FR2740629A1 - Systeme, sous-station et procede pour interconnecter des systemes electriques ayant une caracteristique electrique differente - Google Patents
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Abstract
Ce système d'interconnexion électrique (100) comprend un transformateur rotatif (102) à fréquence variable et un système de commande (104) qui ajuste la position angulaire du transformateur (102) de manière que la puissance mesurée (P1 ) transférée d'un premier système électrique (22) à un second système électrique (24) concorde avec une puissance ordonnée d'entrée (Po ). Le transformateur (102) comprend un rotor et un stator, le système de commande (104) ajustant l'intégrale de la vitesse du rotor sur le temps. Le système de commande (104) comprend des première (107) et seconde unités de commande. La première unité (107) compare la puissance d'entrée ordonnée Po avec la puissance mesurée P1 pour générer un signal de vitesse angulaire demandée omegao . La seconde unité (108) compare le signal de vitesse angulaire demandée omegao avec un signal de vitesse angulaire mesurée omegar , du transformateur rotatif afin de générer un signal To d'entraînement de convertisseur envoyé à l'unité (106), en commandant ainsi la position angulaire ( THETAr ) du rotor par rapport au stator.
Description
" Système, sous-station et procédé pour interconnecter des
systèmes électriques ayant une caractéristique électrique
différente n
La présente invention se rapporte à la commande d'une transmission d'énergie ou puissance électrique et elle a trait, en particulier, à la transmission d'une énergie ou puissance électrique entre des systèmes électriques.
systèmes électriques ayant une caractéristique électrique
différente n
La présente invention se rapporte à la commande d'une transmission d'énergie ou puissance électrique et elle a trait, en particulier, à la transmission d'une énergie ou puissance électrique entre des systèmes électriques.
Certains transformateurs électriques, par exemple les autotransformateurs, tels que les autotransformateurs à curseur rotatif du type Variacs, modifient simplement la tension. D'autres transformateurs, connus sous la désignation de transformateurs statiques à déphasage, peuvent prélever l'énergie ou puissance et la faire varier sur un certain angle.
Les transformateurs faisant varier simplement la tension et les transformateurs statiques à déphasage peuvent convenir pour interconnecter deux systèmes électriques fonctionnant à la même fréquence électrique ou pour effectuer une transmission d'énergie à l'intérieur d'une compagnie de distribution d'électricité. Toutefois, de tels transformateurs sont incapables de constituer une interface entre deux systèmes électriques fonctionnant à une fréquence différente (par exemple des transferts d'électricité entre des compagnies de distribution d'électricité).
I1 existe un grand nombre de régions dans le monde où une interconnexion entre des systèmes de distribution d'électricité nécessite une liaison asynchrone. Pour certaines de ces zones, les systèmes de fourniture d'énergie présentent des fréquences nominales différentes (par exemple 60 Hz et 50 Hz). Même pour des interconnexions dans d'autres systèmes présentant la même fréquence nominale, il n'existe pas de moyen pratique pour établir une liaison synchrone ayant une robustesse suffisante pour permettre un fonctionnement stable dans un mode interconnecté.
La technologie qui prévaut pour obtenir une interconnexion asynchrone entre des systèmes de distribution d'énergie électrique est la conversion en courant continu sous haute tension (HVDC).
La figure 8 est un diagramme de montage direct illustrant schématiquement un système d'interconnexion HVDC 820 de la technique antérieure. La figure 8 montre un système d'interconnexion 820 connectant un système d'alimentation ou premier système 822 (indiqué comme étant le système numéro 1 de distribution d'énergie électrique en courant alternatif) et un système récepteur ou second système 824 (indiqué comme étant un système numéro 2 de distribution d'énergie électrique en courant alternatif) Le système numéro 1 de distribution d'énergie électrique en courant alternatif est connecté au système d'interconnexion 820 par des lignes 826 destinées à fournir, dans l'exemple illustré, un signal d'entrée triphasé de fréquence F1 (F1 étant la fréquence du système d'alimentation 822). Le système d'interconnexion 820 est connecté par des lignes 828 au système récepteur 824, les lignes 828 transportant un signal de sortie triphasé de fréquence F2 depuis le système d'interconnexion 820 jusqu'au système récepteur 824.
Le système d'interconnexion HVDC 820 de la figure 8 comprend une liaison à courant continu 830 montée tête bêche ou en opposition et située entre les barres omnibus 832 et 834. La barre omnibus 832 est connectée à des lignes d'alimentation 826 et à une barre omnibus 842 de compensation d'énergie réactive. La barre omnibus 834 est connectée, de façon similaire, aux lignes 828 et à la barre omnibus 844 de compensation d'énergie réactive.
Chaque côté de la liaison à courant continu 830 montée tête bêche comprend deux transformateurs (par exemple des transformateurs YY (étoile-étoile) et Y/\ (étoile-triangle) sur le premier côté du système; des transformateurs YY (étoile-étoile) et /\Y (triangle-étoile) sur le second côté du système) et un groupe convertisseur à douze impulsions.
Comme illustré sur la figure 8, le groupe convertisseur à douze impulsions pour le premier côté de la liaison 830 comprend deux groupes convertisseurs 850 et 852 à six impulsions; le groupe convertisseur à douze impulsions pour le second côté de la liaison 830 comprend deux groupes convertisseurs 860 et 862 à six impulsions. Du fait qu'un groupe triphasé est illustré , chaque groupe convertisseur comprend six thyristors connectés d'une manière connue par l'homme de métier. Un filtre de lissage 864 est monté entre les groupes convertisseurs 850 et 860.
On a représenté aussi sur la figure 8 des systèmes 870 et 880 d'alimentation en énergie réactive, connectés respectivement aux barres omnibus 842 et 844 de compensation d'énergie réactive. Le système 870 d'alimentation en énergie réactive comprend une bobine de réactance shunt 871 connectée à la barre omnibus 842 par un interrupteur 872, ainsi qu'une pluralité de branches de filtrage 873A, 873B, 873C connectées à la barre omnibus 842 par des interrupteurs 874A, 874B et 874C, respectivement. De façon similaire, le système 880 d'alimentation en énergie réactive comprend une bobine de réactance shunt 881 connectée à la barre omnibus 844 par un interrupteur 882, ainsi que des branches de filtrage 883A, 883B, 883C connectées à la barre omnibus 844 par des interrupteurs 884A, 884B et 884C, respectivement.
Bien que trois de ces branches de filtrage 873A - 873C et 883A - 883C aient été illustrées, on comprendra qu'un nombre plus grand de branches de filtrage peuvent être disposées dans chaque système 870, 880 d'alimentation en énergie réactive.
Pour toute installation HVDC donnée, les systèmes d'alimentation en énergie réactive, tels que les systèmes 870 et 880, sont difficiles à concevoir et sont coûteux. En outre, l'installation comprend un grand nombre d'éléments d'interruption qui doivent être soigneusement coordonnés avec un niveau de puissance donnée. Diverses contraintes sont imposées simultanément, telles que le maintien de la génération d'harmoniques en dessous d'un niveau requis
(c'est-à-dire le taux d'harmonique) et tout en maintenant la puissance réactive entre des limites, tout cela pendant que l'on commute de façon essentiellement constante les filtres dans les systèmes 870 et 880 à mesure que la puissance varie. En ce qui concerne ces limitations, voir (par exemple) Larsen and Miller, "Specification of AC Filters for
HVDC Systems", IEEE T & D Conference, New Orleans, April 1989.
(c'est-à-dire le taux d'harmonique) et tout en maintenant la puissance réactive entre des limites, tout cela pendant que l'on commute de façon essentiellement constante les filtres dans les systèmes 870 et 880 à mesure que la puissance varie. En ce qui concerne ces limitations, voir (par exemple) Larsen and Miller, "Specification of AC Filters for
HVDC Systems", IEEE T & D Conference, New Orleans, April 1989.
Le système HVDC est donc compliqué en raison, par exemple, de la nécessité de coordonner étroitement le filtrage des harmoniques, les commandes et la compensation d'énergie réactive. En outre, le système HVDC présente des limites de performance lorsque le système de distribution d'énergie en courant alternatif pour l'un ou l'autre côté présente une faible capacité par rapport à la puissance nominale du système HVDC. En outre, le système HVDC nécessite, de façon désavantageuse, un espace important en raison du grand nombre d'interrupteurs ou commutateurs haute tension et de batteries de filtre.
