Brevet FR2941303A1 — publié le 20100723

Procédé de détermination de l'échauffement d'une machine électrique tour- nante. La présente invention concerne un procédé de détermination de l'échauffement dû à la totalité des pertes thermiques d'une machine électrique tournante moto-ventilée aux conditions de fonctionnement nominales définies par une fréquence d'alimentation nominale, une tension d'alimentation nominale, une intensité d'alimentation nominale et une vitesse de rotation nominale, la machine comprenant un rotor et un stator, ainsi qu'un moto-ventilateur équipé d'un dispositif d'entraînement propre, le moteur étant alimenté avec une fréquence d'alimentation, une tension d'alimentation et une intensité d'alimentation données. Les moteurs électriques de forte puissance, de l'ordre de plusieurs Mégawatts ou plus nécessitent d'effectuer en usine après leur fabrication un essai d'échauffement dans les conditions nominales de fonctionnement pour déterminer leur échauffement. De tels essais sont réalisés notamment conformément à la norme IEC 60034-29 Edition 1 de mars 2008. Cette norme prévoit dans sa partie 29 la description d'un procédé par charge équivalente et par superposition permettant des essais indirects pour déterminer l'échauffement des machines électriques tournantes. Le procédé proposé met en oeuvre le mixage de deux fréquences d'alimentation obtenues à partir de deux machines tournantes différentes pour l'alimentation de la machine à tester. La machine à tester est ainsi soumise en permanence à une accélération et à un ralentissement, ce qui lui permet d'être chargée sans accouplement d'une charge externe. Plus généralement, les normes de tests, ou les publications proposant des méthodes de tests proposent des procédés de détermination de l'échauffement qui nécessitent, soit l'utilisation de machines électriques tournantes additionnelles, soit l'utilisation des convertisseurs statiques bidirectionnels en puissance. L'usage de machines tournantes additionnelles pour le test crée un coût d'installation et de maintenance dans l'usine élevé, alors que ces machines additionnelles ne sont utilisées que rarement, puisqu'elles sont utilisées seulement lors des phases de test. Les machines additionnelles doivent être adaptées à la machine tournante à tester. Or, les puissances des machines tournantes ont tendance à augmenter pour satisfaire les besoins du marché. Ainsi, aujourd'hui des moteurs asynchrones de forte puissance atteignant aisément 25 MW et alimentés par des convertis- seurs statiques de fréquence sont construits et installés, notamment pour les applications de propulsion marine. Les usines de construction des moteurs ne sont en général pas dimensionnées pour permettre le test direct à la puissance nominale de ces machines et ne disposent pas de machines électriques tournantes additionnelles permettant leur test. De même, l'utilisation de convertisseurs statiques bidirectionnels en puissance crée un échange de puissance électrique entre la machine et le réseau de l'usine de valeur importante de l'ordre de 0,5 à 1 fois la puissance nominale de la machine. Cet échange est généralement incompatible avec les caractéristiques du réseau électrique de l'usine. De plus, il est souvent nécessaire de recourir à un convertisseur bidirectionnel spécifique, car le convertisseur prévu pour l'alimentation en fonctionnement normal du moteur à tester peut être monodirectionnel. Ainsi, les procédés proposés pour l'essai d'échauffement normal engendrent des contraintes particulières sur le réseau électrique de l'usine et dans la plupart des cas nécessitent de recourir à des machines électriques additionnelles ou des convertisseurs additionnels qui engendrent un surcoût propre au test d'essai d'échauffement très important. L'invention a pour but de proposer un procédé d'essai d'échauffement facilement applicable en usine et ne nécessitant pas d'équipement particulier impor- tant. