Brevet FR2807884A1 — publié le 20011019

DESCRIPTION DE L'INVENTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un équipement industriel compact destiné à fournir de l'énergie électrique permanente , très haute qualité et de très haute sécurite , avec autonomie illimitée , à des récepteurs électriques pour lesquels la qualité et la permanence de cette alimentation permettent d'assurer la qualité et la continuité de leur mission , et pour lesquels , à l'inverse , une perturbation de quelques millisecondes occasionne des dégâts matériels et immatériels parfois irréparables. ETAT DE L'ART fonctionnalités décrites ci-dessus sont traditionnellement recherchées au travers de l'utilisation conjointe de trois équipements distincts -un groupe électrogène à moteur DIESEL en mode veille démarre sur information "absence réseau" provenance un tableau électrique, et dont le taux de disponibilité peut atteindre 95% -une alimentation sans interruption(ASI) également dénommée onduleur ou UPS (Uninterruptible Power System), équipée d'une batterie d'accumulateurs tampon généralement dimensionnée pour une autonomie de 15 à 20 minutes (représentant le temps d'arrêt du système alimenté en cas de non-démarrage du groupe électrogène) , dont l'autonomie "longue durée" est prévue d'être fournie par ledit groupe électrogène -un tableau électrique -qui aiguille l'énergie électrique disponible sur le reseau de distribution local ou sur le groupe électrogène vers jeu de barres dit "secouru" , alimentant l'onduleur , les auxiliaires du groupe électrogène et les éventuels autres départs "secourus" , d'une part , -et qui distribue l'énergie en sortie de l'alimentation sans interruption , de l'alternateur du groupe électrogène ou simplement du réseau local vers les différents utilisateurs d'autre part . Le c#ur du tableau électrique est un organe appelé "NORMAL/SECOURS", constitué de 2 disjoncteurs ou interrupteurs motorisés ,ou de 2 contacteurs avec dispositifs de télécommande et d'inter-verrouillage pour respecter la table de vérité de fonctionnement suivante : l'un ou 'autre fermé , ou aucun fermé , mais pas deux fermés ensemble , de façon à permettre l'aiguillage la source présente en amont(réseau de distribution local ou groupe électrogène) vers l'aval (jeu de barres "secouru" vers onduleur et auxiliaires) , ou le choix de l'une des deux sources si elles sont toutes les deux présentes en amont vers l'aval , mais également à éviter les mises en parallèle accidentelles du réseau et du groupe électrogène . Les stations ainsi constituées , bien qu'elles constituent la règle générale ,sont très encombrantes , onéreuses en raison de multiplicité des liaisons de commande , contrôle et puissance , et finalement , ne procurent pas la disponibilité attendue en raison de 2 n#uds d'in fiabilité principaux - le groupe électrogène DIESEL n'est pas suffisamment fiable en raison de sa grande inertie mécanique au démarrage qui sollicite trop sa batterie de démarrage , pannes fréquentes sur son circuit de refroidissement , de ses fortes vibrations qui endommagent tous les auxiliaires montés sur groupe ; sa vitesse de rotation n'est pas suffisamment constante lors des variations de la charge ,ce qui altère sa fréquence de sortie ; de plus le moteur DIESEL subit une usure prématurée lorsqu'on l'oblige à fonctionner en dessous d'un certain niveau de charge , ce qui est souvent cas . - le NORMAL/SECOURS du tableau électrique un organe fragile , équipé de beaucoup de contrôles et sécurités intrinsèques qui sont souvent à l'origine de dysfonctionnements et blocages ; d'ailleurs il n'est pas rare qu'il soit rendu shuntable , soit manuellement , soit automatiquement , ce qui ne va pas dans le sens de la sûreté de fonctionnement de l'ensemble. EXPOSE DETAILLE DE L'INVENTION Le dispositif selon l'invention permet de palier tous les défauts -cités; il est organisé autour du turbogénérateur grande vitesse qui a fait l'objet du dépôt de deux enveloppes SOLEAU 1996, et en mars 2000 , couvrant les 3 applications générateur d'électricité fixe ou mobile , cogénérateur et station d'énergie intégrée , cette dernière faisant l'objet de la présente demande de brevet à la suite des travaux de validation que nous avons menés à bien . Les améliorations fondamentales apportées par l'invention sont - le remplacement du groupe électrogène DIESEL par une micro-turbine à gaz et un alternateur grande vitesse , très faible inertie au démarrage et totalement exempt de vibrations basse fréquence dangereuses pour les appareils électromecaniques associés , et dont la disponibilité est supérieure à 99 % , soit au moins 5 fois supérieure à celle du groupe électrogène DIESEL - la capacité de démarrer sur une source électrique de faible puissance et à une tension comprise entre 24 et Volts, selon le choix de la plus