Les convertisseurs rotatifs de la technique antérieure utilisent une conversion en deux étapes et comportent à la fois une génératrice fonctionnant à plein régime et un moteur fonctionnant à plein régime sur le même arbre. Les convertisseurs rotatifs ont été utilisés pour convertir l'énergie de l'alternatif en continu et du continu en alternatif. Toutefois, de tels convertisseurs rotatifs n'effectuent pas directement une conversion de l'alternatif en continu à des fréquences différentes. En outre, les convertisseurs rotatifs tournent continuellement à une vitesse prédéterminée (à des centaines ou des milliers de tours par minute) en agissant comme des moteurs qui, en réalité, tournent d'eux-mêmes. Les convertisseurs rotatifs de la technique antérieure ne peuvent pas par conséquent traiter le problème d'une interconnexion de deux systèmes électriques qui varient de façon aléatoire en ce qui concerne leurs distributions de fréquences différentes.
Dans un domaine totalement différent de préoccupation technique, la littérature décrit un dispositif d'entraînement du type "Selsyn" utilisé pour la commande de vitesse des moteurs. Voir Puchstein, Llody et Conrad,
Alternatinq-Current Machines, 3rd Edition, John Wiley &
Sons, Inc., New York, pages 425 - 428, en particulier Fig.
Alternatinq-Current Machines, 3rd Edition, John Wiley &
Sons, Inc., New York, pages 425 - 428, en particulier Fig.
275 en page 428, et Kron, équivalent Circuits of Electric
Machinery, John Wiley & Sons, Inc., New York, pages 150 163, en particulier Fig. 9.5a en page 156. La littérature cite le dispositif de commande Selsyn différentiel uniquement dans le contexte de la commande de vitesse des moteurs, c'est-à-dire la commande de vitesse des moteurs par l'intermédiaire d'un ajustement relatif de la vitesse entre un moteur et une génératrice. En outre, le dispositif de commande Selsyn différentiel présente une faible largeur de bande et ne cherche pas à amortir les oscillations du rotor.
Machinery, John Wiley & Sons, Inc., New York, pages 150 163, en particulier Fig. 9.5a en page 156. La littérature cite le dispositif de commande Selsyn différentiel uniquement dans le contexte de la commande de vitesse des moteurs, c'est-à-dire la commande de vitesse des moteurs par l'intermédiaire d'un ajustement relatif de la vitesse entre un moteur et une génératrice. En outre, le dispositif de commande Selsyn différentiel présente une faible largeur de bande et ne cherche pas à amortir les oscillations du rotor.
Le système d'interconnexion électrique selon la présente invention comprend un transformateur rotatif et un système de commande. Le système de commande ajuste la position angulaire du transformateur rotatif de telle sorte que la puissance mesurée transférée d'un premier système électrique à un second système électrique concorde avec une puissance d'entrée ordonnée. Le transformateur rotatif comprend un ensemble de rotor et un stator, le système de commande ajustant l'intégrale de la vitesse du rotor sur le temps.
Le système de commande comprend une première unité de commande et une seconde unité de commande. La première unité de commande compare la puissance d'entrée ordonnée avec la puissance mesurée pour générer un signal de vitesse angulaire demandée. La seconde unité de commande compare le signal de vitesse angulaire demandée avec un signal de vitesse angulaire mesurée du transformateur rotatif pour générer un signal d'entraînement de convertisseur, en commandant ainsi le positionnement angulaire de l'ensemble de rotor par rapport au stator.
Le transformateur rotatif comprend un rotor connecté au premier système électrique et un stator connecté au second système électrique. Une unité de commande de couple ou actionneur fait tourner le rotor en réponse au signal d'entraînement généré par le système de commande.
La largeur de bande du système de commande est telle que les oscillations sont amorties (oscillations naturelles du rotor y compris sa réaction au circuit de transmission dans lequel il est intégré) . La largeur de bande de la première unité de commande (lente) est choisie pour être inférieure au mode d'oscillations naturelles le plus bas; la largeur de bande de la seconde unité de commande (rapide) est choisie de manière à être supérieure au mode naturel d'oscillations le plus élevé. Telle qu'elle est utilisée dans le présent exposé, l'expression largeur de bande d'une unité de commande ou d'un système de commande se rapporte à la vitesse de réponse d'une unité ou système de rétroaction à boucle fermée.
Les premier et second systèmes électriques peuvent présenter une caractéristique électrique différente (par exemple la fréquence ou la phase) Le dispositif de commande fait fonctionner, de façon bidirectionnelle, le transformateur rotatif à une vitesse variable pour transférer l'énergie, c'est-à-dire la puissance, du premier système électrique au second système électrique, ou vice versa
(c'est-à-dire du second système électrique au premier système électrique).
(c'est-à-dire du second système électrique au premier système électrique).
Dans certains modes de réalisation, l'unité de commande de couple (actionneur) est un moteur. Dans de tels modes de réalisation, l'unité de commande de couple peut soit entraîner directement le rotor soit établir une interface avec le rotor par l'intermédiaire d'un mécanisme. Dans un mode de réalisation particulier, le mécanisme est une vis sans fin.
Dans d'autres modes de réalisation, l'unité de commande de couple est intégrée à l'ensemble de rotor et au stator du transformateur rotatif. Dans ces modes de réalisation, la fonction de l'unité de commande de couple est exécutée par le fait que l'on prévoit deux ensembles d'enroulements, à la fois sur le rotor et sur le stator, un premier ensemble d'enroulements se trouvant sur le rotor et sur le stator et ayant un nombre de pôles (par exemple 2 pôles) différent de celui du second ensemble d'enroulements se trouvant sur le rotor et sur le stator (par exemple 4 ou plus de 4 pôles).
Les modes de réalisation dans lesquels l'unité de commande de couple est intégrée dans l'ensemble de rotor et dans le stator du transformateur rotatif comprennent un mode de réalisation à inducteur en cage d'écureuil, un mode de réalisation à rotor excité par un courant continu
(synchrone) et un mode de réalisation à rotor bobiné alimenté en courant alternatif,
Le système d'interconnexion du présent système peut être utilisé dans une sous-station pour connecter des systèmes électriques asynchrones, tels que des premier et second réseaux de distribution électriques présentant des fréquences électriques différentes. Le système d'interconnexion de la présente invention non seulement transfère la puissance mais peut aussi modifier rapidement la puissance en effectuant un déphasage sous charge.
(synchrone) et un mode de réalisation à rotor bobiné alimenté en courant alternatif,
Le système d'interconnexion du présent système peut être utilisé dans une sous-station pour connecter des systèmes électriques asynchrones, tels que des premier et second réseaux de distribution électriques présentant des fréquences électriques différentes. Le système d'interconnexion de la présente invention non seulement transfère la puissance mais peut aussi modifier rapidement la puissance en effectuant un déphasage sous charge.
Dans la présente invention, le couple mécanique du transformateur rotatif est commandé de manière que l'on obtienne un transfert ordonné de puissance de l'enroulement de stator à l'enroulement de rotor. La présente invention est bien différente des techniques de l'art antérieur dans lesquelles on commandait le transfert de puissance de l'enroulement de rotor à l'enroulement de stator dans le but de commander le couple appliqué à la charge (et de ce fait sa vitesse), En outre, les enroulements à la fois de rotor et de stator sont conçus en vue d'un transfert total de puissance tandis que dans les applications de la technique antérieure l'enroulement de rotor n'était calculé nominalement que pour une faible fraction de l'enroulement du stator.
De façon importante, la présente invention évite la nécessité de la conversion de courant continu sous haute tension (HVDC) de la technique antérieure pour coordonner étroitement le filtrage des harmoniques, ainsi que les commandes et la compensation d'énergie réactive. La présente invention procure donc, de façon avantageuse, une conversion en une seule étape.
D'une façon générale l'invention permet de réaliser un système d'interconnexion électrique comprenant : un transformateur rotatif destiné à être couplé à un premier système électrique et à un second système électrique; et un dispositif de commande qui ajuste la position angulaire du transformateur rotatif.