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de détermination de l'échauffement du type précité, caractérisé en ce qu'il comprend trois étapes : a) une étape de mesure d'un premier échauffement de la machine alors que : - le rotor est immobilisé par rapport au stator, - la fréquence d'alimentation est une première fréquence réduite, - la tension d'alimentation est une première tension réduite, - l'intensité d'alimentation est l'intensité nominale, - la ventilation est en marche, b) une étape de mesure d'un deuxième échauffement de la machine alors que : - le rotor tourne à une vitesse de rotation réduite sans charge, - la fréquence d'alimentation est une deuxième fréquence réduite, - la tension d'alimentation est une deuxième tension réduite, - l'intensité d'alimentation est une deuxième intensité réduite, la ventilation est en marche, c) une étape de mesure d'un troisième échauffement de la machine alors que : - le rotor tourne à la vitesse de rotation nominale sans charge, - la fréquence d'alimentation est la fréquence nominale, - la tension d'alimentation est la tension nominale, - l'intensité d'alimentation est égale à l'intensité du courant magnétisant nominale de la machine - la ventilation est en marche, d) une étape de calcul à partir des premier, deuxième et troisième échauffements l'échauffement aux conditions de fonctionnement nominal. Suivant des modes particuliers de mise en oeuvre, le procédé comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la première tension réduite est sensiblement égale à (2nF1 x La) x 11 où F1 est la première fréquence réduite dont la valeur se situe entre la fréquence de glissement nominal et environ 3 Hz, La est l'inductance de fuite totale du rotor et du stator, et l est l'intensité nominale ; - la deuxième tension réduite est égale à la première tension réduite ; - la deuxième fréquence réduite est égale à la première fréquence ré-duite ; - la deuxième intensité réduite est sensiblement égale à U2/(2nF2 x L1) où U2 est la deuxième tension réduite, F2 est la deuxième fréquence réduite, et L1 est l'inductance totale du stator ; - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant magnétisant nominal est sensiblement égal à UN/(2nFN x L1) où UN est la tension nominale, FN est la fréquence nominale, et L1 est l'inductance totale du stator ; - lors des trois étapes de mesure, la ventilation est assurée dans des candi- tions de refroidissement nominales identiques à celles du fonctionnement de la machine à une charge nominale ; et - la circulation d'un courant rotorique dans le rotor est assurée par le cou-plage magnétique entre le stator et le rotor de la machine. L'invention a également pour objet une installation de détermination de l'échauffement dû à la totalité des pertes thermiques d'une machine électrique tournante moto-ventilée aux conditions de fonctionnement nominales définies par une fréquence d'alimentation nominale, une tension d'alimentation nominale, une intensité d'alimentation nominale et une vitesse de rotation nominale, la machine comprenant un rotor et un stator, ainsi qu'un moto-ventilateur équipé d'un disposi- tif d'entraînement propre, caractérisée en ce que l'installation comporte des moyens pour alimenter le moteur avec une fréquence d'alimentation, une tension d'alimentation, une intensité d'alimentation données, des moyens de blocage en rotation du rotor du moteur par rapport au stator, et en ce qu'elle comprend : a) des moyens de mesure d'un premier échauffement de la machine alors que : - le rotor est immobilisé par rapport au stator, - la fréquence d'alimentation est une première fréquence réduite, - la tension d'alimentation est une première tension réduite, - l'intensité d'alimentation est l'intensité nominale, - la ventilation est en marche, b) des moyens de mesure d'un deuxième échauffement de la machine alors que : - le rotor tourne à une vitesse de rotation réduite sans charge, - la fréquence d'alimentation est une deuxième fréquence réduite, - la tension d'alimentation est une deuxième tension réduite, - l'intensité d'alimentation est une deuxième intensité réduite, la ventilation est en marche, c) des moyens de mesure d'un troisième échauffement de la machine alors que : - le rotor tourne à la vitesse de rotation nominale sans charge, - la fréquence d'alimentation est la fréquence nominale, - la tension d'alimentation est la tension nominale, - l'intensité d'alimentation est égale à l'intensité du courant magnétisant nominale de la machine - la ventilation est en marche, d) des moyens de calcul à partir des premier, deuxième et troisième échauffements l'échauffement aux conditions de fonctionnement nominal. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins sur les-quels : - la figure 1 est une vue schématique de l'installation de tests d'échauffement pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; - la figure 2 est un organigramme du procédé mis en oeuvre, et - La figure 3 est le schéma dit "Back to Back" utilisé pour la validation de la nouvelle méthode proposée. Le banc de test 10 illustré sur la figure 1 est destiné à déterminer l'échauffement total dû aux pertes thermiques d'un moteur asynchrone 12 moto- ventilé aux conditions de fonctionnement nominales par mise en oeuvre d'un pro-cédé selon l'invention. Le procédé est mis en oeuvre dans l'usine de fabrication du moteur après achèvement de celui-ci. Le moteur 12 comporte un stator 14 équipé d'un bobinage statorique per-mettant l'alimentation du moteur, et un rotor 16 mobile autour de l'axe du stator. Pour sa ventilation, le moteur comporte un moto-ventilateur 17 formé d'une hélice 18 mue par un dispositif d'entraînement 20 indépendant de la rotation propre du rotor 16. L'hélice et son dispositif d'entraînement sont représentés schéma- tiquement sur la figure 1. En pratique, le moto-ventilateur est intégré à la structure du stator. Le banc de test comporte un convertisseur 22 formant une chaîne d'alimentation du moteur relié entre un réseau 24 d'alimentation propre à l'usine et le moteur 12. Ce convertisseur 22 comporte successivement, depuis le réseau d'alimentation, un transformateur 26, un redresseur 28 et un onduleur 30 permet-tant la mise en forme du courant d'alimentation. A cet effet, l'onduleur comporte un ensemble d'interrupteurs statiques commandés. De préférence le convertisseur 22 est propre au moteur 12, c'est-à-dire qu'après le test, le convertisseur est utilisé pour l'alimentation du moteur en production. Le banc de test comporte une unité de pilotage et de mesure 32 propre à assurer la commande de l'onduleur 30, ainsi que l'alimentation du moto-ventilateur 17. En outre, le banc de test comporte des capteurs de température 34 placés aux positions adaptées du moteur, ces sondes de température étant reliées à l'unité de pilotage et de mesure 32. Enfin, le banc de test comporte des moyens amovibles 36 d'immobilisation en rotation du rotor 16 par rapport au stator 14. Ces moyens sont formés par exemple d'un bras de blocage de l'axe du rotor par rapport au stator, ce bras étant dimensionné pour supporter au moins le couple nominal du moteur dans les deux sens de rotation. Comme illustré schématiquement sur la figure 2, le procédé de détermination de l'échauffement comprend trois mesures de l'échauffement lors de trois es-sais successifs dans des conditions d'utilisation du moteur différentes et une phase finale de calcul de l'échauffement aux conditions nominales, à partir des valeurs d'échauffement mesurées lors des trois essais précédents. Pour ces trois essais, une commande particulière du moteur est imposée par l'unité de pilotage et de mesure 32. Les conditions de fonctionnement du moteur sont définies par les caractéristiques du courant électrique alimentant le bobi- nage statorique du moteur et donc la fréquence d'alimentation F du moteur, la tension d'alimentation U du moteur et l'intensité I d'alimentation du moteur. Par construction, le moteur est dimensionné pour fonctionner à une fréquence d'alimentation nominale FN, une tension d'alimentation nominale UN et une intensité d'alimentation nominale IN avec une vitesse de rotation nominale NN pour un couple nominal CN. Lors de chaque essai, un échauffement dû à des pertes dont la nature est connue et identifiée est déterminé. Lors de ces essais, l'échauffement du moteur est lié essentiellement aux quatre causes suivantes. La circulation du courant dans les bobinages, a priori en cuivre crée des pertes par effet Joule. Les pertes magnétiques dans le circuit magnétique, couramment en fer, s'ajoutent. Les pertes harmoniques s'ajoutent également, ainsi que les pertes mécaniques dues au frottement entre les différents éléments du moteur. Chaque échauffement mesuré est utilisé ensuite pour le calcul de l'échauffement dû à la totalité des pertes dans la machine