FR3075500A1 - Dispositif, procede de mesure de puissance d'une generatrice d'electricite et programme d'ordinateur - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif (1) de mesure de la puissance électrique instantanée, fournie par une phase du stator d'une machine tournante génératrice d'électricité, comportant une sonde (11) de mesure d'un flux magnétique instantané, localisée sur l'une des dents du stator, et un capteur (12) de mesure du courant électrique instantané, fourni par la phase. L'invention est caractérisée par un premier module (21) de calcul d'un flux magnétique global instantané de la phase par sommation, effectuée sur ses spires et pour chaque spire de la phase sur les dents qui sont entourées par cette spire, d'une pluralité de flux instantanés, obtenus à partir du flux instantané mesuré par des décalages temporels proportionnels aux décalages angulaires des dents par rapport à la dent déterminée, et un deuxième module (22) de calcul de la puissance électrique instantanée fournie par la machine tournante génératrice d'électricité à partir du courant électrique mesuré par le capteur et du flux magnétique global instantané, ayant été calculé.
Description
L’invention concerne un dispositif de mesure de la puissance électrique fournie par une machine tournante génératrice d’électricité.
Le domaine de l’invention concerne le diagnostic des machines tournantes, appelées alternateurs ou turboalternateurs, présentes notamment dans les centrales de production électrique.
Un des objectifs de la présente invention est de permettre de fiabiliser les techniques de diagnostic existantes ou en développement, en permettant aux dispositifs réalisant ce diagnostic de disposer, in situ, du niveau de la charge (puissance délivrée) de ces alternateurs en temps réel et cela de manière synchronisée à la mesure d’une grandeur observable pertinente - grandeur symptomatique comportementale de la machine.
Dans les centrales de production électrique, l’alternateur - dit aussi « génératrice»- est un composant important assurant la conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique. Pour augmenter la disponibilité des moyens de production et bien cibler les réparations pendant les arrêts périodiques, les exploitants des centrales de production d’électricité équipent leurs alternateurs de capteurs afin de suivre l’état de dégradation et de vieillissement de ces derniers.
Les mesures ainsi reçues viennent nourrir en temps réel des dispositifs automatiques pouvant déclencher des alarmes en cas défauts graves ou donner des indications sur le besoin de maintenance et sur le niveau de priorité des réparations prévues lors des arrêts périodiques. Il apparaît donc important pour l’exploitant de disposer de techniques de détection fiables rendant compte à tout moment de l’état d’usure authentique de ses génératrices. Un diagnostic fiable est celui qui n’anticipe pas trop le programme de maintenance de la machine tournante, sinon cela aurait l’inconvénient de mobiliser précocement de la ressource et du matériel engendrant des dépenses anticipées. De même, cette programmation pour maintenance ne doit pas être trop tardive, auquel cas elle pourrait conduire à une dégradation et destruction du matériel. Un arrêt prématuré de la centrale production implique une perte de disponibilité sur le réseau de distribution d’électricité, engendrant des coûts pénalisants et manques à gagner pour l’exploitant.
On connaît notamment les boîtiers de diagnostic, destinés à enregistrer et à analyser en fonctionnement les différents paramètres caractérisant l’état de dégradation des alternateurs. L’analyse de ces grandeurs G de manière individuelle ou combinée renseigne sur l’état de la machine, tel que par exemple le fonctionnement dégradé, l’apparition de balourds (excentration du rotor par rapport au stator) et de courts-circuits électriques, le vieillissement de composants.
On connaît des boîtiers de diagnostic utilisant des techniques basées sur des seuils ou sur une identification.
Dans les techniques de diagnostic à seuil, un signal temporel G(t), représentatif d’une grandeur d’intérêt G, comprenant une ou plusieurs périodes électriques (cycles), est récupéré depuis des capteurs de l’alternateur. Ce signal G(t) est ensuite transformé en une représentation fréquentielle (transformée de Fourier rapide FFT pour, en anglais, « Fast Fourier Transform ») en lui appliquant une analyse harmonique. La représentation en harmoniques permet de s’affranchir de l’origine des temps et permet une meilleure classification de l’éventuel défaut dont la signature est contenue dans le signal G(t). L’amplitude d’une ou plusieurs raies de fréquences (harmoniques) est ensuite comparée à une référence (seuil) représentative du cas idéal, cas où la machine est en fonctionnement sans défaut. Si le ou les écarts entre les harmoniques du signal mesuré G(t) et ceux du signal référence dépassent le ou les seuils limites prédéfinis dans le boîtier, alors une alarme est déclenchée pour signaler la présence d’un défaut dans la machine tournante. La robustesse et la fiabilité d’une technique de détection se quantifie par le rapport entre le nombre d’alarmes justifiées (présence de défaut réel) et le nombre de fausses alarmes (pas de défaut réel apparent).
