EP3227987A1 - Electric linear actuation system equipped with energy-storage means - Google Patents

Electric linear actuation system equipped with energy-storage means

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EP3227987A1
EP3227987A1 EP15791647.9A EP15791647A EP3227987A1 EP 3227987 A1 EP3227987 A1 EP 3227987A1 EP 15791647 A EP15791647 A EP 15791647A EP 3227987 A1 EP3227987 A1 EP 3227987A1
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EP
European Patent Office
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electric motor
storage means
energy storage
energy
linear
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15791647.9A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Pierre Odru
Michel Constant
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3227987A1 publication Critical patent/EP3227987A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B19/00—Handling rods, casings, tubes or the like outside the borehole, e.g. in the derrick; Apparatus for feeding the rods or cables
    • E21B19/002—Handling rods, casings, tubes or the like outside the borehole, e.g. in the derrick; Apparatus for feeding the rods or cables specially adapted for underwater drilling
    • E21B19/004—Handling rods, casings, tubes or the like outside the borehole, e.g. in the derrick; Apparatus for feeding the rods or cables specially adapted for underwater drilling supporting a riser from a drilling or production platform
    • E21B19/006—Handling rods, casings, tubes or the like outside the borehole, e.g. in the derrick; Apparatus for feeding the rods or cables specially adapted for underwater drilling supporting a riser from a drilling or production platform including heave compensators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B35/00—Vessels or similar floating structures specially adapted for specific purposes and not otherwise provided for
    • B63B35/44—Floating buildings, stores, drilling platforms, or workshops, e.g. carrying water-oil separating devices
    • B63B35/4413—Floating drilling platforms, e.g. carrying water-oil separating devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00—Other constructional features or details
    • B66C13/02—Devices for facilitating retrieval of floating objects, e.g. for recovering crafts from water
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
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    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the present invention relates to the field of electromechanical systems generating linear motion.
  • the present invention also relates to the field of heave compensators for laying offshore drilling pipe.
  • a hydraulic cylinder generally consists of a rod guided longitudinally in a cylinder. The displacement is made possible by a section secured to the rod placed inside the cylinder body and provided with a seal. Pressurized oil allows to move a load located outside and secured to the rod by creating a force on the sealed section that allows movement.
  • the hydraulic cylinder can be actively controlled by playing directly on the pressure and / or the amount of oil injected, or by a more sophisticated system of servocontrol via a servovalve for example.
  • the cylinder can also be used passively to accompany a displacement of a low-variable force load.
  • the pressurized oil is then placed in communication with a reserve of air that will compress or relax under the effects of oil volume variations related to the movements of the cylinder rod, by slightly modifying its initial pressure. However, this compression, for lack of an infinite reservoir, will be accompanied by a variation of residual effort.
  • electromechanical actuators as described in patent applications EP 1927543 and EP 2232101.
  • the general principle of electromechanical actuators is to achieve the linear displacement of an element (usually a rod) by means of an electric motor.
  • Indirect drive actuators they require a transmission member and mechanical conversion between the rotary actuator and its load in translation. This drive mode is the most employed because generally less expensive and satisfying in most applications.
  • Direct drive actuators they aim to simplify the transmission chain by removing the intermediate member (transformation of a rotary motion into linear motion). In this case, they are true linear electromagnetic actuators.
  • electromechanical actuators are consumers of electrical energy from a source of electrical energy, often an electrical distribution network, which makes their use complex, especially for use at sea.
  • the present invention relates to a linear actuating system comprising a reversible linear actuator, screw-nut type, equipped with at least one reversible electric motor and energy storage means.
  • the energy storage means are loaded by the linear actuating system operating as a generator and are discharged on demand into the electric motor.
  • the size of the actuating system according to the invention is reduced compared to a hydraulic actuation system and the power consumption of the linear actuating system is reduced by the energy storage means.
  • the invention relates to a linear actuation system comprising a movable rod connected to a reversible linear actuator of the screw-nut type, said linear actuator being driven by at least one electric motor system.
  • Said linear actuation system comprises at least one energy storage means connected to said electric motor system, and said electric motor system functions as a generator for charging said energy storage means when a movement is applied on said rod and as a motor for generating a rectilinear translational motion to said rod.
  • said linear actuator is a screw-nut type device comprising a plurality of rollers or balls driven by said electric motor, said plurality of rollers or balls driving a threaded rod of said linear actuator.
  • said threaded rod of said actuator comprises a thread of the triangular, trapezoidal or ovoid-shaped type.
  • said energy storage means comprises at least one electrical energy storage means, comprising in particular at least one electric battery and / or at least one supercapacitor.
  • said energy storage means comprises at least one mechanical energy storage means, in particular at least one flywheel.
  • said linear actuation system comprises control means of said electric motor system.
  • said electric motor system is powered by said energy storage means.
  • said linear actuation system is connected to an electrical distribution network.
  • said electric motor system is powered by said power distribution network when the energy storage means are discharged or are not able to supply energy to the electric motor system.
  • said electric motor system injects energy into the electrical distribution network when said electric motor system operates as a generator and when said energy storage means are loaded.
  • the invention relates to a heave compensator for drilling tools attached to a mobile installation.
  • Said heave compensator comprises at least one linear actuation system according to the invention for maintaining in constant tension said drilling tools.
  • said compensator comprises a first muffle and a second muffle for hanging said drilling tools, said first muffle being connected to the mobile installation by means of at least two articulated arms, each articulated arm comprising at least one pulley, said heave compensator comprising a cable fixed on retaining means, said cable passing through the pulleys of said articulated arms and by said first and second muffles, said heave compensator comprising at least one linear actuation system connected to said first muffle and mobile installation.
  • the mobile installation is a floating support or a ship.
  • the invention also relates to a use of the linear actuation system according to the invention for a system for tensioning vertical tubes arranged between the seabed and a mobile installation.
  • FIG. 1 illustrates a linear actuation system according to the invention.
  • FIG. 2 illustrates a roller screw type linear actuator according to the invention (illustration from SKF ® roller screw catalog).
  • FIG. 3 illustrates a heave compensator according to the invention. Detailed description of the invention
  • the present invention relates to a linear actuating system that generates a linear rectilinear motion.
  • the linear actuation system according to the invention comprises:
  • a linear actuator of the screw-nut type for example with a thread or a ball, in particular a satellite, which reversibly converts a rotational movement into translational movement
  • the screw of the linear actuator possibly corresponding to the rod of the system or being able to be attached to the system shaft
  • at least one electric motor system operable as a motor, generating a rotary motion from an electric current, and adapted to function as a generator by supplying an electric current to from a rotary motion, the electric motor system driving the linear actuator and vice versa;
  • the electric motor system may be, depending on the application, a motor / generator integrated in the same body or alternatively, a separate motor and generator,
  • At least one energy storage means that is connected to the electric motor, and stores the energy generated when the engine is operating as a generator, and that provides power when the engine is operating as a motor.
  • FIG. 1 illustrates a linear actuation system according to the invention.
  • the linear actuation system 1 comprises a rod 2, a mechanical actuator 3 provided with a mechanical gear, at least one electric motor 4 and energy storage means 5.
  • the axis of the linear actuator 3 corresponds to the rod 2.
  • the electric motor 4 is a motor / generator (alternatively, it can be a motor and a separate generator).
  • the energy storage means 5 are connected to the electric motor 4, in particular through a power electronics 7.
  • the electric motor 4 is also connected to a control system of the power supply network. electrical distribution 6, in particular by means of the power electronics 7.
  • the electric motor 4, the energy storage means 5 and optionally the management system of the electrical distribution network 9 can be controlled by a control electronics 8 so as to be able to supply the electric motor 4 when operating as a motor, and to recover energy supplied by the electric motor 4 to store it in the means 5 or to redistribute it to the electrical distribution network 6.
  • the control electronics 8 can receive a signal from a sensor 22 placed on the rod 2.
  • the sensor 22 can notably be a position sensor.
  • the linear actuator is an indirect drive actuator.
  • the linear actuator is a screw-nut connection between the rod and the electric motor system.
  • the nut is fixed, while the rod is movable.
  • the linear actuator of the screw-nut type can be a ball screw type actuator or roller screw.
  • the linear actuator comprises a plurality of rolling elements, that is to say screws or rollers which are driven by the electric motor or motors and which drive a threaded portion of the screw and vice versa.
  • the threaded portion of the screw is conditioned to make the linear actuator reversible; for example the screw threads of the actuator may have a triangular thread, trapezoidal, or ovoid-shaped with a helix angle greater than that of the coefficient of friction.
  • the metal of the screw can be chosen to have the lowest coefficient of friction possible thanks to a suitable surface treatment. A continuous lubrication and protection system can also be provided for this purpose.
  • FIG. 2 illustrates an exemplary roller screw that can be used for a linear actuation system according to the invention.