aux conditions de fonctionnement nominales. Lors des trois essais, le moto-ventilateur 17 est en marche de sorte que les conditions de refroidissement du moteur soient identiques à celles du fonctionne-ment en charge nominale. De plus, la circulation du courant rotorique est assurée lors des tests par le couplage magnétique du stator et du rotor de la machine. Le premier essai, correspondant à l'étape 41 de la figure 2 est réalisé avec le rotor 16 du moteur immobilisé en rotation par rapport au stator 14 par blocage à l'aide du bras adapté 36. Le stator est alimenté avec une intensité h égale à l'intensité nominale IN. Dans cette configuration la fréquence du courant rotorique est égale à celle du stator, car la valeur du glissement est égale à 1. Afin de ne pas engendrer de pertes excessives dans le rotor, du fait de l'augmentation de la résistance rotorique due à l'effet Kelvin, la fréquence du courant d'alimentation F1 est réduite, c'est-à-dire qu'elle est inférieure à la fréquence nominale d'alimentation FN. Avantageusement, la fréquence réduite d'alimentation F1 est voisine de la fréquence de glissement nominale ( généralement inférieure à 1 Hz) mais peut aller jusqu'à 3 Hz environ. La tension d'alimentation U1 est réduite et inférieure à la tension d'alimentation nominale UN. La tension statorique U1 est sensiblement égale à : U1 = (2nF1 x La) x 11 où F1 est la première fréquence réduite, La est l'inductance de fuite totale du rotor et du stator, et 11 est l'intensité du courant égale à l'intensité nominale IN. Lors de cet essai, les pertes par effet Joule sont prédominantes, l'essai étant fait avec une intensité nominale. Les pertes dans le circuit magnétique et les pertes harmoniques sont faibles alors que les pertes mécaniques sont nulles. Pendant cet essai, le stator est alimenté par une fréquence réduite F1 inférieure à la fréquence nominale FN. Par contre, le rotor étant bloqué, les courants rotoriques ont la même fréquence que celle du stator. Cette fréquence est supérieure à la fréquence des courants rotoriques dans des conditions nominales. Comparées aux conditions nominales de fonctionnement, l'essai est légèrement plus favorable pour le stator et moins favorable pour le rotor. Dans l'ensemble, l'influence de la réduction de la fréquence par rapport aux conditions nominales reste négligeable. L'essai d'échauffement suivant réalisé à l'étape 42 est fait alors que le rotor est en rotation à basse vitesse par rapport au stator sans charge après que le bras 36 a été retiré. La vitesse N2 est inférieure à la vitesse nominale NN. La fréquence d'alimentation F2 est réduite et est égale à la fréquence réduite F1 du premier essai. De même, la tension U2 est réduite et est égale à la tension d'alimentation U1 du premier essai. L'intensité 12 du courant statorique est également réduite. Elle est sensiblement égale à : 12 = U2/(2nF2 x L1) où U2 est la deuxième tension réduite, F2 est la deuxième fréquence réduite, et L1 est l'inductance totale du stator. Dans ce cas, les pertes par effet Joule sont faibles et les pertes dans le circuit magnétique et les pertes harmoniques sont quasiment identiques à celles du premier essai. Enfin, les pertes mécaniques sont très faibles. Lors du troisième essai d'échauffement réalisé à l'étape 43, le rotor 16 tourne par rapport au stator 14 à la vitesse nominale NN sans charge. Le stator est alimenté à la fréquence nominale FN sous la tension nominale UN. Le courant statorique d'alimentation 13 est égal au courant magnétisant nominal lo de la ma- chine, lequel est, sensiblement égal à : Io = UN/(27tFN x L1) où UN est la tension nominale, FN est la fréquence nominale, et L1 est l'inductance totale du stator. Dans cet essai d'échauffement, les pertes par effet Joule sont faibles puis-que dues seulement au courant magnétisant lo. Les pertes magnétiques, les per-tes harmoniques et les pertes mécaniques sont celles rencontrées dans les conditions nominales de fonctionnement du moteur. A l'étape 44, on calcule l'échauffement total A0a de la machine pour un fonctionnement dans les conditions nominales. Cet échauffement est donné par A0a = 001 - A02 + A03. L'échauffement calculé correspond aux pertes par effet joule, aux pertes dans le circuit magnétique, aux