Dans les techniques de diagnostic à identification, le signal G(t) est également transposé dans le domaine fréquentiel, puis une signature fréquentielle semblable à la représentation fréquentielle du signal G(t) est recherchée dans une base de données regroupant un ensemble de signatures décrivant les états sains et dégradés de la machine. La base de données est communément construite à partir des observations antérieures, du jugement d’experts ou bien par ordinateur en simulant un modèle numérique jumeau de l’alternateur.
Les boîtiers de diagnostic de l’industrie qui n’ont pas accès à la valeur de la charge instantanée - i.e. la puissance électrique instantanée délivrée par la machine génératrice tournante ne fournissent pas un diagnostic fiable. En effet, les méthodes à seuils utilisent des seuils limites valides uniquement sur une plage de régimes de fonctionnement de l’alternateur (généralement autour du régime de fonctionnement nominal). Or, le spectre harmonique de la grandeur G(t), présentant des caractéristiques remarquables, exhibe un comportement différent selon l’état de charge de la machine. Il s’avère donc difficile d’établir des critères de seuil (règles de discrimination de l’état sain et de l’état avec défaut) qui restent valides et précis quel que soit l’état de charge de la machine. Ceci conduit à délivrer un diagnostic peu robuste car peu fiable. Pour améliorer le diagnostic basé sur les critères seuils, plusieurs critères de seuil doivent être considérés. Chacun doit correspondre à un état de charge donné. Les figures 5A et 5B illustrent cette difficulté d’établir une règle discriminante générale. La figure 5A montre le contenu harmonique H (spectre obtenu avec l’analyse de Fourier) du signal observé, ayant les harmoniques Hl, H2, H3, H4, H5 et H6, obtenus à un premier état de charge 1, où les harmoniques discriminants pour la charge Pi, Qi sont les harmoniques Hl et H3. La figure 5B montre le contenu harmonique H de ce signal, ayant les harmoniques Hl, H2, H3, H4, H5 et H6, à un deuxième état de charge (différent du premier état de charge), où les harmoniques discriminants pour la charge P2, Q2 sont les harmoniques Hl, H2, H4 et H5. On observe dans ce cas que les harmoniques discriminants choisis pour établir le seuil sont différents dans les deux états de charge.
Les méthodes de détection par identification, même si leurs bases de données peuvent contenir des signatures sur l’ensemble des points de fonctionnement de l’alternateur, ne sont pas fiables, car elles peuvent présenter un risque de confusion. En effet, une signature avec défaut obtenue à une charge donnée peut correspondre à une signature sans défaut pour une autre charge.
Dans l’état de la technique, pour pouvoir réaliser un diagnostic fiable, il est nécessaire de disposer de critères limites de détection adaptatifs en fonction du niveau de la charge ou bien disposer de bases de données références classées par niveau de charge, par nature du défaut et par niveau de gravité de celui-ci. Pour cela, il faut disposer de cette information sur la charge dans le boitier de diagnostic simultanément à la grandeur G(t). Par conséquent, il est nécessaire de réaliser des branchements depuis les endroits où cette information est disponible. Par exemple, l’information sur la charge peut être fournie par le réseau de distribution d’électricité au travers de moyens de télécommunication ou autres. Elle peut être aussi directement obtenue par un moyen filaire à partir de la salle de commande.
Toutefois, ces solutions posent des problèmes de coûts et de faisabilité. D’une part, équiper les boîtiers de diagnostic de moyens de télécommunication ou autre avec le gestionnaire du réseau de distribution d’électricité est très coûteux et nécessite l’autorisation de l’exploitant du réseau. D’autre part, récupérer le niveau de charge de l’alternateur à partir de la salle de commande nécessite de tirer des câbles et donc de devoir réaliser des traversées dans les cloisons de l’installation. Ces solutions nécessitent des autorisations administratives et engendrent des coûts supplémentaires. En effet, si les connectiques entre l’alternateur et la salle de commande sont en général installées, il faut prévoir une transmission de la charge via un moyen filaire entre la salle de commande et le boitier de détection. De plus, ces connexions supplémentaires au boitier de détection ne sont pas possibles pour la simple raison que ces connexions supplémentaires ne sont pas prévues lors de la spécification et la fabrication de ces boîtiers.
Enfin, dans l’éventualité où l’installation de moyens de communication avec le réseau de distribution d’électricité serait possible ou que les branchements filaires à partir de la salle de commande seraient possibles, se poserait alors la question de la synchronisation du niveau de la charge instantanée avec la grandeur observable pertinente G(t). En effet, tous ces flux de données se réalisent avec un décalage dans le temps qui peut être plus au moins important et plus au moins pénalisant. Disposer en salle de commande de l’état de charge imposé par le réseau de distribution d’électricité avec quelques secondes de retard dans le temps peut être acceptable pour les besoins d’informations générales sur le niveau de production, entre autres, pour une exploitation de routine d’un centre de production. Mais à contrario, ne pas connaître cet état de charge dans les boîtiers de diagnostic ou le connaître avec un retard même infime, tel que par exemple celui observé lors d’une variation brutale du niveau de la charge, dépendant complètement des caractéristiques propres de la machine diagnostiquée (de l’ordre de la seconde voire moins) peut conduire à des fausses alarmes et donc à un arrêt de la production.
