Brevet FR2977993A1 — publié le 20130118

B 11-2427FR 1 Système d'alimentation d'un alternateur L'invention concerne le domaine de la production d'énergie électrique. L'invention s'applique avantageusement mais non limitativement aux alternateurs et moteurs utilisés pour la production d'énergie électrique. Il est connu d'utiliser des alternateurs de forte puissance qui sont reliés à une ligne d'arbre entrainée en rotation pour fournir de l'énergie électrique. La ligne d'arbre peut par exemple être directement entrainée par un moteur thermique. La ligne d'arbre peut également être entrainée par la circulation à vitesse élevée d'un fluide par exemple de la vapeur d'eau ou du gaz. Cette circulation peut être notamment obtenue par chauffage du fluide, par exemple en utilisant de l'énergie thermique ou de l'énergie nucléaire. Pour amorcer la rotation de la ligne d'arbre, il est connu d'utiliser l'alternateur en mode moteur en l'alimentant à partir d'un convertisseur statique de fréquence de démarrage et d'un système d'excitation. Le système d'excitation et le convertisseur sont alimentés par un premier et un deuxième transformateur dédiés. Le dimensionnement des deux transformateurs est tel qu'ils puissent fournir assez de puissance au système d'excitation et au convertisseur statique de fréquence de démarrage pour un fonctionnement de l'alternateur en mode moteur et en mode alternateur. Cela étant, cette solution est très couteuse et encombrante. En effet, il faut dimensionner chacun des deux transformateurs en tenant compte des consommations maximales induites par le fonctionnement en mode moteur et en mode alternateur. De plus, deux transformateurs sont utilisés. L'invention se propose de résoudre tout ou partie des problèmes évoqués ci-dessus. Il est proposé selon l'invention un système d'alimentation en énergie électrique d'un alternateur capable de fonctionner en mode moteur et en mode alternateur, comprenant : -un convertisseur statique de fréquence de démarrage pour alimenter le stator de l'alternateur en mode moteur; et -un système d'excitation pour alimenter le rotor de l'alternateur. Ce système comprend en outre un unique transformateur combiné relié à un réseau électrique via des enroulements primaires et relié au convertisseur statique de fréquence de démarrage et au système d'excitation via des enroulements secondaires et destiné à alimenter ledit convertisseur et ledit système d'excitation en mode moteur et en mode alternateur, le transformateur combiné comprenant, pour chaque phase, au moins deux enroulements primaires différents de façon à réduire le couplage magnétique entre les enroulements secondaires. Ainsi, on utilise un seul transformateur combiné dont la puissance maximale délivrée est inférieure à celle des deux transformateurs de l'état de la technique. On peut d'une part mutualiser une partie des composants de chacun des deux transformateurs et l'on peut d'autre part, du fait du niveau inférieur de la puissance maximale délivrée, diminuer en conséquence les moyens de refroidissement du transformateur. De plus, en utilisant deux enroulements primaires différents, on diminue les perturbations du système d'excitation vers le convertisseur et vice versa. Selon une caractéristique, pour chaque phase, les au moins deux enroulements primaires différents sont chacun imbriqué avec un enroulement secondaire et sont espacés entre eux d'une certaine distance suivant l'axe de l'armature du circuit magnétique du transformateur, autour de laquelle ils sont enroulés. On assure ainsi un découplage entre les enroulements secondaires qui permet de quasiment supprimer la transmission des perturbations du système d'excitation vers le convertisseur et vice versa. Le transformateur combiné peut comprendre pour chaque phase, un premier et un deuxième enroulements primaires branchés côté réseau d'alimentation électrique et un troisième et un quatrième enroulements secondaires reliés au convertisseur et au système d'excitation respectivement. Selon un autre mode de réalisation, le transformateur combiné comprend pour chaque phase un premier, un deuxième et un troisième enroulements primaires branchés coté réseau d'alimentation électrique et un quatrième, un cinquième et un sixième enroulements secondaires, le quatrième et le cinquième enroulements étant reliés au convertisseur et le sixième étant relié au système d'excitation. Ce mode de réalisation permet un branchement du convertisseur