Ce système d'interconnexion présente, en outre, les caractéristiques suivantes
- le dispositif de commande ajuste la position angulaire du transformateur rotatif de manière qu'une puissance prédéterminée soit transférée du premier système électrique au second système électrique;
- le dispositif de commande présente une largeur de bande choisie pour amortir des oscillations inhérentes du système d'interconnexion;
- le premier système électrique et le second système électrique sont, respectivement, une première compagnie de distribution d'électricité et une seconde compagnie de distribution d'électricité; et le transformateur rotatif comprend : un rotor connecté au premier système électrique; un stator connecté au second système électrique; le système d'interconnexion comprenant, en outre, une unité de commande de couple pour faire tourner le rotor.
- le dispositif de commande ajuste la position angulaire du transformateur rotatif de manière qu'une puissance prédéterminée soit transférée du premier système électrique au second système électrique;
- le dispositif de commande présente une largeur de bande choisie pour amortir des oscillations inhérentes du système d'interconnexion;
- le premier système électrique et le second système électrique sont, respectivement, une première compagnie de distribution d'électricité et une seconde compagnie de distribution d'électricité; et le transformateur rotatif comprend : un rotor connecté au premier système électrique; un stator connecté au second système électrique; le système d'interconnexion comprenant, en outre, une unité de commande de couple pour faire tourner le rotor.
L'invention permet aussi de réaliser une sous-station pour interconnecter électriquement un premier système électrique et un second système électrique, le premier système électrique et le second système électrique ayant des caractéristiques électriques différentes, cette sousstation comprenant : un transformateur abaisseur de tension couplé au premier système électrique; un transformateur élévateur de tension couplé au second système électrique; un transformateur rotatif couplé au transformateur abaisseur de tension et au transformateur élévateur de tension; et un dispositif de commande qui ajuste la position angulaire du transformateur rotatif de manière qu'une puissance prédéterminée soit transférée du premier système électrique au second système électrique.
Dans cette sous-station le transformateur rotatif comprend : un rotor connecté à un premier des transformateurs abaisseur et élévateur de tension; un stator connecté à un second des transformateurs abaisseur et élévateur de tension; le système d'interconnexion comprenant, en outre, une unité de commande de couple destinée à faire tourner le rotor.
L'invention permet également de réaliser un système d'interconnexion électrique comprenant: un transformateur rotatif destiné à être couplé à un premier système électrique et à un second système électrique, et un système de commande de position angulaire en boucle fermée qui commande le transformateur rotatif en vue de transférer la puissance du premier système électrique au second système électrique.
L'invention permet encore de créer un procédé pour interconnecter deux systèmes électriques, ce procédé comprenant : le couplage d'un transformateur rotatif à un premier système électrique et à un second système électrique; et l'ajustement de la position angulaire du transformateur rotatif de manière qu'une puissance prédéterminée soit transférée du premier système électrique au second système électrique.
Ce procédé comprenant, en outre, la comparaison d'un signal d'entrée de puissance ordonnée Po avec un signal de puissance mesurée P1 en cours de transfert entre le premier système électrique et le second système électrique afin de générer un signal de vitesse angulaire demandée o; et la comparaison du signal de vitesse angulaire demandée o avec un signal de vitesse angulaire mesurée r du transformateur rotatif pour générer un signal d'entraînement To.
Les objets, caractéristiques et avantages ci-dessus de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description donnée ci-après pour laquelle on se référera aux dessins annexés, sur lesquels
la figure 1 est une vue schématique d'un système d'interconnexion ou transfert d'énergie électrique selon un mode de réalisation de la présente invention;
la figure 2 est une vue partiellement schématique et partiellement en perspective d'un système d'interconnexion ou transfert d'énergie électrique selon un mode de réalisation de la présente invention;
la figure 3A est une vue de côté d'un système d'interconnexion ou transfert d'énergie électrique selon un mode de réalisation de l'invention qui utilise une vis sans fin;
la figure 3B est une vue de dessus du système d'interconnexion ou transfert d'énergie électrique de la figure 3A;
la figure 4 est une vue schématique d'une sous-station pour une interconnexion électrique d'un premier système électrique et d'un second système électrique;
la figure 5 est un graphique montrant les exigences de commande de couple du système d'interconnexion ou transfert d'énergie électrique de la présente invention;
la figure 6 est un graphique montrant une courbe de possibilité du système d'interconnexion ou transfert d'énergie électrique de la présente invention;
la figure 7A est une vue schématique de dessus d'un mode de réalisation dans lequel une unité de commande de couple est intégrée à l'ensemble de rotor et au stator du transformateur rotatif;
la figure 7B est une vue schématique de dessus d'un mode de réalisation dans lequel une unité de commande de couple est intégrée à l'ensemble de rotor et au stator du transformateur rotatif dans une configuration d'inducteur en cage d'écureuil;
la figure 7C est une vue schématique de dessus d'un mode de réalisation dans lequel une unité de commande de couple est intégrée à l'ensemble de rotor et dans le stator du transformateur rotatif d'une configuration de rotor excité en courant continu (synchrone);
la figure 7D est une vue schématique de dessus d'un mode de réalisation dans lequel une unité de commande de couple est intégrée à l'ensemble de rotor et dans le stator du transformateur rotatif dans une configuration de rotor bobiné alimenté en courant alternatif;
la figure 8 est un schéma de principe illustrant un système d'interconnexion HVDC (conversion de courant continu sous haute tension) selon la technique antérieure; et
la figure 9 est un diagramme vectoriel illustrant des vecteurs du système d'interconnexion de la présente invention.
la figure 1 est une vue schématique d'un système d'interconnexion ou transfert d'énergie électrique selon un mode de réalisation de la présente invention;
la figure 2 est une vue partiellement schématique et partiellement en perspective d'un système d'interconnexion ou transfert d'énergie électrique selon un mode de réalisation de la présente invention;
la figure 3A est une vue de côté d'un système d'interconnexion ou transfert d'énergie électrique selon un mode de réalisation de l'invention qui utilise une vis sans fin;
la figure 3B est une vue de dessus du système d'interconnexion ou transfert d'énergie électrique de la figure 3A;
la figure 4 est une vue schématique d'une sous-station pour une interconnexion électrique d'un premier système électrique et d'un second système électrique;
la figure 5 est un graphique montrant les exigences de commande de couple du système d'interconnexion ou transfert d'énergie électrique de la présente invention;
la figure 6 est un graphique montrant une courbe de possibilité du système d'interconnexion ou transfert d'énergie électrique de la présente invention;
la figure 7A est une vue schématique de dessus d'un mode de réalisation dans lequel une unité de commande de couple est intégrée à l'ensemble de rotor et au stator du transformateur rotatif;
la figure 7B est une vue schématique de dessus d'un mode de réalisation dans lequel une unité de commande de couple est intégrée à l'ensemble de rotor et au stator du transformateur rotatif dans une configuration d'inducteur en cage d'écureuil;
la figure 7C est une vue schématique de dessus d'un mode de réalisation dans lequel une unité de commande de couple est intégrée à l'ensemble de rotor et dans le stator du transformateur rotatif d'une configuration de rotor excité en courant continu (synchrone);
la figure 7D est une vue schématique de dessus d'un mode de réalisation dans lequel une unité de commande de couple est intégrée à l'ensemble de rotor et dans le stator du transformateur rotatif dans une configuration de rotor bobiné alimenté en courant alternatif;
la figure 8 est un schéma de principe illustrant un système d'interconnexion HVDC (conversion de courant continu sous haute tension) selon la technique antérieure; et
la figure 9 est un diagramme vectoriel illustrant des vecteurs du système d'interconnexion de la présente invention.
La figure 1 montre un système 100 d'interconnexion ou transfert d'énergie électrique qui comprend un transformateur 102 à fréquence variable et un système de commande 104. Tel que décrit de façon plus détaillée ciaprès en référence à la figure 2, le transformateur 102 à fréquence variable est connecté par des lignes triphasées
RA, RB, RC (y compris la ligne 26) à un premier système 22 d'alimentation en courant alternatif et par des lignes triphasées SA, SB et SC (y compris la ligne 28) à un second système 24 d'alimentation en courant alternatif. Comme expliqué également ci-après, le premier système électrique et le second système électrique peuvent présenter et sont susceptibles de présenter une caractéristique électrique différente, telle qu'une fréquence électrique différente.