pertes harmoniques et aux pertes mécaniques aux conditions nominales. Le procédé décrit procure l'avantage de ne nécessiter aucune machine additionnelle. Seul le moteur à tester et le convertisseur propre au moteur fabriqué pour l'application suffisent pour déterminer l'échauffement du moteur dans les conditions de fonctionnement nominales. L'échange de puissance électrique avec le réseau est constante et faible. Lors des essais, seule la somme des pertes du moteur 12 et celles du convertisseur 22 est à fournir par le réseau, ces pertes n'excèdent pas 5% de la puissance absorbée en pleine charge et dans les conditions nominales. La sollicitation du réseau d'usine est donc parfaitement acceptable. La puissance électrique circule en permanence du réseau vers le moteur de sorte qu'aucune énergie n'est envoyée vers le réseau de l'usine, préservant ainsi celui-ci. La présente méthode a été comparée à la méthode dite de � Back to Back � explicitée dans la norme IEC 60034-2 et en regard de la figure 3. Pour cet essai, deux moteurs identiques de propulsion marine 12, 62 et deux convertisseurs associés identiques ont été utilisés. Chaque moteur a une puissance nominale de 24 MW, une vitesse de rotation nominale NN de 130 tr/mn sous une tension d'alimentation nominale UN de 6600 volts avec une intensité nominale IN d'alimentation de 2496 ampères, la fréquence nominale FN d'alimentation étant de 13,13 Hz, et le moteur ayant 12 pôles. Pour l'essai d'échauffement mettant en oeuvre la méthode � Back to Back �, les deux moteurs identiques ont été couplés mécaniquement par des moyens de liaison 68. Le moteur à tester fonctionne en moteur alors que l'autre machine tournante fonctionne en générateur. Les deux machines tournantes tournent dans les mêmes conditions nominales, c'est-à-dire mêmes tensions nominales, même courant nominal et même vitesse nominale. Ainsi, le réseau d'usine ne fournit que les pertes des deux machines tournantes et des convertisseurs. Dans ces conditions, les pertes nominales sont générées dans les deux machines tour- nantes et l'échauffement AOb a été mesuré égal à 77° K. Les conditions pour les mesures des échauffements lors des trois essais successifs par mise en oeuvre du procédé selon l'invention sur le moteur à tester sont indiquées ci-dessous : Conditions des essais : L'essai N1 U1=456 V eff, F1 = 3 Hz, I1 = 2496 A eff, L'essai N2 U2=456 V eff, F2 = 3Hz, I2 = 101 A eff L'essai N3 U3=6600 V eff, F3 = 13,13 Hz, 13 = 505 A eff. Les valeurs de l'échauffement mesuré lors des trois essais sont relatées dans le tableau qui suit, la valeur d'échauffement calculée par la méthode selon l'invention AOa étant égale à 76,4°K. Méthode A01 °K A02'K A03'K 06a'K 06b'K Nouvelle méthode 70.23 5.16 11.32 76.4 x proposée Test Back to Back x x x x 77 Ainsi, les deux méthodes donnent un échauffement ne différant que de l'ordre de 1%. REVENDICATIONS1.- Procédé de détermination de l'échauffement dû à la totalité des pertes thermiques d'une machine électrique tournante moto-ventilée aux conditions de fonctionnement nominales définies par une fréquence d'alimentation nominale (FN), une tension d'alimentation nominale (UN), une intensité d'alimentation nominale (IN) et une vitesse de rotation nominale (NN), la machine comprenant un rotor et un stator, ainsi qu'un moto-ventilateur équipé d'un dispositif d'entraînement propre, le moteur étant alimenté avec une fréquence d'alimentation, une tension d'alimentation et une intensité d'alimentation données, caractérisé en ce qu'il corn- prend trois étapes : a) une étape (41) de mesure d'un premier échauffement A61 de la machine alors que : - le rotor est immobilisé par rapport au stator, - la fréquence d'alimentation est une première fréquence réduite (F1), - la tension d'alimentation est une première tension réduite (U1), - l'intensité d'alimentation est l'intensité nominale (11= IN), - la ventilation est en marche, b) une étape (42) de mesure d'un deuxième échauffement A02 de la ma-chine alors que : - le rotor tourne à une vitesse de rotation réduite sans charge , - la fréquence d'alimentation est une deuxième fréquence réduite (F2), - la tension d'alimentation est une deuxième tension réduite (U2), - l'intensité d'alimentation est une deuxième intensité réduite (12), la ventilation est en marche, c) une étape (43) de mesure d'un troisième échauffement A03 de la ma-chine alors que : - le rotor tourne à la vitesse de rotation nominale sans charge , - la fréquence d'alimentation est la fréquence nominale (FN), - la tension d'alimentation est la tension nominale (UN), - l'intensité d'alimentation est égale à l'intensité du courant magnétisant nominale (Io) de la machine - la ventilation est en marche,d) une étape (44) de calcul, à partir des premier, deuxième et troisième échauffements, de l'échauffement aux conditions de fonctionnement nominal par : A0a = 001- A02 + A03. