CA2626066C - Systeme electromecanique d'entrainement, notamment pour pompe a cavite progressive pour puits de petrole - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un système électromécanique (1) à relier à un réseau électrique (7), comportant : une machine électrique (2) pouvant fonctionner en générateur autonome, comportant un arbre rotatif, et un système de commutation (9) permettant i) dans une première configuration, que la machine électrique fonctionne en moteur dans le cas où le dispositif accouplé (4) est normalement entraîné ou en générateur dans le cas où le dispositif accouplé est normalement entraînant, et ii) dans une deuxième configuration, que la machine électrique fonctionne en générateur autonome, l'énergie électrique générée par la machine électrique (2 ; 22) étant dissipée dans la machine et dans une charge dissipative (13).
Description
2 PCT/FR2006/051022 Système électromécanique d'entraînement, notamment pour pompe à cavité progressive pour puits de pétrole La présente invention concerne les systèmes électriques à accoupler à des dispositifs entraînés ou entraînants.
L'invention a trait plus particulièrement mais non exclusivement aux systèmes d'entraînement de dispositifs entraînés qui sont susceptibles d'emmagasiner au cours de leur fonctionnement une énergie potentielle relativement importante.
En cas de défaillance de l'alimentation électrique du système, cette énergie potentielle est susceptible d'entraîner brutalement le système en sens inverse, on parle alors de dévirage, et peut provoquer un emballement avec une vitesse de dévirage atteignant des valeurs pouvant être dangereuses pour les personnes et le matériel.
Ce problème se rencontre par exemple pour les pompes à cavité progressive utilisées dans les puits de pétrole.
De telles pompes emmagasinent en fonctionnement une énergie potentielle sous deux formes, à savoir d'une part une énergie de torsion dans la tige d'entraînement de la pompe qui se vrille sur elle-même et d'autre part une énergie hydrostatique correspondant à la colonne de fluide dans le puits.
Ces pompes sont traditionnellement entraînées par des moteurs électriques asynchrones et des systèmes de poulies procurant un rapport de réduction de 2 à 5 environ.
Un dispositif de freinage est prévu afin d'éviter qu'en cas d'arrêt du moteur, l'énergie potentielle accumulée entraîne brutalement le système en sens inverse.
Ce dispositif comporte par exemple un frein mécanique à disque ou centrifuge ou un dispositif de freinage hydraulique.
Les publications WO 99/2477, WO 00/25000, US 2005/0045323, US 6 079 489, US 6 113 355 et US 5 749 416 divulguent des exemples de dispositifs de freinage, relativement complexes.
La publication patent abstract of Japan JP 61 269 686 décrit un système comportant un moteur asynchrone d'entraînement d'une pompe à eau. Le moteur comprend un rotor bobiné.
Lors d'une opération de freinage, les enroulements du stator débitent dans un circuit dissipatif tandis que les enroulements du rotor sont alimentés par le réseau.
Un tel système ne peut pas fonctionner en cas de coupure du réseau, le moteur ne fonctionnant pas en générateur autonome.
L'invention vise, entre autres, à proposer un système électromécanique à
accoupler à un dispositif entraînant et/ou entraîné, permettant d'éviter un emballement du système en cas de changement des conditions de fonctionnement, notamment d'alimentation.
Le système électromécanique est par exemple configuré pour être accouplé à
un dispositif entraîné et comporte un moteur.
Le dispositif entraîné est par exemple une tige de pompe à cavité progressive.
Le système électromécanique peut encore être configuré pour être accouplé à
un dispositif entraînant et comporter un générateur. Le dispositif entraînant est alors, par exemple, une éolienne.
L'invention a pour objet, selon l'un de ses aspects, un système électromécanique à relier à un réseau électrique, comportant :
- une machine électrique comportant un arbre rotatif, et - un système de commutation permettant :
dans une première configuration, que la machine électrique fonctionne en moteur dans le cas où le dispositif accouplé est normalement entraîné ou en générateur dans le cas où le dispositif accouplé est normalement entraînant, et dans une deuxième configuration, que la machine électrique fonctionne en générateur autonome, l'énergie électrique générée par la machine électrique étant dissipée, dans la machine et dans une charge dissipative, dans lequel le système de commutation est agencé pour court-circuiter la machine électrique dans la deuxième configuration, l'essentiel de l'énergie débitée par la machine étant dissipé dans celle-ci.
La charge dissipative qui est connectée à la machine peut assurer une plus ou moins grande partie de la dissipation de l'énergie lorsque la machine fonctionne en générateur autonome. Une part non négligeable de la dissipation de l'énergie peut avoir lieu dans la machine elle-même, notamment dans les enroulements du stator, en particulier dans le cas où la charge dissipative ne présente pas d'impédance importante et que son impédance est sensiblement inférieure à l'impédance interne de la machine.
2a En conséquence, l'expression charge dissipative ne doit pas être comprise avec un sens limitatif et la puissance dissipée dans cette charge peut être très inférieure à
celle qui est dissipée dans la machine. Lorsque la machine est court-circuitée, l'essentiel de l'énergie débitée par la machine est dissipée dans celle-ci. La charge dissipative est
L'invention a trait plus particulièrement mais non exclusivement aux systèmes d'entraînement de dispositifs entraînés qui sont susceptibles d'emmagasiner au cours de leur fonctionnement une énergie potentielle relativement importante.
En cas de défaillance de l'alimentation électrique du système, cette énergie potentielle est susceptible d'entraîner brutalement le système en sens inverse, on parle alors de dévirage, et peut provoquer un emballement avec une vitesse de dévirage atteignant des valeurs pouvant être dangereuses pour les personnes et le matériel.
Ce problème se rencontre par exemple pour les pompes à cavité progressive utilisées dans les puits de pétrole.
De telles pompes emmagasinent en fonctionnement une énergie potentielle sous deux formes, à savoir d'une part une énergie de torsion dans la tige d'entraînement de la pompe qui se vrille sur elle-même et d'autre part une énergie hydrostatique correspondant à la colonne de fluide dans le puits.
Ces pompes sont traditionnellement entraînées par des moteurs électriques asynchrones et des systèmes de poulies procurant un rapport de réduction de 2 à 5 environ.
Un dispositif de freinage est prévu afin d'éviter qu'en cas d'arrêt du moteur, l'énergie potentielle accumulée entraîne brutalement le système en sens inverse.
Ce dispositif comporte par exemple un frein mécanique à disque ou centrifuge ou un dispositif de freinage hydraulique.
Les publications WO 99/2477, WO 00/25000, US 2005/0045323, US 6 079 489, US 6 113 355 et US 5 749 416 divulguent des exemples de dispositifs de freinage, relativement complexes.
La publication patent abstract of Japan JP 61 269 686 décrit un système comportant un moteur asynchrone d'entraînement d'une pompe à eau. Le moteur comprend un rotor bobiné.
Lors d'une opération de freinage, les enroulements du stator débitent dans un circuit dissipatif tandis que les enroulements du rotor sont alimentés par le réseau.
Un tel système ne peut pas fonctionner en cas de coupure du réseau, le moteur ne fonctionnant pas en générateur autonome.
L'invention vise, entre autres, à proposer un système électromécanique à
accoupler à un dispositif entraînant et/ou entraîné, permettant d'éviter un emballement du système en cas de changement des conditions de fonctionnement, notamment d'alimentation.
Le système électromécanique est par exemple configuré pour être accouplé à
un dispositif entraîné et comporte un moteur.
Le dispositif entraîné est par exemple une tige de pompe à cavité progressive.
Le système électromécanique peut encore être configuré pour être accouplé à
un dispositif entraînant et comporter un générateur. Le dispositif entraînant est alors, par exemple, une éolienne.
L'invention a pour objet, selon l'un de ses aspects, un système électromécanique à relier à un réseau électrique, comportant :
- une machine électrique comportant un arbre rotatif, et - un système de commutation permettant :
dans une première configuration, que la machine électrique fonctionne en moteur dans le cas où le dispositif accouplé est normalement entraîné ou en générateur dans le cas où le dispositif accouplé est normalement entraînant, et dans une deuxième configuration, que la machine électrique fonctionne en générateur autonome, l'énergie électrique générée par la machine électrique étant dissipée, dans la machine et dans une charge dissipative, dans lequel le système de commutation est agencé pour court-circuiter la machine électrique dans la deuxième configuration, l'essentiel de l'énergie débitée par la machine étant dissipé dans celle-ci.
