FR2755319A1 - Systeme et sous-station ainsi que procede d'interconnexion pour des systemes electriques presentant une caracteristique electrique differente - Google Patents
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Abstract
Système et sous-station ainsi que procédé d'interconnexion pour des systèmes électriques présentant une caractéristique électrique différente.
Description
" Système et sous-station ainsi que procédé d'interconnexion pour des systèmes électriques présentant une caractéristique électrique différente
La présente invention se rapporte à la commande d'une transmission d'énergie ou puissance électrique et elle a trait, en particulier, à la connexion de systèmes électriques présentant une caractéristique électrique différente.
La présente invention se rapporte à la commande d'une transmission d'énergie ou puissance électrique et elle a trait, en particulier, à la connexion de systèmes électriques présentant une caractéristique électrique différente.
Certains transformateurs électriques, par exemple les autotransformateurs, tels que les autotransformateurs à curseur rotatif du type Variacs, modifient simplement la tension. D'autres transformateurs, connus sous la désignation de transformateurs statiques à déphasage, peuvent prélever la puissance et la faire varier sur un certain angle.
Les transformateurs faisant varier simplement la tension et les transformateurs statiques à déphasage peuvent convenir pour interconnecter deux systèmes électriques fonctionnant à la même fréquence électrique ou pour effectuer une transmission à l'intérieur d'une compagnie de distribution d'électricité. Toutefois, de tels transformateurs sont incapables de réaliser une interface entre deux systèmes électriques fonctionnant à une fréquence différente (par exemple des transferts d'électricité entre compagnies de distribution d'électricité).
De nos jours, un des problèmes les plus importants concernant la transmission d'énergie électrique est l'incapacité de transférer l'énergie entre des réseaux de distribution dont la fréquence diffère de façon notable (durant des minutes ou des heures). Par exemple, aux Etats
Unis, les compagnies de distribution d'électricité qui se trouvent à l'est du Mississippi et au nord de la ligne
Mason-Dixon ont tendance à fonctionner dans une plage de fréquences allant d'environ 60,1 à 60,01 Hertz tandis que (en raison des facteurs d'énergie hydraulique ajoutés par exemple par la zone de production d'énergie de Columbia
River/Bonneville et l'organisme Tennessee Valley Authority) les compagnies de distribution d'électricité se trouvant dans les parties sud et ouest du pays ont tendance à fonctionner à une fréquence légèrement plus faible (par exemple comprise entre 59,9 et 59,99 Hertz). Les compagnies de distribution d'électricité ne maintiennent pas une fréquence constante mais par contre une fréquence qui varie de façon aléatoire dans les plages mentionnées ci-dessus.
Unis, les compagnies de distribution d'électricité qui se trouvent à l'est du Mississippi et au nord de la ligne
Mason-Dixon ont tendance à fonctionner dans une plage de fréquences allant d'environ 60,1 à 60,01 Hertz tandis que (en raison des facteurs d'énergie hydraulique ajoutés par exemple par la zone de production d'énergie de Columbia
River/Bonneville et l'organisme Tennessee Valley Authority) les compagnies de distribution d'électricité se trouvant dans les parties sud et ouest du pays ont tendance à fonctionner à une fréquence légèrement plus faible (par exemple comprise entre 59,9 et 59,99 Hertz). Les compagnies de distribution d'électricité ne maintiennent pas une fréquence constante mais par contre une fréquence qui varie de façon aléatoire dans les plages mentionnées ci-dessus.
Les systèmes électriques comprennent des relais directionnels installés pour protéger normalement un système contre les incidents de fonctionnement. Si on devait construire une ligne de transmission entre des systèmes dont la fréquence diffère, comme par exemple des compagnies d'électricité utilisant des fréquences différentes, les relais directionnels seraient sensibles au déphasage. A la longue, le vecteur phase pourrait provoquer un déclenchement des relais directionnels et couper la ligne de transmission.
De ce fait, on ne peut effectuer actuellement une transmission d'énergie entre des systèmes de fréquences différentes que pendant des périodes de temps limitées, comme par exemple pendant des minutes ou pendant des heures, mais non pas pendant des périodes de temps prolongées, telles que des périodes de 24 heures.
La figure 1 montre un système d'interconnexion classique 20, connu également comme système d'interconnexion de liaisons à courant continu, qui est utilisé actuellement pour interconnecter des systèmes électriques (par exemple des compagnies d'électricité différentes ou des réseaux de distribution d'électricité différents) fonctionnant à des fréquences différentes. La figure 1 montre un système d'interconnexion 20 raccordant un système d'alimentation 22 et un système récepteur 24. Le système d'alimentation 22 est raccordé au système d'interconnexion 20 par des lignes 26 destinées à fournir, dans l'exemple représenté, un signal d'entrée triphasé de fréquence F1 (F1 étant la fréquence du système d'alimentation 20). Le système d'interconnexion 20 est connecté par des lignes 28 à un système récepteur 24, les lignes 28 transportant un signal de sortie triphasé de fréquence F2 depuis le système d'interconnexion 20 jusqu'au système récepteur 24 (F2 étant la fréquence du système d'alimentation 20, F2 i F1).
Le système d'interconnexion 20 comprend un redresseur a deux alternances destiné à redresser le signal d'entrée présent sur les lignes 26 de manière à former un signal en courant continu, le signal en courant continu étant appliqué à un circuit transistorisé 30. Le circuit 30 comprend une pluralité de transistors ou commutateurs Cl, C2, ... C6 (considérés collectivement comme étant les commutateurs C), les électrodes de commande des commutateurs C étant actionnés par un dispositif de commande 40. Comme représenté en 42, le dispositif de commande 40 détecte la fréquence et la phase du signal de sortie provenant du système d'interconnexion 20.
