Brevet FR3093251A1 — publié le 20200828

Description Titre de l'invention : Variateur de vitesse utilisable en atmosphère explosive Domaine technique [0001] La présente invention concerne les variateurs de vitesse (encore appelés variateurs de fréquence) utilisables en atmosphère explosive, notamment ATEX type gaz zone 2. [0002] L'invention concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, les variateurs utilisés sur les plateformes pétrolières offshore, dont la puissance est relativement grande, typiquement supérieure ou égale à 50 kW, par exemple comprise entre 180 et 680 kVA. Technique antérieure [0003] L'environnement sur les plateformes pétrolières peut devenir dans certaines si- tuations d'urgence potentiellement explosif en présence de composés inflammables. [0004] Il est ainsi connu d'enfermer les variateurs électroniques de vitesse utilisés pour commander les pompes, par exemple les pompes submergées type ESP, installées en fond de puits pour la production de pétrole brut, dans des containers pressurisés de très grandes dimensions, climatisés de façon suffisamment efficace pour assurer la dissipation de la chaleur dégagée par les variateurs. [0005] De tels containers, qui s'apparentent à des locaux techniques où des personnes peuvent se déplacer, sont très encombrants et ne peuvent être installés sur toutes les plateformes, et lorsqu'ils le peuvent, sont souvent éloignés des équipements, ce qui oblige à prévoir des connexions électriques longues. [0006] US 6900565 décrit un variateur de vitesse utilisable en atmosphère explosive comportant un boîtier en aluminium fermé de façon étanche et un ventilateur interne de brassage d'air. Le boîtier peut être exposé à un flux extérieur d'air de refroidissement. Le variateur peut aussi être placé dans un environnement climatisé. Un tel variateur repose sur l'utilisation d'une plaque d'aluminium massive pour assurer la dissipation thermique et son coût est relativement élevé. [0007] US 9863718 divulgue une enceinte pour recevoir un équipement dissipant de la chaleur tel qu'un variateur de vitesse. Cette enceinte est équipée d'un échangeur thermique ayant une plaque couplée thermiquement à l'équipement. Des ventilateurs peuvent être montés à l'intérieur et à l'extérieur de l'enceinte. [0008] US 9338907 décrit un boîtier antidéflagrant pour variateur de vitesse dans lequel des composants électroniques de puissance sont disposés sur l'arrière du boîtier, avec un radiateur, un ventilateur et un carénage à l'extérieur du boîtier. Une barrière radiative est disposée au- dessus du boîtier. 2 100091 US 2012/0161596 divulgue une solution pour refroidir des composants de puissance d'un variateur de vitesse consistant à faire circuler à travers une armoire logeant ces composants un flux d'air de refroidissement. Des filtres sont prévus à l'entrée d'air et un partitionnement est effectué pour séparer les composants de puissance du reste du dispositif. Exposé de l'invention [0010] 111 existe par conséquent un besoin pour perfectionner encore les variateurs de vitesse afin de permettre une installation en atmosphère explosive sans les inconvénients des solutions de l'art antérieur. Résumé de l'invention [0011] L'invention répond à ce besoin grâce à un variateur de vitesse destiné à une uti- lisation dans un environnement susceptible de contenir au moins un composé gazeux inflammable, comportant au moins une armoire électrique suipressée, au moins un module de variateur à l'intérieur de l'armoire, au moins un composant électronique de puissance relié thenniquement à un radiateur disposé à l'extérieur de l'armoire, le composant et/ou le radiateur étant relié au module de variateur avec au moins une traversée étanche d'une paroi de l'armoire, et au moins un boiter antidéflagrant, disposé à l'extérieur de l'armoire, contenant au moins un relais coupe-circuit pour isoler électriquement, lorsqu'actionné, le variateur d'une alimentation électrique et/ou de l'équipement auquel il est connecté. 