L’invention vise à obtenir un dispositif et un procédé de mesure de la puissance électrique fournie par la machine tournante génératrice, palliant les inconvénients mentionnés ci-dessus.
A cet effet, un premier objet de l’invention est un dispositif de mesure d’une puissance électrique instantanée, fournie par au moins une phase du stator d’une machine tournante génératrice d’électricité, le dispositif comportant une sonde de mesure d’un flux magnétique localisé et instantané d’entrefer, appelé flux instantané mesuré, entre le stator et le rotor de la machine tournante génératrice d’électricité, le stator comportant un nombre déterminé de dents, la sonde de mesure étant localisée de manière fixe sur l’une déterminée des dents du stator, un capteur de mesure du courant électrique instantané, fourni par la phase du stator de la machine tournante génératrice.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le dispositif de mesure comporte un premier module de calcul d’un flux magnétique global instantané de la phase du stator par sommation, effectuée sur les spires de la phase et pour chaque spire de la phase sur les dents qui sont entourées par cette spire, d’une pluralité de flux instantanés, obtenus à partir du flux instantané mesuré par des décalages temporels proportionnels aux décalages angulaires des dents par rapport à la dent déterminée.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le dispositif de mesure comporte un deuxième module de calcul de ladite puissance électrique instantanée fournie par la machine tournante génératrice d’électricité à partir du courant électrique de la phase mesuré par le capteur et du flux magnétique global instantané de la phase, ayant été calculé. L’invention permet ainsi de disposer en temps réel et de manière synchronisée du niveau de charge (mesure de la puissance fournie) de la machine tournante génératrice, telle que par exemple d’un l’alternateur, ce niveau de charge calculé pouvant être ensuite envoyé dans un boîtier de diagnostic. Cela offre l’avantage de mettre en œuvre des techniques de diagnostic adaptables au niveau de la charge de l’alternateur et ainsi de réaliser un diagnostic fiable quel que soit le régime de fonctionnement de l’alternateur.
L’invention permet d’obtenir une valeur électrique globale (charge active P(t), charge réactive Q(t)) à partir d’une mesure locale de flux d’entrefer, de manière synchronisée à la mesure d’une grandeur physique G(t) formant l’observable symptomatique du comportement de la machine tournante, et cela sans instrumentation supplémentaire, sans intrusion, sans branchements de câbles de ladite machine ou de boîtiers de diagnostic résidents.
La présente invention vient améliorer la situation et atteint les objectifs énoncés grâce à une solution qui s’affranchit des contraintes précitées en exploitant avantageusement la mesure du flux magnétique issue d’un capteur résidant dans la machine.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, ladite puissance électrique instantanée fournie par la machine tournante génératrice d’électricité est soit la puissance électrique instantanée de la phase, soit la puissance électrique instantanée totale de la machine.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le premier module est configuré pour calculer le flux magnétique Φ(ί) global instantané de la phase du stator comme étant égal à
Nspire φ(0= Σ Σ^^ΙΝ^-Ν) z=l Æe{3j} où i est un indice désignant chaque spire de la phase,
Nspire désigne le nombre de spires de la phase, e·* k et désignent les indices des dents qui sont entourées par la spire i, (pr est le flux instantané mesuré par la sonde de mesure, ω est la vitesse angulaire de rotation du rotor par rapport au stator, dr est le pas dentaire qui est l’angle entre deux dents successives parmi les dents, m est l’indice de la dent déterminée sur laquelle se trouve la sonde de mesure du flux φΓ, hmk est une fonction de synchronisation temporelle prescrite, dépendant de l’indice k et de l’indice m.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le premier module est configuré pour calculer la fonction de synchronisation temporelle prescrite hmk comme étant égale à hm,k{dT^= άτ ω
Suivant un mode de réalisation de l’invention, la dent déterminée sur laquelle se trouve la sonde de mesure du flux est l’une des dents entourées par au moins une des spires de la phase.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le deuxième module de calcul comporte un sous-module configuré pour calculer une tension instantanée de la phase au moins par dérivation temporelle du flux magnétique global instantané de la phase, ayant été calculé.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le deuxième module de calcul est configuré pour calculer la puissance électrique instantanée fournie par la machine tournante génératrice d’électricité au moins par multiplication de la tension instantanée de la phase, ayant été calculée, par le courant électrique, ayant été mesuré par le capteur.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le dispositif comporte un module de diagnostic de l’état de fonctionnement de la machine tournante génératrice d’électricité, apte à calculer au moins un paramètre de diagnostic de l’état de fonctionnement de la machine tournante génératrice d’électricité à partir de la puissance électrique instantanée, ayant été calculée par le deuxième module de calcul et à partir d’une grandeur observable et/ou à partir du flux magnétique global instantané de la phase du stator, ayant été calculée par le premier module de calcul.
