classiquement après une période de temps pouvant aller jusqu'à 500 ms. Par conséquent, les effets d'un tel court-circuit sont limités. On notera que les éléments de commutation, tels que 33, équipant les moyens de stockage d'énergie sont pilotés au moyen d'un dispositif classique électronique dont le temps de réponse est négligeable par rapport au temps de réponse du disjoncteur 58, ce qui contribue à limiter les effets d'un dysfonctionnement apparaissant sur le réseau R. En référence à la figure 3, on va décrire un autre mode de réalisation des moyens de compensation 18. Selon ce mode de réalisation, les moyens 20 de stockage d'énergie sont connectés entre deux machines tournantes 62 et 64 à rotor bobiné raccordées l'une, 62, au réseau R de distribution d'énergie électrique et l'autre, 64, à la ligne 12 d'alimentation, pour permettre un échange d'énergie avec l'appareillage électrique et le réseau lorsqu'apparaît une perturbation dans l'alimentation, par exemple une microcoupure générée par le réseau R d'alimentation, ou par un dysfonctionnement de l'un des générateurs 14. Les machines tournantes 62 et 64 sont raccordées au réseau R et à la ligne d'alimentation 12 par l'intermédiaire de deux transformateurs 66 et 68 élévateur de tension capable par exemple de fournir une puissance active de 3 MW. Comme dans l'exemple de réalisation décrit en référence à la figure 2, les moyens de compensation 18 comportent plusieurs branches identiques disposées en parallèle. Chacune des branches est adaptée pour échanger de la puissance active avec l'appareillage électrique 10 et le réseau R pour compenser les perturbations susceptibles d'apparaître dans l'alimentation de ce dernier. Les moyens de stockage d'énergie 20 de chacune des branches comporte une masse rotative 70 commune de stockage d'énergie constituée par un volant d'inertie de type classique, associé à des moyens de conversion réversibles d'une énergie mécanique en une énergie électrique, 72 et 74, en vue de la conversion, d'une part, de l'énergie mécanique fournie par les volants d'inertie en énergie électrique et, d'autre part, de l'énergie électrique à absorber sur la ligne de l'alimentation 12 en énergie mécanique correspondante pour l'entraînement en rotation des volants d'inertie. Par exemple, le volant d'inertie est un volant d'inertie capable de délivrer une puissance active égale à 3000 KW pendant 3 s. Les moyens convertisseurs d'énergie 72 et 74 sont en outre capables de fournir, en sortie, une fréquence variable compatible avec la fréquence de rotation du volant 70. Deux machines tournantes étant utilisées dans le cadre de l'exemple de réalisation décrit, il est possible d'échanger avec la ligne 12 d'alimentation une puissance égale à environ 6 Mégawatts, ce qui permet de pallier la défaillance momentanée de l'un des générateurs 14 et de limiter les impacts dus à une microcoupure apparaissant sur le réseau R de distribution, comme dans l'exemple de réalisation décrit précédemment. On notera par ailleurs, que lorsqu'apparaît un court-circuit sur le réseau R, les machines tournantes 62 et 64 limitent la transmission d'énergie électrique en direction de la portion de réseau incriminée tant que le disjoncteur 76 équipant le réseau R n'est pas actionné. Par conséquent, les effets d'un tel court-circuit sont limités. Comme dans l'exemple de réalisation décrit précédemment, les éléments de commutation, équipant les moyens de stockage d'énergie sont pilotés au moyen d'un dispositif classique électronique dont le temps de réponse est négligeable par rapport au temps de réponse du disjoncteur 76, ce qui contribue à limiter les effets d'un dysfonctionnement apparaissant sur le réseau R. Enfin, on voit que le système est complété par des inductances et un pont de diodes appropriés pour l'utilisation envisagée. On conçoit que l'invention qui vient d'être décrite, assurant un échange d'énergie entre les moyens de stockage 20 et la ligne 12 d'alimentation permet de compenser les chutes de tension susceptibles d'apparaître lors de l'apparition d'un dysfonctionnement sur le réseau R, ou lors de la défaillance de l'un des générateurs 14, ou encore lors d'une chute de tension momentanée due au raccordement d'un appareillage sur la ligne 12, dans la mesure o les moyens de compensation 18 permettent d'injecter la quantité d'énergie nécessaire pour pallier cette défaillance. On conçoit de même que l'absorption et l'injection de charge sur la ligne 12 d'alimentation permet de maintenir stable la fréquence de l'alimentation lors de l'apparition de dysfonctionnements. Le système d'alimentation décrit en référence aux figures 1 et 2 est muni de moyens de stockage d'énergie constitués principalement par des volants d'inertie. Il serait toutefois possible, en variante, de remplacer ces volants d'inertie par d'autres types de moyens de stockage d'énergie appropriée, tels que, par exemple, des accumulateurs d'énergie électrique. On notera enfin que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, en particulier en ce qui concerne la constitution des moyens de compensation, d'autres dispositifs appropriés pouvant également être utilisés. REVENDICATIONS 1. Système d'alimentation en énergie électrique pour appareillage électrique (10), comprenant des moyens (14) générateurs d'énergie électrique assurant l'alimentation de l'appareillage électrique (10), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (18) de compensation de perturbations dans l'alimentation fournie à l'appareillage (10), les moyens (18) de compensation comprenant des moyens (20) de stockage d'énergie électrique active adaptés pour échanger de l'énergie électrique active avec l'appareillage électrique, lors de l'apparition d'une perturbation. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (20) de stockage d'énergie comportent au moins une masse (34,36,38; 70) rotative associée à des moyens (40,42,44;72,74) de conversion réversibles d'une énergie mécanique en une énergie électrique reliés à une ligne (12) d'alimentation de l'appareillage. 3. Système selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (46,48,50;72,74) convertisseurs de fréquence associés aux moyens (20) de stockage d'énergie. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (52,54,56) de conversion réversibles d'une puissance active délivrée par les moyens (20) de stockage d'énergie en puissance active destinée à être échangée avec l'appareillage (10). 5. Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un transformateur (26;66,68) élévateur de tension connecté entre la ligne (12) d'alimentation de l'appareillage électrique et les moyens de stockage d'énergie (20).