Brevet FR3033458A1 — publié le 20160909

La présente invention concerne la conversion de l'énergie mécanique, obtenue par exemple grâce à un moteur thermique, en énergie électrique. L'invention concerne un ensemble électromécanique comportant un alternateur, notamment de forte puissance, typiquement supérieure ou égale à 200kW. Un alternateur comporte de manière connue en soi un enroulement d'inducteur, généralement au rotor, alimenté en courant continu soit par des bagues et balais, soit par une excitatrice, de manière à générer dans un enroulement d'induit, généralement au stator, une tension alternative. Il existe plusieurs solutions connues pour délivrer une tension continue à partir d'un alternateur fonctionnant à vitesse variable. Une première solution, illustrée à la figure 1, consiste à redresser la tension alternative délivrée par l'alternateur 10 au moyen d'un simple pont de diodes 11. L'excitation du rotor de l'alternateur au moyen d'une excitatrice 12 ou par un ensemble composé de bagues et balais est adaptée en permanence par un régulateur 13, pour maintenir une tension continue constante quelle que soit la vitesse de l'organe entrainant et la puissance à délivrer. Cette solution simple et robuste n'est utilisable que lorsque la plage de variation de vitesse et de puissance est relativement faible. Par exemple pour un groupe électrogène dont la puissance du moteur thermique diminue en N3, la plage de variation de vitesse de rotation est typiquement de 75% à 120% de la vitesse nominale de rotation. L'élargissement de cette plage de vitesse vers le bas suppose un surdimensionnement important de l'alternateur, ce qui en augmente le coût. Une deuxième solution, illustrée à la figure 2, consiste en un redressement de la tension alternative délivrée par l'alternateur 10 au moyen d'un redresseur actif 15 composé d'un onduleur à IGBT, commandé en modulation de largeur d'impulsions. Pour certains points de fonctionnement, en particulier ceux dont le courant d'excitation du rotor nécessaire pour obtenir la tension continue souhaitée ne conduit pas à une saturation du circuit magnétique, les transistors 16 de l'onduleur ne sont pas commandés et le redressement s'effectue à l'identique de ce qui est décrit pour la solution 1. Pour les autres points de fonctionnement, le courant d'excitation de la roue polaire est maintenu fixe et les transistors de l'onduleur sont pilotés pour élever la tension au niveau souhaité. La 3033458 2 publication WO 2012/110979 Al décrit notamment un moyen d'arbitrer entre les deux types de fonctionnement, afin de minimiser le niveau de pertes globales du système. Cette solution permet un fonctionnement sur une large plage de vitesse, par exemple de 40% à 120% de la vitesse nominale, mais présente toutefois les inconvénients 5 suivants : - Elle est coûteuse car l'onduleur doit être dimensionné pour la puissance maximale fournie par l'alternateur ; - les commutations de l'onduleur génèrent des courants de mode commun importants qui peuvent circuler dans les roulements de l'alternateur et altérer leur durée 10 de vie, et créer un rayonnement électromagnétique qui risque d'interférer sur les autres équipements électriques de l'installation ; et - les commutations de l'onduleur peuvent induire des décharges partielles qui réduisent la durée de vie du bobinage de l'alternateur. Une troisième solution, illustrée à la figure 3, consiste en un redressement de 15 la tension alternative délivrée par l'alternateur 10 au moyen d'un pont de diodes 11 en association avec un hacheur élévateur 17, comme décrit dans la demande US2002/105819. Pour une partie des points de fonctionnement, en particulier ceux dont le courant d'excitation du rotor nécessaire pour obtenir la tension continue souhaitée ne conduit pas à une saturation du circuit magnétique de l'alternateur, le hacheur élévateur n'est pas 20 commandé et le redressement s'effectue à l'identique de ce qui est décrit pour la première solution. Pour les autres points de fonctionnement, le courant d'excitation de la roue polaire est maintenu fixe et le hacheur élévateur est activé pour élever la tension au niveau souhaité. Cette