La charge dissipative qui est connectée à la machine peut assurer une plus ou moins grande partie de la dissipation de l'énergie lorsque la machine fonctionne en générateur autonome. Une part non négligeable de la dissipation de l'énergie peut avoir lieu dans la machine elle-même, notamment dans les enroulements du stator, en particulier dans le cas où la charge dissipative ne présente pas d'impédance importante et que son impédance est sensiblement inférieure à l'impédance interne de la machine.
2a En conséquence, l'expression charge dissipative ne doit pas être comprise avec un sens limitatif et la puissance dissipée dans cette charge peut être très inférieure à
celle qui est dissipée dans la machine. Lorsque la machine est court-circuitée, l'essentiel de l'énergie débitée par la machine est dissipée dans celle-ci. La charge dissipative est
3 alors réduite aux conducteurs, contacts et/ou composants qui assurent ce court-circuit.
Dans le cas où leur impédance interne est très faible, la puissance dissipée dans ce court-circuit sera négligeable par rapport à celle dissipée dans la machine.
L'invention permet de créer un couple de freinage avec la machine électrique.
L'expression générateur autonome désigne un générateur pouvant fonctionner sans apport extérieur d'énergie électrique par le réseau.
Lorsque la machine électrique fonctionne en générateur autonome, le champ magnétique généré par le rotor pour exciter les enroulements du stator peut être dû à la présence d'aimants permanents et/ou d'enroulements alimentés par une excitatrice intégrée à la machine ou alimentés par le courant produit par la machine. La machine peut être une machine asynchrone dont l'excitation est fournie par un ou plusieurs condensateurs connectés aux bornes du stator.
La machine électrique peut comporter, dans des exemples de réalisation, un rotor à excitation permanente, notamment un rotor à aimants permanents.
L'utilisation d'une machine à aimants permanents permet notamment d'accroître la fiabilité.
Le système électromécanique peut ne comporter aucune batterie destinée à
constituer une source auxiliaire d'énergie pour alimenter des enroulements de la machine électrique lorsque celle-ci fonctionne en générateur autonome ni aucun groupe électrogène jouant le même rôle.
Lorsque la machine électrique comporte un rotor à aimants permanents, le rotor est avantageusement à concentration de flux, comportant des aimants permanents engagés entre des pièces polaires. La machine peut notamment comporter des aimants permanents qui sont orientés radialement, l'axe polaire de chaque aimant étant orienté
dans la direction circonférentielle.
En fonction notamment de l'impédance de la charge dissipative, l'allure de la courbe du couple de freinage en fonction de la vitesse peut être modifiée et notamment le couple de freinage peut croître jusqu'à atteindre un maximum pour une certaine vitesse de rotation puis décroître. Une faible impédance de charge dissipative peut permettre d'atteindre relativement rapidement le couple de freinage maximal. La vitesse pour laquelle le couple est maximal est avantageusement par exemple inférieure ou égale à
50 tr/mn, mieux 40 tr/mn, encore mieux 35 tr/mn.
Dans le cas où leur impédance interne est très faible, la puissance dissipée dans ce court-circuit sera négligeable par rapport à celle dissipée dans la machine.
L'invention permet de créer un couple de freinage avec la machine électrique.
L'expression générateur autonome désigne un générateur pouvant fonctionner sans apport extérieur d'énergie électrique par le réseau.
Lorsque la machine électrique fonctionne en générateur autonome, le champ magnétique généré par le rotor pour exciter les enroulements du stator peut être dû à la présence d'aimants permanents et/ou d'enroulements alimentés par une excitatrice intégrée à la machine ou alimentés par le courant produit par la machine. La machine peut être une machine asynchrone dont l'excitation est fournie par un ou plusieurs condensateurs connectés aux bornes du stator.
La machine électrique peut comporter, dans des exemples de réalisation, un rotor à excitation permanente, notamment un rotor à aimants permanents.
L'utilisation d'une machine à aimants permanents permet notamment d'accroître la fiabilité.
Le système électromécanique peut ne comporter aucune batterie destinée à
constituer une source auxiliaire d'énergie pour alimenter des enroulements de la machine électrique lorsque celle-ci fonctionne en générateur autonome ni aucun groupe électrogène jouant le même rôle.
Lorsque la machine électrique comporte un rotor à aimants permanents, le rotor est avantageusement à concentration de flux, comportant des aimants permanents engagés entre des pièces polaires. La machine peut notamment comporter des aimants permanents qui sont orientés radialement, l'axe polaire de chaque aimant étant orienté
dans la direction circonférentielle.
En fonction notamment de l'impédance de la charge dissipative, l'allure de la courbe du couple de freinage en fonction de la vitesse peut être modifiée et notamment le couple de freinage peut croître jusqu'à atteindre un maximum pour une certaine vitesse de rotation puis décroître. Une faible impédance de charge dissipative peut permettre d'atteindre relativement rapidement le couple de freinage maximal. La vitesse pour laquelle le couple est maximal est avantageusement par exemple inférieure ou égale à
50 tr/mn, mieux 40 tr/mn, encore mieux 35 tr/mn.
4 Cela peut permettre un freinage important du dispositif accouplé dès la disparition du réseau, et de maintenir ce dispositif accouplé à une vitesse de rotation relativement lente.
Même si le couple de freinage est voisin du couple nominal, l'énergie dissipée reste relativement faible car la vitesse demeure relativement lente. Cela permet de maintenir le système dans cet état sans suréchauffement excessive de la machine.
Dans le cas où le dispositif accouplé est une pompe, notamment une pompe à
puits de pétrole, par exemple du type à cavité progressive, cela peut permettre que la colonne de fluide dans le puits ne se vide que très lentement.
Dès la réapparition du réseau, le système peut être redémarré sans être pénalisé
en production par les temps morts dus au vidage du puits et à son remplissage.
Dans des exemples de mise en oeuvre de l'invention, le système peut comporter ou non un réducteur ou un multiplicateur entre l'arbre et un dispositif à
accoupler au système électromécanique.
La présence d'un réducteur permet de bénéficier d'un freinage inertiel également.
L'invention peut permettre de diminuer d'une manière relativement simple, fiable et économique le risque d'emballement, en cas par exemple de coupure du réseau auquel est relié le système.
Lorsque la machine électrique est un moteur, le système de commutation peut permettre d'alimenter le moteur dans la première configuration pour entraîner le dispositif accouplé.
Le réducteur peut être un réducteur à engrenages, ce qui améliore la fiabilité.
Le rapport de réduction peut être supérieur à 6, notamment aller de 7 à 15, ce qui permet d'utiliser un moteur à vitesse de rotation relativement élevée, par exemple comprise entre 2 000 et 9 000 tr/min en régime de fonctionnement normal.
Le système peut comporter la charge dissipative. Cette dernière peut comporter au moins une résistance électrolytique ou métallique, par exemple au moins une résistance métallique immergée dans un bain d'un liquide.
La charge dissipative peut, le cas échéant, être réduite à des conducteurs en court-circuit et présenter une impédance relativement faible, sensiblement inférieure à
l'impédance interne des enroulements de la machine ainsi court-circuitée. Cela peut avoir comme avantage de faire en sorte que la machine débite essentiellement, lorsqu'entraînée par le dispositif accouplé, sur sa propre impédance interne.
Cela peut permettre d'obtenir un couple de freinage relativement important pour des vitesses de rotation relativement basses, ce qui peut avoir un intérêt pour réaliser un freinage important du dispositif accouplé dès la disparition du réseau, comme mentionné précédemment.
La charge dissipative peut être reliée aux bornes de la machine simplement par l'intermédiaire d'un ou plusieurs interrupteurs, lesquels peuvent être formés par des relais électromécaniques ou par des composants électroniques tels que par exemple des thyristors ou transistors de puissance.