Le système d'interconnexion 20 redresse donc le signal d'entrée en courant alternatif présent sur les lignes 26, de manière à obtenir un signal en courant continu, et inverse ensuite le signal en courant continu de manière à obtenir un signal en courant alternatif (sur les lignes 28) synchronisé avec la fréquence F2 du système récepteur 24. Ceci implique, dans le cas du dispositif de commande 40, soit un actionnement automatique des commutateurs C soit un actionnement manuel de ces commutateurs. Essentiellement, le système d'interconnexion 20 redresse le signal d'entrée, de manière à obtenir un signal en courant continu, puis le rétablit dans une forme hachée à la fréquence d'horloge du système récepteur 24.
Malheureusement, le système d'interconnexion 20 est sujet à des problèmes de fiabilité, spécialement à des défaillances des commutateurs C (les commutateurs C étant coûteux à remplacer). En outre, comme mentionné ci-dessus, le système d'interconnexion 20 ne fonctionne efficacement pour transférer de l'énergie entre les systèmes 22 et 24 que pendant des périodes de temps limitées. En outre encore, le système d'interconnexion 20 est couteux à faire fonctionner, un tel système ou interconnexion de réseau coûtant jusqu'à 200 dollars/kVA.
On a utilisé des convertisseurs rotatifs pendant des décennies pour transformer l'énergie électrique ayant une première fréquence constante en une énergie électrique ayant une seconde fréquence constante (par exemple pour faire passer la fréquence de 50 Hz à 60 Hz). Mais les convertisseurs rotatifs fonctionnent continuellement à une vitesse prédéterminée < à des centaines ou des milliers de tours par minute) en agissant comme les moteurs qui en réalité les font tourner. Les convertisseurs rotatifs classiques ne peuvent pas, par conséquent, résoudre le problème d'une interconnexion de deux compagnies d'électricité publiques ou secteurs, dont les fréquences de distribution diffèrentes varient de façon aléatoire.
Selon la présente invention, le système d'interconnexion électrique comprend un convertisseur rotatif et un dispositif de commande. Le convertisseur rotatif est couplé à des premier et second systèmes électriques qui présentent une caractéristique électrique différente (par exemple une fréquence ou une phase différente). Le dispositif de commande fait fonctionner , de façon bidirectionnelle, le convertisseur rotatif à une vitesse variable pour transférer de l'énergie du premier système électrique au second système électrique.
Le convertisseur rotatif comprend un rotor connecté au premier système électrique, un stator connecté au second système électrique, un actionneur destiné à faire tourner le rotor, et un circuit de rétroaction qui détecte la grandeur de la caractéristique électrique différente. Le dispositif de commande réagit à la grandeur détectée par le circuit de rétroaction en commandant l'actionneur de manière que le rotor soit entraîné en rotation, de façon bidirectionnelle, à une vitesse variable. De façon typique, la vitesse variable n'est pas supérieure à 50 tours par minute du convertisseur rotatif.
Dans certains modes de réalisation, l'actionneur est un moteur et un mécanisme est prévu pour servir d'interface entre le moteur et le rotor. Dans un mode de réalisation particulier, ce mécanisme est une vis sans fin.
Alors que dans certains modes de réalisation, la caractéristique électrique différente soit la fréquence électrique, dans un des modes de réalisation on fait fonctionner le système comme un transformateur à déphasage.
Dans le mode de réalisation du transformateur à déphasage, l'ensemble formant rotor ne se déplace pas de plus de 1 90 degrés.
Le système d'interconnexion selon la présente invention peut être utilisé dans une sous-station pour connecter des systèmes électriques asynchrones, comme par exemple des premier et second réseaux de puissance ayant des fréquences électriques différentes. Le système d'interconnexion de l'invention non seulement transfère de l'énergie mais peut aussi modifier l'énergie transmise en effectuant un déphasage à l'instant en cours de fonctionnement.
Le système d'interconnexion électrique selon la présente invention comprend : un convertisseur rotatif destiné à être couplé à un premier système électrique et à un second système électrique, le premier système électrique et le second système électrique présentant une caractéristique électrique différente; et un dispositif de commande qui fait fonctionner de façon bidirectionnelle le convertisseur rotatif à une vitesse variable pour transférer l'énergie du premier système électrique au second système électrique.
Ce système d'interconnexion électrique présente en outre les caractéristiques suivantes.
- le premier système électrique et le second système électrique fonctionnent à des fréquences électriques différentes;
- il comprend, en outre, un circuit de rétroaction qui détecte la fréquence électrique du premier système électrique et la fréquence électrique du second système électrique, le dispositif de commande ajustant la position angulaire du convertisseur rotatif pour faire concorder la phase du premier système électrique avec la phase du second système électrique;
- le premier système électrique et le second système électrique sont, respectivement, une première compagnie de distribution d'électricité et une seconde compagnie de distribution d'électricité.
- il comprend, en outre, un circuit de rétroaction qui détecte la fréquence électrique du premier système électrique et la fréquence électrique du second système électrique, le dispositif de commande ajustant la position angulaire du convertisseur rotatif pour faire concorder la phase du premier système électrique avec la phase du second système électrique;
- le premier système électrique et le second système électrique sont, respectivement, une première compagnie de distribution d'électricité et une seconde compagnie de distribution d'électricité.
