Brevet FR2891960A1 — publié le 20070413

La présente invention concerne les systèmes électriques à accoupler à des dispositifs entraînés ou entraînants. L'invention a trait plus particulièrement mais non exclusivement aux systèmes d'entraînement de dispositifs entraînés qui sont susceptibles d'emmagasiner au cours de 5 leur fonctionnement une énergie potentielle relativement importante. En cas de défaillance de l'alimentation électrique du système, cette énergie potentielle est susceptible d'entraîner brutalement le système en sens inverse et peut provoquer un emballement dont les conséquences peuvent être dangereuses pour les personnes et le matériel. 10 Ce problème se rencontre par exemple pour les pompes à cavité progressive utilisées dans les puits de pétrole. De telles pompes emmagasinent en fonctionnement une énergie potentielle sous deux formes, à savoir d'une part une énergie de torsion dans la tige d'entraînement de la pompe qui se vrille sur elle-même et d'autre part une énergie hydrostatique 15 correspondant à la colonne de fluide dans le puits. Ces pompes sont traditionnellement entraînées par des moteurs électriques asynchrones et des systèmes de poulies procurant un rapport de réduction de 2 à 5 environ. Un dispositif de freinage est prévu afin d'éviter qu'en cas d'arrêt du moteur, l'énergie potentielle accumulée entraîne brutalement le système en sens inverse. 20 Ce dispositif comporte par exemple un frein mécanique à disque ou centrifuge ou un dispositif de freinage hydraulique. Les publications WO 99/2477, WO 00/25000, US 2005/0045323, US 6 079 489, US 6 113 355 et US 5 749 416 divulguent des exemples de dispositifs de freinage, relativement complexes. 25 L'invention vise, entre autres, à proposer un système électromécanique à accoupler à un dispositif entraînant et/ou entraîné, permettant d'éviter un emballement du système en cas de changement des conditions de fonctionnement, notamment d'alimentation. Le système électromécanique est par exemple configuré pour être accouplé à 30 un dispositif entraîné et comporte un moteur. Le dispositif entraîné est par exemple une tige de pompe à cavité progressive. Le système électromécanique peut encore être configuré pour être accouplé à un dispositif entraînant et comporter un générateur. Le dispositif entraînant est alors, par exemple, une éolienne. L'invention a pour objet, selon l'un de ses aspects, un système 5 électromécanique à relier à un réseau électrique, comportant : - une machine électrique comportant un arbre rotatif, et - un système de commutation permettant dans une première configuration, que la machine électrique fonctionne en moteur dans le cas où le dispositif accouplé est normalement entraîné ou en générateur 10 dans le cas où le dispositif accouplé est normalement entraînant, et dans une deuxième configuration, que la machine électrique fonctionne en générateur autonome, l'énergie électrique générée par la machine électrique étant évacuée vers une charge dissipative. L'invention permet de créer un couple de freinage avec la machine électrique. 15 Dans des exemples de mise en oeuvre de l'invention, le système peut comporter un réducteur ou un multiplicateur entre l'arbre et un dispositif à accoupler au système électromécanique. La présence d'un réducteur permet de bénéficier d'un freinage inertiel également. 20 L'invention peut permettre de diminuer d'une manière relativement simple, fiable et économique le risque d'emballement, en cas par exemple de coupure du réseau auquel est relié le système. Lorsque la machine électrique est un moteur, le système de commutation peut permettre d'alimenter le moteur dans la première configuration pour entraîner le dispositif 25 accouplé. Le réducteur peut être un réducteur à engrenages, ce qui améliore la fiabilité. Le rapport de réduction peut être supérieur à 6, notamment aller de 7 à 15, ce qui permet d'utiliser un moteur à vitesse de rotation relativement élevée, par exemple comprise entre 2 000 et 9 000 tr/min en régime de fonctionnel normal. 30 Le système peut comporter la charge dissipative. Cette dernière peut comporter au moins une résistance électrolytique ou métallique, par exemple au moins une résistance métallique immergée dans un bain d'un liquide. Lorsque la résistance est une résistance électrolytique, comportant au moins deux électrodes immergées dans un électrolyte, le niveau de ce dernier peut être modifié afin de faire varier l'impédance. La machine électrique peut être à aimants permanents, ce qui permet de bénéficier d'une excitation permanente, et accroît la fiabilité. Le système de commutation peut être agencé pour passer automatiquement de la première configuration à la deuxième configuration en cas de coupure volontaire ou non ou de défaillance de l'alimentation de la machine électrique ou du réseau électrique alimenté par celle-ci et/ou d'arrêt de la machine. Le système de