Un deuxième objet de l’invention est une installation de production d’électricité, comportant une machine tournante génératrice d’électricité, laquelle comporte un rotor, un stator, un entrefer situé entre le stator et le rotor, le stator comportant au moins une phase comportant des spires et un nombre déterminé de dents, caractérisée en ce que l’installation de production d’électricité est munie du dispositif de mesure de la puissance électrique instantanée, fournie par la phase du stator, tel que décrit ci-dessus.
Un troisième objet de l’invention est un procédé de mesure de la puissance électrique instantanée, fournie par au moins une phase du stator d’une machine tournante génératrice d’électricité, comportant un rotor, un stator, un entrefer situé entre le stator et le rotor, le stator comportant au moins une phase comportant des spires et un nombre déterminé de dents, le procédé étant caractérisé en ce que on mesure, par une sonde de mesure localisée de manière fixe sur l’une déterminée des dents du stator, un flux magnétique localisé et instantané d’entrefer, appelé flux instantané mesuré, on mesure par un capteur de mesure le courant électrique instantané, fourni par la phase du stator de la machine tournante génératrice.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, on calcule par un premier module de calcul un flux magnétique global instantané de la phase du stator par sommation, effectuée sur les spires de la phase et pour chaque spire de la phase sur les dents qui sont entourées par cette spire, d’une pluralité de flux instantanés, obtenus à partir du flux instantané mesuré par des décalages temporels proportionnels aux décalages angulaires des dents par rapport à la dent déterminée.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, on mesure par un deuxième module de calcul la puissance électrique instantanée fournie par la machine tournante génératrice d’électricité à partir du courant électrique mesuré par le capteur et du flux magnétique global instantané de la phase, ayant été calculé.
Un troisième objet de l’invention est un programme d’ordinateur, comportant des instructions de code pour la mise en œuvre du procédé de mesure tel que décrit ci-dessus, lorsqu’il est exécuté sur au moins un calculateur.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement une machine tournante génératrice selon une coupe transversale à son axe de rotation, sur laquelle peut être mis en œuvre le dispositif de mesure suivant l’invention,
- la figure 2 représente schématiquement un synoptique modulaire du dispositif de mesure suivant un mode de réalisation de l’invention,
- la figure 3 représente schématiquement un synoptique modulaire d’une installation comportant le dispositif de mesure suivant un mode de réalisation de l’invention,
- la figure 4 représente schématiquement selon une vue développée le long de sa circonférence le stator de la machine tournante génératrice de la figure 1, sur laquelle peut être mis en œuvre le dispositif de mesure suivant l’invention,
- la figure 5A est un graphique montrant des harmoniques d’un signal issu d’une machine tournante dans un premier état de charge selon l’état de la technique,
- la figure 5B est un graphique montrant des harmoniques d’un signal issu d’une machine tournante dans un deuxième état de charge selon l’état de la technique,
- la figure 6 représente un organigramme d’un procédé de mesure suivant un mode de réalisation de l’invention.
A la figure 1, une machine tournante 2 génératrice d’électricité comporte un stator 4 et un rotor 3 apte à tourner par rapport au stator 4 autour d’un axe 6 de rotation, un entrefer 5 étant présent entre le rotor 3 et le stator 4. Le rotor 3 comporte un arbre mécanique 7 apte à être fixé à une source de rotation mécanique, pouvant être constante et pouvant être par exemple une turbine T pour une machine tournante génératrice 2 formée par un alternateur ou turboalternateur, pour faire tourner le rotor 3 autour de l’axe 6. La rotation du rotor 3 induit un champ magnétique variable dans le stator 4. Le champ magnétique variable induit aux bornes du bobinage du stator 4 une tension appelée force électromotrice. Le stator 4 comporte une ou plusieurs phases ayant chacune une ou plusieurs bornes de connexion avec l’extérieur, pour fournir vers l’extérieur le courant électrique produit par le stator 4 lorsque le rotor 3 est mis en rotation autour de l’axe 6. On considère ci-dessous la phase U du stator 4, sans que cela soit limitatif, l’invention pouvant être appliquée à une ou plusieurs autres phases du stator 4. Le stator 4 peut être symétrique cylindriquement autour de l’axe de rotation. Par exemple, le stator peut être triphasé, et le dispositif de mesure peut être prévu sur une des trois phases, sur deux des trois phases ou sur les trois phases du stator 4. Par exemple, la machine 2 peut être une machine tournante synchrone, peut être à pôles lisses, peut avoir un bobinage de stator 4 du type imbriqué et peut avoir une ou plusieurs voies en parallèle sur chacune de sa ou ses phases. La machine tournante génératrice 2 peut avoir une puissance nominale de production supérieure à 1 MW, notamment supérieure à 10 MW, ou supérieure à 100 MW ou supérieure à 1000 MW.