Dans des exemples de mise en oeuvre de l'invention, la charge dissipative est connectée à la machine sans que le courant débité par la machine lorsque celle-ci fonctionne en générateur autonome ne circule dans un dispositif électronique relativement complexe tel qu'un onduleur ou un variateur. La charge dissipative peut encore, dans des exemples de réalisation, être connectée à la machine sans que cette connexion ne fasse intervenir de composants d'électronique de puissance.
Lorsque la charge dissipative comporte une résistance électrolytique, comportant au moins deux électrodes immergées dans un électrolyte, le niveau de ce dernier peut être modifié afin de faire varier l'impédance.
Le système de commutation peut être agencé pour passer automatiquement de la première configuration précitée à la deuxième configuration en cas de coupure volontaire ou non ou de défaillance de l'alimentation de la machine électrique ou du réseau électrique alimenté par celle-ci et/ou d'arrêt de la machine.
Le système de commutation peut comprendre au moins un relais comportant une bobine, laquelle est par exemple alimentée directement ou indirectement par le réseau électrique.
Le système de commutation peut être agencé pour rester dans la deuxième configuration tant qu'une commande prédéfinie n'est pas reçue.
L'envoi de cette commande prédéfinie dépend par exemple d'une tension observée sur la machine, d'une temporisation ou d'une vitesse de rotation de la machine.
Le système électrique peut comporter un variateur de fréquence auquel le moteur est relié. La commande prédéfinie peut être envoyée par le variateur de fréquence, par exemple. Lorsque la machine fonctionne en générateur autonome, le variateur de fréquence peut ne pas être alimenté et ne pas recevoir de courant de la part de la machine.
Dans la deuxième configuration, le variateur de fréquence est par exemple déconnecté de la machine électrique.
Dans un autre exemple de réalisation, le système peut comporter un dispositif de contrôle de la vitesse de dévirage de la machine, agencé pour connecter et déconnecter la charge dissipative de façon à ce que cette vitesse de dévirage reste entre deux seuils pouvant être prédéterminés.
Le dispositif de contrôle peut alors être agencé pour déconnecter la charge lorsque le seuil de vitesse minimum est atteint et pour la reconnecter lorsque le seuil de vitesse maximum est atteint.
Le système de contrôle de la vitesse de dévirage peut également être agencé
pour agir sur le courant circulant vers la charge dissipative de telle sorte que la vitesse de dévirage reste entre les deux seuils prédéfinis et/ou soit sensiblement constante.
Le système électromécanique peut ainsi rester dans une plage de vitesse prédéfinie tant que le couple de freinage est supérieur au couple entraînant et que le couple entraînant reste suffisant pour accélérer le système.
L'invention a encore pour objet un système d'entraînement de surface d'une pompe à cavité progressive pour puits de pétrole, comportant :
- un moteur comportant un arbre de sortie, le moteur étant à aimants permanents, - un réducteur, de préférence à engrenages, entre l'arbre de sortie et une tige d'entraînement de la pompe, - une charge dissipative, - un système de commutation agencé pour permettre, dans une première configuration, au moteur d'être alimenté par un réseau électrique d'alimentation afin d'entraîner la tige d'entraînement de la pompe dans un premier sens, et dans une seconde configuration où l'arbre de sortie est entraîné en rotation 6a dans un deuxième sens opposé au premier, de transférer de l'énergie électrique générée par le moteur ainsi entraîné vers la charge dissipative, le système de commutation étant agencé pour passer automatiquement dans la seconde configuration en cas de coupure du réseau électrique notamment. ______ Le moteur électrique peut être relié à un variateur de fréquence.
Le rapport de réduction peut être supérieur à 6, notamment va de 7 à 15.
Le moteur peut être à aimants permanents.
L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un système d'entraînement de surface d'une pompe à cavité progressive pour puits de pétrole, comportant :
- un moteur comportant un stator ayant des enroulements et un rotor à
aimants permanents, notamment un rotor à concentration de flux, - un système de commutation agencé pour permettre, dans une première configuration, au moteur d'être alimenté, et dans une deuxième configuration, pour court-circuiter les enroulements du stator en cas d'interruption accidentelle de l'alimentation du moteur, par exemple en cas de coupure du réseau.
L'invention a également pour objet un système électromécanique (1) à relier à
un réseau électrique (7 ; 27), comportant :
- une machine électrique (2 ; 22) pouvant fonctionner en générateur autonome, comportant un arbre rotatif, et - un système de commutation (9) permettant i) dans une première configuration, que la machine électrique fonctionne en moteur dans le cas où un dispositif accouplé (4) est normalement entraîné ou en générateur dans le cas où le dispositif accouplé (24) est normalement entraînant, et ii) dans une deuxième configuration, que la machine électrique fonctionne en générateur autonome, l'énergie électrique générée par la machine électrique (2 ; 22) étant dissipée dans la machine et dans une charge dissipative (13), dans lequel la machine est auto-excitée dans la deuxième configuration.
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, et à
l'examen du dessin annexé, sur lequel :
- la figure 1 est un schéma en blocs d'un système électromécanique selon un exemple de mise en uvre de l'invention, - la figure 2 représente de manière schématique un relais du système de commutation, 7a - la figure 3 illustre la possibilité pour la charge dissipative de comporter plusieurs étages de résistances pouvant être sélectionnés, - les figures 4 et 9 sont des schémas en blocs d'autres exemples de système électromécanique, - les figures 5 et 6 sont des schémas en blocs de systèmes électromécaniques comportant un dispositif de contrôle de la vitesse de dévirage, - la figure 7 représente schématiquement, en coupe transversale, un exemple de rotor à aimants permanents, et - la figure 8 est un exemple de courbe d'évolution du couple de freinage en fonction de la vitesse.
Le système électromécanique 1 représenté à la figure 1 comporte une machine électrique 2 comprenant un moteur électrique dans l'exemple considéré. __ Ce moteur comporte par exemple un stator et un rotor à aimants permanents.
Le stator est par exemple à bobinage concentré ou distribué. Le rotor comporte par exemple des aimants en surface ou des aimants disposés entre des pièces polaires.
La figure 8 représente un exemple de rotor 100 à aimants permanents 101, disposés radialement entre des pièces polaires 102.
Un tel rotor est à concentration de flux, ce qui peut permettre de limiter le courant de court-circuit et réduire le risque d'échauffement excessif et/ou le risque de désaimantation des aimants. Le moteur est par exemple tel que décrit dans le brevet US
6 891 299. Le stator associé peut être à bobinage concentré ou distribué.
Le système électromécanique 1 comporte également, dans l'exemple considéré, un réducteur 3 à engrenages, permettant de réduire la vitesse de rotation du moteur 2 et d'entraîner un dispositif entraîné 4 qui est par exemple une tige d'entraînement d'une pompe à cavité progressive disposée au fond d'un puits de pétrole.
Le réducteur 3 présente par exemple un facteur de réduction relativement élevé, par exemple supérieur à 6, notamment compris entre 7 et 15.
Le moteur 2 est normalement alimenté par un variateur de fréquence 6, lequel est relié à un réseau électrique d'alimentation 7.
Le moteur 2 est alimenté par le variateur 6 au travers d'un système de commutation 9. Ce dernier peut prendre une première configuration dans laquelle le moteur 2 est alimenté par le variateur 6 et une deuxième configuration dans laquelle le moteur 2 est relié à une charge dissipative 13.
Le système de commutation 9 comporte par exemple au moins un interrupteur électronique et/ou électromécanique qui permet de relier sélectivement le moteur 2 au variateur 6 ou à la charge dissipative 13.
Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le système de commutation 9 comporte au moins un relais électromécanique ayant une bobine 10 et une série de contacts 11.
La série de contacts 11 permet, par exemple, lorsque la bobine 10 est alimentée, d'établir le passage de courant entre des ensembles de conducteurs 14 et 15 reliés respectivement au moteur 2 et au variateur 6.
En l'absence d'alimentation électrique de la bobine, la série de contacts 11 relie les ensembles de conducteurs 14 à des ensembles de conducteurs 17 connectés à la charge dissipative 13.
Le redémarrage de la machine peut, dans des exemples de mise en oeuvre de l'invention, être conditionné par exemple par une vitesse de rotation de la machine, par une tension observée sur la machine ou par une temporisation.