troisième solution permet un fonctionnement sur une large plage de 25 vitesse, par exemple de 40% à 120% de la vitesse nominale. Elle présente toutefois les inconvénients suivants : - Les diodes du pont redresseur doivent être à recouvrement rapide car elles sont soumises aux forts dV/dt du hacheur élévateur ; ces diodes à recouvrement rapide sont beaucoup plus coûteuses que les diodes à recouvrement standard de la première 30 solution ; 3033458 3 - les commutations du hacheur élévateur génèrent des courants de mode commun importants qui peuvent circuler dans les roulements de l'alternateur et altérer leur durée de vie, et créent un rayonnement électromagnétique qui risque d'interférer sur les autres équipements électriques de l'installation, comme dans le deuxième solution ; et 5 - les commutations du hacheur élévateur peuvent induire des décharges partielles qui réduisent la durée de vie du bobinage de l'alternateur. Il existe par conséquent un besoin pour remédier aux inconvénients ci-dessus, et l'invention y parvient grâce à un ensemble électromécanique, comportant : - un alternateur, à rotor bobiné, 10 un régulateur agissant sur l'excitation de l'alternateur, un redresseur en sortie de l'alternateur, délivrant une tension redressée à un bus continu, - un circuit élévateur relié par l'intermédiaire d'un filtre à la sortie de l'alternateur et délivrant une tension au bus continu. 15 Par rapport aux solutions connues, l'invention permet : - De fonctionner sur une large plage de régime variable, notamment à vitesse et à puissance variable, au moyen d'un circuit élévateur dimensionné à une fraction de la puissance maximale à transmettre, et d'un redresseur dimensionné pour la puissance maximale. Cette solution est beaucoup moins coûteuse que les deuxième et 20 troisième solutions ci-dessus ; - d'utiliser un pont redresseur dont les composants sont à temps de recouvrement standard, contrairement à la troisième solution ci-dessus ; - d'éliminer le risque de courants de mode commun dans les roulements de l'alternateur ; et 25 d'éliminer le risque de décharge partielle dans le bobinage de l'alternateur. Le redresseur est de préférence un redresseur à diodes. Ces dernières peuvent être à temps de recouvrement standard, notamment t (reverse recovery time) supérieur ou égal à 4p.s. 3033458 4 Le filtre peut comporter une inductance en série sur chacune des phases de sortie. La valeur de l'inductance est par exemple comprise entre 401.1H et 801.1H, notamment pour un convertisseur de 500kW connecté à un bus DC de 650V, ou entre 1201.1H et 2401.1H, notamment pour un convertisseur 500kW connecté à un bus DC de 5 1000V. De préférence, la valeur des inductances est choisie de telle sorte qu' au courant nominal, la chute de tension de l'inductance soit comprise entre 4% et 12% de la tension nominale de l'alternateur. Le filtre peut comporter deux capacités reliant chaque phase au bus continu. 10 Ces deux capacités peuvent être égales. La valeur de chaque capacité peut être comprise entre 801.1F et 300g, notamment pour un convertisseur de 500kW connecté à un bus DC de 650V, ou entre 251.1F et 100g, notamment pour un convertisseur de 500kW connecté à un bus DC de 1000V. De préférence, la valeur de chaque capacité est choisie de telle sorte que la 15 fréquence de coupure du filtre LC soit comprise entre 1000Hz et 5000Hz. Les capacités sont de préférence reliées à la borne amont des inductances, c'est-à-dire à celle qui est reliée à l'alternateur. Le filtre LC peut être amorti, par exemple par insertion d'une résistance en série avec les condensateurs. 20 Le circuit élévateur peut être dimensionné pour une fraction de la puissance maximale à transmettre, notamment inférieure à 1/2 de la puissance nominale, tandis que le redresseur est dimensionné pour la puissance maximale à transmettre. Le rotor peut être alimenté par un convertisseur ac/dc. Le régulateur peut agir sur le courant d'excitation If d'une excitatrice de 25 l'alternateur. Dans un premier mode de fonctionnement de l'ensemble selon l'invention, le courant d'excitation est régulé de manière à asservir la tension du bus continu à une valeur de consigne. 