Le stator 4 comporte un premier nombre N déterminé de dents D réparties autour de l’axe 6 vers l’entrefer 5. La phase U comporte un deuxième nombre déterminé Nspire de spires i, reliées en série les unes aux autres et conductrices de l’électricité. Chaque spire i entoure une ou plusieurs dents D déterminées du stator parmi les N dents D. Le plan de bobinage des spires i autour des dents D est prédéterminé ou connu à l’avance.
Par exemple, la figure 4 montre une machine 2 formée par un turboalternateur synchrone de 1300 MW à pôles lisses logés dans 84 encoches. Le bobinage du stator 4 de ce turboalternateur est un bobinage imbriqué avec 4 voies en parallèle sur chacune des 3 phases. Chaque voie est répartie sur 7 encoches (87 encoches / (3 phases x 4 voies)). Ce turboalternateur comporte un stator 4 ayant N=32 dents D, indiquées par les références 1 à 32 et N=7 spires i, dont : une première spire i=l entourant les dents D référencées 1 à 26, une deuxième spire i=2 entourant les dents D référencées 2 à 27, une troisième spire i=3 entourant les dents D référencées 3 à 28, une quatrième spire i=4 entourant les dents D référencées 4 à 29, une cinquième spire i=5 entourant les dents D référencées 5 à 30, une sixième spire i=6 entourant les dents D référencées 6 à 31 et une septième spire i=7 entourant les dents D référencées 7 à 32. La figure 4 montre également un axe géométrique Al autour duquel est enroulée la première spire i=l et un axe géométrique A7 autour duquel est enroulée la septième spire i=7. Bien entendu, tout autre nombre Nspire, tout autre nombre N et tout autre plan de bobinage des spires i par rapport aux dents D est possible et tout autre type de machine tournante génératrice 2 peut être prévu suivant l’invention.
Les dents D peuvent être réparties d’une manière régulière autour de l’axe 6, en étant séparées l’une de l’autre d’un même pas angulaire dr. Toutefois l’invention s’applique également à des dents D réparties de manière non régulière mais de manière connue ou prédéterminée autour de l’axe 6.
Suivant un mode de réalisation, le dispositif 1 de mesure de la puissance électrique instantanée, fournie par la phase U de la machine tournante 2 génératrice d’électricité comporte une sonde 11 de mesure de flux magnétique, positionnée sur une dent déterminée Dr du stator 4, appelée dent Dr de mesure et désignée ci-après par l’indice m. La sonde 11 mesure le flux magnétique φΓ localisé et instantané de l’entrefer 5, appelé flux instantané mesuré φΓ. La sonde 11 de mesure de flux magnétique est positionnée et configurée de manière à mesurer le flux magnétique φΓ qui est radial par rapport à l’axe 6 de rotation, c’est-à-dire selon la direction radiale locale R, passant par la dent déterminée Dr. Par exemple, l’axe normal à l’enroulement de la sonde 11 coïncide avec le rayon statorique radial, de manière à maximiser le flux du champ magnétique φΓ capté. Cette sonde 11 peut comporter par exemple un ou plusieurs enroulements d’un fil conducteur de l’électricité, enroulé autour de la dent Dr de mesure. La sonde 11 est reliée à l’extérieur par des moyens de connexion, par exemple par des fils électriques 110. Suivant un mode de réalisation, la sonde 11 est prévue sur au moins l’une des dents D.
Suivant un mode de réalisation, le dispositif 1 de mesure comporte un capteur 12 apte à mesurer le courant électrique I(t) fourni par la phase U. Ce capteur 12 peut comporter une pince ampère-métrique positionnée sur les bornes de connexion extérieures de la phase U, ou autres. Le courant I(t) est un courant instantané.
A la figure 2, la sonde 11 de mesure du flux et le capteur 12 de courant font partie d’un ensemble 100 de mesure du dispositif 1 de mesure. Ainsi, suivant ces modes de réalisation, on dispose en temps réel du flux magnétique radial φΓ mesuré par la sonde 11 et du courant de phase I(t) mesuré par le capteur 12.
Suivant un mode de réalisation, la machine tournante 2 est équipée d’un autre capteur mesurant en temps réel une grandeur physique G(t), pouvant être par exemple un signal vibratoire, une température, une charge électrostatique ou autres.
Le dispositif 1 de mesure comporte un ensemble 200 de calcul de la puissance électrique instantanée fournie par la phase U en fonction du courant électrique I(t) mesuré et du flux instantané mesuré φΓ. On décrit ci-dessous cet ensemble.
Suivant un mode de réalisation, l’ensemble 200 de calcul comporte un premier module 21 configuré pour calculer un flux magnétique Φ(ί) global instantané de la phase U du stator 4.