lorsque celui-ci comporte deux ponts d'électronique de puissance. Selon un mode de réalisation, le transformateur combiné est monophasé. Selon un autre mode de réalisation, le transformateur combiné est polyphasé. I1 est également proposé selon l'invention, un système de production d'électricité comprenant un alternateur capable de fonctionner en mode moteur et en mode alternateur et un système d'alimentation tel que défini ci-dessus. Selon un mode de réalisation du système de production, l'alternateur est synchrone. Selon un autre mode de réalisation, le rotor de l'alternateur est entrainé par une turbine à gaz. Selon un autre mode de réalisation, le rotor de l'alternateur est entrainé par une micro-turbine. Selon encore un autre mode de réalisation, le rotor de l'alternateur est entrainé par un moteur thermique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de mise en oeuvre et de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement un système d'alimentation d'un alternateur selon l'état de la technique; - la figure 2 illustre un système d'alimentation d'un alternateur selon l'invention; - la figure 3 illustre un moyen de transformation selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 illustre un moyen de transformation selon un autre mode de réalisation de l'invention. La figure 1 illustre un système de production d'électricité selon l'état de la technique. I1 comprend un alternateur G, par exemple synchrone, un transformateur de groupe GSU, un transformateur d'unité auxiliaire UAT capable de délivrer une puissance de 20 MVA (méga voltampère) et un système d'alimentation de l'alternateur. L'alternateur G comprend un rotor et un stator, le rotor étant relié à une ligne d'arbre. L'alternateur peut fonctionner soit dans un mode alternateur, dans lequel lorsque la ligne d'arbre est entraînée il produit de l'électricité qui est fournie au réseau électrique via le transformateur de groupe GSU, soit dans un mode moteur, dans lequel il permet d'amorcer la rotation de la ligne d'arbre. L'alternateur G est alimenté par un système d'alimentation situé en aval du transformateur d'unité auxiliaire UAT. Ce système d'alimentation comprend : - un convertisseur statique de fréquence de démarrage CSF capable de fournir de la puissance électrique au stator de l'alternateur G de manière à créer un champ magnétique tournant; - un système d'excitation EXC capable de fournir de la puissance électrique au rotor de l'alternateur G de manière que le rotor se comporte comme un dipôle magnétique au sein du champ magnétique tournant; - un transformateur Tcsf capable de délivrer une puissance maximale de 8.75 MVA à destination du convertisseur statique CSF; et - un transformateur Texc capable de délivrer une puissance maximale de 4.5 MVA à destination du système d'excitation EXC. Les puissances délivrées par le transformateur Texc et le transformateur Tcsf correspondent à des puissances maximales consommées par le convertisseur statique de fréquence de démarrage CSF et le système d'excitation EXC. Cela étant, ces puissances ne sont jamais consommées concomitamment par le convertisseur CSF et le système d'excitation EXC. En effet, lorsque l'alternateur fonctionne en mode moteur, pour fournir un couple suffisant à l'amorçage de la rotation de la ligne d'arbre, il est prévu d'une part une consommation de 8.75 MVA du convertisseur CSF et d'autre part une consommation de 1.5 MVA du système d'excitation EXC. Tandis que lorsque l'alternateur fonctionne en mode alternateur, le convertisseur CSF ne consomme plus de puissance, et le système d'excitation EXC consomme 4.5 MVA. Par ailleurs, le système de production d'électricité comprend un disjoncteur de groupe CB entre l'alternateur G et le transformateur de groupe GSU ainsi qu'un interrupteur entre le convertisseur CSF et le stator de l'alternateur G. Le disjoncteur CB permet de couper la transmission du courant produit par l'alternateur G tandis que l'interrupteur I permet de couper la transmission de courant depuis le convertisseur CSF vers le stator de l'alternateur G. Ainsi, lors du fonctionnement de l'alternateur G en mode moteur, le disjoncteur CB est ouvert et l'interrupteur I est fermé et, lors du fonctionnement de l'alternateur G en mode alternateur, le disjoncteur CB est fermé et l'interrupteur est ouvert. Un premier problème lié à cette architecture est celui du dimensionnement des transformateurs Texc et Tcsf qui doivent chacun être