100121 La puissance du variateur est supérieure ou égale à 50 kW. Par « variateur de vitesse » on englobe les dispositifs électroniques de contrôle de vitesse et/ou de couple, et/ou d'assistance au démarrage. 10013] L'invention offre une solution au problème de l'installation d'un variateur en at- mosphère explosive, et sa compacité accroît les possibilités de pose au plus près des équipements, notamment du puits de pétrole. Le volume total occupé par le variateur fait de préférence moins de 6 m3, mieux moins de 4m3. 100141 Par « traversée étanche » il faut comprendre que l'étanchéité est suffisante pour que le débit de fuite éventuel causé par cette traversée soit suffisante faible pour maintenir l'armoire en surpression avec la valeur de surpression recherchée. Le débit de fuite total de l'armoire est de préférence inférieur ou égal à 10 m3/h. 100151 Le ou les boîtiers extérieurs sont avantageusement non surpressés, ce qui permet de garder le caractère antidéflagrant même en cas d'absence de surpression dans l'armoire. 100161 Du fait que l'armoire est mise en surpression, et alimentée en air « propre » non explosif, elle peut être réalisée simplement avec des dimensions relativement importantes, et l'on peut tolérer une étanchéité de qualité moindre que dans le cas d'un 3 boîtier rendu intrinsèquement antidéflagrant de par la qualité de l'étanchéité de sa fermeture. [0017] De préférence, le variateur comporte au moins un ventilateur antidéflagrant fixé à l'extérieur de l'armoire pour refroidir ledit au moins un composant électronique de puissance. [0018] Le variateur peut comporter une entrée d'air comprimé pour mettre en surpression l'intérieur de l'armoire. La surpression dans l'armoire est par exemple de 4 mbars au moins, étant par exemple comprise entre 3 et 10 mbars. [0019] Le variateur peut comporter un système pour réguler la pression de cet air à l'intérieur de l'armoire. L'armoire du variateur peut être surmontée d'un toit, porté par l'armoire. Ce toit permet d'abriter l'armoire des intempéries, et permet par exemple une installation du variateur sur le pont de la plateforme. [0020] De préférence, le variateur comporte un système de brassage d'air à l'intérieur de l'armoire. Le variateur peut également comporter une climatisation pour refroidir l'intérieur de l'armoire. La puissance électrique de cette climatisation, qui peut comporter un groupe frigorifique, est par exemple comprise entre 1 et 10 kW, étant par exemple de 3 ou S kW environ. [0021] Plusieurs variateurs selon l'invention peuvent être associés pour une puissance plus importante. [0022] L'invention a ainsi encore pour objet un ensemble de variateurs comportant au moins deux variateurs selon l'invention, tels que définis ci-dessus, communicant entre eux, l'un fonctionnant en maître et l'autre en esclave. [0023] De préférence, les deux variateurs communiquent par une liaison optique. [0024] Le variateur maître peut transmettre au variateur esclave au moins une consigne de courant et un mot d'état et le variateur esclave peut transmettre au variateur maître au moins un mot d'état et le résultat de mesures de courant. Le variateur maître peut être agencé pour consolider le résultat de mesures effectuées par lui et par le variateur esclave, et transmettre les valeurs consolidées à un automate qui transmet au variateur maître des informations de commande de son fonctionnement. [0025] Chacun des variateurs peut être relié à un équipement alimenté par l'ensemble des variateurs par l'intermédiaire d'un transformateur d'isolation. [0026] L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, l'utilisation d'un variateur selon l'invention, tel que défini plus haut, pour alimenter un équipement de pompage au sein d'une installation pétrochimique ou pétrolière. Le variateur peut notamment être installé sur une plateforme pétrolière, par exemple à l'air libre, ou dans la zone ATEX d'une installation de pétrochimie, par exemple une raffinerie, au plus près de l'application, pour éviter les grandes longueurs de câbles typiquement utilisés (plusieurs centaines de m). 