RA, RB, RC (y compris la ligne 26) à un premier système 22 d'alimentation en courant alternatif et par des lignes triphasées SA, SB et SC (y compris la ligne 28) à un second système 24 d'alimentation en courant alternatif. Comme expliqué également ci-après, le premier système électrique et le second système électrique peuvent présenter et sont susceptibles de présenter une caractéristique électrique différente, telle qu'une fréquence électrique différente.
Comme représenté sur la figure 1, le transformateur rotatif 102 à fréquence variable comprend à la fois un ensemble 105 formant transformateur rotatif et une unité 106 de commande de couple (connue également comme étant la section d'entraînement de rotor), On va décrire ci-après et de façon plus détaillée en liaison avec la figure 2 des détails d'un ensemble 105 formant transformateur rotatif.
Comme représenté également sur la figure 1, le système de commande 104 comprend à la fois une unité 107 de commande de puissance à vitesse lente, une unité 108 de commande de vitesse rapide, un transducteur 109 de puissance. L'unité 107 de commande de puissance à vitesse lente est connectée de manière à recevoir la tension Vt transportée par la ligne 26 depuis le premier système 22 d'alimentation en courant alternatif et la tension V2 transportée par la ligne 28 jusqu'au second système 24 d'alimentation en courant alternatif, ainsi que (par l'intermédiaire du transducteur 109 de puissance) un signal indicatif de la puissance mesurée Pi transmise par la ligne 26. L'unité 107 de commande de puissance à vitesse lente est également connectée de manière à recevoir un signal d'entrée Po et de manière à envoyer un signal Go à l'unité 108 de commande de vitesse rapide. L'unité 108 de commande de vitesse rapide reçoit, à son tour, un signal Q r en provenance d'un transducteur 111 de vitesse et envoie un signal d'entraînement To à l'unité 106 de commande de couple.
Comme représenté de façon plus détaillée sur la figure 2, l'ensemble 105 formant transformateur rotatif comprend à la fois un sous-ensemble 110 de rotor et un stator 112. Le sous-ensemble 110 de rotor comprend des bagues 114 de collecteur (connues également sous la désignation de bagues collectrices) et une section cage de rotor 116. Les lignes triphasées RA, RB, RC s'étendant depuis le premier système 22 d'alimentation en courant alternatif sont connectées aux bagues 114 de collecteur et les lignes triphasées SA, SB et
SC s'étendant jusqu'au second système 24 d'alimentation en courant alternatif sont connectées au stator 112. Le sousensemble 110 de rotor comporte un transducteur 111 de vitesse monté à proximité de ce sous-ensemble pour générer un signal Z r de vitesse angulaire indicatif de la vitesse angulaire du rotor.
SC s'étendant jusqu'au second système 24 d'alimentation en courant alternatif sont connectées au stator 112. Le sousensemble 110 de rotor comporte un transducteur 111 de vitesse monté à proximité de ce sous-ensemble pour générer un signal Z r de vitesse angulaire indicatif de la vitesse angulaire du rotor.
Comme on peut le voir sur la figure 2 et comme l'homme de métier le comprendra, dans le mode de réalisation illustré, l'ensemble 105 formant transformateur rotatif est enroulé sur des secteurs de cercle correspondant à une phase de soixante degrés, les enroulements du rotor étant référencés
RA+, RC-, RB+, RA-, RC+ et RB- et les enroulements de stator sont référencés SA+, SC-, SB+, SA-, SC+ et SB-. On comprendra que l'invention n'est pas limitée à un système enroulé sur des secteurs de cercle correspondant à soixante degrés de phase et que les moyens généraux de l'invention peuvent être appliqués à des ensembles formant transformateur rotatif d'un nombre de phases égal à deux ou d'un nombre supérieur à deux.
RA+, RC-, RB+, RA-, RC+ et RB- et les enroulements de stator sont référencés SA+, SC-, SB+, SA-, SC+ et SB-. On comprendra que l'invention n'est pas limitée à un système enroulé sur des secteurs de cercle correspondant à soixante degrés de phase et que les moyens généraux de l'invention peuvent être appliqués à des ensembles formant transformateur rotatif d'un nombre de phases égal à deux ou d'un nombre supérieur à deux.
Le sous-ensemble 110 de rotor peut tourner autour de son axe RX à la fois dans le sens horaire CW et dans le sens anti-horaire CCW. La rotation du sous-ensemble 110 de rotor est effectuée par une section 106 d'entraînement de rotor.
La section 106 d'entraînement de rotor est représentée symboliquement sur la figure 2 sous la forme d'une section cylindrique montée sur le sous-ensemble 110 de rotor. De ce fait, la section 106 d'entraînement de rotor de la figure 2 représente, d'une façon générale, divers variantes et types différents de mécanismes d'entraînement pour faire tourner le sous-ensemble 110 de rotor. Dans certains modes de réalisation, la section 106 d'entraînement de rotor comprend un actionneur et un certain type de mécanisme de liaison (par exemple un engrenage) qui la relie au sous-ensemble 110 de rotor. Par exemple dans un mode de réalisation, la section 106 d'entraînement de rotor comprend un agencement d'entraînement à vis sans fin tel que celui représenté sur la figure 3A et la figure 3B et que l'on va décrire ciaprès. Dans d'autres modes de réalisation, la section 106 d'entraînement de rotor comprend un actionneur, tel qu'un moteur pas-à-pas, agissant par l'intermédiaire d'un pignon radial (par exemple un pignon droit), un agencement d'entraînement direct, un actionneur hydraulique faisant tourner un pignon se trouvant sur le sous-ensemble 110 de rotor ou un actionneur pneumatique faisant tourner un pignon se trouvant sur le sous-ensemble 110 de rotor. Dans encore d'autres modes de réalisation représentés d'une façon générale sur la figure 7, on obtient que l'unité de commande de couple (représentée sous la forme d'un élément 106") remplisse sa fonction grâce à deux ensembles d'enroulements à la fois sur le rotor et sur le stator, un premier ensemble d'enroulement étant disposé sur le rotor et sur le stator et ayant un nombre de pôles (par exemple deux pôles) différent du nombre de pôles d'un second ensemble d'enroulement disposé sur le rotor et le stator (par exemple quatre ou plus de quatre pôles). Ainsi, on peut utiliser n'importe quel mécanisme d'entraînement approprié pour la section 106 d'entraînement de rotor pourvu qu'il soit compatible avec la position angulaire en boucle fermée du sous-ensemble 110 de rotor comme on va le décrire dans le présent exposé.
Le système 104 de commande actionne de façon bidirectionnelle l'ensemble 110 de rotor (par l'intermédiaire de la section 106 d'entraînement de rotor) pour tranférer la puissance du premier système 22 d'alimentation en courant alternatif au second système électrique 24, ou vice versa.
Pendant le fonctionnement, un opérateur établit le signal Po d'entrée d'ordre de puissance en fonction d'une demande de transfert de puissance prédéterminée pré-arrangée entre les systèmes 22 et 24 d'alimentation en courant alternatif. On peut établir le signal Po d'entrée d'ordre de puissance en règlant un bouton ou en entrant des données à l'endroit d'un panneau de commande d'opérateur ou station de travail d'opérateur CP pour générer le signal Po indicatif de la puissance ordonnée. Dans le mode de réalisation particulier représenté sur la figure 1, le tableau de commande CP se trouve à distance du système d'interconnexion 100.
L'unité 107 de commande de puissance à vitesse lente compare le sugnal Po d'entrée d'ordre de puissance avec le signal P1 de transfert de puissance mesurée afin de produire un signal Oo de vitesse angulaire demandée. Le signal Pi de transfert de puissance mesurée est obtenu à partir des trois lignes 26 par le transducteur 109 de puissance. Le transducteur 109 de puissance peut être l'un quelconque d'un grand nombre d'instruments classiques, l'homme de métier comprenant facilement comment on obtient le signal Pi
Dans le mode de réalisation représenté, l'unité 107 de commande de vitesse lente est un intégrateur qui mesure une différence entre le signal P0 de puissance ordonnée et le signal P1 de puissance mesurée (c'est-à-dire Po - P1) et introduit le résultat dans un dispositif intégrateur pour générer le signal So de vitesse angulaire demandée. Le dispositif 107 de commande de puissance à vitesse lente présente un très faible gain pour empêcher une interférence entre les forces dynamiques naturelles du système d'alimentation en courant alternatif, ces interférences apparaissant généralement au-dessus de 3 rad/s (comme décrit ci-après).