La sous-station servant à interconnecter électriquement selon la présente invention un premier système électrique et un second système électrique, le premier système électrique et le second système électrique ayant une caractéristique électrique différente, cette sous-station comprend : un transformateur abaisseur de tension couplé au premier système électrique; un transformateur élévateur de tension couplé au second système électrique; un convertisseur rotatif couplé au transformateur abaisseur de tension et au transformateur élévateur de tension; et un dispositif de commande qui fait fonctionner, de façon bidirectionnelle, le convertisseur rotatif à une vitesse variable pour transférer la puissance du premier système électrique au second système électrique.
Dans cette sous-station le convertisseur rotatif comprend : un rotor connecté à un premier des transformateurs abaisseur de tension et élévateur de tension; un stator connecté à un second des transformateurs abaisseur de tension et élévateur de tension; un actionneur destiné à faire tourner le rotor; un circuit de rétroaction qui détecte l'amplitude de la caractéristique électrique différente; le dispositif de commande réagissant à l'amplitude détectée par le circuit de rétroaction en commandant l'actionneur, ce qui fait que le rotor est entraîné en rotation, de façon bidirectionnelle, à une vitesse variable.
L'invention permet de réaliser un système d'interconnexion électrique comprenant : un convertisseur rotatif destiné à être couplé à un premier système électrique et à un second système électrique, le premier système électrique et le second système électrique ayant une caractéristique électrique différente; et un sous-systeme de positionnement angulaire à boucle fermée qui fait fonctionner, de façon.
bidirectionnelle, le convertisseur rotatif pour transférer la puissance du premier système électrique au second système électrique.
Le procédé pour interconnecter deux systèmes électriques, selon la présente invention comprend les étapes consistant à coupler un convertisseur rotatif à un premier système électrique et à un second système électrique, le premier système électrique et le second système électrique ayant une caractéristique électrique différente; et à faire fonctionner le convertisseur rotatif de façon bidirectionnelle et à une vitesse variable pour transférer la puissance du premier système électrique au second système électrique.
Les objets, caractéristiques et avantages ci-dessus ainsi que d'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description donnée ci-après de modes de réalisation préférés pour lesquels on se réfèrera aux dessins annexés, sur lesquels:
la figure 1 est une vue schématique d'un système d'interconnexion classique de réseaux à courant continu utilisé pour interconnecter des systèmes électriques fonctionnant à des fréquences différentes;
la figure 2 est une vue partiellement schématique et partiellement en perspective d'un système d'interconnexion d'énergie électrique selon un mode de réalisation de l'invention;
la figure 3A est une vue de côté d'un système d'interconnexion d'énergie électrique selon un mode de réalisation de l'invention qui utilise une vis sans fin;
la figure 3B est une vue de dessus du système d'interconnexion d'énergie électrique de la figure 3A;
la figure 4 est une vue schématique d'une sous-station destinée à une interconnexion électrique d'un premier système électrique à un second système électrique;
la figure 5 est un graphique montrant les exigences couple-commande du système d'interconnexion d'énergie électrique de la présente invention; et
la figure 6 est un graphique montrant une courbe de possibilité du système d'interconnexion d'énergie électrique de la présente invention.
la figure 1 est une vue schématique d'un système d'interconnexion classique de réseaux à courant continu utilisé pour interconnecter des systèmes électriques fonctionnant à des fréquences différentes;
la figure 2 est une vue partiellement schématique et partiellement en perspective d'un système d'interconnexion d'énergie électrique selon un mode de réalisation de l'invention;
la figure 3A est une vue de côté d'un système d'interconnexion d'énergie électrique selon un mode de réalisation de l'invention qui utilise une vis sans fin;
la figure 3B est une vue de dessus du système d'interconnexion d'énergie électrique de la figure 3A;
la figure 4 est une vue schématique d'une sous-station destinée à une interconnexion électrique d'un premier système électrique à un second système électrique;
la figure 5 est un graphique montrant les exigences couple-commande du système d'interconnexion d'énergie électrique de la présente invention; et
la figure 6 est un graphique montrant une courbe de possibilité du système d'interconnexion d'énergie électrique de la présente invention.
La figure 2 montre un système 100 d'interconnexion d'énergie électrique qui comprend un ensemble 102 formant convertisseur rotatif et un dispositif de commande 104.
Comme décrit de façon plus détaillée ci-après, l'ensemble 102 formant convertisseur rotatif est connecté par des lignes triphasées RA, RB, RC à un premier système électrique et par des lignes triphasées SA, SB et SC à un second système électrique. Comme expliqué également ci-après, le premier système électrique et le second système électrique ont des caractéristiques électriques différentes.
L'ensemble 102 formant convertisseur rotatif comprend à la fois un sous-ensemble de rotor 110 et un stator 112. Le sous-ensemble de rotor 110 comprend des bagues 114 de collecteur (connues également sous la désignation de bagues collectrices), une section 116 de cage de rotor et une section 118 d'entraînement de rotor. Les lignes triphasées
RA, RB, RC s'étendant depuis le premier système électrique sont connectées aux bagues 114 de collecteur et les lignes triphasées SA, SB et SC s'étendant jusqu'au second système électrique sont connectées au stator 112.
RA, RB, RC s'étendant depuis le premier système électrique sont connectées aux bagues 114 de collecteur et les lignes triphasées SA, SB et SC s'étendant jusqu'au second système électrique sont connectées au stator 112.