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première ten- sion réduite (U1) est sensiblement égale à : U1 = (2nF1 x La) x 11 où F1 est la première fréquence réduite dont la valeur se situe entre la fréquence de glissement nominal et environ 3 Hz, La est l'inductance de fuite totale du rotor et du stator, et 11 est l'intensité nominale. 3.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième tension réduite (U2) est égale à la première tension réduite (U1). 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième fréquence réduite ( F2) est égale à la première fréquence réduite (F1). 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième intensité réduite 12 est sensiblement égale à : 12 = U2/(2nF2 x L1) Où U2 est la deuxième tension réduite, F2 est la deuxième fréquence réduite, et L1 est l'inductance totale du stator. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant magnétisant nominal Io est sensiblement égal à : lo = UN/(2nFN x L1) où UN est la tension nominale, FN est la fréquence nominale, et L1 est l'inductance totale du stator. 7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors des trois étapes de mesure, la ventilation est assurée dans des conditions de refroidissement nominales identiques à celles du fonctionnement de la machine à une charge nominale. 8.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la circulation d'un courant rotorique dans le rotor est assurée par le couplage magnétique entre le stator et le rotor de la machine. 9.- Installation de détermination de l'échauffement dû à la totalité des pertes thermiques d'une machine électrique tournante moto-ventilée aux conditions de fonctionnement nominales définies par une fréquence d'alimentation nominale (FN), une tension d'alimentation nominale (UN), une intensité d'alimentation nominale (IN) et une vitesse de rotation nominale (NN), la machine comprenant un rotor et un stator, ainsi qu'un moto-ventilateur équipé d'un dispositif d'entraînement propre, caractérisée en ce que l'installation comporte des moyens pour alimenter le moteur avec une fréquence d'alimentation, une tension d'alimentation et une intensité d'alimentation données et des moyens (36) de blocage en rotation du rotor du moteur par rapport au stator, et en ce qu'elle comprend : a) des moyens (32, 34) de mesure d'un premier échauffement 061 de la machine alors que - le rotor est immobilisé par rapport au stator, - la fréquence d'alimentation est une première fréquence réduite (F1), - la tension d'alimentation est une première tension réduite (U1), - l'intensité d'alimentation est l'intensité nominale (11= IN), - la ventilation est en marche, b) des moyens (32, 34) de mesure d'un deuxième échauffement A02 de la machine alors que - le rotor tourne à une vitesse de rotation réduite sans charge , - la fréquence d'alimentation est une deuxième fréquence réduite (F2), - la tension d'alimentation est une deuxième tension réduite (U2), - l'intensité d'alimentation est une deuxième intensité réduite (12), la ventilation est en marche, c) des moyens (32, 34) de mesure d'un troisième échauffement Dos de la machine alors que- le rotor tourne à la vitesse de rotation nominale sans charge , - la fréquence d'alimentation est la fréquence nominale (FN), - la tension d'alimentation est la tension nominale (UN), - l'intensité d'alimentation est égale à l'intensité du courant magnétisant 5 nominale (lo) de la machine - la ventilation est en marche, d) des moyens (32) de calcul, à partir des premier, deuxième et troisième échauffements, de l'échauffement aux conditions de fonctionnement nominal par : A0a = 00, - A02 + A03.