100271 L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : Brève description des dessins [0028] [fig.11 est une vue en perspective d'un exemple de variateur selon l'invention, [0029] [fig.21 est une vue de côté selon la flèche II de la figure 1 du variateur, [0030] [fig.11 est une vue du côté opposé, selon la flèche III de la figure 1, du variateur, [0031] [fig.41 est une vue arrière du variateur, [0032] Ifig.51 illustre la possibilité de paralléliser les variateurs. Description détaillée [0033] On a représenté sur les figures 1 à 4 un exemple de variateur 1 selon l'invention, comportant une armoire 2 pourvue à l'avant d'une porte d'accès 3. [0034] Cette porte 3 peut être munie d'une poignée 4 équipée d'une serrure, comme illustré à la figure 1. [0035] Un ensemble 5 de boutons de commande peut être monté sur la porte 3, de même qu'un écran de contrôle 6. [0036] L'armoire 2 porte sur une paroi latérale 23 des boîtiers 8 et 9 qui logent les connexions du variateur 1 au(x) équipement(s) commandé(s) et un ensemble de relais coupe-circuit permettant d'interrompre le fonctionnement du variateur 1. [0037] Les boîtiers 8 et 9 sont antidéflagrants et répondent aux normes ATEX par exemple. 100381 Des ensembles 10 et 11 de conduits relient les boîtiers 8 et 9 à l'espace intérieur de l'armoire et sont parcourus par des câbles électriques. 100391 L'armoire 2 est surmontée d'un toit 14 équipé d'anneaux 15. Toutefois, le levage de l'armoire 2 est effectué une fois le toit enlevé. 100401 L'armoire 2 est surpressée, et à cet effet elle est reliée à une arrivée d'air comprimé. Le variateur peut comporter sur la paroi latérale 21 opposée à la paroi 23 un système 20 de réglage de la surpression, connecté à la canalisation d'amenée d'air comprimé (non représentée). 100411 Le variateur peut être équipé d'une climatisation permettant de refroidir l'intérieur de l'armoire. Cette climatisation peut comporter un bloc externe 22 fixé sur la paroi 21 précitée. Un drain 24 peut être prévu en partie inférieure de la paroi 21 pour évacuer les condensats. 100421 Le variateur 1 comporte à l'intérieur de l'armoire au moins un module électronique de variateur, qui comporte un ou plusieurs composants électroniques de puissance, par exemple du type 1GBT. 100431 Ces composants sont montés sur des radiateurs 26 qui font saillie de la paroi arrière 25 de l'armoire, comme visible sur la figure 4. [0044] Le montage des radiateurs 26 sur la paroi arrière 25 se fait avec des moyens d'étanchéité tels que des joints par exemple, pour limiter les fuites d'air depuis l'intérieur de l'armoire vers l'extérieur. [0045] Les radiateurs 26 comportent par exemple une pluralité d'ailettes horizontales, comme illustré. [0046] Des ventilateurs 30 sont montés sur la paroi arrière 25 pour souffler de l'air sur les ailettes des radiateurs 26 et refroidir ces derniers. [0047] Chaque ventilateur 30 est antidéflagrant et comporte un conduit 31 pour canaliser l'air soufflé vers les radiateurs 26. Le débit de chaque ventilateur est par exemple supérieur ou égal à 400 Mi/h, mieux 500 rn,/h, et peut être adapté en fonction du besoin de refroidissement. [0048] En fonctionnement, la climatisation assure le refroidissement des modules élec- troniques présents dans l'armoire. Les ventilateurs 30 assurent le refroidissement des composants de puissance montés sur les radiateurs 26. L'air soufflé sur les radiateurs 26 est de l'air prélevé à l'extérieur. La pressurisation de l'armoire empêche l'entrée de composés explosifs qui pourraient éventuellement être présents dans l'environnement du variateur. La température des radiateurs 26 est surveillée par des capteurs de température. Le variateur est agencé pour interrompre son fonctionnement en cas de température excessive rapportée par ces capteurs, notamment supérieure ou égale à 130°C. [0049] Les connexions du variateur 1 avec le réseau d'alimentation générale et/ou le ou les équipements commandés peuvent être