Par exemple, le redémarrage peut être empêché tant que la vitesse n'est pas nulle ou que la tension aux bornes de la machine n'est pas inférieure à une valeur de seuil.
Dans l'exemple illustré, une deuxième série de contacts 12 du relais électromécanique peut être utilisée de manière à ce que l'alimentation de la bobine 10 s'effectue à travers cette deuxième série de contacts, ce qui permet, une fois que l'alimentation de la bobine 10 a cessé, d'empêcher à nouveau celle-ci d'être excitée tant qu'une action prédéfinie n'est pas exercée sur le système de commutation 9.
Cela peut permettre d'éviter un redémarrage du moteur en cas de retour du réseau électrique 7 après une coupure, par exemple.
La commande prédéfinie provient par exemple du variateur 6 mais peut être effectuée autrement, par exemple en agissant manuellement sur un contacteur.
La charge dissipative 13 peut être formée de conducteurs électriques de faible résistance ohmique, afin de court-circuiter les bornes de la machine, l'essentiel de la puissance à dissiper étant alors dissipé dans la machine. En variante, la charge dissipative 13 peut présenter une impédance plus importante.
La charge dissipative 13 comporte par exemple au moins une résistance, laquelle est par exemple une résistance métallique ou électrolytique.
La résistance métallique est avantageusement immergée dans un bain de liquide non combustible, ce qui peut permettre de réduire le risque d'incendie lorsque le système électromécanique est utilisé dans une ambiance explosible, ce qui peut être le cas dans le voisinage d'un puits de pétrole.
La charge dissipative 13 peut comporter des résistances et/ou tout autre composant passif ou actif permettant de dissiper une énergie électrique, par exemple des condensateurs et/ou selfs.
La charge dissipative 13 peut encore comporter une résistance électrolytique comportant au moins deux électrodes immergées dans un électrolyte. Le cas échéant, le niveau de l'électrolyte peut être modifié afin de régler la résistance à la valeur souhaitée.
Le couple de freinage du moteur est fonction du courant qui parcourt la charge dissipative 13 et le choix de l'impédance de la charge dissipative peut permettre de dissiper de manière appropriée l'énergie.
On peut par exemple diminuer le couple de freinage au fur et à mesure que la tige d'entraînement de la pompe ralentit, de façon à vider plus rapidement le puits.
La charge dissipative 13 peut à cet effet comporter plusieurs étages résistifs de résistance qui peuvent être sélectivement reliés au moteur 2, par exemple par l'intermédiaire du système de commutation 9, comme illustré à la figure 3, en fonction de la vitesse de rotation de celui-ci et/ou de la tension à ses bornes, afin par exemple que la puissance dissipée soit maximale tout en restant admissible.
Dans un exemple de réalisation utilisant une résistance électrolytique, le niveau de l'électrolyte varie dans le temps lors du freinage, par exemple diminue grâce à
une fuite contrôlée.
La baisse du niveau de l'électrolyte accroît la résistance et diminue le couple de freinage. Cette baisse du niveau peut être déclenchée par exemple lors du passage dans la deuxième configuration.
Le système électromécanique de la figure 1 permet, en cas de coupure du réseau électrique 7 par exemple, au moteur 2 d'être entraîné en sens inverse de rotation par l'énergie accumulée dans le dispositif entraîné.
Cette rotation peut s'effectuer à une vitesse relativement importante, compte tenu du rapport de réduction du réducteur 3, ce qui permet d'obtenir un freinage inertiel.
L'utilisation d'engrenages dans le réducteur 3 contribue à assurer la fiabilité
de la liaison mécanique entre le dispositif entraîné 4 et le moteur 2.
L'entraînement du rotor du moteur 2 génère une énergie électrique qui est dissipée plus ou moins dans la charge dissipative 13 et dans le moteur 2, selon les impédances respectives.
L'utilisation d'un moteur à aimants permanents contribue à la fiabilité du système électromécanique, un tel moteur présentant l'avantage d'avoir une excitation intégrée permanente.
Le système de commutation 9 peut être agencé pour passer automatiquement dans la configuration où le moteur 2 est relié à la charge dissipative 13, non seulement en cas de coupure du réseau électrique 7, mais également en cas d'arrêt du moteur ou de défaillance du variateur 6, par exemple.
Le freinage procuré par le moteur 2 permet d'éviter que la tige d'entraînement de la pompe ne tourne à une vitesse excessive. Ainsi, l'énergie potentielle accumulée peut être progressivement dissipée.
Lorsque le moteur 2 est un moteur asynchrone, des condensateurs d'excitation seront connectés à ses bornes.
L'invention s'applique également à une machine électrique 22 qui est entraînée par un dispositif entraînant 24 tel que par exemple une éolienne, par l'intermédiaire d'un multiplicateur 3.
Dans ce cas, la machine 22 fonctionne normalement en générateur et l'énergie est renvoyée vers un réseau électrique 27.
Si ce réseau 27 disparaît, le système fonctionne à vide et présente un risque d'emballement et le système de commutation 9 peut permettre alors de faire débiter le générateur 22 dans la charge dissipative 13, ce qui procure un couple de freinage.
Le freinage du dispositif entraîné 4 ou entraînant 24 peut s'effectuer uniquement grâce au moteur 2 ou au générateur 22, en le faisant débiter dans la charge dissipative 13, comme cela vient d'être expliqué.
Toutefois, on ne sort pas du cadre de la présente invention lorsque le freinage du dispositif entraîné 4 ou entraînant 24 fait intervenir également un dispositif de freinage autre, par exemple mécanique ou hydraulique, qui agit par exemple en même temps que le couple de freinage exercé par le moteur 2 ou le générateur 22 ou de manière non simultanée.
Ce dispositif de freinage peut par exemple entrer en action à partir d'une certaine vitesse de rotation du moteur 2 ou du générateur 22.
On a représenté aux figures 5 et 6 des systèmes électromécaniques comportant un dispositif 10 de contrôle de la vitesse de dévirage.
La charge dissipative 13 est connectée ou déconnectée de la machine 2 ou 22 par le dispositif 10 de contrôle grâce à tout moyen de coupure, par exemple au moins un contacteur ou un interrupteur électronique statique pouvant comporter par exemple un thyristor.
Ce dispositif 10 est configuré pour que la vitesse de rotation de la machine reste entre deux seuils déterminés. La charge 13 est déconnectée de la machine 2 ou 22 lorsque le seuil de vitesse minimum est atteint. Le système électromécanique alors en roue libre peut accélérer sous l'effet du couple entraînant du dispositif accouplé
4.
Lorsque le seuil de vitesse maximum est atteint, la charge 13 est connectée.
Le dispositif accouplé est alors freiné, le couple de freinage dépendant du courant parcourant la charge 13.
Le dispositif 10 permet ainsi que le système reste dans la plage de vitesse voulue tant que le couple de freinage est supérieur au couple entraînant et que le couple entraînant reste suffisant pour accélérer le système.
Notamment dans le cas d'une machine ayant un rotor à aimants permanents, la tension fournie par la machine est une image de la vitesse, la commutation de la charge peut s'effectuer en fonction de la tension en sortie de la machine lorsque celle-ci fonctionne en générateur.
Le dispositif de contrôle 10 peut comporter un relais électromécanique qui colle à partir d'une certaine tension qui correspond à la vitesse à partir de laquelle le freinage doit être déclenché.
Le dispositif de contrôle 10 peut comporter un circuit électronique plus complexe permettant de régler des seuils de déclenchement.
Au lieu d'utiliser une logique de type tout ou rien d'un ou plusieurs interrupteurs électroniques ou électromécaniques, il est possible d'utiliser dans le dispositif de contrôle 10 un régulateur, par exemple du type hacheur PWM ou gradateur, permettant de contrôler, de manière continue, le courant entre la machine 2 ou 22 et la charge dissipative 13. Cela peut permettre une régulation plus fine de la vitesse.