Comme représenté sur la figure 2 et comme le comprendra l'homme de métier, dans le mode de réalisation illustré, l'ensemble 102 formant convertisseur rotatif comprend des secteurs d'enroulement couvrant 60 degrés de phase, les enroulements du rotor étant référencés RA+, RC-, RB+, RA-,
RC+ et RB- et les enroulements de stator étant référencés
SA+, SC-, SB+, SA-, SC+ et SB-. On comprendra que l'invention n'est pas limitée à un système de secteurs d'enroulement de 60 degrés de phase mais que le principe de l'invention peut être appliqué à des ensembles formant convertisseur rotatif comportant deux phases et un nombre plus grand de phases
L'ensemble 110 de rotor peut tourner autour de son axe RX à la fois dans le sens horaire CW et dans le sens antihoraire CCW. La rotation de l'ensemble 110 de rotor est effectuée par une section 118 d'entraînement de rotor,
La section 118 d'entraînement de rotor est représentée symboliquement sur la figure 2 sous la forme d'une section toroïdale montée sur l'ensemble 110 de rotor. Ainsi, la section 118 d'entraînement de rotor de la figure 2 représente, d'une façon générale, diverses variantes et différents types de mécanismes d'entraînement destinés à faire tourner l'ensemble 110 de rotor. Dans certains modes de réalisation, la section 118 d'entraînement de rotor comprend un actionneur et un certain type de mécanisme de transmission ou liaison (par exemple un engrenage) qui sert d'interface avec l'ensemble 110 de rotor. Par exemple, dans un des modes de réalisation, la section 118 d'entraînement de rotor comprend un mécanisme d'entraînement à vis sans fin, comme représenté sur la figure 3A et sur la figure 3B et décrit ci-après. Dans d'autres modes de réalisation, la section 118 d'entraînement de rotor comprend un actionneur, comme par exemple un moteur pas-å-pas agissant par l'intermédiaire d'un pignon radial (par exemple un pignon droit), un actionneur hydraulique faisant tourner un pignon se trouvant sur l'ensemble 110 de rotor, ou un actionneur pneumatique faisant tourner un pignon se trouvant sur l'ensemble 110 de rotor. N'importe quel mécanisme d'entraînement approprié peut être utilisé comme section 118 d'entraînement de rotor pourvu qu'il soit compatible avec la position angulaire en boucle fermée de l'ensemble 110 de rotor, comme décrit dans le présent exposé.
RC+ et RB- et les enroulements de stator étant référencés
SA+, SC-, SB+, SA-, SC+ et SB-. On comprendra que l'invention n'est pas limitée à un système de secteurs d'enroulement de 60 degrés de phase mais que le principe de l'invention peut être appliqué à des ensembles formant convertisseur rotatif comportant deux phases et un nombre plus grand de phases
L'ensemble 110 de rotor peut tourner autour de son axe RX à la fois dans le sens horaire CW et dans le sens antihoraire CCW. La rotation de l'ensemble 110 de rotor est effectuée par une section 118 d'entraînement de rotor,
La section 118 d'entraînement de rotor est représentée symboliquement sur la figure 2 sous la forme d'une section toroïdale montée sur l'ensemble 110 de rotor. Ainsi, la section 118 d'entraînement de rotor de la figure 2 représente, d'une façon générale, diverses variantes et différents types de mécanismes d'entraînement destinés à faire tourner l'ensemble 110 de rotor. Dans certains modes de réalisation, la section 118 d'entraînement de rotor comprend un actionneur et un certain type de mécanisme de transmission ou liaison (par exemple un engrenage) qui sert d'interface avec l'ensemble 110 de rotor. Par exemple, dans un des modes de réalisation, la section 118 d'entraînement de rotor comprend un mécanisme d'entraînement à vis sans fin, comme représenté sur la figure 3A et sur la figure 3B et décrit ci-après. Dans d'autres modes de réalisation, la section 118 d'entraînement de rotor comprend un actionneur, comme par exemple un moteur pas-å-pas agissant par l'intermédiaire d'un pignon radial (par exemple un pignon droit), un actionneur hydraulique faisant tourner un pignon se trouvant sur l'ensemble 110 de rotor, ou un actionneur pneumatique faisant tourner un pignon se trouvant sur l'ensemble 110 de rotor. N'importe quel mécanisme d'entraînement approprié peut être utilisé comme section 118 d'entraînement de rotor pourvu qu'il soit compatible avec la position angulaire en boucle fermée de l'ensemble 110 de rotor, comme décrit dans le présent exposé.
Comme on l'a mentionné ci-dessus, le dispositif de commande 104 actionne de façon bidirectionnelle l'ensemble 110 de rotor (par l'intermédiaire de la section 118 d'entraînement de rotor) à une vitesse variable pour transférer de l'énergie du premier système électrique au second système électrique. Ainsi, contrairement aux convertisseurs rotatifs classiques, l'ensemble 110 de rotor n'est pas entraîné en rotation à une vitesse angulaire constante mais, par contre, est entraîné en rotation à une vitesse angulaire qui varie continuellement selon ce qui est demandé par le dispositif 104 de commande. En outre, on obtient une vitesse angulaire bidirectionnelle car l'ensemble 110 de rotor peut tourner à la fois dans le sens horaire CW et dans le sens anti-horaire CCW, comme représenté sur la figure 2.
Comme on peut le voir sur la figure 2, le dispositif de commande 104 fait partie d'un circuit de rétrocaction qui contrôle une ou plusieurs caractéristiques électriques sélectionnées à la fois du premier système électrique et du second système électrique, comme indiqué par les conducteurs 130, 132 de contrôle par rétroaction connectés, respectivement, aux capteurs 131, 133 Lors de la comparaison de la ou des caractéristiques électriques sélectionnées, le dispositif de commande 104 engendre un signal d'entraînement qui est appliqué, par l'intermédiaire de la ligne 134, à la section 118 d'entraînement de rotor.