commutation peut comprendre au moins un relais comportant une bobine, laquelle est par exemple alimentée directement ou indirectement par le réseau électrique. Le système de commutation peut être agencé pour rester dans la deuxième configuration tant qu'une commande prédéfinie n'est pas reçue. L'envoi de cette commande prédéfinie dépend par exemple d'une tension observée sur la machine, d'une temporisation ou d'une vitesse de rotation de la machine. Le système électrique peut comporter un variateur de fréquence auquel le moteur est relié. La commande prédéfinie peut être envoyée par le variateur de fréquence, par exemple. L'invention a encore pour objet un système d'entraînement de surface d'une pompe à cavité progressive pour puits de pétrole, comportant : - un moteur comportant un arbre de sortie, - un réducteur, de préférence à engrenages, entre l'arbre de sortie et une tige d'entraînement de la pompe, - une charge dissipative, - un système de commutation agencé pour permettre, dans une première configuration, au moteur d'être alimenté par un réseau électrique d'alimentation afin d'entraîner la tige d'entraînement de la pompe dans un premier sens, et dans une seconde configuration où l'arbre de sortie est entraîné en rotation dans un deuxième sens opposé au premier, de transférer de l'énergie électrique générée par le moteur ainsi entraîné vers la charge dissipative, le système de commutation étant agencé pour passer automatiquement dans la seconde configuration en cas de coupure du réseau électrique notamment. Le moteur électrique peut être relié à un variateur de fréquence. Le rapport de réduction peut être supérieur à 6, notamment va de 7 à 15. Le moteur peut être à aimants permanents. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 est un schéma en blocs d'un système électromécanique selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 2 représente de manière schématique un relais du système de commutation, - la figure 3 illustre la possibilité pour la charge dissipative de comporter plusieurs étages de résistances pouvant être sélectionnés, et - la figure 4 est un schéma en blocs d'un autre exemple de système électromécanique. Le système électromécanique 1 représenté à la figure 1 comporte une machine électrique 2 comprenant un moteur électrique dans l'exemple considéré. Ce moteur comporte par exemple un stator et un rotor à aimants permanents. Le stator est par exemple à bobinage concentré ou distribué. Le rotor comporte par exemple des aimants en surface ou des aimants disposés entre des pièces polaires. Le système électromécanique 1 comporte également, dans l'exemple considéré, un réducteur 3 à engrenages, permettant de réduire la vitesse de rotation du moteur 2 et d'entraîner un dispositif entraîné 4 qui est par exemple une tige d'entraînement d'une pompe à cavité progressive disposée au fond d'un puits de pétrole. Le réducteur 3 présente un facteur de réduction relativement élevé, par exemple supérieur à 6, notamment compris entre 7 et 15. Le moteur 2 est normalement alimenté par un variateur de fréquence 6, lequel est relié à un réseau électrique d'alimentation 7. Le moteur 2 est alimenté par le variateur 6 au travers d'un système de commutation 9. Ce dernier peut prendre une première configuration dans laquelle le moteur 2 est alimenté par le variateur 6 et une deuxième configuration dans laquelle le moteur 2 est relié à une charge dissipative 13. Le système de commutation 9 comporte par exemple au moins un interrupteur électronique et/ou électromécanique qui permet de relier sélectivement le moteur 2 au variateur 6 ou à la charge dissipative 13. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le système de commutation 9 comporte au moins un relais électromécanique ayant une bobine 10 et une série de contacts 11. La série de contacts 11 permet, par exemple, lorsque la bobine 10 est alimentée, d'établir le passage de courant entre des ensembles de conducteurs 14 et 15 reliés respectivement au moteur 2 et au variateur 6. En l'absence d'alimentation électrique de la bobine, la série de contacts 11 relie les ensembles de conducteurs 14 à des ensembles de conducteurs 17 connectés à la charge dissipative 13. Le redémarrage de la machine peut, dans des exemples de mise en oeuvre de l'invention, être conditionné par exemple par une vitesse de rotation de la machine, par une tension observée sur la machine ou par une temporisation. Par exemple, le redémarrage peut être empêché tant que la vitesse n'est pas nulle ou que la tension aux bornes de la machine n'est pas inférieure à une valeur de seuil. Dans l'exemple illustré, une deuxième série de contacts 12 du relais électromécanique peut être utilisée de manière à ce que l'alimentation de la bobine 10 s'effectue à travers cette deuxième série de contacts, ce qui permet, une fois que l'alimentation de la bobine 10 a cessé, d'empêcher à nouveau celle-ci