dimensionnés pour délivrer la puissance maximale consommée par le convertisseur CSF ou le système EXC. Or, au cours du fonctionnement de l'alternateur G, il n'est pas nécessaire de fournir ces puissances concomitamment. Un deuxième problème est celui d'utiliser deux transformateurs, sachant que l'utilisation d'un transformateur entraîne de nombreux coûts fixes. La figure 2 illustre un système de production permettant de pallier ces inconvénients. On retrouve dans le système de la figure 2, le transformateur de groupe GSU, le transformateur UAT, le disjoncteur CB, l'interrupteur I, l'alternateur G et le système d'alimentation de l'alternateur. Dans le système de la figure 2, le système d'excitation EXC et le convertisseur statique de fréquence de démarrage CSF sont des circuits électroniques comprenant au moins un pont de composants électronique de puissance, composé ici de thyristors. Par exemple, le système d'excitation EXC comprend un pont de composants électroniques de puissance et le convertisseur statique de fréquence de démarrage CSF comprend deux ponts de composants électroniques de puissance en parallèle. Le système de la figure 2 se distingue de celui de la figure 1 en ce que dans le système d'alimentation de l'alternateur G, les transformateurs Tcsf et Texc sont remplacés par un seul transformateur combiné T capable de délivrer la puissance électrique au système d'excitation EXC et au convertisseur CSF. Ce transformateur T est combiné car il comprend une partie au moins des enroulements des deux transformateurs Tcsf et Texc et qu'il permet ainsi d'alimenter le système EXC et le convertisseur CSF. On réalise ainsi dans un seul transformateur T les fonctions des deux transformateurs Tcsf et Texc. I1 est dimensionné pour fournir une puissance maximale globale de 10.25 MVA, ce dimensionnement est suffisant pour permettre un fonctionnement de l'alternateur en mode alternateur et en mode moteur. En effet, en mode moteur, il est prévu une consommation de 8.75 MVA du convertisseur CSF et une consommation de 1.5 MVA du système d'excitation. D'autre part, en mode alternateur, le convertisseur CSF ne consomme plus de puissance, et le système d'excitation consomme 4.5 MVA. Le transformateur T étant capable de fournir une puissance maximale globale de 10.25 MVA (8.75+1.5=10.25), son dimensionnement permet de satisfaire aux consommations lors du fonctionnement en mode moteur et en mode alternateur. La puissance globale délivrée est inférieure à celle délivrée par les deux transformateurs Tcsf et Texc de la figure 1. Cela étant, le système d'excitation EXC et le convertisseur statique de fréquence de démarrage CSF comportent des composants électroniques de puissance qui perturbent leur alimentation. Dans le cas de l'utilisation d'un transformateur combiné T, il est nécessaire que les perturbations électromagnétiques du convertisseur CSF sur le système EXC et vice et versa soient réduites pour permettre un fonctionnement optimal de l'alternateur et de son système d'alimentation. La figure 3 illustre en détail un mode de réalisation du transformateur combiné T. Le transformateur T comprend une cuve CU et des dispositifs de refroidissement RD. Dans la cuve CU se trouve de l'huile dans laquelle baignent des enroulements autour de trois armatures du circuit magnétique, chaque armature correspondant à une phase. Dans le cas où le convertisseur CSF et le système d'excitation EXC comprennent un pont de composants électroniques de puissance, le transformateur comprend quatre enroulements pour chacune des phases phasel, phase2, phase3. Deux enroulements primaires Pl, P2 sont branchés côté transformateur UAT et deux enroulements secondaires SC et SE sont branchés coté alternateur G. Comme on peut le voir sur la figure 3, les enroulements primaires Pl et SC sont imbriqués, c'est-à-dire que les enroulements Pl et SC sont enroulés sur une même portion du circuit magnétique. Les enroulements P2 et SE sont également imbriqués. Les primaires Pl et P2 sont espacés d'une distance d suivant l'axe de l'armature du circuit magnétique sur laquelle ils sont enroulés. A titre d'exemple de réalisation, la distance d est comprise entre 1 et 100 cm, elle est préférentiellement égale à une dizaine de centimètres. Ainsi, les deux enroulements secondaires SC et SE sont non imbriqués. On réduit donc fortement le couplage magnétique entre les deux enroulements secondaires SC et SE du transformateur combiné T. L'enroulement