Suivant un mode de réalisation, le module 21 est configuré pour calculer le flux Φ(ί) induit dans la phase U comme étant la somme des flux magnétiques instantanés Φ^ (^) d’entrefer de spire i sur l’ensemble des spires i de la phase U. On a donc
Nspire ¢0= Σφ/0) /=1
Suivant un mode de réalisation, pour chaque spire i de la phase U, le module 21 est configuré pour calculer chaque flux magnétique instantané Φ^ (^) d’entrefer de spire i en faisant la somme sur celles des dents D qui sont entourées par cette spire i, des flux magnétiques instantanés Ψι,(ί) d’entrefer de dent pour ces dents. On a donc :
φ:ι(')=Σ..1:„ιψ*υ où k et } désignent les indices des dents D qui sont entourées par la spire i, appelées dents k (ou indices k).
Suivant un mode de réalisation, pour chaque dent k, le premier module 11 est configuré pour calculer chaque flux magnétique instantané Ψι,(ί) d’entrefer de dent comme étant égal au flux mesuré instantané φΓ, décalé temporellement d’un décalage temporel déterminé, correspondant au décalage angulaire de cette dent k par rapport à la dent déterminée Dr autour de l’axe 6.
Ainsi, suivant un mode de réalisation, le module 21 calcule le flux magnétique Φ(ί) global instantané de la phase U du stator 4 par sommation, effectuée sur les spires i de la phase U et pour chaque spire i de la phase U sur les dents D qui sont entourées par cette spire i, d’une pluralité des flux mesurés instantanés φΓ, décalés temporellement de décalages temporels correspondant aux décalages angulaires de ces dents D par rapport à la dent déterminée Dr. Ces décalages temporels sont proportionnels aux décalages angulaires des dents D par rapport à la dent déterminée Dr.
Suivant un mode de réalisation, le premier module (21) est configuré pour calculer le flux magnétique Φ(ί) global instantané de la phase U du stator 4 comme étant égal à
Nspire φ(0= Σ Z^(z±k,.j(rfr>®)) z=l Æe{3j} où ω est la vitesse angulaire de rotation du rotor 3 par rapport au stator 4, hmk est une fonction de synchronisation temporelle prescrite, dépendant de l’indice k et de l’indice m.
Suivant un mode de réalisation, la vitesse de rotation du rotor 3 est constante. La vitesse de rotation du rotor 3 peut par exemple être comprise entre 60 tr/min et 3 600 tr/min, et peut être égale par exemple à 1 500 tr/min pour une machine tournante délivrant une puissance électrique à la fréquence f=50 Hz et dont le nombre de paires de pôles magnétiques du rotor est de deux, situation que l’on retrouve dans le parc de production d’électricité de la Demanderesse. Il est bien connu de l’homme de l’art que ladite vitesse de rotation du rotor que nous noterons w est une fonction directe du nombre p de paires de pôles magnétiques du rotor de la machine tournante w = 6O.f/p.
Suivant un mode de réalisation, l’ensemble 200 de calcul comporte un deuxième module 22 de calcul configuré pour calculer la puissance électrique instantanée P(t), Q(t) (également appelée charge P(t), Q(t)) fournie par la machine tournante 2 génératrice d’électricité à partir du courant électrique I(t) mesuré par le capteur 12 et à partir du flux magnétique global instantané Φ(ί) de la phase U, ayant été calculé. Cette puissance électrique instantanée P(t), Q(t), calculée par le deuxième module 22 de calcul, est la puissance électrique instantanée P(t), Q(t) fournie par la phase U du stator 4, ou par plusieurs phases du stator 4 ou par toutes les phases du stator 4 ou puissance électrique instantanée totale fournie par la machine 2.
Suivant un mode de réalisation, le premier module 21 est configuré pour calculer la fonction de synchronisation temporelle prescrite hmk comme étant égale à άτ ω
On a donc dans ce mode de réalisation :
Les paramètres m, , dr et hm k sont caractérisés de manière unique pour chaque machine tournante génératrice 2. Suivant un mode de réalisation, l’ensemble est l’ensemble des indices des dents internes à la spire i, non polaires.
Dans le cas où les dents D sont réparties régulièrement autour de l’axe 6, l’indice k est un nombre entier, et l’indice m est un nombre entier, le décalage angulaire des dents D étant égal à (m-k)dr par rapport à la dent déterminée Dr d’indice m. Bien entendu, les indices k peuvent ne pas être entiers dans le cas où les dents D ne sont réparties régulièrement autour de l’axe 6 et où donc le décalage angulaire des dents D par rapport à la dent déterminée Dr d’indice m n’est pas un multiple entier du pas angulaire dr.
Suivant un mode de réalisation, la phase U entoure la sonde 11 de mesure de flux. Suivant un mode de réalisation, la dent déterminée Dr, d’indice m, sur laquelle se trouve la sonde 11 de mesure du flux φΓ est l’une des dents D, k entourées par une des spires i de la phase U, ou par plusieurs des spires i de la phase U ou par toutes les spires i de la phase U.