Lorsque l'on souhaite exercer un couple de freinage relativement élevé pour une vitesse de rotation relativement faible, afin par exemple de réduire le plus possible la vitesse de dévirage, il peut être utile de choisir une charge dissipative 13 dont l'impédance est inférieure à l'impédance interne de la machine, afin d'obtenir une augmentation rapide du couple en fonction de la vitesse, comme illustré à la figure 7. On peut par exemple obtenir un couple de freinage maximum pour une vitesse de rotation inférieure ou égale à
50 tr/mn, par exemple de l'ordre de 30 tr/mn. Dans un tel exemple où la charge dissipative présente une faible impédance, le rotor est par exemple à aimants permanents et à
concentration de flux.
Dans la variante de la figure 9, le variateur 6 reste connecté au moteur 2 et comporte des interrupteurs électroniques capables de supporter la tension induite par la machine 2 lorsqu'elle fonctionne en générateur.
L'expression réseau électrique doit être comprise de manière générale et englobe des réseaux publics ou privés, régionaux ou locaux.
Le réseau électrique est par exemple monophasé en 100 V environ/60 Hz ou 220 V environ/50 Hz, ou triphasé en 400 V environ/50 Hz ou 460 V environ/60 Hz.
Dans les exemples qui viennent d'être décrits, le système électromécanique comporte un réducteur ou multiplicateur, mais dans des variantes non illustrées, pour d'autres applications par exemple, le système électromécanique en est dépourvu.
L'expression comportant un doit être comprise comme étant synonyme de comportant au moins un , sauf si le contraire est spécifié.
Même si le couple de freinage est voisin du couple nominal, l'énergie dissipée reste relativement faible car la vitesse demeure relativement lente. Cela permet de maintenir le système dans cet état sans suréchauffement excessive de la machine.
Dans le cas où le dispositif accouplé est une pompe, notamment une pompe à
puits de pétrole, par exemple du type à cavité progressive, cela peut permettre que la colonne de fluide dans le puits ne se vide que très lentement.
Dès la réapparition du réseau, le système peut être redémarré sans être pénalisé
en production par les temps morts dus au vidage du puits et à son remplissage.
Dans des exemples de mise en oeuvre de l'invention, le système peut comporter ou non un réducteur ou un multiplicateur entre l'arbre et un dispositif à
accoupler au système électromécanique.
La présence d'un réducteur permet de bénéficier d'un freinage inertiel également.
L'invention peut permettre de diminuer d'une manière relativement simple, fiable et économique le risque d'emballement, en cas par exemple de coupure du réseau auquel est relié le système.
Lorsque la machine électrique est un moteur, le système de commutation peut permettre d'alimenter le moteur dans la première configuration pour entraîner le dispositif accouplé.
Le réducteur peut être un réducteur à engrenages, ce qui améliore la fiabilité.
Le rapport de réduction peut être supérieur à 6, notamment aller de 7 à 15, ce qui permet d'utiliser un moteur à vitesse de rotation relativement élevée, par exemple comprise entre 2 000 et 9 000 tr/min en régime de fonctionnement normal.
Le système peut comporter la charge dissipative. Cette dernière peut comporter au moins une résistance électrolytique ou métallique, par exemple au moins une résistance métallique immergée dans un bain d'un liquide.
La charge dissipative peut, le cas échéant, être réduite à des conducteurs en court-circuit et présenter une impédance relativement faible, sensiblement inférieure à
l'impédance interne des enroulements de la machine ainsi court-circuitée. Cela peut avoir comme avantage de faire en sorte que la machine débite essentiellement, lorsqu'entraînée par le dispositif accouplé, sur sa propre impédance interne.
Cela peut permettre d'obtenir un couple de freinage relativement important pour des vitesses de rotation relativement basses, ce qui peut avoir un intérêt pour réaliser un freinage important du dispositif accouplé dès la disparition du réseau, comme mentionné précédemment.
La charge dissipative peut être reliée aux bornes de la machine simplement par l'intermédiaire d'un ou plusieurs interrupteurs, lesquels peuvent être formés par des relais électromécaniques ou par des composants électroniques tels que par exemple des thyristors ou transistors de puissance.
Dans des exemples de mise en oeuvre de l'invention, la charge dissipative est connectée à la machine sans que le courant débité par la machine lorsque celle-ci fonctionne en générateur autonome ne circule dans un dispositif électronique relativement complexe tel qu'un onduleur ou un variateur. La charge dissipative peut encore, dans des exemples de réalisation, être connectée à la machine sans que cette connexion ne fasse intervenir de composants d'électronique de puissance.
Lorsque la charge dissipative comporte une résistance électrolytique, comportant au moins deux électrodes immergées dans un électrolyte, le niveau de ce dernier peut être modifié afin de faire varier l'impédance.
Le système de commutation peut être agencé pour passer automatiquement de la première configuration précitée à la deuxième configuration en cas de coupure volontaire ou non ou de défaillance de l'alimentation de la machine électrique ou du réseau électrique alimenté par celle-ci et/ou d'arrêt de la machine.
Le système de commutation peut comprendre au moins un relais comportant une bobine, laquelle est par exemple alimentée directement ou indirectement par le réseau électrique.
Le système de commutation peut être agencé pour rester dans la deuxième configuration tant qu'une commande prédéfinie n'est pas reçue.
L'envoi de cette commande prédéfinie dépend par exemple d'une tension observée sur la machine, d'une temporisation ou d'une vitesse de rotation de la machine.
Le système électrique peut comporter un variateur de fréquence auquel le moteur est relié. La commande prédéfinie peut être envoyée par le variateur de fréquence, par exemple. Lorsque la machine fonctionne en générateur autonome, le variateur de fréquence peut ne pas être alimenté et ne pas recevoir de courant de la part de la machine.
Dans la deuxième configuration, le variateur de fréquence est par exemple déconnecté de la machine électrique.
Dans un autre exemple de réalisation, le système peut comporter un dispositif de contrôle de la vitesse de dévirage de la machine, agencé pour connecter et déconnecter la charge dissipative de façon à ce que cette vitesse de dévirage reste entre deux seuils pouvant être prédéterminés.
Le dispositif de contrôle peut alors être agencé pour déconnecter la charge lorsque le seuil de vitesse minimum est atteint et pour la reconnecter lorsque le seuil de vitesse maximum est atteint.
Le système de contrôle de la vitesse de dévirage peut également être agencé
pour agir sur le courant circulant vers la charge dissipative de telle sorte que la vitesse de dévirage reste entre les deux seuils prédéfinis et/ou soit sensiblement constante.
Le système électromécanique peut ainsi rester dans une plage de vitesse prédéfinie tant que le couple de freinage est supérieur au couple entraînant et que le couple entraînant reste suffisant pour accélérer le système.
L'invention a encore pour objet un système d'entraînement de surface d'une pompe à cavité progressive pour puits de pétrole, comportant :
- un moteur comportant un arbre de sortie, le moteur étant à aimants permanents, - un réducteur, de préférence à engrenages, entre l'arbre de sortie et une tige d'entraînement de la pompe, - une charge dissipative, - un système de commutation agencé pour permettre, dans une première configuration, au moteur d'être alimenté par un réseau électrique d'alimentation afin d'entraîner la tige d'entraînement de la pompe dans un premier sens, et dans une seconde configuration où l'arbre de sortie est entraîné en rotation 6a dans un deuxième sens opposé au premier, de transférer de l'énergie électrique générée par le moteur ainsi entraîné vers la charge dissipative, le système de commutation étant agencé pour passer automatiquement dans la seconde configuration en cas de coupure du réseau électrique notamment. ______ Le moteur électrique peut être relié à un variateur de fréquence.
Le rapport de réduction peut être supérieur à 6, notamment va de 7 à 15.
Le moteur peut être à aimants permanents.
L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un système d'entraînement de surface d'une pompe à cavité progressive pour puits de pétrole, comportant :
- un moteur comportant un stator ayant des enroulements et un rotor à
aimants permanents, notamment un rotor à concentration de flux, - un système de commutation agencé pour permettre, dans une première configuration, au moteur d'être alimenté, et dans une deuxième configuration, pour court-circuiter les enroulements du stator en cas d'interruption accidentelle de l'alimentation du moteur, par exemple en cas de coupure du réseau.