fiable source disponible le site utilisateur - la disparition de la fonction NORMAL/SECOURS car les differentes énergies primaires, issues du réseau de distribution local ou du micro-turboalternateur sont simplement redressées et couplées sur un bus continu compatible - la suppression des risques de pannes liés à tous les échanges d'informations par liaisons électriques physiques car toutes les fonctions de commande , contrôle , régulation et sécurité sont intégrées - l'amélioration du suivi des installations et du diagnostic des éventuels défauts , car le dispositif selon 'invention est systématiquement auto-contrôlé, télé surveillé diagnostiqué par des équipements eux même conçus par CIAC bus de terrain normalisé, et qui autorisent cette surveillance en mode local via un ordinateur portable , ou en mode distant via le réseau INTERNET avec la fonction serveur ligne directe), et astreinte automatique (ou autre). dispositif selon l'invention est constitué de 2 sous- ensembles: - un premier ensemble insonorisé pour un niveau de bruit de 60 dBA à 10 mètres ,qui peut être abaissé en fonction des besoins des utilisateurs , comprenant - une turbine aéro-dérivative sans réducteur , tournant sur 2 paliers à roulements à billes lubrifiés par huile, qui transforme l'énergie chimique contenue dans les combustibles liquides et gazeux en énergie mécanique - un alternateur/moteur synchrone de démarrage, [ à aimants permanents ou à excitation séparée , flasqué sur la turbine et directement entraîné par un manchon cannelé (tournant donc à la même vitesse) ,dont le rotor est également porté par 2 paliers à roulement à billes lubrifiés l'huile et l'air comprimé issus de la turbine , et dont les pertes sont évacuées par huile] , qui transforme l'énergie mécanique produite par la turbine en énergie électrique , - un réservoir d'huile commun comprenant 2 circuits séparés , pompes , filtres , clapets , etc... - l'un pour la lubrification des paliers cités ci- dessus - l'autre pour le refroidissement de l'huile , comportant également un aérorefrigérant - un réservoir de carburant (pour les applications combustible liquide) , une pompe à injection et les auxiliaires carburant . Dans le cas de combustible gazeux , tel que naturel , GPL , propane ou autre , le gaz est amené à pression du réseau client et sur pressé si nécessaire par un compresseur installé en lieu et place réservoir de carburant liquide . Dans le cas plus rare d une machine multi-carburants liquide et gazeux ,tous les auxiliaires "carburant liquide"restent en place et le carburant gazeux est directement raccordé à la bonne pression sur le capot du groupe ; dans ce cas le groupe est équipé des 2 systèmes d'auxiliaires liquide et gazeux . - les silencieux d'entrée d'air et d'échappement dimensionnés pour le niveau de bruit résiduel recherché - deuxième sous-ensemble constitué par une armoire électrique , comprenant - les alimentations électroniques auxiliaires nécessaires au fonctionnement de l'ensemble - un onduleur de démarrage réversible , de faible puissance , qui alimente l'alternateur en moteur synchrone pour assurer le lancement de la turbine puis fournit l'énergie 24 Volts nécessaires aux auxiliaires très basse tension ; cet onduleur démarrage est alimenté par une source dont la tension peut varier de 24 V (comme les auxiliaires) à 750 V selon les applications (par exemple le bus Haute Tension ou une simple batterie de démarrage 24V de type automobile) un bus continu Haute Tension ( par la suite dénommé bus HT) alimenté par - le redresseur à diodes de la tension du réseau de distribution local avec adaptation de tension si nécessaire le redresseur à diodes de la tension issue de l'alternateur - un onduleur de puissance sans transfo (si l'application nécessite une source alternative type 400V,50HZ 60HZ , HZ etc.... ), ou/et tout autre type de générateur sources alternatives ou continues selon cahier des charges l'utilisateur , alimenté(s) par le bus HT pré cité. - réservoir d'énergie destiné à fournir l'énergie nécessaire fonctionnement de l'onduleur ou/et tout autre générateur pendant la phase de démarrage de la turbine ce réservoir pouvant être ; - soit une batterie d'accumulateurs électrique qui est chargée à partir du bus HT - soit un réservoir d'énergie cynétique serait également lancé à partir du bus HT. Le schéma de principe annexé (figure 1 ) représente l'invention ,en configuration batterie d'accumulateurs selon ses blocs fonctionnels - repère 1 : turbine aéro-dérivative sans réducteur - repère 2: alternateur /moteur synchrone de démarrage , directement entraîné à la vitesse de la turbine - repère 3: onduleur de démarrage réversible - repère 4: redresseur à diodes de la tension de sortie alternateur - repère 5: bus continu HT - repère 6: onduleur de puissance ou/et autre générateur - repère 7: sortie(s) utilisation permanente - repère 8: batterie d'accumulateurs de faible autonomie (2 minutes) - repère 9: arrivée du réseau local de distribution: repère 10: redresseur à diodes de la tension du reseau local de distribution En référence à ce schéma de principe ,nous présentons 4 autres schémas "animés" qui illustrent le fonctionnement de l'invention (figure 2) : réseau de distribution local disponible: fonctionnement normal , - la turbine (1) et l'alternateur (2) sont à l'arret prêts à démarrer - la tension réseau est présente (9) et redressée par le redresseur(10), alimentant ainsi le bus HT(5) - l'onduleur de puissance ou/et tout autre générateur(6) fonctionnent) et alimentent) le(s) départ (s) "utilisation permanente" (7) - la batterie (8) est maintenue en charge - (figure 3) : réseau local défaillant :démarrage du turboalternateur, - l'onduleur de puissance ou/et tout autre générateur(6) continuent) de fonctionner grâce à l'énergie emmagasinée dans la batterie d'accumulateurs(8) qui alimente le bus HT(5) pendant sa phase de décharge - l'électronique de commande du système , non représentée dans le schéma de principe ,active l'onduleur de démarrage(3),qui alimente l'alternateur(2) en moteur synchrone (toujours 2), ce qui a pour effet d'engager le lancement la turbine (1) - lorsque la turbine (1) a atteint vitesse de fonctionnement , l'alternateur(2) fournit sa tension , le turboalternateur est disponible - (figure 4) : réseau local défaillant : phase de production du turboalternateur, la tension fournie par l'alternateur(2) est redressée par le redresseur à diodes (4) , de sorte que le bus HT(5) est à nouveau normalement alimenté ,autorisant le fonctionnement illimité l'onduleur de puissance ou/et tout autre générateur(6 ainsi que la recharge de la batterie (8) - (figure (5) : réseau local à nouveau disponible phase d'arrêt du turboalternateur - la tension du réseau (9) est redressée par le redresseur à diodes(10) ,de sorte que les 2 tensions continues issues des redresseurs (4) et (10) sont mises en parallèle en toute sûreté , réalisant un transfert de charge en douceur et sécurité entre l'alternateur(2) et le réseau(9). - (figure 2 ) : réseau local disponible : retour aux conditions initiales de fonctionnement - après une période de vérification de la stabilité du réseau(9) ,la turbine(1) s'arrête t l'énergie nécessaire au système est à nouveau fournie par le réseau local de distribution . APPLICATIONS INDUSTRIELLES DE INVENTION Le dispositif selon l'invention , dont description et le mode de fonctionnement sont explicités ' dessus , est particulièrement adapté à l'alimentation des récepteurs électriques sensibles qui ne supportent pas les inévitables perturbations qui se produisent sur les réseaux de distribution électrique , à savoir : variations de tension , variations de fréquence , harmoniques parasites , micro- coupures et coupures .Le dispositif donc destiné à tous les systèmes à base d'informatique tels que les ordinateurs ,les commutateurs téléphoniques , les calculateurs de contrôle de process ...etc...où les perturbations citées peuvent provoquer des erreurs de traitement , des pertes de données ,des paralysies d'exploitation mais egalement - aux appareils de puissance tels que moteurs et machines de production où les perturbations citées peuvent provoquer échauffements , vieillissement prématuré des bobinage et arrêts accidentels où non-respect - des procédures d'arrêt peut entraîner conséquences dramatiques REVENDICATIONS 1) Dispositif de transformation de l'énergie chimique contenue dans les combustibles liquides et gazeux en énergie mécanique , production , stockage et conversion énergie électrique destinée à l'alimentation électrique permanente (de haute qualité , haute sécurité et très grande autonomie ), des récepteurs électriques sensibles aux perturbations électriques leur alimentation , intégré dans une seule machine compacte, et caractérisé en ce qu'il comporte - une turbine sans réducteur(1) - un alternateur grande vitesse (2) faisant également office de moteur synchrone de démarrage(démarreur) - un onduleur de démarrage réversible (3 - un bus de courant continu HT(5) alimenté par le redresseur à diodes(4) de l'alternateur (2) , le redresseur à diodes(10) de la tension du réseau local de distribution(9) et batterie d'accumulateurs(8) (pendant la phase de démarrage de la turbine) - un onduleur de puissance ou/et tout autre générateur électrique(6) - une(des) sortie (s) "utilisation permanente"(7) 2 ) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il ne comporte pas d'organe électromécanique d'aiguillage "NORNAL/SECOURS" 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'onduleur de démarrage réversible (3) peut fonctionner indistinctement avec une source pouvant varier de 24V à 750 V