Suivant un mode de réalisation, le deuxième module 22 de calcul comporte un premier sous-module 221 configuré pour calculer une tension instantanée V(t) de la phase U au moins par dérivation temporelle du flux magnétique global instantané Φ(ί) de la phase U, ayant été calculé. Ainsi, suivant ce mode de réalisation déterminant la tension V(t) par calcul, l’invention se dispense d’une instrumentation coûteuse mesurant la tension V(t). Par exemple, ce calcul tient compte également des pertes ohmiques de la phase U du stator 4, en soustrayant une résistance interne Res prédéterminée de la phase U du stator 4, multipliée par le courant I(t) mesuré de la phase U du stator 4. On a ainsi
Le sous-module 221 ou 222 peut également calculer un déphasage angulaire a (ou un facteur de puissance correspondant cos (a)) entre la partie Q(t) de puissance réactive de la puissance électrique instantanée P(t), Q(t) fournie par la machine tournante 2 génératrice d’électricité et la partie P(t) de puissance active de la puissance électrique instantanée P(t), Q(t) fournie par la machine tournante 2 génératrice d’électricité.
Suivant un mode de réalisation, le deuxième module 22 de calcul comporte un deuxième sous-module 222 configuré pour calculer la puissance électrique instantanée P(t), Q(t) fournie par la machine tournante 2 génératrice d’électricité au moins par multiplication de la tension instantanée V(t) de la phase U, ayant été calculée par le premier sous-module 221, par le courant électrique I(t), ayant été mesuré par le capteur 12. Ainsi, la charge P(t), Q(t) peut être calculée suivant l’invention en utilisant non plus le couple (V(t), I(t)) mais plutôt le couple (cpr(t),
Suivant un mode de réalisation,
P(t) = 3. V(t).I(t).cos (a) et
Q(t) = 3. V(t).I(t).sin (a)
Suivant un mode de réalisation, le dispositif 1 comporte un module 23 de diagnostic de l’état de fonctionnement de la machine tournante 2 génératrice d’électricité en fonction de la puissance électrique instantanée P(t), Q(t), ayant été calculée par le deuxième module 22 de calcul et/ou en fonction du flux magnétique Φ(ί) global instantané de la phase U du stator 4, ayant été calculée par le premier module 21 de calcul. Par exemple, le module 23 de diagnostic est apte à calculer au moins un paramètre de diagnostic de l’état de fonctionnement de la machine tournante 2 génératrice d’électricité à partir de la puissance électrique instantanée P(t), Q(t), ayant été calculée par le deuxième module 22 de calcul et/ou à partir du flux magnétique Φ(ί) global instantané de la phase U du stator 4, ayant été calculée par le premier module 21 de calcul. Le module 23 de diagnostic peut également tenir compte d’une ou plusieurs grandeurs observables G(t), comme par exemple l’une ou plusieurs de celles mentionnées, pour calculer le paramètre de diagnostic.
Les modules 21 et 22 peuvent par exemple être mis en œuvre dans un calculateur, un ordinateur ou autres, contenu par exemple dans un boîtier 201 et comportant un processeur pour effectuer les calculs d’une manière automatique en fonction des valeurs du flux φΓ et des valeurs du courant I(t) envoyées à respectivement une première entrée 210 du premier module 21 et à une deuxième entrée 220 du deuxième module 22 par respectivement la sonde 11 et le capteur 12. Le calculateur ou ordinateur ou processeur est programmé par un programme d’ordinateur comportant des instructions de code exécutant les calculs mentionnés ci-dessus.
Suivant un mode de réalisation, l’installation de production d’électricité est munie du dispositif 1 de mesure de la puissance électrique tel que décrit ci-dessus.
L’invention concerne aussi un procédé de mesure de la puissance électrique instantanée, fournie par la machine tournante 2 génératrice d’électricité, qui exécute les étapes suivantes à l’aide du dispositif 1 de mesure décrit ci-dessus. Ce procédé comporte, en référence à la figure 6, les étapes suivantes :
- première étape El : mesure, par la sonde 11, du flux magnétique φΓ localisé et instantané d’entrefer,
- deuxième étape E2 : mesure, par le capteur 12, du courant électrique I(t) instantané, fourni par la phase U du stator 4 de la machine tournante génératrice 2,
- troisième étape E3 : calcul, par le premier module 21 de calcul, du flux magnétique Φ(ί) global instantané de la phase U du stator 4 par sommation, effectuée sur les spires i de la phase U et pour chaque spire i de la phase U sur les dents (D) qui sont entourées par cette spire i, d’une pluralité des flux mesurés instantanés φΓ, décalés temporellement de décalages temporels correspondant aux décalages angulaires de ces dents D par rapport à la dent déterminée Dr,
- quatrième étape E4 : calcul, par le deuxième module 22 de calcul, de la puissance électrique instantanée P(t), Q(t) fournie par la machine tournante 2 génératrice d’électricité à partir du courant électrique I(t) mesuré par le capteur 12 et du flux magnétique global instantané Φ(ί) de la phase U, ayant été calculé.
Suivant un mode de réalisation, la première étape El est exécutée simultanément à la deuxième étape E2, pour mesurer le flux magnétique φΓ au même instant t que le courant I(t).