L'invention a également pour objet un système électromécanique (1) à relier à
un réseau électrique (7 ; 27), comportant :
- une machine électrique (2 ; 22) pouvant fonctionner en générateur autonome, comportant un arbre rotatif, et - un système de commutation (9) permettant i) dans une première configuration, que la machine électrique fonctionne en moteur dans le cas où un dispositif accouplé (4) est normalement entraîné ou en générateur dans le cas où le dispositif accouplé (24) est normalement entraînant, et ii) dans une deuxième configuration, que la machine électrique fonctionne en générateur autonome, l'énergie électrique générée par la machine électrique (2 ; 22) étant dissipée dans la machine et dans une charge dissipative (13), dans lequel la machine est auto-excitée dans la deuxième configuration.
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, et à
l'examen du dessin annexé, sur lequel :
- la figure 1 est un schéma en blocs d'un système électromécanique selon un exemple de mise en uvre de l'invention, - la figure 2 représente de manière schématique un relais du système de commutation, 7a - la figure 3 illustre la possibilité pour la charge dissipative de comporter plusieurs étages de résistances pouvant être sélectionnés, - les figures 4 et 9 sont des schémas en blocs d'autres exemples de système électromécanique, - les figures 5 et 6 sont des schémas en blocs de systèmes électromécaniques comportant un dispositif de contrôle de la vitesse de dévirage, - la figure 7 représente schématiquement, en coupe transversale, un exemple de rotor à aimants permanents, et - la figure 8 est un exemple de courbe d'évolution du couple de freinage en fonction de la vitesse.
Le système électromécanique 1 représenté à la figure 1 comporte une machine électrique 2 comprenant un moteur électrique dans l'exemple considéré. __ Ce moteur comporte par exemple un stator et un rotor à aimants permanents.
Le stator est par exemple à bobinage concentré ou distribué. Le rotor comporte par exemple des aimants en surface ou des aimants disposés entre des pièces polaires.
La figure 8 représente un exemple de rotor 100 à aimants permanents 101, disposés radialement entre des pièces polaires 102.
Un tel rotor est à concentration de flux, ce qui peut permettre de limiter le courant de court-circuit et réduire le risque d'échauffement excessif et/ou le risque de désaimantation des aimants. Le moteur est par exemple tel que décrit dans le brevet US
6 891 299. Le stator associé peut être à bobinage concentré ou distribué.
Le système électromécanique 1 comporte également, dans l'exemple considéré, un réducteur 3 à engrenages, permettant de réduire la vitesse de rotation du moteur 2 et d'entraîner un dispositif entraîné 4 qui est par exemple une tige d'entraînement d'une pompe à cavité progressive disposée au fond d'un puits de pétrole.
Le réducteur 3 présente par exemple un facteur de réduction relativement élevé, par exemple supérieur à 6, notamment compris entre 7 et 15.
Le moteur 2 est normalement alimenté par un variateur de fréquence 6, lequel est relié à un réseau électrique d'alimentation 7.
Le moteur 2 est alimenté par le variateur 6 au travers d'un système de commutation 9. Ce dernier peut prendre une première configuration dans laquelle le moteur 2 est alimenté par le variateur 6 et une deuxième configuration dans laquelle le moteur 2 est relié à une charge dissipative 13.
Le système de commutation 9 comporte par exemple au moins un interrupteur électronique et/ou électromécanique qui permet de relier sélectivement le moteur 2 au variateur 6 ou à la charge dissipative 13.
Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le système de commutation 9 comporte au moins un relais électromécanique ayant une bobine 10 et une série de contacts 11.
La série de contacts 11 permet, par exemple, lorsque la bobine 10 est alimentée, d'établir le passage de courant entre des ensembles de conducteurs 14 et 15 reliés respectivement au moteur 2 et au variateur 6.
En l'absence d'alimentation électrique de la bobine, la série de contacts 11 relie les ensembles de conducteurs 14 à des ensembles de conducteurs 17 connectés à la charge dissipative 13.
Le redémarrage de la machine peut, dans des exemples de mise en oeuvre de l'invention, être conditionné par exemple par une vitesse de rotation de la machine, par une tension observée sur la machine ou par une temporisation.
Par exemple, le redémarrage peut être empêché tant que la vitesse n'est pas nulle ou que la tension aux bornes de la machine n'est pas inférieure à une valeur de seuil.
Dans l'exemple illustré, une deuxième série de contacts 12 du relais électromécanique peut être utilisée de manière à ce que l'alimentation de la bobine 10 s'effectue à travers cette deuxième série de contacts, ce qui permet, une fois que l'alimentation de la bobine 10 a cessé, d'empêcher à nouveau celle-ci d'être excitée tant qu'une action prédéfinie n'est pas exercée sur le système de commutation 9.
Cela peut permettre d'éviter un redémarrage du moteur en cas de retour du réseau électrique 7 après une coupure, par exemple.
La commande prédéfinie provient par exemple du variateur 6 mais peut être effectuée autrement, par exemple en agissant manuellement sur un contacteur.
La charge dissipative 13 peut être formée de conducteurs électriques de faible résistance ohmique, afin de court-circuiter les bornes de la machine, l'essentiel de la puissance à dissiper étant alors dissipé dans la machine. En variante, la charge dissipative 13 peut présenter une impédance plus importante.
La charge dissipative 13 comporte par exemple au moins une résistance, laquelle est par exemple une résistance métallique ou électrolytique.
La résistance métallique est avantageusement immergée dans un bain de liquide non combustible, ce qui peut permettre de réduire le risque d'incendie lorsque le système électromécanique est utilisé dans une ambiance explosible, ce qui peut être le cas dans le voisinage d'un puits de pétrole.
La charge dissipative 13 peut comporter des résistances et/ou tout autre composant passif ou actif permettant de dissiper une énergie électrique, par exemple des condensateurs et/ou selfs.
La charge dissipative 13 peut encore comporter une résistance électrolytique comportant au moins deux électrodes immergées dans un électrolyte. Le cas échéant, le niveau de l'électrolyte peut être modifié afin de régler la résistance à la valeur souhaitée.
Le couple de freinage du moteur est fonction du courant qui parcourt la charge dissipative 13 et le choix de l'impédance de la charge dissipative peut permettre de dissiper de manière appropriée l'énergie.
On peut par exemple diminuer le couple de freinage au fur et à mesure que la tige d'entraînement de la pompe ralentit, de façon à vider plus rapidement le puits.
La charge dissipative 13 peut à cet effet comporter plusieurs étages résistifs de résistance qui peuvent être sélectivement reliés au moteur 2, par exemple par l'intermédiaire du système de commutation 9, comme illustré à la figure 3, en fonction de la vitesse de rotation de celui-ci et/ou de la tension à ses bornes, afin par exemple que la puissance dissipée soit maximale tout en restant admissible.
Dans un exemple de réalisation utilisant une résistance électrolytique, le niveau de l'électrolyte varie dans le temps lors du freinage, par exemple diminue grâce à
une fuite contrôlée.
La baisse du niveau de l'électrolyte accroît la résistance et diminue le couple de freinage. Cette baisse du niveau peut être déclenchée par exemple lors du passage dans la deuxième configuration.
Le système électromécanique de la figure 1 permet, en cas de coupure du réseau électrique 7 par exemple, au moteur 2 d'être entraîné en sens inverse de rotation par l'énergie accumulée dans le dispositif entraîné.
Cette rotation peut s'effectuer à une vitesse relativement importante, compte tenu du rapport de réduction du réducteur 3, ce qui permet d'obtenir un freinage inertiel.
L'utilisation d'engrenages dans le réducteur 3 contribue à assurer la fiabilité
de la liaison mécanique entre le dispositif entraîné 4 et le moteur 2.
L'entraînement du rotor du moteur 2 génère une énergie électrique qui est dissipée plus ou moins dans la charge dissipative 13 et dans le moteur 2, selon les impédances respectives.
L'utilisation d'un moteur à aimants permanents contribue à la fiabilité du système électromécanique, un tel moteur présentant l'avantage d'avoir une excitation intégrée permanente.
Le système de commutation 9 peut être agencé pour passer automatiquement dans la configuration où le moteur 2 est relié à la charge dissipative 13, non seulement en cas de coupure du réseau électrique 7, mais également en cas d'arrêt du moteur ou de défaillance du variateur 6, par exemple.