  • Figure 2 is an illustration from the catalog "screw roller” SKF ® (publication 4351 EN - 2008-01).
  • the roller screw 3 comprises a threaded rod surrounded by a plurality of rollers 9, the threaded rod and the rollers 9 being arranged in a nut 10.
  • the threaded rod of the roller screw corresponds to the rod 2 of the linear actuating system.
  • one or more motors rotate the rollers 9 which act on the threaded rod and impart to it a linear displacement force.
  • the threaded rod rotates the rollers 9, which in turn drive the electric motor or motors.
  • Roller screws have a very long service life, can be used for high speeds and accelerations, are precise, reliable, and have better energy efficiency than hydraulic cylinders.
  • these linear actuators are designed to oppose only few friction under the effect of a load; therefore, energy can be recovered on the return phase, when motion is imposed on the threaded rod.
  • the motor / generator may be universal, synchronous, asynchronous AC or DC type.
  • the electric motor (s) can be brushless motors (brushless).
  • the electric motor can be a squirrel cage asynchronous alternating-current AC motor.
  • This type of engine / generator is generally very solid and efficient.
  • this type of asynchronous motor is suitable for generator operation; indeed this type of engine is currently used in particular for wind turbines and in hybrid vehicles.
  • transition from the "engine” operating mode to the "generator” operating mode can be achieved by modifying its operating configuration by means of a suitable control electronics.
  • the linear actuator can be equipped on the same axis of a motor when the actuator must communicate a linear displacement force, and a generator when the actuator operates in the opposite direction.
  • the switching between the motor and the generator can be effected, for example, through a double clutch controlled by a control electronics.
  • the electrical energy supplied to the engine / generator or to the actuator motor can come from energy storage means and / or from another energy source, in particular an electricity distribution network.
  • a DC / AC power converter inverter
  • the electric motor used is DC type, it can be powered directly from the energy storage means by means of a DC / DC power converter.
  • an AC / DC converter is integrated between the motor and the network.
  • an AC / DC converter is integrated between the energy storage means and the electric motor.
  • a DC / DC converter is integrated between the electric motor and the energy storage means.
  • the energy storage means may be means for storing electrical energy or mechanical energy.
  • the electrical energy storage means may comprise electric batteries and / or supercapacitors.
  • the mechanical energy storage means may comprise flywheels.
  • the energy storage means can be combined to provide benefits based on the strengths of each of them; the batteries can be used as the basic power supply for the system and can be supported, during punctual power calls, by supercapacitors or flywheels.
  • Different types of battery can be used for the system according to the invention: lead-acid batteries, lithium-ion (preferably), lithium-polymer, nickel metal hydrides, redox flow or sodium sulfur, etc.
  • Supercapacitors store energy using an electrochemical double layer principle and an electrolyte. They can restore or charge the energy in very short times, allowing to reach significant powers. Their lifespan can reach hundreds of thousands, or millions of cycles when used properly. In addition, the efficiency of supercapacitors is high: of the order of 95%.
  • Flywheels store energy in kinetic form. Their power and energy characteristics are close to those of supercapacitors.
  • the steering wheel can be made of composite materials or steel.
  • the steering wheel includes a system for rotating and recovering energy, a suspension of electromagnetic axes. Flywheels have an almost infinite lifespan.
  • Energy management can be done by a supervision system. Depending on the operating mode chosen (motor or generator), the actuators can load means for storing energy (batteries, super-capacitors, flywheels, etc.), or discharging by power demand this storage device.
  • the supervision system can order the continuous measurement of the load parameters (voltage and current) of the storage means, and then calculate the control parameters such as the available power, the energy capacity, the reaction time, efficiency, etc. If the energy capacity of the storage means is not reached, the energy supplied by the actuators can be stored. In the opposite case, the energy can be directed to a power network (electrical distribution network) annex, provided that it is not overloaded. If the power network does not accept this energy, it can be diverted to a dissipation device or to another energy storage system.
  • the load parameters voltage and current
  • control parameters such as the available power, the energy capacity, the reaction time, efficiency, etc. If the energy capacity of the storage means is not reached, the energy supplied by the actuators can be stored. In the opposite case, the energy can be directed to a power network (electrical distribution network) annex, provided that it is not overloaded. If the power network does not accept this energy, it can be diverted to a dissipation device or to another energy storage system.
  • the supervision system can give the order to continuously measure the discharge parameters (voltage and intensity) of the storage means, and then to calculate the control parameters such as the energy / power ratio, the time reaction, efficiency, etc. If the energy capacity of the storage device is sufficient, the energy can be supplied to the actuators directly through a power electronics.
  • the energy necessary to recharge the storage unit or to supply the actuators is taken on the electrical distribution network, provided that it can supply the requested energy.
  • All these actions can be controlled from programmable logic controllers and control loops controlled from a PC type calculator.
  • the electric linear actuator with its motor has larger dimensions than the single hydraulic cylinder.
  • the hydraulic actuation system also includes an electric motor assembly - hydraulic pump - oil reserve of the hydraulic actuation system, this assembly is replaced for the electrical actuation system by simple electric cables, resulting in a large gain final volume and weight.
  • the linear actuator is a roller screw driven by one or more AC asynchronous electric motors, the electric motors being connected to supercapacitors for storing electrical energy by means of AC / DC converters.
  • This design of the linear actuation system provides optimized energy efficiency, reduced size and weight, and good performance.
  • the invention also relates to a heave compensator equipped with at least one linear actuation system according to the invention.
  • the heave compensator makes it possible to keep drilling tools under constant tension during drilling operations at sea. In fact, the swell causes, among other effects, heave, that is to say an oscillatory movement of vertical translation. , floating machines.
  • the invention can be applied to the compensation system described in patent application FR 2575452 (US 5520369).
  • This patent discloses a device comprising two mittens, at least one compensation cylinder connected to accumulators, a cable, and two articulated arms which comprise pulleys and rods for compensating a movement for an element hooked on a mobile installation.
  • the heave compensator described in this patent application requires, by the use of hydraulic cylinders, the presence of bulky and heavy accumulators.
  • the heave compensator according to the invention comprises:
  • a first muffle also called fixed muffle or English “Crown block", the first muffle being equipped with at least one pulley
  • the second muffle being equipped with at least one pulley; preferably the first and second muffles are aligned vertically,
  • an articulated system comprising at least two articulated arms, preferably two or four arms arranged symmetrically, the articulated arms connecting the mobile installation to the first muffle, each articulated arm comprising at least one pulley,
  • the cable retaining means on the mobile installation may comprise at least one winch for adjusting the length of the cable
  • a linear actuating system as described above one end is connected to the first muffle and the other end is related to the mobile installation, including a floating platform or a ship.
  • a muffle is a mechanical device for lifting a load by several strands of cable.
  • the heave movement of the mobile installation is largely compensated by the movement of the first muffle relative to the mobile installation.
  • the second muffle is stationary relative to a fixed reference, for example the bottom of the sea.
  • the movement of the first muffle is controlled by the linear actuation system and is enabled by the articulated system.
  • FIG. 3 represents a heave compensator according to one embodiment of the invention.
  • the heave compensator is installed on an offshore mobile facility.
  • the compensation system allows to hang an element 16 (for example drilling tools) on a second muffle 21 by means of a hook.
  • the heave compensator further comprises a first muffle 20, two articulated arms 1 1 connected to a support 15 connected to the mobile installation, two linear actuating systems 1 and a cable 13 fixed by retaining means 14, the cable 13 passing through the pulleys of the articulated arms 1 1 and the first and second muffles 20 and 21.
  • the first muffle 20, the second muffle 21 and the hung member are aligned vertically, and the heave movement to be compensated is a vertical movement.
  • each articulated arm 1 1 comprises a pulley 12 connected to the support 15 connected to the mobile installation, an intermediate pulley 17, a first link 18 between the pulley 12 and the pulley intermediate 17 and a second link 19 between the intermediate pulley 17 and the first muffle 8.
  • the rods of the linear actuating systems 1 are completely out and the first muffle 20 is moved away from the level of the mobile installation 15. In this position, the electric motor or motors of the linear actuation 1 are powered by the energy storage means or by an electrical distribution network.
  • the linear actuating system may preferably comprise a roller screw, several asynchronous AC motors and supercapacitors. This design of the linear actuation system allows optimized performance, reduced size and reduced weight of the actuation system, which allows a simplified design of the mobile installation on which the heave compensator is located.
  • a variant of this system can be obtained by adding a jack coupling the muffle 20 of the crown block and the traveling block 21 to adjust more accurately the weight on the tool.
  • linear actuation system according to the invention can also be used directly, without the pulley system as described in patent FR 2575452 (US 5520369). In this case, it alone ensures the maintenance in position of the load.
  • linear actuation system can also be used in a system for tensioning vertical tubes, such as risers which effect the vertical connection between the seabed and the surface on floating supports for drilling or oil production. .