Le sens (par exemple la polarité) et l'amplitude du signal d'entraînement appliquée à la ligne 134 sont utilisés par la section 118 d'entraînement de rotor pour ajuster angulairement l'ensemble 110 de rotor. Le sens du signal d'entraînement appliqué à la ligne 134 détermine si oui ou non l'ensemble 110 de rotor doit tourner dans le sens horaire CW ou dans le sens anti-horaire CCW; l'amplitude du signal d'entraînement appliqué à la ligne 134 détermine la grandeur de la rotation. Par exemple, grâce à un sens et à une amplitude appropriés du signal d'entraînement appliqué à la ligne 134, le dispositif de commande 104 peut faire tourner l'ensemble 110 de rotor lentement dans le sens horaire CW puis le faire tourner lentement en sens inverse (dans le sens anti-horaire CCW) et peut-être même l'arrêter jusqu'à ce que les circonstances justifient que la rotation se prolonge (soit dans le sens horaire CW, soit dans le sens anti-horaire CCW).
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, les premier et second systèmes électriques présentent des plages différentes de fréquences électriques, les fréquences, dans chaque système électrique, "vagabondant" à l'intérieur de leurs plages respectives. Par exemple, à un moment donné, le premier système électrique fonctionne à une première fréquence tandis que le second système électrique fonctionne à une seconde fréquence
Dans ce mode de réalisation, le dispositif 104 de commande de système surveille les fréquences électriques des premier et second systèmes électriques en utilisant le circuit de rétroaction qui comprend des lignes 130 et 132 de surveillance. Dans le mode de réalisation représenté, les capteurs 131 et 133 sont des capteurs de fréquence. Durant la surveillance de la fréquence électrique, le dispositif de commande 104 émet son signal d'entraînement sur la ligne 134 pour ajuster la position angulaire du convertisseur rotatif de manière à faire concorder la phase du premier système électrique avec la phase du second système électrique, En d'autres termes, le dispositif de commande 104 maintient un asservissement ou synchronisation de phase entre le premier système électrique et le second système électrique. De façon idéale, quand les systèmes sont en concordance, la différence de phase entre les systèmes est de 00. I1 incombe au dispositif de commande 104 d'assurer un déphasage électrique en fonction du temps qui compense toute différence entre les deux systèmes. Quand il existe une concordance au temps tO il existe l'égalité suivante:
Fl(t0)*t0 + phase 1 = F2(tO)*tO + phase 2 où Fl Fl(t) et F2 F2(t) représentent les fréquences des premier et second systèmes électriques respectifs en fonction du temps.
Dans ce mode de réalisation, le dispositif 104 de commande de système surveille les fréquences électriques des premier et second systèmes électriques en utilisant le circuit de rétroaction qui comprend des lignes 130 et 132 de surveillance. Dans le mode de réalisation représenté, les capteurs 131 et 133 sont des capteurs de fréquence. Durant la surveillance de la fréquence électrique, le dispositif de commande 104 émet son signal d'entraînement sur la ligne 134 pour ajuster la position angulaire du convertisseur rotatif de manière à faire concorder la phase du premier système électrique avec la phase du second système électrique, En d'autres termes, le dispositif de commande 104 maintient un asservissement ou synchronisation de phase entre le premier système électrique et le second système électrique. De façon idéale, quand les systèmes sont en concordance, la différence de phase entre les systèmes est de 00. I1 incombe au dispositif de commande 104 d'assurer un déphasage électrique en fonction du temps qui compense toute différence entre les deux systèmes. Quand il existe une concordance au temps tO il existe l'égalité suivante:
Fl(t0)*t0 + phase 1 = F2(tO)*tO + phase 2 où Fl Fl(t) et F2 F2(t) représentent les fréquences des premier et second systèmes électriques respectifs en fonction du temps.
Pour tous les instants subséquents t supérieurs à tO, le dispositif de commande 104 doit effectuer une commande en fonction d'une phase m(t) de telle sorte que
Fl(t)*t + phase 1 + phase m(t) = F2 < t) *t + phase 2 ou
phase m(t) = F2(t)*t + phase 2 - Fl(t)*t - phase 1
Dans les expressions ci-dessus, la phase représente une phase électrique. Dans le cas où il existe plus de deux pôles, la relation entre les degrés mécaniques de l'ensemble 110 de rotor et les degrés électriques est
degrés mécaniques = 2/nombre de pôles * degrés électriques
On obtient le déphasage en déplaçant l'ensemble 110 de rotor par rapport au stator 120. La position angulaire de l'ensemble 110 de rotor peut être maintenue à volonté en avance ou en retard. On obtient le déphasage en changeant la position angulaire du rotor et en modifiant ainsi les inductances mutuelles parmi les phases du système d' interconnexion 100.
Fl(t)*t + phase 1 + phase m(t) = F2 < t) *t + phase 2 ou
phase m(t) = F2(t)*t + phase 2 - Fl(t)*t - phase 1
Dans les expressions ci-dessus, la phase représente une phase électrique. Dans le cas où il existe plus de deux pôles, la relation entre les degrés mécaniques de l'ensemble 110 de rotor et les degrés électriques est
degrés mécaniques = 2/nombre de pôles * degrés électriques
On obtient le déphasage en déplaçant l'ensemble 110 de rotor par rapport au stator 120. La position angulaire de l'ensemble 110 de rotor peut être maintenue à volonté en avance ou en retard. On obtient le déphasage en changeant la position angulaire du rotor et en modifiant ainsi les inductances mutuelles parmi les phases du système d' interconnexion 100.