3033458 5 Dans un deuxième mode de fonctionnement, la tension redressée est élevée par le circuit élévateur à une tension de consigne Udc ref. Le courant d'excitation de l'alternateur peut être réglé pour que le niveau de saturation magnétique de l'alternateur n'excède pas une valeur prédéfinie, par exemple pour avoir un coefficient de saturation 5 compris entre 1.25 et 1.6. Le circuit élévateur comporte de préférence un onduleur. Dans ce cas, dans le deuxième mode de fonctionnement, l'onduleur peut être commandé par une technique de modulation de largeur d'impulsion (MLI à fréquence de modulation fixe. L'invention porte également sur un procédé de production d'électricité, dans 10 lequel on entraîne en rotation l'alternateur d'un ensemble électromécanique selon l'invention, tel que défini ci-dessus. Le premier mode de fonctionnement peut être sélectionné lorsque la vitesse de l'alternateur est comprise de préférence entre 80% et 120% de sa vitesse nominale, et le deuxième mode de fonctionnement être sélectionné quand la vitesse de l'alternateur est 15 plus faible que celle du premier mode, de préférence inférieure à 80% de sa vitesse nominale. Le deuxième mode de fonctionnement peut être sélectionné quand la puissance à transmettre est plus faible que dans le premier mode. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée 20 qui va suivre, d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : - les figures 1 à 3, précédemment décrites, illustrent l'état de l'art, - la figure 4 est un schéma d'un exemple d'ensemble selon l'invention, - la figure 5 représente un exemple de la variation de la puissance en fonction 25 de la vitesse de rotation, - la figure 6 illustre un exemple de circuit de régulation, et - la figure 7 est un chronogramme des tensions de l'onduleur. L'ensemble 100 selon l'invention comporte, comme illustré à la figure 1, un alternateur synchrone 110 à rotor bobiné, dont le rotor est alimenté en courant continu par 3033458 6 une excitatrice 112 associé à un convertisseur ac/dc tournant 119. Un régulateur de tension 113 connecté à l'enroulement inducteur de l'excitatrice permet de réguler la tension du bus continu. Un redresseur 111 constitué de diodes dl à d6, en particulier de diodes à temps 5 de recouvrement (ta) standard, redresse la tension de l'alternateur 110. Ce redresseur 111 est dimensionné pour la puissance maximale à délivrer. Un circuit élévateur 115 est connecté à l'alternateur et au bus continu. Ce circuit élévateur 115 est composé d'un onduleur de tension, par exemple un onduleur à éléments de commutation il à i6 constitués par des IGBT. L'onduleur 115 est commandé 10 en modulation de largeur d'impulsion. Un filtre RLC relie l'alternateur 110 à l'onduleur 115. Ce filtre comporte des inductances 120 en série avec les phases de sortie de l'alternateur et des paires de capacités 130, 131 reliées au bus continu. Le filtre comporte six capacités cl à c6, reliées par paires à chaque phase. Le circuit élévateur 115 est dimensionné pour une fraction seulement de 15 la puissance maximale à délivrer. L'alternateur est entraîné par un moteur thermique. En variante, l'organe entraînant est par exemple une éolienne. Dans une variante non illustrée, l'alternateur est toujours à rotor bobiné mais le rotor est alimenté en courant continu par un ensemble composé de bagues et 20 balais. Dans un premier mode de fonctionnement, la tension alternative de l'alternateur est redressée par les diodes dl à d6. Le courant d'excitation du rotor If est adapté en permanence par le régulateur 113 pour asservir la tension continue Udc à une valeur de consigne Udc ref, qui peut être constante ou variable. 