d'être excitée tant qu'une action prédéfinie n'est pas exercée sur le système de commutation 9. Cela peut permettre d'éviter un redémarrage du moteur en cas de retour du réseau électrique 7 après une coupure, par exemple. La commande prédéfinie provient par exemple du variateur 6 mais peut être effectuée autrement, par exemple en agissant manuellement sur un contacteur. La charge dissipative 13 comporte par exemple au moins une résistance, laquelle est par exemple une résistance métallique ou électrolytique. La résistance métallique est avantageusement immergée dans un bain de liquide non combustible, ce qui peut permettre de réduire le risque d'incendie lorsque le système électromécanique est utilisé dans une ambiance explosible, ce qui peut être le cas dans le voisinage d'un puits de pétrole. La charge dissipative 13 peut comporter des résistances et/ou tout autre composant passif ou actif permettant de dissiper une énergie électrique, par exemple des condensateurs et/ou selfs. La charge dissipative 13 peut encore comporter une résistance électrolytique comportant au moins deux électrodes immergées dans un électrolyte. Le cas échéant, le niveau de l'électrolyte peut être modifié afin de régler la résistance à la valeur souhaitée. Le couple de freinage du moteur est fonction du courant qui parcourt la charge dissipative 13 et le choix de l'impédance de la charge dissipative peut permettre de dissiper de manière appropriée l'énergie. On peut par exemple diminuer le couple de freinage au fur et à mesure que la tige d'entraînement de la pompe ralentit, de façon à vider plus rapidement le puits. La charge dissipative 13 peut à cet effet comporter plusieurs étages résistifs 20 de résistance qui peuvent être sélectivement reliés au moteur 2, par exemple par l'intermédiaire du système de commutation 9, comme illustré à la figure 3, en fonction de la vitesse de rotation de celui-ci et/ou de la tension à ses bornes, afin par exemple que la puissance dissipée soit maximale tout en restant admissible. Dans un exemple de réalisation utilisant une résistance électrolytique, le niveau de l'électrolyte varie dans le temps lors du freinage, par exemple diminue grâce à une fuite contrôlée. La baisse du niveau de l'électrolyte accroît la résistance et diminue le couple de freinage. Cette baisse du niveau peut être déclenchée par exemple lors du passage dans la deuxième configuration. Le système électromécanique de la figure 1 permet, en cas de coupure du réseau électrique 7 par exemple, au moteur 2 d'être entraîné en sens inverse de rotation par l'énergie accumulée dans le dispositif entraîné. Cette rotation peut s'effectuer à une vitesse relativement importante, compte tenu du rapport de réduction du réducteur 3, ce qui permet d'obtenir un freinage inertiel. L'utilisation d'engrenages dans le réducteur 3 contribue à assurer la fiabilité de la liaison mécanique entre le dispositif entraîné 4 et le moteur 2. L'entraînement du rotor du moteur 2 génère une énergie électrique qui est dissipée dans la charge dissipative 13. L'utilisation d'un moteur à aimants permanents contribue à la fiabilité du système électromécanique, un tel moteur présentant l'avantage d'avoir une excitation 5 intégrée permanente. Le système de commutation 9 peut être agencé pour passer automatiquement dans la configuration où le moteur 2 est relié à la charge dissipative 13, non seulement en cas de coupure du réseau électrique 7, mais également en cas d'arrêt du moteur ou de défaillance du variateur 6, par exemple. 10 Le freinage procuré par le moteur 2 permet d'éviter que la tige d'entraînement de la pompe ne tourne à une vitesse excessive. Ainsi, l'énergie potentielle accumulée peut être progressivement dissipée. Lorsque le moteur 2 est un moteur asynchrone, des condensateurs d'excitation seront connectés à ses bornes. 15 L'invention s'applique également à une machine électrique 22 qui est entraînée par un dispositif entraînant 24 tel que par exemple une éolienne, par l'intermédiaire d'un multiplicateur 3. Dans ce cas, la machine 22 fonctionne normalement en générateur et l'énergie est renvoyée vers un réseau électrique 27. 20 Si ce réseau 27 disparaît, le système fonctionne à vide et présente un risque d'emballement et le système de commutation 9 peut permettre alors de faire débiter le générateur 22 dans la charge dissipative 13, ce qui procure un couple de freinage. Le freinage du dispositif entraîné 4 ou entraînant 24 peut s'effectuer uniquement grâce au moteur 2 ou au générateur 22, en le faisant débiter dans la charge 25 dissipative 13, comme cela vient d'être expliqué. Toutefois, on ne sort pas du cadre de la présente invention lorsque le freinage du dispositif entraîné 4 ou entraînant 24 fait intervenir également un dispositif de freinage autre, par exemple mécanique ou hydraulique, qui agit par exemple en même temps que le couple de freinage exercé par le