Le nombre de pôles (NP) du convertisseur rotatif 102 dépend, de façon typique, des paramètres du système, tels que le nombre d'entrefers possible. Toutefois, le nombre de pôles (NP) du système influence le nombre de degrés mécaniques (NMD) du déplacement angulaire du rotor qui est nécessaire pour transférer l'énergie pour une différence de fréquence électrique donnée (EFD), comme indiqué par l'expression NMD = 2 * EFD/NP. Un nombre élevé de pôles (NP élevé) peut ainsi réduire considérablement le nombre de degrés mécaniques (NMD) de déplacement angulaire nécessaire pour obtenir le déphasage électrique. Par exemple, un déphasage électrique de -30 à +30 degrés ne représente que -2 à +2 degrés de déplacement mécanique sur un moteur à rotor bobiné comportant 30 pôles. En réduisant l'angle mécanique de déplacement, on peut réduire considérablement les forces nécessaires ou, inversement, augmenter considérablement le temps de réponse pour obtenir le déphasage désiré.
La figure 3A et la figure 3B montrent un système 100 d'interconnexion d'énergie électrique comportant une section spécifique 118' d'entraînement de rotor. La section 118' d'entraînement de rotor utilise une vis sans fin 160 engrènant avec un pignon radial 162 de rotor comme moyen de liaison mécanique et utilise, en outre, un dispositif d'entraînement asservi 164 à vis sans fin (par exemple un moteur pas-à-pas) comme actionneur. De plus, la figure 3A et la figure 3B montrent une structure de montage spécifique d'ensemble 110 de rotor, particulièrement un palier de butée et un palier radial 170 et un palier radial supérieur 172 qui facilitent à la fois la mise en place et la rotation de l'ensemble 110 de rotor. Un avantage de la section 118' d'entraînement de rotor réside dans le fait que l'entraînement par vis sans fin a tendance à un autoblocage,
Si son dispositif d'entraînement asservi associé 164 ne parvient pas à tourner, l'ensemble 110 de rotor se trouve bloqué en position jusqu'à ce que l'erreur de phase électrique atteigne 360 degrés. A ce moment, un agencement de relais de protection isole de la ligne le système d'interconnexion 110.
Si son dispositif d'entraînement asservi associé 164 ne parvient pas à tourner, l'ensemble 110 de rotor se trouve bloqué en position jusqu'à ce que l'erreur de phase électrique atteigne 360 degrés. A ce moment, un agencement de relais de protection isole de la ligne le système d'interconnexion 110.
Comme on l'a mentionné ci-dessus, dans d'autres modes de réalisation on utilise d'autres types de mécanismes pour la section 118 d'entraînement de rotor. Tandis que la section 118' d'entraînement de rotor de la figure 3A et de la figure 3B assure une liaison solide de l'ensemble 110 de rotor à la vis sans fin 160, il n'est pas indispensable que cette liaison solide soit adoptée pour d'autres modes de réalisation. Par exemple, dans un des modes de réalisation, on insère un système ressort de torsion/amortisseur entre la vis sans fin 160 et l'ensemble 110 de rotor pour régler les forces dynamiques mécaniques. Dans un tel système, la section 118' d'entraînement de rotor du type à vis sans fin décale la phase (par exemple de 20 degrés électriques) puis la combinaison de l'énergie électrique et de l'énergie mécanique est accordée pour concorder avec les constantes de temps de la charge qui est appliquée. Le résultat est une puissance d'entrée uniforme sur le côté secteur ou compagnie de distribution d'électricité d'utilisation et une stabilisation de la charge du système.
Dans les exemples décrits ci-dessus, la caractéristique électrique qui diffèrait pour les deux systèmes électriques était la fréquence. On comprendra qu'avec certaines modifications, on peut adapter le système d'interconnexion 100 de manière qu'il serve de transformateur de déphasage pour décaler uniquement l'angle de phase. Dans ce mode de réalisation adapté, les bagues 114 de collecteur sont remplacées par un fil de Litz suspendu, et l'ensemble 102 de rotor ne se déplace pas de + 90 degrés. On insère facultativement des vérins pneumatiques ou hydrauliques à la place du système de ressort de torsion/amortisseur décrit ci-dessus. Les vérins appliquent des saccades à l'ensemble de rotor dans une plage voulue allant de +X à -X degrés (par exemple X étant inférieur ou égal à 90 degrés) plutôt que de faire tourner l'ensemble 110 de rotor. Un tel mode de réalisation est particulièrement efficace pour un transformateur de déphasage ordinaire qui peut rapidement modififer le déphasage (par exemple en un laps de temps de 100 millisecondes ou moins). Les forces utilisées pour appliquer les saccades sont maintenues à un niveau praticable grâce au grand nombre de pôles dans la machine et grâce à des paliers hydrodynamiques. Plus le nombre de pôles est grand1 plus le déplacement angulaire nécessaire pour atteindre le décalage électrique est faible. Plus le déplacement est faible, plus l'accélération angulaire est faible et, de ce fait, plus la force nécessaire pour effectuer un certain changement de position en un temps donné exigé est faible. I1 existe des limitations à la réduction des degrés mécaniques à l'aide de la technique d'augmentation du nombre de pôles, particulièrement les limitations de capacité d'enroulement et la résolution angulaire requise de la vis sans fin 160.