Le freinage procuré par le moteur 2 permet d'éviter que la tige d'entraînement de la pompe ne tourne à une vitesse excessive. Ainsi, l'énergie potentielle accumulée peut être progressivement dissipée.
Lorsque le moteur 2 est un moteur asynchrone, des condensateurs d'excitation seront connectés à ses bornes.
L'invention s'applique également à une machine électrique 22 qui est entraînée par un dispositif entraînant 24 tel que par exemple une éolienne, par l'intermédiaire d'un multiplicateur 3.
Dans ce cas, la machine 22 fonctionne normalement en générateur et l'énergie est renvoyée vers un réseau électrique 27.
Si ce réseau 27 disparaît, le système fonctionne à vide et présente un risque d'emballement et le système de commutation 9 peut permettre alors de faire débiter le générateur 22 dans la charge dissipative 13, ce qui procure un couple de freinage.
Le freinage du dispositif entraîné 4 ou entraînant 24 peut s'effectuer uniquement grâce au moteur 2 ou au générateur 22, en le faisant débiter dans la charge dissipative 13, comme cela vient d'être expliqué.
Toutefois, on ne sort pas du cadre de la présente invention lorsque le freinage du dispositif entraîné 4 ou entraînant 24 fait intervenir également un dispositif de freinage autre, par exemple mécanique ou hydraulique, qui agit par exemple en même temps que le couple de freinage exercé par le moteur 2 ou le générateur 22 ou de manière non simultanée.
Ce dispositif de freinage peut par exemple entrer en action à partir d'une certaine vitesse de rotation du moteur 2 ou du générateur 22.
On a représenté aux figures 5 et 6 des systèmes électromécaniques comportant un dispositif 10 de contrôle de la vitesse de dévirage.
La charge dissipative 13 est connectée ou déconnectée de la machine 2 ou 22 par le dispositif 10 de contrôle grâce à tout moyen de coupure, par exemple au moins un contacteur ou un interrupteur électronique statique pouvant comporter par exemple un thyristor.
Ce dispositif 10 est configuré pour que la vitesse de rotation de la machine reste entre deux seuils déterminés. La charge 13 est déconnectée de la machine 2 ou 22 lorsque le seuil de vitesse minimum est atteint. Le système électromécanique alors en roue libre peut accélérer sous l'effet du couple entraînant du dispositif accouplé
4.
Lorsque le seuil de vitesse maximum est atteint, la charge 13 est connectée.
Le dispositif accouplé est alors freiné, le couple de freinage dépendant du courant parcourant la charge 13.
Le dispositif 10 permet ainsi que le système reste dans la plage de vitesse voulue tant que le couple de freinage est supérieur au couple entraînant et que le couple entraînant reste suffisant pour accélérer le système.
Notamment dans le cas d'une machine ayant un rotor à aimants permanents, la tension fournie par la machine est une image de la vitesse, la commutation de la charge peut s'effectuer en fonction de la tension en sortie de la machine lorsque celle-ci fonctionne en générateur.
Le dispositif de contrôle 10 peut comporter un relais électromécanique qui colle à partir d'une certaine tension qui correspond à la vitesse à partir de laquelle le freinage doit être déclenché.
Le dispositif de contrôle 10 peut comporter un circuit électronique plus complexe permettant de régler des seuils de déclenchement.
Au lieu d'utiliser une logique de type tout ou rien d'un ou plusieurs interrupteurs électroniques ou électromécaniques, il est possible d'utiliser dans le dispositif de contrôle 10 un régulateur, par exemple du type hacheur PWM ou gradateur, permettant de contrôler, de manière continue, le courant entre la machine 2 ou 22 et la charge dissipative 13. Cela peut permettre une régulation plus fine de la vitesse.
Lorsque l'on souhaite exercer un couple de freinage relativement élevé pour une vitesse de rotation relativement faible, afin par exemple de réduire le plus possible la vitesse de dévirage, il peut être utile de choisir une charge dissipative 13 dont l'impédance est inférieure à l'impédance interne de la machine, afin d'obtenir une augmentation rapide du couple en fonction de la vitesse, comme illustré à la figure 7. On peut par exemple obtenir un couple de freinage maximum pour une vitesse de rotation inférieure ou égale à
50 tr/mn, par exemple de l'ordre de 30 tr/mn. Dans un tel exemple où la charge dissipative présente une faible impédance, le rotor est par exemple à aimants permanents et à
concentration de flux.
Dans la variante de la figure 9, le variateur 6 reste connecté au moteur 2 et comporte des interrupteurs électroniques capables de supporter la tension induite par la machine 2 lorsqu'elle fonctionne en générateur.
L'expression réseau électrique doit être comprise de manière générale et englobe des réseaux publics ou privés, régionaux ou locaux.
Le réseau électrique est par exemple monophasé en 100 V environ/60 Hz ou 220 V environ/50 Hz, ou triphasé en 400 V environ/50 Hz ou 460 V environ/60 Hz.
Dans les exemples qui viennent d'être décrits, le système électromécanique comporte un réducteur ou multiplicateur, mais dans des variantes non illustrées, pour d'autres applications par exemple, le système électromécanique en est dépourvu.
L'expression comportant un doit être comprise comme étant synonyme de comportant au moins un , sauf si le contraire est spécifié.
Claims (34)
1 . Système électromécanique (1) à relier à un réseau électrique (7 ; 27), comportant :
- une machine électrique (2 ; 22) pouvant fonctionner en générateur autonome, comportant un arbre rotatif, et - un système de commutation (9) permettant :
i) dans une première configuration, que la machine électrique fonctionne en moteur dans le cas où un dispositif accouplé (4) est normalement entraîné ou en générateur dans le cas où le dispositif accouplé (24) est normalement entraînant, et ii) dans une deuxième configuration, que la machine électrique fonctionne en générateur autonome, l'énergie électrique générée par la machine électrique (2 ; 22) étant dissipée dans la machine et dans une charge dissipative (13), dans lequel le système de commutation est agencé pour court-circuiter la machine électrique dans la deuxième configuration, l'essentiel de l'énergie débitée par la machine étant dissipé
dans celle-ci.
- une machine électrique (2 ; 22) pouvant fonctionner en générateur autonome, comportant un arbre rotatif, et - un système de commutation (9) permettant :
i) dans une première configuration, que la machine électrique fonctionne en moteur dans le cas où un dispositif accouplé (4) est normalement entraîné ou en générateur dans le cas où le dispositif accouplé (24) est normalement entraînant, et ii) dans une deuxième configuration, que la machine électrique fonctionne en générateur autonome, l'énergie électrique générée par la machine électrique (2 ; 22) étant dissipée dans la machine et dans une charge dissipative (13), dans lequel le système de commutation est agencé pour court-circuiter la machine électrique dans la deuxième configuration, l'essentiel de l'énergie débitée par la machine étant dissipé
dans celle-ci.
2. Système électromécanique selon la revendication 1, le système de commutation (9) étant agencé pour passer automatiquement de la première configuration à la deuxième configuration en cas de coupure d'un réseau électrique (7 ; 27) d'alimentation de la machine électrique ou alimenté par celle-ci et/ou d'arrêt de la machine.
3. Système électromécanique selon la revendication 2, le système de commutation comprenant au moins un relais comportant une bobine (10) alimentée par le réseau électrique.
4. Système électromécanique selon l'une des revendications 1 à 3, comportant un réducteur (3) ou un multiplicateur (3) entre l'arbre et un dispositif (4) à accoupler au système électromécanique.
5. Système électromécanique selon la revendication 4, comportant un réducteur à engrenages.
6. Système électromécanique selon la revendication 5, dans lequel le rapport de réduction est supérieur à 6.
7. Système électromécanique selon la revendication 6, dans lequel le rapport de réduction va de 7 à 15.
8. Système électromécanique selon l'une des revendications 1 à 7, la machine électrique étant un moteur, et le système de commutation permettant d'alimenter le moteur dans la première configuration pour entraîner le dispositif accouplé.
9. Système électromécanique selon l'une des revendications 1 à 8, le rotor de la machine électrique (2) étant à aimants permanents.
10. Système électromécanique selon la revendication 9, le rotor de la machine étant à
concentration de flux.
concentration de flux.