Dans le mode de réalisation représenté, l'unité 107 de commande de vitesse lente est un intégrateur qui mesure une différence entre le signal P0 de puissance ordonnée et le signal P1 de puissance mesurée (c'est-à-dire Po - P1) et introduit le résultat dans un dispositif intégrateur pour générer le signal So de vitesse angulaire demandée. Le dispositif 107 de commande de puissance à vitesse lente présente un très faible gain pour empêcher une interférence entre les forces dynamiques naturelles du système d'alimentation en courant alternatif, ces interférences apparaissant généralement au-dessus de 3 rad/s (comme décrit ci-après).
Le dispositif 108 de commande de vitesse rapide reçoit à la fois le signal Qo de vitesse angulaire demandée et le signal Sr de vitesse angulaire mesurée. Le signal Uo de vitesse angulaire demandée est généré par le dispositif 107 de commande de puissance à vitesse lente comme décrit précédemment. Le signal r de vitesse angulaire mesurée est obtenu à partir du transducteur 111 de vitesse. Le dispositif commande de vitesse rapide, un retard de phase provenant du passage de la vitesse ordonnée Xo à une vitesse réelle Or du sous-ensemble 110 de rotor est inférieur à 90 degrés dans le cas de perturbations sinusoïdales. Le fait d'assurer cette largeur de bande de réponse garantit à son tour que tous ces modes naturels d'oscillations subiront un amortissement bénéfique provenant du système de commande.
La directionnalité (par exemple la polarité) du signal To d'entraînement appliqué à la ligne 134 est en conformité avec le sens de circulation de l'énergie électrique (par exemple selon que l'énergie électrique circule du système 22 d'alimentation en courant alternatif au système 24 d'alimentation en courant alternatif ou vice versa).
L'amplitude du signal To d'entraînement appliqué à la ligne 134 est utilisée par la section 106 d'entraînement de rotor pour augmenter ou diminuer la vitesse du sous-ensemble 110 de rotor afin de compenser la différence entre les fréquences du système 22 d'alimentation en courant alternatif et du système 24 d'alimentation en courant alternatif.
Comme représenté sur la figure 2, le signal d'entraînement To présent sur la ligne 134 est appliqué à l'amplificateur 150 de commande de couple. Le courant est fourni à l'amplificateur 150 de commande de couple par la source 152 d'alimentation de dispositif de commande de couple, grâce à quoi, en utilisant le signal d'entraînement To présent sur la ligne 134, l'amplificateur 150 de commande de couple envoie les trois signaux de phase
TA, TB et TC à l'unité 106 de commande de couple. Tel qu'utilisé dans le présent exposé et dans cette technique,
TA représente collectivement TA+ et TA-, et TB représente collectivement TB+ etTB-, et ainsi de suite.
TA, TB et TC à l'unité 106 de commande de couple. Tel qu'utilisé dans le présent exposé et dans cette technique,
TA représente collectivement TA+ et TA-, et TB représente collectivement TB+ etTB-, et ainsi de suite.
La figure 9 est un diagramme vectoriel tracé par rapport à un vecteur de référence Vref . La figure 9 montre un vecteur tension V1 représentant la tension V1 dans le système 22 d'alimentation en courant alternatif, le vecteur tension V2 représentant la tension V2 dans le système 24 d'alimentation en courant alternatif ainsi que l'angle de phase 81 de la tension alternative des lignes 26 avec le vecteur de référence Vref, l'angle de phase e2 de la tension alternative des lignes 28 avec le vecteur de référence Vret, et er . Le positionnement angulaire Or du sous-ensemble 110 de rotor par rapport au stator 112 est également représenté sur la figure 2, étant entendu d'après la pratique classique que or est nul quand RA+ est aligné exactement avec SA+.
Un objectif du système d'interconnexion 100 est de faire en sorte que la vitesse de rotation et la position angulaire er du transformateur 102 à fréquence variable soient telles qu'une puissance voulue (c'est-à-dire indiquée par le signal Po de puissance ordonnée) soit transférée par l'intermédiaire du système d'interconnexion 100 entre le système 22 d'alimentation en courant alternatif et le système 24 d'alimentation en courant alternatif.
Essentiellement, le système d'interconnexion 100 commande l'angle er (voir figure 9) de manière que le signal P1 de puissance mesurée concorde avec le signal de puissance ordonnée Po. Le signal d'entraînement To appliqué à la ligne 134 est utilisé pour ajuster la relation angulaire or du sous-ensemble 110 de rotor par rapport au stator 112 de manière que la vitesse et l'angle du transformateur rotatif 102 permette une transmission d'énergie électrique au niveau de puissance ordonné.
Le transfert de puissance à travers le système d'interconnexion 100 est donné approximativement par l'équation 1 Pi = VIV2 Vz sin (01 -02 +Or ) /X1 Equation 1 où
Pt = puissance à travers le système d'interconnexion 100
Vi = amplitude de la tension dans les lignes 26
V2 = amplitude de la tension dans les lignes 28
01 = angle de phase de la tension alternative des lignes
26 avec le vecteur de référence Vref
92 = angle de phase de la tension alternative des lignes
28 avec le vecteur de référence Vref
er = angle de phase du sous-ensemble 110 de rotor par
rapport au stator
Xi2= réactance totale entre les lignes 26 et 28.
Pt = puissance à travers le système d'interconnexion 100
Vi = amplitude de la tension dans les lignes 26
V2 = amplitude de la tension dans les lignes 28
01 = angle de phase de la tension alternative des lignes
26 avec le vecteur de référence Vref
92 = angle de phase de la tension alternative des lignes
28 avec le vecteur de référence Vref
er = angle de phase du sous-ensemble 110 de rotor par
rapport au stator
Xi2= réactance totale entre les lignes 26 et 28.
I1 existe un transfert de puissance théorique maximale possible à travers le système d'interconnexion 100 dans l'un et l'autre sens. La grandeur absolue du transfert de puissance théorique est donnée par l'équation 2
PMAX = ViV2/X12 Equation 2 ce qui a lieu lorsque l'angle net est proche de 900 dans l'un ou l'autre sens, comme on le comprendra d'après l'équation 3 #net = #1-#2+#r = # 90 Equation 3
Pour un fonctionnement stable, il faut que l'angle Venet ait une valeur absolue considérablement plus faible que 900, ce qui signifie que le transfert de puissance se trouve limité à une certaine fraction du niveau théorique maximal donné par l'équation 2. A l'intérieur de cette plage, le transfert de puissance suit une relation monotone et presque linéaire avec l'angle net ce que peut rendre approximativement l'équation 4
P1 PMAX en e t Equation 4 les angles des vecteurs tension alternative de la figure 9 sont donnés par les intégrales en fonction du temps de leur fréquence respective tandis que l'angle du sous-ensemble 110 de rotor est donné par l'intégrale de sa vitesse par le temps comme le montre l'équation 5
PMAX = ViV2/X12 Equation 2 ce qui a lieu lorsque l'angle net est proche de 900 dans l'un ou l'autre sens, comme on le comprendra d'après l'équation 3 #net = #1-#2+#r = # 90 Equation 3
Pour un fonctionnement stable, il faut que l'angle Venet ait une valeur absolue considérablement plus faible que 900, ce qui signifie que le transfert de puissance se trouve limité à une certaine fraction du niveau théorique maximal donné par l'équation 2. A l'intérieur de cette plage, le transfert de puissance suit une relation monotone et presque linéaire avec l'angle net ce que peut rendre approximativement l'équation 4
P1 PMAX en e t Equation 4 les angles des vecteurs tension alternative de la figure 9 sont donnés par les intégrales en fonction du temps de leur fréquence respective tandis que l'angle du sous-ensemble 110 de rotor est donné par l'intégrale de sa vitesse par le temps comme le montre l'équation 5
Equation 5 où
Ul(t) = fréquence de la tension alternative de la ligne
26 en fonction du temps;
(i2 (t) = fréquence de la tension alternative de la ligne
28 en fonction du temps;
jr (t) = fréquence du sous-ensemble 110 de rotor en
fonction du temps.