coupées grâce aux relais coupe-circuits présents dans les boîtiers 8 et/ou 9. La présence de ces boîtiers et leur caractère antidéflagrant assure une sécurité supplémentaire, notamment en cas de défaillance de pressurisation de l'armoire. [0050] Le variateur 1 dispose préférentiellement d'un capteur de pression qui permet de confirmer la mise en surpression de l'aimoire. Le variateur peut être agencé pour mettre en sécurité le variateur en cas de défaut de surpression, ou à tout le moins prévenir d'un défaut de surpression par émission d'un signal d'alarme, par exemple lumineux et/ou sonore. [0051] Dans une variante non illustrée, le refroidissement des composants de puissance montés sur les radiateurs 26 se fait par une circulation de liquide. [0052] Le variateur 1 fait dans l'exemple considéré 2250mm de haut, 1600mm de profondeur et 2000mm de largeur. [0053] L'armoire peut contenir d'autres équipements en plus d'un variateur de vitesse. Lorsqu'une source d'air comprimé n'est pas disponible, le variateur peut intégrer un compresseur d'air. [0054] Sur la figure 5, on a illustré la possibilité de paralléliser plusieurs variateurs 1, de manière à disposer d'une puissance plus importante. On a également fait apparaître sur 6 cette figure schématiquement certains éléments constitutifs des variateurs. [0055] Chaque variateur 1 peut être relié à la même alimentation principale P par l'intermédiaire d'un transformateur d'isolement 51. Chaque variateur 1 est relié en sortie à l'équipement à alimenter, par exemple une pompe L par l'intermédiaire d'un transformateur élévateur 52, de classe ATEX, équipé d'un filtre sinus. [0056] Les deux variateurs 1 peuvent être installés à proximité l'un de l'autre. [0057] Une liaison par fibre optique 60 assure la communication entre les deux variateurs 1. [0058] L'un des variateurs 1 est configure en maître et l'autre en esclave. Le variateur maître 1 reçoit les consignes de marche et de vitesse de la pompe, de la part d'un automate de supervision, non représenté. [0059] Il pilote le moteur de la pompe en conséquence, en régulation de vitesse, dans la limite de son courant nominal. [0060] Le variateur maître envoie par la liaison optique 60 un mot d'état et des consignes de courant au variateur esclave, qui les exécute dans les limites de son courant nominal. Il renvoie au variateur maître des mesures de courant et un mot d'état. Le fait de transmettre des valeurs de consigne plutôt que des signaux de commutation permet de diminuer la quantité de données à transmettre et facilite le fonctionnement des variateurs. En particulier, cela permet d'éviter d'avoir à transmettre un signal d'horloge et des signaux de commande d'IGBT. [0061] Le variateur maître additionne les courants des deux variateurs, et envoie le résultat à l'automate de supervision. [0062] Le variateur maître et le variateur esclave ne dépassent jamais chacun leur courant nominal en fonctionnement normal. Leurs chaînes de sécurité sont indépendantes et ils échangent un mot d'état par le biais de la liaison optique. En cas de fonctionnement anormal, une erreur est signalée dans le mot d'état et les deux variateurs s'arrêtent. La liaison optique est immune aux perturbations électromagnétiques. En cas de perte de la communication, les deux variateurs s'arrêtent. Le variateur maître et le variateur esclave ne peuvent redémarrer ensemble que si le défaut a disparu et que la communication a été rétablie. [0063] Si le défaut est interne à l'un des deux variateurs, il est possible de redémarrer un seul variateur, après avoir déconnecté du réseau le variateur en défaut. Dans ce cas, le variateur restant peut être reconfiguré en variateur seul, et peut être utilisé pour alimenter l'équipement dans la limite de son courant nominal, par exemple à mi-puissance d'un fonctionnement normal de l'équipement, et renvoie à l'automate de supervision les informations nécessaires, sans consolidation des mesures contrairement au fonctionnement décrit ci-dessus à deux variateurs. 7