La figure 4 montre l'incorporation, dans une sous-station 200, du système 100 d'interconnexion d'énergie électrique selon la présente invention. Cette sous-station interconnecte électriquement un premier système électrique 222 et un second système électrique 224. On comprendra que le premier système électrique 222 et le second système électrique 224 présentent une ou des caractéristiques électriques différentes, en particulier une fréquence électrique. Par exemple, le premier système électrique 222 peut être un réseau d'utilisation ou compagnie de distribution d'électricité Ouest (référencé "Ouest") tandis que le second système électrique 224 peut être un réseau d'utilisation ou compagnie de distribution délectricité Est (référencé "Est"). Dans l'illustration de la figure 4, les deux systèmes/réseaux d'utilisation Est et Ouest fonctionnent sous une tension de 230 kV.
L'énergie fournie par le système Ouest 222 pénètre dans la sous-station 200 de la figure 4 par l'intermédiaire d'un condensateur 230 de puissance (de 20 Mvar) monté en série, et sa tension est abaissée de 230 kV à 15 kV par l'intermédiaire d'un transformateur 232 abaisseur de tension du type génératrice de 100 MVA, L'énergie dont la tension est abaissée et qui arrive du transformateur 232 est appliquée, par l'intermédiaire de la ligne d'entrée 234, au convertisseur rotatif 102 du système d'interconnexion 100.
Comme représenté sur la figure 2, la ligne d'entrée 234 est en réalité consti surveille les fréquences à la fois du système Est 224 et du système Ouest 222 à mesure que ces fréquences "vagabondent", c'est-à-dire varient à l'intérieur de leurs plages de fréquences différentes et respectives. A mesure qu'il surveille les fréquences différentes, le dispositif de commande 104 génère un signal d'entraînement pour ajuster la position angulaire de l'ensemble 110 de rotor de manière que la puissance électrique puisse être transmise du système 222 au système 224.
En ce qui concerne le point ci-dessus, si le système
Ouest 222 opérait à une fréquence de 59,9 Hz et le système
Est 224 opérait à une fréquence de 60,1 Hz, le système d'interconnexion 100 nécessiterait une variation de 0,2 Hz pour transférer l'énergie du système Ouest 222 au système
Est 224. Pour un dispositif à 2 pôles, la vitesse de rotation requise pour un convertisseur rotatif 102 serait égale à 120*(0,2)/1 = 12 tours par minute. Compte tenu du fait que ces fréquences fluctuent ou varient aussi, le convertisseur rotatif 102 devrait aussi être capable d'une vitesse égale à ' 0,50 Hz, c'est-à-dire une plage de vitesses allant de +30 à -30 tours par minute pour un système équivalent à 2 pôles.
Ouest 222 opérait à une fréquence de 59,9 Hz et le système
Est 224 opérait à une fréquence de 60,1 Hz, le système d'interconnexion 100 nécessiterait une variation de 0,2 Hz pour transférer l'énergie du système Ouest 222 au système
Est 224. Pour un dispositif à 2 pôles, la vitesse de rotation requise pour un convertisseur rotatif 102 serait égale à 120*(0,2)/1 = 12 tours par minute. Compte tenu du fait que ces fréquences fluctuent ou varient aussi, le convertisseur rotatif 102 devrait aussi être capable d'une vitesse égale à ' 0,50 Hz, c'est-à-dire une plage de vitesses allant de +30 à -30 tours par minute pour un système équivalent à 2 pôles.
Dans la représentation de la figure 4, le dispositif de commande 104 est un convertisseur de commande de couple de 1 Mw et, dans un des modes de réalisation, comprend un convertisseur rotatif comme un des exemples d'un système d'entraînement de précision.
Alors que le système 20 d'interconnexion de liaisons à courant continu de la figure 1 impose des coûts d'environ 200 dollars/kw, le système d'interconnexion 100 de le présente invention ne coûte qu'environ 100 dollars/kw.
La figure 5 montre la relation linéaire entre la puissance de commande et la fréquence de glissement (fl-f2) entre les premier et second systèmes électriques. Pour une puissance constante fournie à la machine et des facteurs de puissance de charge constants, le couple électromagnétique développé est constant. A mesure que le glissement entre les systèmes augmente, le nombre de tours par minute nécessaires pour atteindre une concordance augmente et le produit du couple par la vitesse est la puissance requise par le système d'entraînement.
La figure 6 montre les courbes de possibilités pratiques du système d'entraînement de la présente invention. Les limitations indiquées sur l'axe vertical sont désignées "fréquence de glissement" qui représente la puissance maximale du système d'entraînement reversible. La relation entre le glissement et la puissance a été représentée sur la figure 5. La "Puissance traversante" est une caractéristique thermique de la machine si le couple maximum est fourni par un système d'entraînement électromécanique (par exemple une caractéristique de poussée maximale pour un palier de vis sans fin). La "Puissance traversante" est essentiellement limitée par le matériau, que ce soit la classe de l'isolation pour un enroulement ou bien une contrainte permise par le matériau.
De façon avantageuse, le système d'interconnexion 100 de la présente invention effectue un déphasage continu par commande de l'angle du rotor (c'est-à-dire la position angulaire de l'ensemble 110 de rotor), Le système d'interconnexion 100 permet un ajustement continu de la phase électrique grâce à sa rotation possible de 360 degrés, ce qui fait du système un convertisseur synchrone à très faible fréquence. En outre, le système d'interconnexion 100 peut être décalé, de façon répétée, sur des décalages importants pour effectuer des déphasages électriques très grands en présence d'une condition de puissance variant rapidement dans laquelle se trouve un grand système,
Alors que les convertisseurs synchrones typiques tournent à une vitesse angulaire unidirectionnelle constante de plusieurs centaines ou de plusieurs milliers de tours par minute, le convertisseur rotatif 102 du système d'interconnexion 100 tourne en sens horaire ou en sens antihoraire à moins de 50 tours par minute. I1 est possible d'atteindre une commande dans des limites de 0,01 degré électrique sur une base continue en 100 ms ou six cycles à 60 Hz.