  • linear actuation system can be used in any machine performing alternating movements under a constant effort, or almost constant.
  • any machine performing displacements with cyclic and repetitive force variations such as a test tensile fatigue machine, may be equipped with the system according to the invention: when the machine pulls on the test specimen the necessary electricity is drawn from the energy storage means; when it reduces the effort, the displacement is reversed and braking back can be produced by the generator that will provide electricity to the storage means, thus allowing an interesting energy saving.

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Abstract

The present invention relates to a linear actuation system (3) comprising a reversible linear actuator of the screw-nut type equipped with at least one reversible electric motor system (4) and with energy-storage means (5). The energy-storage means (5) are charged by the linear actuation system (3) operating as a generator and discharge on demand into the electric motor (4).

Description

SYSTEME D'ACTIONNEMENT LINEAIRE ELECTRIQUE EQUIPE DE MOYENS DE  ELECTRICAL LINEAR ACTUATION SYSTEM EQUIPPED WITH MEANS OF
STOCKAGE D'ENERGIE  ENERGY STORAGE
La présente invention concerne le domaine des systèmes électromécaniques générant un mouvement linéaire. La présente invention concerne également le domaine des compensateurs de pilonnement pour la pose de tube de forage en mer. The present invention relates to the field of electromechanical systems generating linear motion. The present invention also relates to the field of heave compensators for laying offshore drilling pipe.
Le domaine technique concerné est celui du remplacement des actionneurs, ou vérins, mus par l'hydraulique et munis de systèmes d'accumulateurs d'énergie oléopneumatiques. Un vérin hydraulique est constitué généralement d'une tige guidée longitudinalement dans un cylindre. Le déplacement est rendu possible par une section solidaire de la tige placée à l'intérieur du corps de vérin et munie d'un joint d'étanchéité. De l'huile sous pression permet de déplacer une charge située à l'extérieur et solidaire de la tige en créant un effort sur la section étanche qui autorise le déplacement. The technical field concerned is the replacement of actuators, or cylinders, moved by hydraulics and equipped with oleopneumatic energy storage systems. A hydraulic cylinder generally consists of a rod guided longitudinally in a cylinder. The displacement is made possible by a section secured to the rod placed inside the cylinder body and provided with a seal. Pressurized oil allows to move a load located outside and secured to the rod by creating a force on the sealed section that allows movement.
Le vérin hydraulique peut être piloté de manière active en jouant directement sur la pression et/ou la quantité d'huile injectée, ou par un système plus sophistiqué d'asservissement via une servovalve par exemple. Le vérin peut aussi être utilisé de façon passive pour accompagner un déplacement d'une charge à effort faiblement variable. L'huile sous pression est alors mise en communication avec une réserve d'air qui va se comprimer ou se détendre sous les effets des variations de volume d'huile liées aux mouvements de la tige du vérin, en modifiant faiblement sa pression initiale. Toutefois, cette compression, faute d'un réservoir infini, va s'accompagner d'une variation d'effort résiduel.  The hydraulic cylinder can be actively controlled by playing directly on the pressure and / or the amount of oil injected, or by a more sophisticated system of servocontrol via a servovalve for example. The cylinder can also be used passively to accompany a displacement of a low-variable force load. The pressurized oil is then placed in communication with a reserve of air that will compress or relax under the effects of oil volume variations related to the movements of the cylinder rod, by slightly modifying its initial pressure. However, this compression, for lack of an infinite reservoir, will be accompanied by a variation of residual effort.
Ces systèmes sont très largement utilisés, notamment dans l'industrie pétrolière en mer. Ils présentent toutefois les défauts d'être lourds, encombrants, de demander des circulations importantes de fluides sous pression, d'avoir des problèmes de fuite d'huile et un rendement qui n'est pas optimal.  These systems are widely used, especially in the offshore oil industry. However, they have the flaws of being heavy, bulky, requiring large flows of pressurized fluids, having problems of oil leakage and performance that is not optimal.
Afin de limiter ces inconvénients, dans nombre d'industries et notamment dans l'industrie aéronautique, on remplace les systèmes hydrauliques par des systèmes électrifiés. Par exemple, pour cela, on peut utiliser des actionneurs électromécaniques tels que décrits dans les demandes de brevet EP 1927543 et EP 2232101 . Le principe général des actionneurs électromécaniques est de réaliser le déplacement linéaire d'un élément (en général une tige) au moyen d'un moteur électrique. On peut classer ces actionneurs électromécaniques en deux familles : In order to limit these disadvantages, in many industries and in particular in the aeronautical industry, the hydraulic systems are replaced by electrified systems. For example, for this, one can use electromechanical actuators as described in patent applications EP 1927543 and EP 2232101. The general principle of electromechanical actuators is to achieve the linear displacement of an element (usually a rod) by means of an electric motor. These electromechanical actuators can be classified into two families:
- les actionneurs à entraînement indirect : ils nécessitent un organe de transmission et de conversion mécanique entre l'actionneur rotatif et sa charge en translation. Ce mode d'entraînement est le plus employé car généralement moins coûteux et donnant satisfaction dans la plupart des applications. - Indirect drive actuators: they require a transmission member and mechanical conversion between the rotary actuator and its load in translation. This drive mode is the most employed because generally less expensive and satisfying in most applications.
- les actionneurs à entraînement direct : ils visent à simplifier la chaîne de transmission par la suppression de l'organe intermédiaire (transformation d'un mouvement rotatif en mouvement linéaire). Dans ce cas, ce sont de véritables actionneurs linéaires électromagnétiques. - Direct drive actuators: they aim to simplify the transmission chain by removing the intermediate member (transformation of a rotary motion into linear motion). In this case, they are true linear electromagnetic actuators.
Toutefois, les actionneurs électromécaniques sont consommateurs d'énergie électrique provenant d'une source d'énergie électrique, souvent un réseau de distribution électrique, ce qui rend leur utilisation complexe, notamment pour une utilisation en mer.  However, electromechanical actuators are consumers of electrical energy from a source of electrical energy, often an electrical distribution network, which makes their use complex, especially for use at sea.
Pour pallier ces inconvénients, la présente invention concerne un système d'actionnement linéaire comprenant un actionneur linéaire réversible, du type vis-écrou, équipé d'au moins un moteur électrique réversible et de moyens de stockage d'énergie. Les moyens de stockage d'énergie sont chargés par le système d'actionnement linéaire fonctionnant en générateur et se déchargent à la demande dans le moteur électrique. Ainsi, l'encombrement du système d'actionnement selon l'invention est réduit par rapport à un système d'actionnement hydraulique et la consommation électrique du système d'actionnement linéaire est réduite grâce aux moyens de stockage d'énergie. To overcome these drawbacks, the present invention relates to a linear actuating system comprising a reversible linear actuator, screw-nut type, equipped with at least one reversible electric motor and energy storage means. The energy storage means are loaded by the linear actuating system operating as a generator and are discharged on demand into the electric motor. Thus, the size of the actuating system according to the invention is reduced compared to a hydraulic actuation system and the power consumption of the linear actuating system is reduced by the energy storage means.
Le système selon l'invention The system according to the invention
L'invention concerne un système d'actionnement linéaire comprenant une tige mobile liée à un actionneur linéaire réversible du type vis-écrou, ledit actionneur linéaire étant entraîné par au moins un système moteur électrique. Ledit système d'actionnement linéaire comprend au moins un moyen de stockage d'énergie connecté audit système moteur électrique, et ledit système moteur électrique fonctionne en tant que générateur pour charger lesdits moyens de stockage d'énergie lorsqu'un mouvement est appliqué sur ladite tige et en tant que moteur pour générer un mouvement de translation rectiligne à ladite tige.  The invention relates to a linear actuation system comprising a movable rod connected to a reversible linear actuator of the screw-nut type, said linear actuator being driven by at least one electric motor system. Said linear actuation system comprises at least one energy storage means connected to said electric motor system, and said electric motor system functions as a generator for charging said energy storage means when a movement is applied on said rod and as a motor for generating a rectilinear translational motion to said rod.
Selon l'invention, ledit actionneur linéaire est un dispositif du type vis-écrou comprenant une pluralité de rouleaux ou de billes entraînés par ledit moteur électrique, ladite pluralité de rouleaux ou de billes entraînant une tige filetée dudit actionneur linéaire.  According to the invention, said linear actuator is a screw-nut type device comprising a plurality of rollers or balls driven by said electric motor, said plurality of rollers or balls driving a threaded rod of said linear actuator.
Avantageusement, ladite tige filetée dudit actionneur comprend un filetage de type triangulaire, trapézoïdal ou de forme ovoïde.  Advantageously, said threaded rod of said actuator comprises a thread of the triangular, trapezoidal or ovoid-shaped type.