25 Le régulateur est par exemple un régulateur du commerce comme celui de référence D510 de la société Leroy Somer. Seul un courant résiduel non dimensionnant parcourt les éléments de commutation il à i6 de l'onduleur. Ce mode de fonctionnement est utilisé de préférence dans une zone B du plan puissance/vitesse où le courant d'excitation If du rotor nécessaire 30 pour atteindre la tension continue de consigne ne conduit pas à une saturation du circuit 3033458 7 magnétique de l'alternateur. Cette zone du plan puissance/vitesse est localisée, comme visible sur la figure 5, où la puissance à fournir est la plus élevée. Dans un second mode de fonctionnement, utilisé de préférence aux vitesses les plus faibles, correspondant à la zone A sur la figure 5, la tension de l'alternateur est 5 redressée et élevée par l'onduleur à la tension de consigne Udc ref. Dans ce mode de fonctionnement, le courant d'excitation du rotor est réglé pour que le niveau de saturation de l'alternateur n'excède pas une certaine valeur définie afin, entre autres, de minimiser les pertes, par exemple pour maintenir un coefficient de saturation inférieur à 1.25. 10 Le filtre constitué des selfs 120 et des condensateurs cl à c6 atténue fortement aux points Vau, Vav, Vaw les harmoniques des tensions Viu, Viv, Viw de l'onduleur en mode différentiel et en mode commun. Le bénéfice de ce filtrage garantit que les commutations de l'onduleur n'ont pas d'impact sur la fiabilité du bobinage de l'alternateur. Il garantit également l'absence 15 de fronts raides de tension entre les 3 phases de l'alternateur et la masse du système, qui seraient susceptibles de détruire les roulements de l'alternateur par création de courants de mode commun, et la non conduction des diodes dl à d6, notamment aux instants de commutations de l'onduleur, ce qui autorise l'utilisation de diodes à temps de recouvrement standard. 20 Dans la zone d'utilisation privilégiée de ce second mode de fonctionnement, l'organe entrainant l'alternateur ne peut délivrer qu'une partie de sa puissance maximale, ce qui permet de ne dimensionner l'onduleur, les selfs et les condensateurs qu'à une fraction de la puissance nominale, par exemple 1/4 de la puissance nominale pour un groupe électrogène dont la puissance du moteur thermique diminue en N3. 25 Pour ce second mode de fonctionnement, il existe plusieurs méthodes connues pour réguler la tension Udc à la valeur de consigne Udc ref et pour générer les ordres de commande de l'onduleur. L'une de ces méthodes va être décrite en référence à la figure 6. Le repère d,q utilisé est un repère orthonormé tournant à la fréquence de la 30 tension fondamentale de l'alternateur. Les courants fictifs id, iq sont obtenus après avoir 3033458 8 appliqué une transformation triphasée/diphasée suivi d'une rotation d'angle 0 aux 3 courants Iiu, Iiv, Iiw. L'angle 0 est choisi de telle sorte qu'une modification de la valeur du courant iq n'agit que sur la puissance active en entrée de l'onduleur et qu'une modification de la valeur du courant id n'agit que sur la puissance réactive. 5 La valeur de la tension du bus continu est régulée à la valeur de consigne Udc ref par un correcteur de type PID (Proportionnel Intégral Différentiel) 201 dont la sortie constitue la consigne de courant iq_ref. La consigne de courant id ref est choisie pour par exemple minimiser les pertes de l'alternateur comme décrit dans la publication WO 2012/110979 Al. 10 Deux correcteurs PI (Proportionnel Intégral) 202 et 203 permettent d'asservir les courants id et iq aux consignes respectives id ref et iq_ref. La sortie de ces deux régulateurs de courant représente, dans le repère tournant, les 2 composantes orthonormées Vd, Vq du vecteur de tension qui doit être appliqué en entrée de l'onduleur. La condition sur l'angle 0 citée ci-dessus est remplie lorsque la tension Vd 15 est égale à 0. Les correcteurs PI 204 et I (Intégral) 205 agissent comme une boucle PLL (boucle à verrouillage de phase). Ils asservissent la tension Vd à 0 et permettent de définir l'angle 0. Le bloc « Modulation » définit les instants de fermeture et d'ouverture des éléments de commutation de chacun des bras de l'onduleur, suivant une méthode de 20 Modulation de Largeur d'Impulsion (MLI) connue. Dans l'exemple considéré, la technique choisie est une modulation de largeur d'impulsion MLI à fréquence de modulation fixe, où seuls 2 des 3 bras de l'onduleur commutent à chaque période de découpage, comme illustré sur la figure 7. Le bras d'onduleur qui ne commute pas est, par exemple, celui dont la valeur absolue du courant 25 est la plus élevée des 3 bras afin de minimiser les pertes de l'onduleur. Les rapports cycliques des 2 phases qui commutent dépendent des valeurs Vd ref , Vq ref , de l'angle 0 et de la tension Udc, comme illustré sur la figure 7. L'invention n'est pas limitée à l'exemple qui vient d'être décrit. En particulier, on peut remplacer le pont de diodes 111 par un pont à thyristors ou par un pont mixte. 