Ul(t) = fréquence de la tension alternative de la ligne
26 en fonction du temps;
(i2 (t) = fréquence de la tension alternative de la ligne
28 en fonction du temps;
jr (t) = fréquence du sous-ensemble 110 de rotor en
fonction du temps.
De ce fait, la puissance transférée est affectée directement par l'intégrale, en fonction du temps, de la vitesse de l'arbre du sous-ensemble 110 de rotor. Cette caractéristique permet d'utiliser une boucle de commande de régulation de puissance dans la présente invention en mesurant la puissance transférée (P) et en ajustant l'ordre relatif à la vitesse (Wo) de l'arbre. En maintenant la largeur de bande ou bande passante de ce régulateur de puissance bien en dessous de celle du mode oscillant le plus bas dans le système (de façon typique en dessous de 3 rad/s), l'objectif visant à amortir les oscillations du rotor ne se trouve pas compromis.
La fonction de limite de puissance à vitesse rapide est utilisée pour contrecarrer le régulateur normal de puissance à vitesse lente lorsque la puissance mesurée dépasse la limite calculée à partir des tensions mesurées.
La limite correspond à une certaine fraction de la puissance théorique maximale telle qu'indiquée par l'équation 6:
PLIMIT = FLIMITPAx Equation 6 où
PLIAIT = la limite de puissance (appliquée dans l'un ou
l'autre sens);
FLIMIT = la fraction maximale permise de puissance
théorique.
PLIMIT = FLIMITPAx Equation 6 où
PLIAIT = la limite de puissance (appliquée dans l'un ou
l'autre sens);
FLIMIT = la fraction maximale permise de puissance
théorique.
Tel qu'il est utilisé dans le présent exposé, le terme phase désigne la phase électrique. Dans le cas d'un nombre de pôles supérieur à deux, la relation entre les degrés mécaniques du sous-ensemble 110 de rotor et des degrés électriques est: degrés mécaniques = 2/nombre de pôles * degrés électriques
On obtient le déphasage en décalant physiquement le sousensemble 110 de rotor par rapport au stator 120. La position angulaire du sous-ensemble 110 de rotor peut être maintenue, avancée ou retardée à volonté. On obtient le déphasage en modifiant la position angulaire du rotor et, de ce fait, en modifiant les inductances mutuelles parmi les phases du système d'interconnexion 100.
On obtient le déphasage en décalant physiquement le sousensemble 110 de rotor par rapport au stator 120. La position angulaire du sous-ensemble 110 de rotor peut être maintenue, avancée ou retardée à volonté. On obtient le déphasage en modifiant la position angulaire du rotor et, de ce fait, en modifiant les inductances mutuelles parmi les phases du système d'interconnexion 100.
Le nombre de pôles (NP) du transformateur rotatif 105 dépend, de façon typique, des paramètres du système, tels que le nombre d'entrefers possibles. Toutefois, le nombre de pôles (NP) du système influence le nombre de degrés mécaniques (NMD) du décalage angulaire du rotor nécessaire pour transférer la puissance pour une différence de fréquence électrique donnée (EFD), comme indiquée par l'expression NMD = 2 * EFD/NP. Un nombre élevé de pôles (NP élevé) peut ainsi réduire considérablement le nombre de degrés mécaniques (NMD) de décalage angulaire nécessaire pour obtenir le décalage électrique. Par exemple, un décalage électrique de -30 à +30 degrés ne correspond qu'à -2 à +2 degrés de décalage mécanique dans un moteur à rotor bobiné de 30 pôles. En réduisant l'angle mécanique de décalage, on peut réduire considérablement les forces nécessaires ou, inversement, augmenter considérablement le temps de réponse pour obtenir le décalage désiré.
La figure 3A et la figure 3B montrent un système 100 d'interconnexion de puissance électrique comportant une section d'entraînement de rotor spécifique (unité de commande de couple) 106'. La section d'entraînement de rotor 106' utilise une vis sans fin 160 engrènant avec un pignon radial 162 de rotor en tant que moyen de liaison mécanique et a recours, en outre1 à un dispositif d'entraînement asservi 164 à vis sans fin (par exemple un moteur pas-à-pas) en tant qu'actionneur. En outre, la figure 3A et la figure 3B montrent une structure de montage spécifique du sousensemble 110 de rotor, en particulier un palier radial et de butée 170 et un palier radial supérieur qui facilite à la fois la mise en place et la rotation de l'ensemble 110 de rotor. Un avantage de la section 106' d'entraînement de rotor réside dans le fait que l'entraînement par une vis sans fin a tendance à s'autobloquer. Si son dispositif d'entraînement asservi associé 164 ne parvient pas à tourner, l'ensemble 110 de rotor est alors bloqué en position jusqu'à ce que l'erreur de phase électrique atteigne 360 degrés. A ce moment, le système de relais de protection débranche de la ligne le système d'interconnexion 110.
Comme on l'a mentionné ci-dessus, dans d'autres modes de réalisation, on utilise d'autres types de mécanismes pour la section 106 d'entraînement de rotor. Tandis que la section 106' d'entraînement de rotor de la figure 3A et de la figure 3B procure une connexion solide de l'ensemble 110 de rotor à la vis sans fin 160, cette connexion solide n'est pas indispensable pour d'autres modes de réalisation. Par exemple, dans un mode de réalisation, on insère un système de ressort de torsion/dispositif d'amortissement entre la vis sans fin 160 et l'ensemble 110 de rotor pour ajuster les forces dynamiques mécaniques. Dans un tel système, la section 106' d'entraînement de rotor du type à vis sans fin décale la phase (par exemple de 20 degrés électriques) puis la combinaison d'énergie électrique et d'énergie mécanique est accordée pour concorder avec les constantes de temps de la charge en cours d'alimentation. Le résultat est une puissance d'entrée uniforme sur le côté utilisation et une stabilisation de la charge du système.
Les figures 7B, 7C et 7D montrent des agencements spécifiques des sections d'entraînement de rotor, représentés d'une façon générale par la figure 7A, ces agencements étant représentés en tant que sections 106"A, 106"B et 106"C, respectivement. Les figures 7B, 7C et 7D sont des représentations de modes de réalisation dans lesquels les sections d'entraînement de rotor sont intégrées à l'ensemble 110 de rotor et au stator 112 du transformateur rotatif 110. En particulier, la figure 7B représente un mode de réalisation d'un moteur à induction à cage d'écureuil, la figure 7C représente un mode de réalisation de moteur (synchrone) à rotor excité par un courant continu et la figure 7D représente un mode de réalisation de moteur à courant alternatif à rotor bobiné.
En se référant maintenant collectivement aux modes de réalisation des figures 7B, 7C et 7D, on voit que les sections d'entraînement de rotor 106"A, 106"B et 106"C, respectivement, utilisent toutes une configuration rotor/stator à deux pôles dans une configuration de rotor/stator à quatre pôles. Dans ces modes de réalisation, l'ensemble 110" de rotor est représenté comportant, sur sa périphérie extérieure, les mêmes enroulements de rotor à deux pôles que ceux représentés sur la figure 2 (ces enroulements communs de rotor étant ombrés) . De plus, l'ensemble 110" de rotor comporte quatre enroulements de rotor à quatre pôles (situés par rapport au centre de l'ensemble 110" de rotor à un rayon plus petit que dans le cas des enroulements de rotor à deux pôles, les enroulements de rotor à quatre pôles n'étant pas ombrés). Le stator 112" comporte, sur sa périphérie intérieure, les mêmes enroulements de stator à quatre pôles que ceux représentés sur la figure 2 (ces enroulements communs de stator étant aussi ombrés). De plus, le stator 112" comporte huit enroulements de stator à quatre pôles (situés par rapport au centre de l'ensemble 110" de rotor à un rayon plus grand que dans le cas des enroulements de stator à deux pôles, les enroulements de stator à quatre pôles n'étant pas ombrés).