secondaire SC étant relié au convertisseur CSF et l'enroulement secondaire SE étant relié au système d'excitation EXC, on obtient ainsi un niveau de découplage suffisant pour que les perturbations électromagnétique du système d'excitation EXC ne se transmettent pas au convertisseur CSF et vice et versa. La figure 4 illustre en détail un autre mode de réalisation du transformateur combiné T. On retrouve dans le transformateur combiné de la figure 4, la cuve CU, les dispositifs de refroidissement RD, le circuit magnétique et les enroulements. Le transformateur de la figure 4 se distingue de celui de la figure 3 en ce que dans le cas où le convertisseur CSF comprend deux ponts d'électronique de puissance en série ou en parallèle, le transformateur comprend six enroulements pour chacune des phases. Trois enroulements primaires Pl, P2, P3 sont branchés côté transformateur UAT et trois enroulements secondaires SC1, SC2 et SE sont branchés coté alternateur G. Les enroulements secondaires SC1 et SC2 sont reliés à chacun des ponts du convertisseur CSF et l'enroulement secondaire SE est relié au système d'excitation EXC. Comme on peut le voir sur la figure 4, les enroulements primaires Pl et SC2 sont imbriqués, c'est-à-dire que les enroulements Pl et SC2 sont enroulés sur une même portion du circuit magnétique. De même, les enroulements P2 et SE d'une part et les enroulements P3 et SC1 d'autre part sont imbriqués. Les primaires Pl, P2 et P3 sont espacés d'une distance d suivant l'axe de l'armature du circuit magnétique sur laquelle ils sont enroulés. A titre d'exemple de réalisation, la distance d est comprise entre 1 et 100 cm, elle est préférentiellement égale à une dizaine de centimètres. Ainsi, les enroulements SC1, SC2 et SE sont non imbriqués. On réduit donc fortement le couplage magnétique entre les trois enroulements secondaires SC1, SC2 et SE du transformateur combiné T. On obtient ainsi, un niveau de découplage suffisant pour que les perturbations électromagnétiques du système d'excitation EXC ne se transmettent pas au convertisseur CSF et vice et versa. D'une manière générale, pour évaluer le coût d'un système d'alimentation comprenant des transformateurs, il faut prendre en compte les caractéristiques suivantes : - le coût des composants tel que la cuve ou le circuit magnétique du transformateur qui dépend directement du nombre de transformateurs; - les coûts d'installation et de maintenance, qui dépendent principalement du nombre de transformateurs ; - le dimensionnement des enroulements des transformateurs qui dépend des puissances maximales consommées par chacun des composants alimentés par chaque transformateur ; - le nombre d'enroulements des transformateurs qui dépend notamment du nombre de composants à relier ; et - le dimensionnement des systèmes de refroidissement des transformateurs qui dépend de la puissance maximale globale consommée par chaque transformateur. On obtient une réduction du coût du système d'alimentation des modes de réalisations illustrés sur les figures 2, 3, 4 par rapport à celui illustré sur la figure 1 pour les raisons détaillées ci après. Le nombre de transformateur est divisé par deux. Cela permet de réduire le coût de tous les composants que l'on peut mutualiser dans un seul transformateur, notamment la cuve et le circuit magnétique d'un transformateur. Cela permet également de réduire la surface au sol nécessaire à l'installation, et de pratiquement diviser par deux le coût d'installation. On réduit en outre le coût de maintenance. La puissance maximale globale délivrée par le transformateur est diminuée. En effet, elle est ici de 10.25 MVA pour l'invention alors que dans l'état de la technique elle est de 13.25 MVA. Cela permet de réduire le dimensionnement des systèmes de refroidissement des transformateurs et donc leur coût. Dans le cas illustré dans les figures 2, 3, 4, il est ainsi possible de réduire la quantité d'huile de la cuve CU et les dispositifs de refroidissement RD dans le transformateur combiné T par rapport à la quantité d'huile globale et aux dispositifs de refroidissements des deux transformateurs de la figure 1. Bien entendu, dans le cas de transformateurs refroidis à l'air, l'utilisation d'un transformateur combiné à l'air permet également d'une part de réduire le nombre de transformateurs et donc le coût des composants comme le circuit magnétique et d'autre part de réduire le nombre de moyens de refroidissement du transformateur