Selon un aspect de l'invention, ledit moyen de stockage d'énergie comprend au moins un moyen de stockage d'énergie électrique, comportant notamment au moins une batterie électrique et/ou au moins un supercondensateur. Selon une caractéristique de l'invention, ledit moyen de stockage d'énergie comprend au moins un moyen de stockage d'énergie mécanique, notamment au moins un volant d'inertie. According to one aspect of the invention, said energy storage means comprises at least one electrical energy storage means, comprising in particular at least one electric battery and / or at least one supercapacitor. According to one characteristic of the invention, said energy storage means comprises at least one mechanical energy storage means, in particular at least one flywheel.
Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit système d'actionnement linéaire comporte des moyens de commande dudit système moteur électrique.  According to one embodiment of the invention, said linear actuation system comprises control means of said electric motor system.
De préférence, ledit système moteur électrique est alimenté par lesdits moyens de stockage d'énergie.  Preferably, said electric motor system is powered by said energy storage means.
De manière avantageuse, ledit système d'actionnement linéaire est relié à un réseau de distribution électrique.  Advantageously, said linear actuation system is connected to an electrical distribution network.
Selon une variante de réalisation de l'invention, ledit système moteur électrique est alimenté par ledit réseau de distribution électrique lorsque les moyens de stockage d'énergie sont déchargés ou ne sont pas en état de fournir de l'énergie au système moteur électrique.  According to an alternative embodiment of the invention, said electric motor system is powered by said power distribution network when the energy storage means are discharged or are not able to supply energy to the electric motor system.
Avantageusement, ledit système moteur électrique injecte de l'énergie dans le réseau de distribution électrique lorsque ledit système moteur électrique fonctionne en tant que générateur et lorsque lesdits moyens de stockage d'énergie sont chargés.  Advantageously, said electric motor system injects energy into the electrical distribution network when said electric motor system operates as a generator and when said energy storage means are loaded.
En outre, l'invention concerne un compensateur de pilonnement pour des outils de forages accrochés à une installation mobile. Ledit compensateur de pilonnement comprend au moins un système d'actionnement linéaire selon l'invention pour maintenir en tension constante lesdits outils de forage. In addition, the invention relates to a heave compensator for drilling tools attached to a mobile installation. Said heave compensator comprises at least one linear actuation system according to the invention for maintaining in constant tension said drilling tools.
Selon l'invention, ledit compensateur comporte un premier moufle et un deuxième moufle servant à accrocher lesdits outils de forage, ledit premier moufle étant relié à l'installation mobile au moyen d'au moins deux bras articulés, chaque bras articulé comprenant au moins une poulie, ledit compensateur de pilonnement comportant un câble fixé sur des moyens de retenue, ledit câble passant par les poulies desdits bras articulés et par lesdits premier et deuxième moufles, ledit compensateur de pilonnement comportant au moins un système d'actionnement linéaire lié audit premier moufle et à l'installation mobile.  According to the invention, said compensator comprises a first muffle and a second muffle for hanging said drilling tools, said first muffle being connected to the mobile installation by means of at least two articulated arms, each articulated arm comprising at least one pulley, said heave compensator comprising a cable fixed on retaining means, said cable passing through the pulleys of said articulated arms and by said first and second muffles, said heave compensator comprising at least one linear actuation system connected to said first muffle and mobile installation.
De préférence, l'installation mobile est un support flottant ou un navire. L'invention concerne également une Utilisation du système d'actionnement linéaire selon l'invention pour un système de tensionnement de tubes verticaux disposés entre le fond de la mer et une installation mobile. Présentation succincte des figures Preferably, the mobile installation is a floating support or a ship. The invention also relates to a use of the linear actuation system according to the invention for a system for tensioning vertical tubes arranged between the seabed and a mobile installation. Brief presentation of the figures
D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.  Other features and advantages of the method according to the invention will appear on reading the following description of nonlimiting examples of embodiments, with reference to the appended figures and described below.
La figure 1 illustre un système d'actionnement linéaire selon l'invention.  FIG. 1 illustrates a linear actuation system according to the invention.
La figure 2 illustre un actionneur linéaire de type vis à rouleaux selon l'invention (illustration issue du catalogue « vis à rouleaux » de SKF ®) .  FIG. 2 illustrates a roller screw type linear actuator according to the invention (illustration from SKF ® roller screw catalog).
La figure 3 illustre un compensateur de pilonnement selon l'invention. Description détaillée de l'invention  Figure 3 illustrates a heave compensator according to the invention. Detailed description of the invention
La présente invention concerne un système d'actionnement linéaire qui génère un mouvement de translation rectiligne linéaire. Le système d'actionnement linéaire selon l'invention comprend :  The present invention relates to a linear actuating system that generates a linear rectilinear motion. The linear actuation system according to the invention comprises:
une tige ayant un mouvement de translation rectiligne,  a rod having a rectilinear translational movement,
- un actionneur linéaire du type vis-écrou, par exemple à filetage ou à bille, notamment satellitaire qui convertit de manière réversible un mouvement de rotation en mouvement de translation, la vis de l'actionneur linéaire pouvant correspondre à la tige du système ou pouvant être fixée à la tige du système, au moins un système moteur électrique, apte à fonctionner en tant que moteur, en générant un mouvement rotatif à partir d'un courant électrique, et apte à fonctionner en tant que générateur en fournissant un courant électrique à partir d'un mouvement rotatif, le système moteur électrique entraînant l'actionneur linéaire et inversement ; le système moteur électrique peut être, selon l'application, un moteur /générateur intégré dans un même corps ou alternativement, un moteur et un générateur séparés,  a linear actuator of the screw-nut type, for example with a thread or a ball, in particular a satellite, which reversibly converts a rotational movement into translational movement, the screw of the linear actuator possibly corresponding to the rod of the system or being able to be attached to the system shaft, at least one electric motor system, operable as a motor, generating a rotary motion from an electric current, and adapted to function as a generator by supplying an electric current to from a rotary motion, the electric motor system driving the linear actuator and vice versa; the electric motor system may be, depending on the application, a motor / generator integrated in the same body or alternatively, a separate motor and generator,
au moins un moyen de stockage d'énergie qui est connecté au moteur électrique, et qui emmagasine l'énergie générée quand le moteur fonctionne en tant que générateur, et qui fournit de l'énergie quand le moteur fonctionne en tant que moteur.  at least one energy storage means that is connected to the electric motor, and stores the energy generated when the engine is operating as a generator, and that provides power when the engine is operating as a motor.
Ainsi, lorsque le système souhaite générer un mouvement de translation, les moyens de stockage d'énergie, ou une autre source d'énergie, fournissent de l'énergie au moteur électrique qui entraîne l'actionneur linéaire, ce qui génère un mouvement de translation rectiligne de la tige. Inversement, lorsqu'un mouvement de translation est imposé à la tige, l'actionneur linéaire génère un mouvement de rotation qui est convertit en énergie par le moteur électrique fonctionnant en générateur ; cette énergie générée est stockée dans les moyens de stockage d'énergie. La figure 1 illustre un système d'actionnement linéaire selon l'invention. Le système d'actionnement linéaire 1 comporte une tige 2, un actionneur mécanique 3 muni d'un réducteur mécanique, au moins un moteur électrique 4 et des moyens de stockage d'énergie 5. L'axe de l'actionneur linéaire 3 correspond à la tige 2. Le moteur électrique 4 est un moteur/générateur (alternativement, il peut être un moteur et un générateur séparé). Les moyens de stockage d'énergie 5 sont connectés au moteur électrique 4, notamment au travers d'une électronique de puissance 7. Tel que représenté, et de manière optionnelle, le moteur électrique 4 est également connecté à un système de gestion du réseau de distribution électrique 6, notamment au moyen de l'électronique de puissance 7. Le moteur électrique 4, les moyens de stockage d'énergie 5 et optionnellement le système de gestion du réseau de distribution électrique 9, peuvent être contrôlés par une électronique de commande 8, de manière à pouvoir alimenter le moteur électrique 4 lorsqu'il fonctionne en moteur, et récupérer de l'énergie fournie par le moteur électrique 4 pour la stocker dans les moyens 5 ou la redistribuer vers le réseau de distribution électrique 6. De plus, selon l'exemple illustré sur la figure 1 , l'électronique de commande 8 peut recevoir un signal d'un capteur 22 placé sur la tige 2. Le capteur 22 peut être notamment un capteur de position. Thus, when the system wishes to generate a translational movement, the energy storage means, or another energy source, supplies energy to the electric motor that drives the linear actuator, which generates a translational movement. rectilinear stem. Conversely, when a translation movement is imposed on the rod, the linear actuator generates a rotational movement which is converted into energy by the electric motor operating as a generator; this generated energy is stored in the energy storage means. FIG. 1 illustrates a linear actuation system according to the invention. The linear actuation system 1 comprises a rod 2, a mechanical actuator 3 provided with a mechanical gear, at least one electric motor 4 and energy storage means 5. The axis of the linear actuator 3 corresponds to the rod 2. The electric motor 4 is a motor / generator (alternatively, it can be a motor and a separate generator). The energy storage means 5 are connected to the electric motor 4, in particular through a power electronics 7. As shown, and optionally, the electric motor 4 is also connected to a control system of the power supply network. electrical distribution 6, in particular by means of the power electronics 7. The electric motor 4, the energy storage means 5 and optionally the management system of the electrical distribution network 9 can be controlled by a control electronics 8 so as to be able to supply the electric motor 4 when operating as a motor, and to recover energy supplied by the electric motor 4 to store it in the means 5 or to redistribute it to the electrical distribution network 6. Moreover, according to the example illustrated in FIG. 1, the control electronics 8 can receive a signal from a sensor 22 placed on the rod 2. The sensor 22 can notably be a position sensor.