Dans les modes de réalisation des figures 7B, 7C et 7D, les enroulements de stator à quatre pôles sont connectés aux lignes TA+, TB+, TC+, TA-, TB-, TC- sortant de l'amplificateur 150 de commande de couple (voir figure 2), et les connexions de RA, RB, RC, SA, SB, SC sont telles que représentées sur la figure 2.
Dans le mode de réalisation de moteur à cage d'écureuil de la figure 7B, les enroulements de rotor à quatre pôles se ferment sur eux-mêmes de manière à former un moteur à induction à cage d'écureuil.
Dans le mode de réalisation de moteur (synchrone) à rotor excité par un courant continu de la figure 7C, l'unité 108 de commande de vitesse génère un autre signal Efdo (tension de champ) qui est appliqué à l'amplificateur 700B d'excitatrice. L'amplificateur 700B d'excitatrice prélève son énergie à la source 702B d'énergie excitatrice et envoie des signaux DC+ et DC- à l'ensemble 114B de bague collectrice comportant deux bagues collectrices. On peut comprendre l'emplacement des bagues collectrices dans l'ensemble 114B de bague collectrice en se reportant aux bagues collectrices 114 de la figure 2.
Dans le mode de réalisation d'un moteur à courant alternatif à rotor bobiné de la figure 7D, l'unité 108 de commande de vitesse génère un autre signal TRo (signal de courant de rotor) qui est appliqué à l'amplificateur 700C d'excitation de rotor. L'amplificateur 700C d'excitation de rotor génère les signaux triphasés TRA, TRB et TRC qui sont appliqués aux trois bagues collectrices constituant l'ensemble 114C de bague collectrice.
Dans les modes de réalisation des figures 7B, 7C et 7D, le flux dans l'entrefer (entre le rotor et le stator) relatif à la configuration à quatre pôles tourne seulement deux fois moins vite que le flux relatif à la configuration à deux pôles. I1 en résulte que l'influence du flux de la configuration à quatre pôles sur la configuration à deux pôles ne présente aucune valeur moyenne mais seulement une valeur de "battement". En d'autres termes, si le flux de la configuration à deux pôles tournait à 1 Hz et le flux de la configuration à quatre pôles à 0,5 Hz, la configuration à deux pôles verrait une fréquence de battement de 0,5 Hz.
Bien que les modes de réalisation des figures 7B, 7C et 7D représentent une configuration à deux pôles et à quatre pôles, on comprendra que la seconde configuration pourrait avoir plus de quatre pôles (par exemple, la différence du nombre de pôles des deux configurations pourrait être augmentée) de manière à augmenter la fréquence de battement entre les deux configurations pour maintenir les pulsations à une valeur faible.
Dans les modes de réalisation des figures 7B, 7C et 7D, on commande le couple moyen en utilisant les deux ensembles d'enroulements indépendamment (les enroulements à deux pôles et les enroulements à quatre pôles). Par exemple, comme représenté par les connexions de la figure 7A, on pourrait utiliser les enroulements à quatre pôles pour exécuter la même fonction que l'unité 106 de commande de couple de la figure 2 (connue également comme étant la section d'entraînement de rotor).
Bien qu'éliminant avantageusement les bagues collectrices, le mode de réalisation à cage d'écureuil de la figure 7B voit un couple moyen à la fois depuis les enroulements "S" et depuis les enroulements "T" du stator 112. Par conséquent, l'unité de commande 108 doit déchiffrer ces deux effets, ce que l'homme de métier comprendra facilement ainsi que la façon d'y apporter une solution.
La figure 4 montre l'incorporation, dans une sous-station 200, du système 100 d'interconnexion d'énergie électrique selon la présente invention. Cette sous-station interconnecte électriquement un premier système électrique 222 et un second système électrique 224. On comprendra que le premier système électrique 222 (appelé système numéro 1 d'énergie électrique en courant alternatif) et le second système électrique 224 (appelé système numéro 2 d'énergie électrique en courant alternatif) présentent une ou des caractéristiques électriques différentes. Dans l'illustration de la figure 4, il se trouve que les deux systèmes/compagnies de distribution d'électricité, 222 et 224, opèrent à une tension de 230 kV. On comprendra que d'autres tensions appropriées sont utilisées dans d'autres modes de réalisation.
L'énergie fournie par le système 222 pénètre dans la sous-station 200 de la figure 4 par l'intermédiaire d'un condensateur 230 de puissance (20 Mvar) monté en série et sa tension est abaissée de 230 kV à 15 kV par l'intermédiaire d'un transformateur 232 abaisseur de tension de génératrice de 100 MVA. L'énergie dont la tension est abaissée et qui arrive du transformateur 232 est appliquée, par l'intermédiaire de la ligne d'entrée 234, au convertisseur rotatif 102 du système d'interconnexion 100. Comme représenté sur la figure 2, la ligne d'entrée 234 est en réalité constituée par les trois lignes de phase RA, RB et
RC connectées aux bagues 114 de collecteur. Un champ et une puissance électrique sont établis sur l'ensemble de rotor 110, sont transférés au stator 112, puis transférés du stator 112 à la ligne de sortie 236 sous une tension de 15 kV. Comme on le comprendra d'après la figure 2, la ligne de sortie 236 est en réalité constituée par les trois lignes de phase SA, SB et SC. L'énergie de sortie du stator 112 appliquée à la ligne de sortie 236 est élevée en tension de 15 kV à 230 kV au niveau du transformateur 238 élévateur de tension de la génératrice de 100 MVA. L'énergie dont la tension a été élevée et qui provient du transformateur 238 est ensuite appliquée au système Est 224 par l'intermédiaire d'un condensateur 240 de puissance (20 Mvar).
RC connectées aux bagues 114 de collecteur. Un champ et une puissance électrique sont établis sur l'ensemble de rotor 110, sont transférés au stator 112, puis transférés du stator 112 à la ligne de sortie 236 sous une tension de 15 kV. Comme on le comprendra d'après la figure 2, la ligne de sortie 236 est en réalité constituée par les trois lignes de phase SA, SB et SC. L'énergie de sortie du stator 112 appliquée à la ligne de sortie 236 est élevée en tension de 15 kV à 230 kV au niveau du transformateur 238 élévateur de tension de la génératrice de 100 MVA. L'énergie dont la tension a été élevée et qui provient du transformateur 238 est ensuite appliquée au système Est 224 par l'intermédiaire d'un condensateur 240 de puissance (20 Mvar).
Comme on le comprendra d'après la description ci-dessus du dispositif de commande 104 en liaison avec la figure 2, le dispositif de commande 104 inclus dans la sous-station 200 surveille les fréquences à la fois du système Est 224 et du système Ouest 222 à mesure que ces fréquences varient, c'est-à-dire "vagabondent", à l'intérieur de leurs plages de fréquences différentes et respectives. Au fur et à mesure que la circulation d'énergie électrique est surveillée, le dispositif de commande 104 génère un signal d'entraînement pour ajuster la position angulaire de l'ensemble 110 de rotor, de manière que la puissance électrique puisse être transmise du système 222 au système 224.
En ce qui concerne le point ci-dessus, si le système
Ouest 222 opérait à une fréquence de 59,9 Hz et le système
Est 224 opérait à une fréquence de 60,1 Hz, le système d'interconnexion 100 nécessiterait une variation de 0,2 Hz pour transférer l'énergie du système Ouest 222 au système
Est 224. Pour un dispositif à 2 pôles, la vitesse de rotation requise pour un convertisseur rotatif 105 serait égale à 120*(0,2)/1 = 12 tours par minute. Compte tenu du fait que ces fréquences fluctuent ou varient aussi, le convertisseur rotatif 105 devrait aussi, de façon typique, être capable d'une fréquence de + 0,50 Hz, c'est-à-dire une plage de vitesses de +30 à -30 tours par minute pour un système équivalent à 2 pôles.