30 On peut également utiliser plusieurs ponts de diodes 3033458 9 On peut remplacer l'onduleur par un hacheur élévateur. REVENDICATIONS1. Ensemble électromécanique (100) comportant : Un alternateur (110), à rotor bobiné, - un régulateur (113) agissant sur l'excitation de l'alternateur, un redresseur (111) en sortie de l'alternateur, délivrant une tension redressée à un bus continu, - un circuit élévateur (115) relié par l'intermédiaire d'un filtre (120, 130) à la sortie de l'alternateur et délivrant une tension au bus continu. 2. Ensemble selon la revendication 1, le redresseur (111) étant un redresseur à diodes (di, ..., d6). 3. Ensemble selon la revendication 2, les diodes (di, d6) étant à temps de recouvrement standard, avec tn. supérieur ou égal à 4 !.is. 4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, le filtre (120, 130) comportant une inductance (120) en série sur chacune des phases de sortie, de préférence de valeur choisie de telle sorte que la chute de tension de l'inductance soit comprise entre 4% et 12% de la tension nominale de l'alternateur. 5. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, le filtre (120, 130) comportant deux capacités (130, 131) reliant chaque phase au bus continu, de préférence de valeur choisie de telle sorte que la fréquence du filtre LC, L étant la valeur 20 de l'inductance de la revendication 4, soit comprise entre 1 kHz et 5 kHz. 6. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, le circuit élévateur comportant un onduleur, l'onduleur (115) étant dimensionné pour une fraction de la puissance maximale à transmettre par l'alternateur, notamment inférieure à 1/2 de la puissance nominale. 25 7. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, le redresseur (111) étant dimensionné pour la puissance maximale à transmettre par l'alternateur. 3033458 11 8. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'ensemble comportant un convertisseur ac/dc (119), notamment un convertisseur tournant, le rotor étant alimenté par le convertisseur ac/dc (119). 9. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, le 5 régulateur (113) agissant sur le courant d'excitation If d'une excitatrice de l'alternateur. 10. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel dans un premier mode de fonctionnement, le courant d'excitation est régulé de manière à asservir la tension du bus continu à une valeur de consigne. 11. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans 10 lequel dans un deuxième mode de fonctionnement, la tension redressée est élevée par le circuit élévateur à une tension de consigne Ude_ref. 12. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, le courant d'excitation de l'alternateur étant réglé pour que le niveau de saturation magnétique de l'alternateur n'excède pas une valeur prédéfinie, de préférence un 15 coefficient de saturation compris entre 1,25 et 1,6. 13. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, le circuit élévateur (115) comportant un onduleur. 14. Ensemble selon la revendication 13, l'onduleur (115) étant commandé par une technique de modulation de largeur d'impulsion (MU), notamment à fréquence de 20 modulation fixe. 15. Procédé de production d'électricité, dans lequel on entraîne en rotation l'alternateur (110) d'un ensemble électromécanique tel que défini dans l'une quelconque des revendications précédentes. 16. Procédé selon la revendication précédente, la revendication 10 et l'une des 25 revendications 11 à 13, le premier mode de fonctionnement étant sélectionné lorsque la vitesse de l'alternateur est notamment comprise entre 80% et 120% de sa vitesse nominale, et le deuxième mode de fonctionnement étant sélectionné lorsque la vitesse de l'alternateur est plus faible que dans le premier mode, notamment inférieure à 80% de sa vitesse nominale.