Selon un aspect de l'invention, l'actionneur linéaire est un actionneur à entraînement indirect. En effet, les performances des actionneurs à entraînement indirect sont bien adaptées aux contraintes de fonctionnement classiques de ce type de système, notamment en termes de robustesse, de poussée importante, etc.. L'actionneur linéaire est une liaison vis-écrou entre la tige et le système moteur électrique. Pour l'actionneur linéaire, l'écrou est fixe, alors que la tige est mobile. According to one aspect of the invention, the linear actuator is an indirect drive actuator. Indeed, the performance of the indirect drive actuators are well adapted to the conventional operating constraints of this type of system, particularly in terms of robustness, significant thrust, etc. The linear actuator is a screw-nut connection between the rod and the electric motor system. For the linear actuator, the nut is fixed, while the rod is movable.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'actionneur linéaire de type vis-écrou peut être un actionneur de type vis à billes ou vis à rouleaux. Dans ce cas, l'actionneur linéaire comporte une pluralité d'éléments roulants, c'est-à-dire des vis ou des rouleaux qui sont entraînés par le ou les moteurs électriques et qui entraînent une partie filetée de la vis et inversement. La partie filetée de la vis est conditionnée de manière à rendre l'actionneur linéaire réversible ; par exemple les pas de vis de l'actionneur peuvent présenter un filetage de type triangulaire, trapézoïdal, ou de forme ovoïde avec un angle d'hélice supérieur à celui du coefficient de frottement. De plus, le métal de la vis peut être choisi pour présenter un coefficient de frottement le plus faible possible grâce à un traitement de surface approprié. Un système de graissage continu et de protection peut également être prévu à cet effet.  According to one embodiment of the invention, the linear actuator of the screw-nut type can be a ball screw type actuator or roller screw. In this case, the linear actuator comprises a plurality of rolling elements, that is to say screws or rollers which are driven by the electric motor or motors and which drive a threaded portion of the screw and vice versa. The threaded portion of the screw is conditioned to make the linear actuator reversible; for example the screw threads of the actuator may have a triangular thread, trapezoidal, or ovoid-shaped with a helix angle greater than that of the coefficient of friction. In addition, the metal of the screw can be chosen to have the lowest coefficient of friction possible thanks to a suitable surface treatment. A continuous lubrication and protection system can also be provided for this purpose.
La figure 2 illustre un exemple de vis à rouleaux pouvant être utilisé pour un système d'actionnement linéaire selon l'invention. La figure 2 est une illustration issue du catalogue « vis à rouleaux » de la société SKF ® (publication 4351 FR - 2008-01 ). La vis à rouleaux 3 comporte une tige filetée entourée d'une pluralité de rouleaux 9, la tige filetée et les rouleaux 9 étant disposés dans un écrou 10. La tige filetée de la vis à rouleaux correspond à la tige 2 du système d'actionnement linéaire. Afin de permettre le déplacement de la tige 2, un ou plusieurs moteurs entraînent en rotation les rouleaux 9 qui agissent sur la tige filetée et lui communiquent un effort de déplacement linéaire. Inversement, lorsqu'un effort de déplacement est appliqué à la tige 2, la tige filetée entraîne en rotation les rouleaux 9, qui quant à eux entraînent le ou les moteurs électriques. FIG. 2 illustrates an exemplary roller screw that can be used for a linear actuation system according to the invention. Figure 2 is an illustration from the catalog "screw roller" SKF ® (publication 4351 EN - 2008-01). The roller screw 3 comprises a threaded rod surrounded by a plurality of rollers 9, the threaded rod and the rollers 9 being arranged in a nut 10. The threaded rod of the roller screw corresponds to the rod 2 of the linear actuating system. In order to allow the displacement of the rod 2, one or more motors rotate the rollers 9 which act on the threaded rod and impart to it a linear displacement force. Conversely, when a displacement force is applied to the rod 2, the threaded rod rotates the rollers 9, which in turn drive the electric motor or motors.
Les vis à rouleaux ont une durée de vie très importante, peuvent être utilisées pour des vitesses et accélérations élevées, sont précises, fiables, et possèdent une meilleure efficacité énergétique que les vérins hydrauliques. De plus, ces actionneurs linéaires sont conçus de manière à n'opposer que peu de frottements sous l'effet d'un chargement ; par conséquent, de l'énergie peut être récupérée sur la phase de retour, lorsqu'un mouvement est imposé à la tige filetée.  Roller screws have a very long service life, can be used for high speeds and accelerations, are precise, reliable, and have better energy efficiency than hydraulic cylinders. In addition, these linear actuators are designed to oppose only few friction under the effect of a load; therefore, energy can be recovered on the return phase, when motion is imposed on the threaded rod.
Selon un aspect de l'invention, le moteur/générateur peut être de type universel, synchrone, asynchrone à courant alternatif ou à courant continu. Le ou les moteurs électriques peuvent être des moteurs sans balais (de l'anglais « brushless »). Par exemple, le moteur électrique peut être un moteur asynchrone à courant alternatif de type cage d'écureuil en alternateur. Ce type de moteur/générateur est généralement très solide et performant. De plus, ce type de moteur asynchrone est adapté pour le fonctionnement en générateur ; en effet ce type de moteur est actuellement utilisé notamment pour les éoliennes et dans les véhicules hybrides. According to one aspect of the invention, the motor / generator may be universal, synchronous, asynchronous AC or DC type. The electric motor (s) can be brushless motors (brushless). For example, the electric motor can be a squirrel cage asynchronous alternating-current AC motor. This type of engine / generator is generally very solid and efficient. In addition, this type of asynchronous motor is suitable for generator operation; indeed this type of engine is currently used in particular for wind turbines and in hybrid vehicles.
Le passage du mode de fonctionnement « moteur » au mode de fonctionnement « générateur » peut être réalisé en modifiant sa configuration de fonctionnement au moyen d'une électronique de commande adaptée.  The transition from the "engine" operating mode to the "generator" operating mode can be achieved by modifying its operating configuration by means of a suitable control electronics.
Selon un autre mode de fonctionnement, l'actionneur linéaire peut être équipé sur un même axe d'un moteur lorsque l'actionneur doit communiquer un effort de déplacement linéaire, et d'un générateur lorsque l'actionneur fonctionne en sens inverse. La commutation entre le moteur et le générateur peut s'effectuer, par exemple, au travers d'un double embrayage piloté par une électronique de commande.  According to another mode of operation, the linear actuator can be equipped on the same axis of a motor when the actuator must communicate a linear displacement force, and a generator when the actuator operates in the opposite direction. The switching between the motor and the generator can be effected, for example, through a double clutch controlled by a control electronics.
L'énergie électrique fournie au moteur/générateur ou au moteur de l'actionneur peut provenir des moyens de stockage de l'énergie et/ou d'une autre source d'énergie, notamment un réseau de distribution d'électricité. Afin d'alimenter le moteur électrique de type à courant alternatif à partir des moyens de stockage d'énergie, un convertisseur de puissance DC/AC (onduleur) est intégré entre le moteur électrique et les moyens de stockage d'énergie électrique. Dans le cas où le moteur électrique utilisé est de type à courant continu, celui-ci peut être alimenté directement à partir des moyens de stockage d'énergie, au moyen d'un convertisseur de puissance DC/DC. Et si l'énergie est fournie par un réseau de distribution électrique, un convertisseur AC/DC est intégré entre le moteur et le réseau. The electrical energy supplied to the engine / generator or to the actuator motor can come from energy storage means and / or from another energy source, in particular an electricity distribution network. In order to supply the AC type electric motor from the energy storage means, a DC / AC power converter (inverter) is integrated between the electric motor and the electrical energy storage means. In the case where the electric motor used is DC type, it can be powered directly from the energy storage means by means of a DC / DC power converter. And if energy is provided by an electrical distribution network, an AC / DC converter is integrated between the motor and the network.