Ouest 222 opérait à une fréquence de 59,9 Hz et le système
Est 224 opérait à une fréquence de 60,1 Hz, le système d'interconnexion 100 nécessiterait une variation de 0,2 Hz pour transférer l'énergie du système Ouest 222 au système
Est 224. Pour un dispositif à 2 pôles, la vitesse de rotation requise pour un convertisseur rotatif 105 serait égale à 120*(0,2)/1 = 12 tours par minute. Compte tenu du fait que ces fréquences fluctuent ou varient aussi, le convertisseur rotatif 105 devrait aussi, de façon typique, être capable d'une fréquence de + 0,50 Hz, c'est-à-dire une plage de vitesses de +30 à -30 tours par minute pour un système équivalent à 2 pôles.
La figure 5 montre la relation linéaire entre le couple de commande et la puissance traversante entre les premier et second systèmes électriques. Pour une puissance constante fournie à la machine et des facteurs de puissance de charge constants, le couple électromagnétique développé est constant. Au fur et à mesure que le glissement entre les systèmes augmente, le nombre de tours par minute (Q+) qui est nécessaire pour atteindre une concordance ou adaptation des systèmes augmente et le produit du couple par la vitesse est la puissance requise par le système d'entraînement.
La figure 6 montre les courbes de possibilité pratique du système d'entraînement de la présente invention. La relation entre le couple de commande et la puissance traversante a été représentée sur la figure 5. La "Puissance Traversante" est une caractéristique thermique de la machine si le couple maximum est fourni par un système d'entraînement électromécanique (par exemple une caractéristique de poussée maximale pour un palier de vis sans fin). La "Puissance
Traversante" est essentiellement limitée par le matériau, que ce soit la classe de l'isolation pour un enroulement ou bien une contrainte permise par le matériau, respectivement.
Traversante" est essentiellement limitée par le matériau, que ce soit la classe de l'isolation pour un enroulement ou bien une contrainte permise par le matériau, respectivement.
Dans la présente invention, on commande le couple mécanique du transformateur rotatif de manière à obtenir un transfert de puissance ordonnée de l'enroulement du stator à l'enroulement du rotor. La présente invention se différencie des techniques de l'art antérieur qui commandaient le transfert de puissance de l'enroulement de rotor à l'enroulement de stator dans le but de commander le couple appliqué à la charge (et de cette manière sa vitesse). En outre, dans la présente invention, tant l'enroulement de rotor que l'enroulement de stator sont calculés en vue d'un transfert de puissance total tandis que, dans les applications de la technique antérieure, l'enroulement de rotor était calculé uniquement pour une petite fraction de l'enroulement du stator.
Ce qui est important, c'est que la présente invention élimine le dispositif de conversion de courant continu sous tension élevée qui était nécessaire pour coordonner étroitement le filtrage des harmoniques, les commandes et la compensation réactive, La présente invention fournit aussi, de façon avantageuse, une conversion en une seule étape.
De manière avantageuse, le système d'interconnexion 100 de la présente invention exécute un déphasage continu en commandant l'angle er du rotor (c'est-à-dire la position angulaire de l'ensemble 110 de rotor). Le système d'interconnexion 100 permet un ajustement continu de la phase électrique grâce à sa rotation potentielle de 360 degrés en faisant du système un convertisseur synchrone très basse fréquence. En outre, on peut faire effectuer au système d'interconnexion 100 de façon répétée de larges décalages angulaires pour effectuer des déphasages électriques très grands en présence d'une condition de puissance qui varie rapidement dans un système de grande dimension.
Ainsi, contrairement aux convertisseurs rotatifs classiques, l'ensemble 110 de rotor ne tourne pas à une vitesse angulaire constante mais, par contre, est entraîné en rotation à une vitesse angulaire qui varie de façon continue selon ce qu'exige le système de commande 104. De plus, on obtient une vitesse angulaire bidirectionnelle étant donné que l'ensemble 110 de rotor peut tourner en sens horaire CW et en sens anti-horaire CCW, comme indiqué sur la figure 2.
Alors que les convertisseurs synchrones typiques tournent à une vitesse angulaire unidirectionnelle constante de plusieurs centaines ou de plusieurs milliers de tours par minute, le transformateur rotatif 105 du système d'interconnexion 100 tourne, de façon typique, en sens horaire ou en sens anti-horaire, à moins de 50 tours par minute.
Le système d'interconnexion 100 fournit une commande de déphasage précise et fiable avec la possibilité de suivre le glissement de fréquence et de commander la phase dans les quatre quadrants de la commande. Ainsi, le système d'interconnexion 100 non seulement transfère la puissance mais peut aussi modifier la puissance rapidement en effectuant un déphasage sous charge.
Bien que l'on ait décrit ci-dessus le système d'interconnexion 100 du point de vue de sa fonction d'interconnexion, le système d'interconnexion 100 peut aussi servir de système de stockage d'énergie. Le système d'interconnexion 100 peut être utilisé pour stocker de l'énergie par inertie rotationnelle afin d'atténuer les charges transitoires importantes similaires à celles présentes dans les fours de fusion à arc pour le traitement de l'acier.
Bien que l'invention ait été représentée et décrite d'une façon particulière en se référant aux modes de réalisation préférés de celle-ci, l'homme de métier comprendra que diverses modifications de formes et de détails peuvent y être apportées sans sortir du cadre et de l'esprit de l'invention. Par exemple, alors que dans la description qui précède un système électrique d'alimentation a été décrit comme étant connecté à des bagues 114 de collecteur et qu'un système électrique récepteur a été décrit comme étant connecté à un stator 112, on comprendra que ces connexions pourraient être inversées.
Claims (10)
1. Système d'interconnexion électrique caractérisé en ce qu'il comprend:
un transformateur rotatif (102) destiné à être couplé à un premier système électrique (22) et à un second système électrique (24); et
un dispositif de commande (104) qui ajuste la position angulaire du transformateur rotatif.
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de commande ajuste la position angulaire du transformateur rotatif de manière qu'une puissance prédéterminée soit transférée du premier système électrique au second système électrique.
3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de commande présente une largeur de bande choisie pour amortir des oscillations inhérentes du système d'interconnexion.
4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier système électrique et le second système électrique sont, respectivement, une première compagnie de distribution d'électricité et une seconde compagnie de distribution d'électricité.
5. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transformateur rotatif (102) comprend
un rotor (110) connecté au premier système électrique;
un stator (112) connecté au second système électrique; le système d'interconnexion comprenant, en outre, une unité de commande de couple (106) pour faire tourner le rotor.
6. Sous-station pour interconnecter électriquement un premier système électrique et un second système électrique, le premier système électrique et le second système électrique ayant des caractéristiques électriques différentes, cette sous-station étant caractérisée en ce qu'elle comprend:
un transformateur (232) abaisseur de tension couplé au premier système électrique;
un transformateur (238) élévateur de tension couplé au second système électrique;
un transformateur rotatif (102) couplé au transformateur abaisseur de tension et au transformateur élévateur de tension; et
un dispositif de commande (104) qui ajuste la position angulaire du transformateur rotatif de manière qu'une puissance prédéterminée soit transférée du premier système électrique au second système électrique.
7. Sous-station selon la revendication 6, caractérisé en ce que le transformateur rotatif comprend:
un rotor (110) connecté à un premier des transformateurs abaisseur et élévateur de tension;
un stator (112) connecté à un second des transformateurs abaisseur et élévateur de tension; le système d'interconnexion comprenant, en outre, une unité de commande de couple destinée à faire tourner le rotor.
8. Système d'interconnexion électrique caractérisé en ce qu'il comprend
un transformateur rotatif destiné à être couplé à un premier système électrique et à un second système électrique, et
un système de commande de position angulaire en boucle fermée qui commande le transformateur rotatif en vue de transférer la puissance du premier système électrique au second système électrique.
9. Procédé pour interconnecter deux systèmes électriques, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend
le couplage d'un transformateur rotatif à un premier système électrique et à un second système électrique; et
l'ajustement de la position angulaire du transformateur rotatif de manière qu'une puissance prédéterminée soit transférée du premier système électrique au second système électrique.
10.Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre:
la comparaison d'un signal d'entrée de puissance ordonnée
Po avec un signal de puissance mesurée P1 en cours de transfert entre le premier système électrique et le second système électrique afin de générer un signal de vitesse angulaire demandée (Ûo; et
la comparaison du signal de vitesse angulaire demandée
avec un signal de vitesse angulaire mesurée ùr du transformateur rotatif pour générer un signal d'entraînement To.
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