11. Système électromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, la machine étant auto-excitée dans la deuxième configuration.
12. Système électromécanique selon la revendication 8, comportant un variateur de fréquence (6) auquel le moteur est relié.
13. Système électromécanique selon la revendication 12, dans lequel le système de commutation (9) est agencé pour rester dans la deuxième configuration tant qu'une commande prédéfinie n'est pas reçue.
14. Système électromécanique selon la revendication 13, dans lequel la commande prédéfinie est envoyée par le variateur de fréquence.
15. Système électromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, comportant un dispositif de contrôle (10) de la vitesse de dévirage de la machine (2 ;
22) agencé pour connecter et déconnecter la charge dissipative (13) de la machine (2 ; 22) et/ou agir sur le courant circulant vers la charge dissipative de telle sorte que la vitesse de dévirage reste entre deux seuils prédéfinis.
22) agencé pour connecter et déconnecter la charge dissipative (13) de la machine (2 ; 22) et/ou agir sur le courant circulant vers la charge dissipative de telle sorte que la vitesse de dévirage reste entre deux seuils prédéfinis.
16. Système d'entraînement de surface d'une pompe à cavité progressive pour puits de pétrole, comportant :
- un moteur (2) comportant un arbre de sortie, le moteur étant à aimants permanents;
- un réducteur à engrenages entre l'arbre de sortie et une tige d'entraînement de la pompe;
- une charge dissipative (13);
- un système de commutation (9) agencé pour permettre :
dans une première configuration, au moteur d'être alimenté par un réseau électrique d'alimentation (7) et d'entraîner la tige d'entraînement de la pompe dans un premier sens, et dans une seconde configuration où l'arbre de sortie est entraîné en rotation dans un deuxième sens opposé au premier, de transférer de l'énergie électrique générée par le moteur ainsi entraîné vers la charge dissipative, dans lequel le système de commutation (9) est agencé pour passer automatiquement dans la seconde configuration en cas de coupure du réseau électrique (7).
- un moteur (2) comportant un arbre de sortie, le moteur étant à aimants permanents;
- un réducteur à engrenages entre l'arbre de sortie et une tige d'entraînement de la pompe;
- une charge dissipative (13);
- un système de commutation (9) agencé pour permettre :
dans une première configuration, au moteur d'être alimenté par un réseau électrique d'alimentation (7) et d'entraîner la tige d'entraînement de la pompe dans un premier sens, et dans une seconde configuration où l'arbre de sortie est entraîné en rotation dans un deuxième sens opposé au premier, de transférer de l'énergie électrique générée par le moteur ainsi entraîné vers la charge dissipative, dans lequel le système de commutation (9) est agencé pour passer automatiquement dans la seconde configuration en cas de coupure du réseau électrique (7).
17. Système d'entraînement de surface selon la revendication 16, dans lequel le moteur électrique est relié à un variateur de fréquence (6).
18. Système d'entraînement de surface selon l'une des revendications 16 ou 17, dans lequel le rapport de réduction est supérieur à 6.
19. Système d'entraînement de surface d'une pompe à cavité progressive pour puits de pétrole, comportant :
- un moteur comportant un stator ayant des enroulements et un rotor à aimants permanents; et - un système de commutation agencé pour permettre :
dans une première configuration, au moteur d'être alimenté, et dans une deuxième configuration, pour court-circuiter les enroulements du stator en cas d'interruption accidentelle de l'alimentation du moteur.
- un moteur comportant un stator ayant des enroulements et un rotor à aimants permanents; et - un système de commutation agencé pour permettre :
dans une première configuration, au moteur d'être alimenté, et dans une deuxième configuration, pour court-circuiter les enroulements du stator en cas d'interruption accidentelle de l'alimentation du moteur.
20. Système électromécanique (1) à relier à un réseau électrique (7 ; 27), comportant :
- une machine électrique (2 ; 22) pouvant fonctionner en générateur autonome, comportant un arbre rotatif, et - un système de commutation (9) permettant i) dans une première configuration, que la machine électrique fonctionne en moteur dans le cas où un dispositif accouplé (4) est normalement entraîné ou en générateur dans le cas où le dispositif accouplé (24) est normalement entraînant, et ii) dans une deuxième configuration, que la machine électrique fonctionne en générateur autonome, l'énergie électrique générée par la machine électrique (2 ; 22) étant dissipée dans la machine et dans une charge dissipative (13), dans lequel la machine est auto-excitée dans la deuxième configuration.
- une machine électrique (2 ; 22) pouvant fonctionner en générateur autonome, comportant un arbre rotatif, et - un système de commutation (9) permettant i) dans une première configuration, que la machine électrique fonctionne en moteur dans le cas où un dispositif accouplé (4) est normalement entraîné ou en générateur dans le cas où le dispositif accouplé (24) est normalement entraînant, et ii) dans une deuxième configuration, que la machine électrique fonctionne en générateur autonome, l'énergie électrique générée par la machine électrique (2 ; 22) étant dissipée dans la machine et dans une charge dissipative (13), dans lequel la machine est auto-excitée dans la deuxième configuration.
21. Système électromécanique selon la revendication 20, le système de commutation (9) étant agencé pour passer automatiquement de la première configuration à la deuxième configuration en cas de coupure d'un réseau électrique (7 ; 27) d'alimentation de la machine électrique ou alimenté par celle-ci et/ou d'arrêt de la machine.
22. Système électromécanique selon l'une des revendications 20 ou 21, comportant un réducteur (3) ou un multiplicateur (3) entre l'arbre et un dispositif (4) à
accoupler au système électromécanique.
accoupler au système électromécanique.
23. Système électromécanique selon l'une des revendications 20 à 22, la machine électrique étant un moteur, et le système de commutation permettant d'alimenter le moteur dans la première configuration pour entraîner le dispositif accouplé.
24. Système électromécanique selon la revendication 23, comportant un variateur de fréquence (6) auquel le moteur est relié.
25. Système électromécanique selon la revendication 22, comportant un réducteur à
engrenages.
engrenages.
26. Système électromécanique selon la revendication 22, dans lequel le rapport de réduction est supérieur à 6.
27. Système électromécanique selon la revendication 26, dans lequel le rapport de réduction va de 7 à 15.
28. Système électromécanique selon l'une quelconque des revendications 20 à
27, comportant la charge dissipative (13).
27, comportant la charge dissipative (13).
29. Système électromécanique selon la revendication 28, dans lequel la charge dissipative comporte au moins une résistance métallique ou électrolytique.
30. Système électromécanique selon l'une quelconque des revendications 20 à
29, la charge dissipative comportant au moins une résistance immergée dans un bain d'un liquide.
29, la charge dissipative comportant au moins une résistance immergée dans un bain d'un liquide.
31. Système électromécanique selon l'une quelconque des revendications 20 à
30, le système de commutation comprenant au moins un relais comportant une bobine (10) alimentée par le réseau électrique.
30, le système de commutation comprenant au moins un relais comportant une bobine (10) alimentée par le réseau électrique.
32. Système électromécanique selon l'une quelconque des revendications 20 à
31, dans lequel le système de commutation (9) est agencé pour rester dans la deuxième configuration tant qu'une commande prédéfinie n'est pas reçue.
31, dans lequel le système de commutation (9) est agencé pour rester dans la deuxième configuration tant qu'une commande prédéfinie n'est pas reçue.
33. Système électromécanique selon la revendication 32, dans lequel la commande prédéfinie est envoyée par un variateur de fréquence.
34. Système électromécanique selon l'une quelconque des revendications 20 à
33, comportant un dispositif de contrôle (10) de la vitesse de dévirage de la machine (2 ;
22) agencé pour connecter et déconnecter la charge dissipative (13) de la machine (2 ; 22) et/ou agir sur le courant circulant vers la charge dissipative de telle sorte que la vitesse de dévirage reste entre deux seuils prédéfinis.
33, comportant un dispositif de contrôle (10) de la vitesse de dévirage de la machine (2 ;
22) agencé pour connecter et déconnecter la charge dissipative (13) de la machine (2 ; 22) et/ou agir sur le courant circulant vers la charge dissipative de telle sorte que la vitesse de dévirage reste entre deux seuils prédéfinis.
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