De même, en fonctionnement générateur du moteur électrique à courant alternatif, un convertisseur AC/DC est intégré entre les moyens de stockage d'énergie et le moteur électrique. Dans le cas où le moteur/générateur fonctionne en courant continu, un convertisseur DC/DC est intégré entre le moteur électrique et les moyens de stockage d'énergie.  Similarly, in generator operation of the AC electric motor, an AC / DC converter is integrated between the energy storage means and the electric motor. In the case where the motor / generator operates in direct current, a DC / DC converter is integrated between the electric motor and the energy storage means.
Selon un aspect de l'invention, les moyens de stockage d'énergie peuvent être des moyens de stockage d'énergie électrique ou d'énergie mécanique. Dans le premier cas, les moyens de stockage d'énergie électrique peuvent comprendre des batteries électriques et/ou des supercondensateurs. Dans le deuxième cas, les moyens de stockage d'énergie mécanique peuvent comprendre des volants d'inertie. Les moyens de stockage d'énergie peuvent être combinés afin d'apporter des avantages basés sur les points forts de chacun d'entre eux ; les batteries peuvent être utilisées comme alimentation de base du système et peuvent être épaulées, lors des appels ponctuels de puissance, par des supercondensateurs ou des volants d'inertie. According to one aspect of the invention, the energy storage means may be means for storing electrical energy or mechanical energy. In the first case, the electrical energy storage means may comprise electric batteries and / or supercapacitors. In the second case, the mechanical energy storage means may comprise flywheels. The energy storage means can be combined to provide benefits based on the strengths of each of them; the batteries can be used as the basic power supply for the system and can be supported, during punctual power calls, by supercapacitors or flywheels.
Les batteries stockent l'énergie sous forme électrochimique ; elles mettent en œuvre des réactions d'oxydo-réduction entre deux masses à travers un électrolyte. Leurs caractéristiques sont donc une énergie réversible emmagasinée importante. Différents types de batterie peuvent être utilisés pour le système selon l'invention : des batteries au plomb, lithium-ion (de préférence), lithium-polymère, nickel métal hydrures, redox flow ou sodium soufre, etc.  Batteries store energy in electrochemical form; they implement oxidation-reduction reactions between two masses through an electrolyte. Their characteristics are therefore an important stored reversible energy. Different types of battery can be used for the system according to the invention: lead-acid batteries, lithium-ion (preferably), lithium-polymer, nickel metal hydrides, redox flow or sodium sulfur, etc.
Les supercondensateurs emmagasinent l'énergie en utilisant un principe de double couche électrochimique et un électrolyte. Ils peuvent restituer ou charger l'énergie en des temps très courts, permettant d'atteindre des puissances importantes. Leur durée de vie peut atteindre des centaines de milliers, ou des millions de cycles lorsqu'ils sont bien utilisés. De plus, le rendement des supercondensateurs est élevé : de l'ordre de 95 %.  Supercapacitors store energy using an electrochemical double layer principle and an electrolyte. They can restore or charge the energy in very short times, allowing to reach significant powers. Their lifespan can reach hundreds of thousands, or millions of cycles when used properly. In addition, the efficiency of supercapacitors is high: of the order of 95%.
Les volants d'inertie emmagasinent l'énergie sous forme cinétique. Leurs caractéristiques en puissance et énergie sont proches de celles des supercondensateurs. Le volant peut être constitué de matériaux composites ou d'acier. Le volant comprend un système de mise en rotation et de récupération de l'énergie, une suspension d'axes électromagnétiques. Les volants d'inertie présentent une durée de vie quasi infinie. La gestion de l'énergie peut être effectuée par un système de supervision. Selon le mode de fonctionnement choisi (moteur ou générateur), les actionneurs peuvent charger des moyens de stockage d'énergie (batteries, super-condensateurs, volants d'inertie, etc.), soit décharger par appel de puissance ce dispositif de stockage. Flywheels store energy in kinetic form. Their power and energy characteristics are close to those of supercapacitors. The steering wheel can be made of composite materials or steel. The steering wheel includes a system for rotating and recovering energy, a suspension of electromagnetic axes. Flywheels have an almost infinite lifespan. Energy management can be done by a supervision system. Depending on the operating mode chosen (motor or generator), the actuators can load means for storing energy (batteries, super-capacitors, flywheels, etc.), or discharging by power demand this storage device.
Durant la phase de charge, le système de supervision peut donner l'ordre de mesurer en continu les paramètres de charge (tension et intensité) des moyens de stockage, puis calculer les paramètres de contrôle tels que la puissance disponible, la capacité énergétique, le temps de réaction, l'efficacité, etc. Si la capacité énergétique des moyens de stockage n'est pas atteinte, l'énergie fournie par les actionneurs peut être stockée. Dans le cas contraire, l'énergie peut être dirigée vers un réseau de puissance (réseau de distribution électrique) annexe, à condition que celui-ci ne soit pas en surcharge. Si le réseau de puissance n'accepte pas cette énergie, elle peut être déviée vers un dispositif de dissipation ou vers un autre système de stockage d'énergie.  During the charging phase, the supervision system can order the continuous measurement of the load parameters (voltage and current) of the storage means, and then calculate the control parameters such as the available power, the energy capacity, the reaction time, efficiency, etc. If the energy capacity of the storage means is not reached, the energy supplied by the actuators can be stored. In the opposite case, the energy can be directed to a power network (electrical distribution network) annex, provided that it is not overloaded. If the power network does not accept this energy, it can be diverted to a dissipation device or to another energy storage system.
Durant la phase de décharge, le système de supervision peut donner l'ordre de mesurer en continu les paramètres de décharge (tension et intensité) des moyens de stockage, puis de calculer les paramètres de contrôle tels que le ratio énergie/puissance, le temps de réaction, l'efficacité, etc. Si la capacité énergétique du dispositif de stockage est suffisante, l'énergie peut être fournie aux actionneurs directement au travers d'une électronique de puissance.  During the discharge phase, the supervision system can give the order to continuously measure the discharge parameters (voltage and intensity) of the storage means, and then to calculate the control parameters such as the energy / power ratio, the time reaction, efficiency, etc. If the energy capacity of the storage device is sufficient, the energy can be supplied to the actuators directly through a power electronics.
Dans le cas contraire, l'énergie nécessaire à recharger l'unité de stockage ou à alimenter les actionneurs est prise sur le réseau de distribution électrique, à condition que celui-ci puisse fournir l'énergie demandée.  In the opposite case, the energy necessary to recharge the storage unit or to supply the actuators is taken on the electrical distribution network, provided that it can supply the requested energy.
Toutes ces actions peuvent être contrôlées à partir d'automates programmables et de boucles d'asservissements commandés à partir d'un calculateur de type PC.  All these actions can be controlled from programmable logic controllers and control loops controlled from a PC type calculator.
Par comparaison avec un système d'actionnement hydraulique, l'actionneur linéaire électrique avec son moteur possède des dimensions plus importantes que le seul vérin hydraulique. Toutefois, le système d'actionnement hydraulique comprend également un ensemble moteur électrique - pompe hydraulique - réserve d'huile du système d'actionnement hydraulique, cet ensemble est remplacé pour le système d'actionnement électrique par de simples câbles électriques, entraînant un important gain final de volume et de poids. In comparison with a hydraulic actuation system, the electric linear actuator with its motor has larger dimensions than the single hydraulic cylinder. However, the hydraulic actuation system also includes an electric motor assembly - hydraulic pump - oil reserve of the hydraulic actuation system, this assembly is replaced for the electrical actuation system by simple electric cables, resulting in a large gain final volume and weight.
Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, l'actionneur linéaire est une vis à rouleaux entraînée par un ou plusieurs moteurs électriques asynchrones à courant alternatif, les moteurs électriques étant connectés à des supercondensateurs pour le stockage de l'énergie électrique au moyen de convertisseurs AC/DC. Cette conception du système d'actionnement linéaire permet un rendement énergétique optimisé, un encombrement et un poids réduits et de bonnes performances. L'invention concerne également un compensateur de pilonnement équipé d'au moins un système d'actionnement linéaire selon l'invention. Le compensateur de pilonnement permet de maintenir sous tension constante des outils de forage lors d'opérations de forage en mer. En effet, la houle provoque, entre autres effets, le pilonnement, c'est-à-dire un mouvement oscillatoire de translation verticale, des engins flottants. Quand ceux-ci supportent des outils, tels que des outils de forage, il est nécessaire de compenser le pilonnement afin que l'outil soit en permanence en contact avec le fond du trou. Par exemple, l'invention peut s'appliquer au système de compensation décrit dans la demande de brevet FR 2575452 (US 5520369). Ce brevet décrit un dispositif comprenant deux moufles, au moins un vérin de compensation relié à des accumulateurs, un câble, et deux bras articulés qui comprennent des poulies et des tiges permettant de compenser un mouvement pour un élément accroché sur une installation mobile. Toutefois, le compensateur de pilonnement décrit dans cette demande de brevet nécessite, par l'utilisation de vérins hydrauliques, la présence d'accumulateurs encombrants et lourds. According to a preferred embodiment of the invention, the linear actuator is a roller screw driven by one or more AC asynchronous electric motors, the electric motors being connected to supercapacitors for storing electrical energy by means of AC / DC converters. This design of the linear actuation system provides optimized energy efficiency, reduced size and weight, and good performance. The invention also relates to a heave compensator equipped with at least one linear actuation system according to the invention. The heave compensator makes it possible to keep drilling tools under constant tension during drilling operations at sea. In fact, the swell causes, among other effects, heave, that is to say an oscillatory movement of vertical translation. , floating machines. When these support tools, such as drilling tools, it is necessary to compensate the heave so that the tool is permanently in contact with the bottom of the hole. For example, the invention can be applied to the compensation system described in patent application FR 2575452 (US 5520369). This patent discloses a device comprising two mittens, at least one compensation cylinder connected to accumulators, a cable, and two articulated arms which comprise pulleys and rods for compensating a movement for an element hooked on a mobile installation. However, the heave compensator described in this patent application requires, by the use of hydraulic cylinders, the presence of bulky and heavy accumulators.