combiné par rapport au nombre global de moyens de refroidissement des deux transformateurs de l'état de la technique. On constate que pour les modes de réalisation des figures 3 et 4, le dimensionnement des enroulements du transformateur combiné T est identique à celui de l'état de la technique. En effet, les enroulements des figures 3 et 4 sont dimensionnés pour des puissances de 4.5 MVA (SE-P2) et de 8.75 MVA (SC-Pl ou SC2-Pl et SC1-P3). Par ailleurs, le nombre des enroulements des figures 3 et 4 du transformateur combiné T est choisi identique aux nombres d'enroulement des transformateurs Tcsf et Texc de la figure 1. En effet, pour chaque phase du transformateur Tcsf de la figure 1, on a un ou deux enroulements primaires et secondaires selon que le convertisseur CSF comporte un ou deux ponts d'électronique de puissance. Et, on a pour chaque phase du transformateur Texc de la figure 1, un enroulement primaire et un enroulement secondaire. Ces valeurs sont à comparer à celles du transformateur combiné qui comprend quatre ou six enroulements selon que le convertisseur CSF comporte un ou deux ponts d'électronique de puissance. Ce choix permet d'obtenir un très haut niveau de fiabilité du système d'alimentation de l'alternateur G car les perturbations du convertisseur vers le système d'excitation et vice et versa sont très faibles. REVENDICATIONS1. Système d'alimentation en énergie électrique d'un alternateur (G) capable de fonctionner en mode moteur et en mode alternateur, comprenant : - un convertisseur statique de fréquence de démarrage (CSF) pour alimenter le stator de l'alternateur (G) en mode moteur; et - un système d'excitation (EXC) pour alimenter le rotor de l'alternateur; caractérisé en ce qu'il comprend un unique transformateur combiné (T) relié à un réseau électrique via des enroulements primaires (Pl, P2, P3) et relié au convertisseur statique de fréquence de démarrage (CSF) et au système d'excitation (EXC) via des enroulements secondaires (SC, SE, SC1, SC2) et destiné à alimenter ledit convertisseur (CSF) et ledit système d'excitation (EXC) en mode moteur et en mode alternateur, ledit transformateur combiné (T) comprenant, pour chaque phase, au moins deux enroulements primaires différents (Pl, P2, P3) de façon à réduire le couplage magnétique entre les enroulements secondaires (SC, SE, SC1, SC2). 2. Système selon la revendication 1, dans lequel, pour chaque phase, les au moins deux enroulements primaires différents (Pl, P2, P3) sont chacun imbriqué avec un enroulement secondaire (SC, SE, SC1, SC2) et sont espacés entre eux d'une certaine distance (d) suivant l'axe de l'armature du circuit magnétique du transformateur, autour de laquelle ils sont enroulés. 3. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel le transformateur combiné (T) comprend, pour chaque phase, un premier et un deuxième enroulements primaires (Pl, P2) branchés coté réseau d'alimentation électrique et un troisième et un quatrième enroulements secondaires (SC, SE) reliés au convertisseur (CSF) et au système d'excitation (EXC) respectivement. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel le transformateur combiné comprend pour chaque phase unpremier, un deuxième et un troisième enroulements primaires (Pl, P2, P3) branchés coté réseau d'alimentation électrique et un quatrième, un cinquième et un sixième enroulements secondaires (SC1, SC2, SE) le quatrième et le cinquième enroulements (SC1, SC2) étant reliés au convertisseur (CSF) et le sixième (SE) étant relié au système d'excitation (EXC). 5. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le transformateur combiné est monophasé. 6. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le transformateur combiné est polyphasé. 7. Système de production d'électricité comprenant un alternateur (G) capable de fonctionner en mode moteur et en mode alternateur et un système d'alimentation selon l'une des revendications précédentes. 8. Système selon la revendication 7, dans lequel l'alternateur (G) est synchrone. 9. Système selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, dans lequel le rotor de l'alternateur (G) est entraîné par une turbine à gaz. 10. Système selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel le rotor de l'alternateur (G) est entraîné par une micro-turbine. 11. Système selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, dans lequel le rotor de l'alternateur (G) est entraîné par un moteur thermique.