moteur 2 ou le générateur 22 ou de manière non 30 simultanée. Ce dispositif de freinage peut par exemple entrer en action à partir d'une certaine vitesse de rotation du moteur 2 ou du générateur 22. L'expression réseau électrique doit être comprise de manière générale et englobe des réseaux publics ou privés, régionaux ou locaux. Le réseau électrique est par exemple monophasé en 100 V environ/60 Hz ou 220 V environ/50 Hz, ou triphasé en 400 V environ/50 Hz ou 460 V environ/60 Hz. Dans les exemples qui viennent d'être décrits, le système électromécanique comporte un réducteur ou multiplicateur, mais dans des variantes non illustrées, pour d'autres applications par exemple, le système électromécanique en est dépourvu. L'expression comportant un doit être comprise comme étant synonyme de comportant au moins un , sauf si le contraire est spécifié.10 REVENDICATIONS 1. Système électromécanique (1) à relier à un réseau électrique (7 ; 27), comportant : - une machine électrique (2 ; 22) comportant un arbre rotatif, et - un système de commutation (9) permettant i) dans une première configuration, que la machine électrique fonctionne en moteur dans le cas où le dispositif accouplé (4) est normalement entraîné ou en générateur dans le cas où le dispositif accouplé (24) est normalement entraînant, et ii) dans une deuxième configuration, que la machine électrique fonctionne en générateur autonome, l'énergie électrique générée par la machine électrique (2 ; 22) étant évacuée vers une charge dissipative (13). 2. Système selon la revendication précédente, le système de commutation (9) étant agencé pour passer automatiquement de la première configuration à la deuxième configuration en cas de coupure d'un réseau électrique (7 ; 27) d'alimentation de la machine électrique ou alimenté par celle-ci et/ou d'arrêt de la machine. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, comportant un réducteur (3) ou multiplicateur (3) entre l'arbre et un dispositif (4) à accoupler au système électromécanique. 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, la machine électrique étant un moteur, le système de commutation permettant d'alimenter le moteur dans la première configuration pour entraîner le dispositif accouplé. 5. Système selon la revendication 3, comportant un réducteur à engrenages. 6. Système selon la revendication 5, dans lequel le rapport de réduction est supérieur à 6. 7. Système selon la revendication précédente, le rapport de réduction allant de 7 à 15. 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant la charge dissipative (13). 9. Système selon la revendication précédente, dans lequel la charge dissipative comporte au moins une résistance métallique ou électrolytique. 10. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, la charge dissipative comportant au moins une résistance immergée dans un bain d'un liquide. 11. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, la machine électrique (2) étant à aimants permanents. 12. Système selon la revendication 2, le système de commutation comprenant au moins un relais comportant une bobine (10) alimentée par le réseau électrique. 13. Système électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système de commutation (9) est agencé pour rester dans la deuxième configuration tant qu'une commande prédéfinie n'est pas reçue. 14. Système électrique selon la revendication 4, comportant un variateur de fréquence (6) auquel le moteur est relié. 15. Système électrique selon la revendication précédente, dans lequel la commande définie est envoyée par le variateur de fréquence. 16. Système d'entraînement de surface d'une pompe à cavité progressive pour puits de pétrole, comportant : - un moteur (2) comportant un arbre de sortie, - un réducteur à engrenages entre l'arbre de sortie et une tige d'entraînement de la pompe, - une charge dissipative (13), - un système de commutation (9) agencé pour permettre, dans une première configuration, au moteur d'être alimenté par un réseau électrique d'alimentation (7) et d'entraîner la tige d'entraînement de la pompe dans un premier sens, et dans une seconde configuration où l'arbre de sortie est entraîné en rotation dans 25 un deuxième sens opposé au premier, de transférer de l'énergie électrique générée par le moteur ainsi entraîné vers la charge dissipative, le système de commutation (9) étant agencé pour passer automatiquement dans la seconde configuration en cas de coupure du réseau électrique (7). 20. Système d'entraînement de surface selon la revendication précédente, dans 30 lequel le moteur électrique est relié à un variateur de fréquence (6). 21. Système d'entraînement de surface selon l'une des deux revendications précédentes, dans lequel le rapport de réduction est supérieur à 6, notamment va de 7 à 15.19. Système d'entraînement de surface selon l'une des revendications 16 à 18, le moteur (2) étant à aimants permanents.