Le compensateur de pilonnement selon l'invention comporte :  The heave compensator according to the invention comprises:
- un premier moufle, également appelé moufle fixe ou en anglais « Crown block », le premier moufle étant équipé d'au moins une poulie  - A first muffle, also called fixed muffle or English "Crown block", the first muffle being equipped with at least one pulley
- un deuxième moufle, également appelé moufle mobile ou en anglais - a second mitt, also called mobile mittens
« Travelling block », sur lequel est accroché les outils de forage, le deuxième moufle étant équipé d'au moins une poulie ; de préférence les premier et deuxième moufles sont alignés verticalement, "Traveling block", on which is hanging the drilling tools, the second muffle being equipped with at least one pulley; preferably the first and second muffles are aligned vertically,
- un système articulé comprenant au moins deux bras articulés, de préférence deux ou quatre bras disposés symétriquement, les bras articulés reliant l'installation mobile au premier moufle, chaque bras articulé comprenant au moins une poulie,  an articulated system comprising at least two articulated arms, preferably two or four arms arranged symmetrically, the articulated arms connecting the mobile installation to the first muffle, each articulated arm comprising at least one pulley,
- un câble fixé par des moyens de retenue sur l'installation mobile et passant par les poulies des bras articulés et des premier et deuxième moufles, le câble formant au moins une boucle autour des premier et deuxième moufles ; les moyens de retenue du câble sur l'installation mobile peuvent comprendre au moins un treuil permettant de régler la longueur du câble, et a cable fixed by retaining means to the mobile installation and passing through the pulleys of the articulated arms and the first and second muffles, the cable forming at least one loop around the first and second mittens; the cable retaining means on the mobile installation may comprise at least one winch for adjusting the length of the cable, and
- un système d'actionnement linéaire tel que décrit précédemment, dont une extrémité est liée au premier moufle et l'autre extrémité est liée à l'installation mobile, notamment une plateforme flottante ou un navire. - A linear actuating system as described above, one end is connected to the first muffle and the other end is related to the mobile installation, including a floating platform or a ship.
On rappelle qu'un moufle est un dispositif mécanique permettant le levage d'une charge par plusieurs brins de câble. Le mouvement de pilonnement de l'installation mobile est compensé en grande partie par le déplacement du premier moufle par rapport à l'installation mobile. Ainsi, le deuxième moufle est immobile par rapport à un repère fixe, par exemple le fond de la mer. Le déplacement du premier moufle est piloté par le système d'actionnement linéaire et est permis par le système articulé. It is recalled that a muffle is a mechanical device for lifting a load by several strands of cable. The heave movement of the mobile installation is largely compensated by the movement of the first muffle relative to the mobile installation. Thus, the second muffle is stationary relative to a fixed reference, for example the bottom of the sea. The movement of the first muffle is controlled by the linear actuation system and is enabled by the articulated system.
La figure 3 représente un compensateur de pilonnement selon un mode de réalisation de l'invention. Le compensateur de pilonnement est installé sur une installation mobile offshore. Le système de compensation permet d'accrocher un élément 16 (par exemple des outils de forage) sur un deuxième moufle 21 par l'intermédiaire d'un crochet. Le compensateur de pilonnement comporte en outre un premier moufle 20, deux bras articulés 1 1 reliés à un support 15 relié à l'installation mobile, deux systèmes d'actionnement linéaire 1 et un câble 13 fixé par des moyens de retenue 14, le câble 13 passant par les poulies des bras articulés 1 1 et par les premier et deuxième moufles 20 et 21 . Tel que représenté, le premier moufle 20, le deuxième moufle 21 et l'élément accroché sont alignés verticalement, et le mouvement de pilonnement à compenser est un mouvement vertical. FIG. 3 represents a heave compensator according to one embodiment of the invention. The heave compensator is installed on an offshore mobile facility. The compensation system allows to hang an element 16 (for example drilling tools) on a second muffle 21 by means of a hook. The heave compensator further comprises a first muffle 20, two articulated arms 1 1 connected to a support 15 connected to the mobile installation, two linear actuating systems 1 and a cable 13 fixed by retaining means 14, the cable 13 passing through the pulleys of the articulated arms 1 1 and the first and second muffles 20 and 21. As shown, the first muffle 20, the second muffle 21 and the hung member are aligned vertically, and the heave movement to be compensated is a vertical movement.
Tel qu'illustré et de manière non limitative, chaque bras articulé 1 1 comporte une poulie de renvoi 12 reliée au support 15 relié à l'installation mobile, une poulie intermédiaire 17, une première biellette 18 entre la poulie de renvoi 12 et la poulie intermédiaire 17 et une deuxième biellette 19 entre la poulie intermédiaire 17 et le premier moufle 8.  As illustrated and in a nonlimiting manner, each articulated arm 1 1 comprises a pulley 12 connected to the support 15 connected to the mobile installation, an intermediate pulley 17, a first link 18 between the pulley 12 and the pulley intermediate 17 and a second link 19 between the intermediate pulley 17 and the first muffle 8.
Lorsque le niveau de la mer est bas, les tiges des systèmes d'actionnement linéaire 1 sont entièrement sorties et le premier moufle 20 est éloigné du niveau de l'installation mobile 15. Dans cette position, le ou les moteurs électriques des systèmes d'actionnement linéaire 1 sont alimentés par les moyens de stockage d'énergie ou par un réseau de distribution électrique.  When the sea level is low, the rods of the linear actuating systems 1 are completely out and the first muffle 20 is moved away from the level of the mobile installation 15. In this position, the electric motor or motors of the linear actuation 1 are powered by the energy storage means or by an electrical distribution network.
A l'inverse, lorsque le niveau de la mer monte, les tiges des systèmes d'actionnement linéaire sont entièrement rentrées et le premier moufle 20 est proche du niveau de l'installation mobile 15. Dans cette position, le ou les moteurs électriques des systèmes d'actionnement linéaire 1 fournissent de l'énergie qui est stockée dans les moyens de stockage d'énergie.  Conversely, when the sea level rises, the rods of the linear actuating systems are fully retracted and the first muffle 20 is close to the level of the mobile installation 15. In this position, the electric motor or motors of the Linear actuation systems 1 provide energy that is stored in the energy storage means.
Dans ce cas, par rapport à l'art antérieur des vérins hydrauliques avec leurs réserves oléopneumatiques, on évite tous les systèmes encombrants et complexes de circulation de fluide, tous les problèmes de fuite hydraulique. De plus, le gain de masse et de volume lié au remplacement des réserves oléopneumatiques, par des supercondensateurs par exemple peut être très conséquent, approchant un ordre de grandeur dans les cas favorables, ce qui a d'importantes répercussions sur l'encombrement de la plate-forme. Pour cette application du système d'actionnement linéaire au compensateur de pilonnement, le système d'actionnement linéaire peut comprendre de préférence une vis à rouleaux, plusieurs moteurs asynchrones à courant alternatifs et des supercondensateurs. Cette conception du système d'actionnement linéaire permet un rendement optimisé, un encombrement et un poids réduits du système d'actionnement, ce qui permet une conception simplifiée de l'installation mobile sur laquelle se trouve le compensateur de pilonnement. In this case, compared to the prior art hydraulic cylinders with their oleopneumatic reserves, it avoids all cumbersome and complex systems of fluid circulation, all the problems of hydraulic leakage. In addition, the weight and volume gain associated with the replacement of oil and gas reserves by supercapacitors, for example, can be very substantial, approaching an order of magnitude in favorable cases, which has a significant impact on the congestion of the platform. For this application of the linear actuation system to heave compensator, the linear actuating system may preferably comprise a roller screw, several asynchronous AC motors and supercapacitors. This design of the linear actuation system allows optimized performance, reduced size and reduced weight of the actuation system, which allows a simplified design of the mobile installation on which the heave compensator is located.