Alors que les convertisseurs synchrones typiques tournent à une vitesse angulaire unidirectionnelle constante de plusieurs centaines ou de plusieurs milliers de tours par minute, le convertisseur rotatif 102 du système d'interconnexion 100 tourne en sens horaire ou en sens antihoraire à moins de 50 tours par minute. I1 est possible d'atteindre une commande dans des limites de 0,01 degré électrique sur une base continue en 100 ms ou six cycles à 60 Hz.
Le systéme d'interconnexion 100 fournit une commande de déphasage précise et fiable avec la possibilité de suivre le glissement de fréquence et de commander la phase dans les quatre quadrants de la commande. Ainsi, le système d'interconnexion 100 non seulement transfère la puissance mais peut aussi modifier la puissance transmise par exécution d'un déphasage à volonté en cours de fonctionnement.
Bien que l'on ait décrit ci-dessus le système d'interconnexion 100 du point de vue de sa fonction d'interconnexion, le système d'interconnexion 100 peut aussi servir de système de stockage d'énergie. Le système d'interconnexion 100 peut être utilisé pour stocker de l'énergie soit par induction soit par inertie d'énergie rotatoire, afin d'établir une moyenne des charges pulsées importantes, similaires à celles présentes dans les fours de fusion à arc pour le traitement de l'acier.
I1 est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention. Par exemple, alors que dans la description qui précède un système électrique d'alimentation a été décrit comme étant connecté à des bagues 114 de collecteur et qu'un système électrique récepteur a été décrit comme étant connecté à un stator 112, on comprendra que ces connexions pourraient être inversées.
Claims (8)
1. Système d'interconnexion électrique (100) caractérisé en ce qu'il comprend:
un convertisseur rotatif (102) destiné à être couplé à un premier système électrique et à un second système électrique, le premier système électrique et le second système électriquè présentant une caractéristique électrique différente; et
un dispositif de commande (104) qui fait fonctionner de façon bidirectionnelle le convertisseur rotatif à une vitesse variable pour transférer l'énergie du premier système électrique au second système électrique.
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier système électrique et le second système électrique fonctionnent à des fréquences électriques différentes.
3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un circuit de rétroaction (130 - 133) qui détecte la fréquence électrique du premier système électrique et la fréquence électrique du second système électrique, le dispositif de commande ajustant la position angulaire du convertisseur rotatif pour faire concorder la phase du premier système électrique avec la phase du second système électrique.
4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier système électrique et le second système électrique sont, respectivement, une première compagnie de distribution d'électricité et une seconde compagnie de distribution d'électricité.
5. Sous-station pour interconnecter électriquement un premier système électrique et un second système électrique, le premier système électrique et le second système électrique ayant une caractéristique électrique différente, cette sous-station étant caractérisée en ce qu'elle comprend:
un transformateur (232) abaisseur de tension couplé au premier système électrique;
un transformateur (238) élévateur de tension couplé au second système électrique;
un convertisseur rotatif (102) couplé au transformateur abaisseur de tension et au transformateur élévateur de tension; et
un dispositif de commande (104) qui fait fonctionner, de façon bidirectionnelle, le convertisseur rotatif à une vitesse variable pour transférer la puissance du premier système électrique au second système électrique.
6. Sous-station selon la revendication 5, caractérisé en ce que le convertisseur rotatif (102) comprend:
un rotor (110) connecté à un premier des transformateurs abaisseur de tension et élévateur de tension;
un stator (112) connecté à un second des transformateurs abaisseur de tension et élévateur de tension;
un actionneur (118') destiné à faire tourner le rotor;
un circuit de rétroaction (130 - 133) qui détecte l'amplitude de la caractéristique électrique différente;
le dispositif de commande réagissant à l'amplitude détectée par le circuit de rétroaction en commandant l'actionneur, ce qui fait que le rotor est entraîné en rotation, de façon bidirectionnelle, à une vitesse variable.
7. Système d'interconnexion électrique comprenant:
un convertisseur rotatif (102) destiné à être couplé à un premier système électrique et à un second système électrique, le premier système électrique et le second système électrique ayant une caractéristique électrique différente;
un sous-système de positionnement angulaire à boucle fermée qui fait fonctionner, de façon bidirectionnelle, le convertisseur rotatif pour transférer la puissance du premier système électrique au second système électrique.
8. Procédé pour interconnecter deux systèmes électriques, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant:
à coupler un convertisseur rotatif (104) à un premier système électrique et à un second système électrique, le premier système électrique et le second système électrique ayant une caractéristique électrique différente; et
à faire fonctionner le convertisseur rotatif de façon bidirectionnelle et à une vitesse variable pour transférer la puissance du premier système électrique au second système électrique.
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|---|---|---|---|
| FR9613163A FR2755319A1 (fr) | 1996-10-29 | 1996-10-29 | Systeme et sous-station ainsi que procede d'interconnexion pour des systemes electriques presentant une caracteristique electrique differente |
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| FR (1) | FR2755319A1 (fr) |
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| US10094288B2 (en) | 2012-07-24 | 2018-10-09 | Icr Turbine Engine Corporation | Ceramic-to-metal turbine volute attachment for a gas turbine engine |
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1996
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