Une variante de ce système peut être obtenue en ajoutant un vérin couplant le moufle 20 du crown block et le travelling block 21 permettant d'ajuster de manière plus précise le poids sur l'outil. A variant of this system can be obtained by adding a jack coupling the muffle 20 of the crown block and the traveling block 21 to adjust more accurately the weight on the tool.
Le système d'actionnement linéaire selon l'invention peut aussi être utilisé directement, sans le système de poulie tel que décrit dans brevet FR 2575452 (US 5520369). Dans ce cas, il assure seul le maintien en position de la charge. The linear actuation system according to the invention can also be used directly, without the pulley system as described in patent FR 2575452 (US 5520369). In this case, it alone ensures the maintenance in position of the load.
Le système d'actionnement linéaire selon l'invention peut également être utilisé dans un système de tensionnement de tubes verticaux, tels que des risers qui effectuent la liaison verticale entre le fond de mer et la surface sur des supports flottants de forage ou de production pétrolière. The linear actuation system according to the invention can also be used in a system for tensioning vertical tubes, such as risers which effect the vertical connection between the seabed and the surface on floating supports for drilling or oil production. .
Plus généralement, le système d'actionnement linéaire selon l'invention peut être utilisé dans toute machine effectuant des déplacements alternés sous un effort constant, ou quasi constant.  More generally, the linear actuation system according to the invention can be used in any machine performing alternating movements under a constant effort, or almost constant.
De plus, toute machine effectuant des déplacements avec des variations d'effort cycliques et répétitifs, comme une machine de fatigue d'essai en traction d'éprouvettes, peut être équipée du système selon l'invention : lorsque la machine tire sur l'éprouvette, l'électricité nécessaire est puisée dans les moyens de stockage d'énergie ; lorsqu'elle réduit l'effort, le déplacement s'inverse et le freinage au retour peut être produit par le générateur qui va fournir de l'électricité aux moyens de stockage, permettant ainsi une intéressante économie d'énergie.  In addition, any machine performing displacements with cyclic and repetitive force variations, such as a test tensile fatigue machine, may be equipped with the system according to the invention: when the machine pulls on the test specimen the necessary electricity is drawn from the energy storage means; when it reduces the effort, the displacement is reversed and braking back can be produced by the generator that will provide electricity to the storage means, thus allowing an interesting energy saving.

Claims

Revendications  claims
1 ) Système d'actionnement linéaire comprenant une tige mobile (2) liée à un actionneur linéaire (3) réversible du type vis-écrou, ledit actionneur linéaire (3) étant entraîné par au moins un système moteur électrique (4), caractérisé en ce que ledit système d'actionnement linéaire (1 ) comprend au moins un moyen de stockage d'énergie (5) connecté audit système moteur électrique (4), et en ce que ledit système moteur électrique (4) fonctionne en tant que générateur pour charger lesdits moyens de stockage d'énergie (5) lorsqu'un mouvement est appliqué sur ladite tige (2) et en tant que moteur pour générer un mouvement de translation rectiligne à ladite tige (2).  1) linear actuating system comprising a movable rod (2) connected to a reversible linear actuator (3) of the screw-nut type, said linear actuator (3) being driven by at least one electric motor system (4), characterized in said linear actuating system (1) comprises at least one energy storage means (5) connected to said electric motor system (4), and in that said electric motor system (4) functions as a generator for charging said energy storage means (5) when motion is applied to said rod (2) and as a motor for generating a rectilinear translational motion to said rod (2).
2) Système selon la revendication 1 , dans lequel ledit actionneur linéaire (3) est un dispositif du type vis-écrou comprenant une pluralité de rouleaux (9) ou de billes entraînés par ledit moteur électrique (4), ladite pluralité de rouleaux (9) ou de billes entraînant une tige filetée dudit actionneur linéaire (3). 2) System according to claim 1, wherein said linear actuator (3) is a screw-nut type device comprising a plurality of rollers (9) or balls driven by said electric motor (4), said plurality of rollers (9). ) or balls driving a threaded rod of said linear actuator (3).
3) Système selon la revendication 2, dans lequel ladite tige filetée dudit actionneur comprend un filetage de type triangulaire, trapézoïdal ou de forme ovoïde. 3) System according to claim 2, wherein said threaded rod of said actuator comprises a triangular type thread, trapezoidal or ovoid.
4) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit moyen de stockage d'énergie (5) comprend au moins un moyen de stockage d'énergie électrique, comportant notamment au moins une batterie électrique et/ou au moins un supercondensateur. 4) System according to one of the preceding claims, wherein said energy storage means (5) comprises at least one electrical energy storage means, including in particular at least one electric battery and / or at least one supercapacitor.
5) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit moyen de stockage d'énergie (5) comprend au moins un moyen de stockage d'énergie mécanique, notamment au moins un volant d'inertie. 5) System according to one of the preceding claims, wherein said energy storage means (5) comprises at least one mechanical energy storage means, including at least one flywheel.
6) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit système d'actionnement linéaire (1 ) comporte des moyens de commande dudit système moteur électrique (4). 6) System according to one of the preceding claims, wherein said linear actuating system (1) comprises control means of said electric motor system (4).
7) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit système moteur électrique (4) est alimenté par lesdits moyens de stockage d'énergie (5). 8) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit système d'actionnement linéaire (1 ) est relié à un réseau de distribution électrique. 9) Système selon la revendication 8, dans lequel ledit système moteur électrique (4) est alimenté par ledit réseau de distribution électrique lorsque les moyens de stockage d'énergie (5) sont déchargés ou ne sont pas en état de fournir de l'énergie au système moteur électrique (4). 7) System according to one of the preceding claims, wherein said electric motor system (4) is powered by said energy storage means (5). 8) System according to one of the preceding claims, wherein said linear actuating system (1) is connected to an electrical distribution network. 9) System according to claim 8, wherein said electric motor system (4) is powered by said electrical distribution network when the energy storage means (5) are discharged or are not in a condition to provide energy to the electric motor system (4).
10) Système selon l'une des revendications 8 ou 9, dans lequel ledit système moteur électrique (4) injecte de l'énergie dans le réseau de distribution électrique lorsque ledit système moteur électrique (4) fonctionne en tant que générateur et lorsque lesdits moyens de stockage d'énergie (5) sont chargés. 10) System according to one of claims 8 or 9, wherein said electric motor system (4) injects energy into the electrical distribution network when said electric motor system (4) operates as a generator and when said means energy storage (5) are loaded.
1 1 ) Compensateur de pilonnement pour des outils de forages (16) accrochés à une installation mobile (15), caractérisé en ce que ledit compensateur de pilonnement comprend au moins un système d'actionnement linéaire (1 ) selon l'une des revendications précédentes pour maintenir en tension constante lesdits outils de forage (16). 1) Heave compensator for drilling tools (16) hung on a mobile installation (15), characterized in that said heave compensator comprises at least one linear actuating system (1) according to one of the preceding claims. for maintaining said drilling tools (16) in constant tension.
12) Compensateur de pilonnement selon la revendication 1 1 , dans lequel ledit compensateur comporte un premier moufle (20) et un deuxième moufle (21 ) servant à accrocher lesdits outils de forage (16), ledit premier moufle (20) étant relié à l'installation mobile au moyen d'au moins deux bras articulés (1 1 ), chaque bras articulé comprenant au moins une poulie (12), ledit compensateur de pilonnement comportant un câble (13) fixé sur des moyens de retenue (14), ledit câble (13) passant par les poulies desdits bras articulés (1 1 ) et par lesdits premier (20) et deuxième moufles (21 ), ledit compensateur de pilonnement comportant au moins un système d'actionnement linéaire (1 ) lié audit premier moufle (20) et à l'installation mobile (15). 12) heave compensator according to claim 1 1, wherein said compensator comprises a first muffle (20) and a second muffle (21) for hanging said drilling tools (16), said first muffle (20) being connected to the mobile installation by means of at least two articulated arms (1 1), each articulated arm comprising at least one pulley (12), said heave compensator comprising a cable (13) fixed on retaining means (14), said cable (13) passing through the pulleys of said articulated arms (1 1) and said first (20) and second muffles (21), said heave compensator comprising at least one linear actuating system (1) connected to said first muffle ( 20) and to the mobile installation (15).
13) Compensateur de pilonnement selon l'une des revendications 1 1 ou 12, dans lequel l'installation mobile (15) est un support flottant ou un navire. 14) Utilisation du système d'actionnement linéaire (1 ) selon l'une des revendications 1 à 10 pour un système de tensionnement de tubes verticaux disposés entre le fond de la mer et une installation mobile. 13) heave compensator according to one of claims 1 1 or 12, wherein the movable installation (15) is a floating support or a vessel. 14) Use of the linear actuating system (1) according to one of claims 1 to 10 for a system for tensioning vertical tubes arranged between the seabed and a mobile installation.
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