L’invention concerne également un programme d’ordinateur pour la mise en œuvre de ce procédé.
Le module 23 de diagnostic peut par exemple être mis en œuvre dans un calculateur, un ordinateur ou autres, contenu par exemple dans un boîtier 202 de diagnostic et comportant un processeur pour effectuer des calculs d’une manière automatique. Le calculateur ou ordinateur ou processeur est programmé par un programme d’ordinateur comportant des instructions de code exécutant ces calculs. Suivant un mode de réalisation, le module de diagnostic ou boîtier de diagnostic prend en entrée la mesure de la grandeur observée G(t), le niveau de charge P(t), Q(t) calculé par le module 22 et la mesure du courant I(t) fournie par le capteur 12. Line variante consiste à prendre comme grandeur observée G(t) la mesure du flux radial φΓ(ΐ), c’est-à-dire G(t)=(pr(t). Dans ce cas, le module 21 et/ou 22 et/ou 221 et/ou 222 de calcul de la charge peut être implanté directement à l’intérieur du boitier de diagnostic. Dans ce cas, le boitier de diagnostic 2 ne requiert plus que deux entrées : la mesure de la grandeur <pr(t) fournie par la sonde 11 et la mesure du courant I(t) fournie par le capteur 12.
Le dispositif 1 de mesure peut être installé dans une installation 300 de production d’électricité, représentée à la figure 1. On décrit ci-dessous un mode de réalisation de cette installation 300. L’installation 300 de production d’électricité comporte un ou plusieurs alternateurs 2 (formant chacune une machine tournante génératrice telle que décrite ci-dessus), entraînés mécaniquement par une ou plusieurs turbines 301 pour que le stator 4 des alternateurs 2 fournissent une puissance électrique P(t), Q(t) pour répondre à la charge (demande) imposée par un réseau 302 de distribution d’électricité vers des consommateurs d’électricité. L’alternateur 2 est instrumenté et équipé de capteurs, dont la sonde 11 et le capteur 12, qui renvoient des données de mesure en temps réel ou séquencées à la salle 303 de commande, généralement distante de l’alternateur 2 et parfois du site de production lui-même. Les données de l’alternateur 2 sont toutes ou en partie renvoyées à des boîtiers 23 de diagnostic, eux aussi souvent distants de l’alternateur 2 et de la salle 303 de commande. Dans certaines installations, il peut exister des connexions renvoyant les flux de données sortants des capteurs des alternateurs 2 vers la salle 303 de commande. L’information délivrée par ces boîtiers peut aussi être acheminée à des plateformes distantes, centralisant l’information de plusieurs centrales de production d’électricité. Enfin, il est souvent possible de trouver une communication directe ou indirecte entre le réseau 302 et la salle 303 de commande.
En utilisant le dispositif de mesure tel que décrit-ci-dessus, les boîtiers de diagnostic peuvent déployer des diagnostics plus performants en choisissant les bons critères limites, pour les méthodes dites à seuils, ou bien réduire la base de signature de références où l’on cherche à identifier un signal G(t) dans le cas des méthodes dites par identification. Dans les deux cas, l’exploitant de ces machines tournantes génératrices réalisera un diagnostic plus performant, sans connexions supplémentaires entre la salle de commande et les boîtiers de diagnostic pour transmettre l’information sur le niveau de la charge de ces machines.
Bien entendu, les modes de réalisation, caractéristiques, possibiltés et exemples ci-dessus peuvent être combinés l’un avec l’autre ou être sélectionnés indépendamment l’un de l’autre.
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de mesure d’une puissance électrique instantanée, fournie par au moins une phase (U) du stator (4) d’une machine tournante (2) génératrice d’électricité, le dispositif comportant une sonde (11) de mesure d’un flux magnétique (φΓ) localisé et instantané d’entrefer, appelé flux instantané mesuré, entre le stator (4) et le rotor (3) de la machine tournante (2) génératrice d’électricité, le stator (4) comportant un nombre déterminé de dents (D), la sonde (11) de mesure étant localisée de manière fixe sur l’une déterminée (Dr) des dents (D) du stator (4), un capteur (12) de mesure du courant électrique (I(t)) instantané, fourni par la phase (U) du stator (4) de la machine tournante génératrice (2), caractérisé en ce qu’il comporte un premier module (21) de calcul d’un flux magnétique (Φ(ί)) global instantané de la phase (U) du stator (4) par sommation, effectuée sur les spires (i) de la phase (U) et pour chaque spire (i) de la phase (U) sur les dents (D) qui sont entourées par cette spire (i), d’une pluralité de flux instantanés, obtenus à partir du flux instantané mesuré (φΓ) par des décalages temporels proportionnels aux décalages angulaires des dents (D) par rapport à la dent déterminée (Dr), un deuxième module (22) de calcul de ladite puissance électrique instantanée (P(t), Q(t)) fournie par la machine tournante (2) génératrice d’électricité à partir du courant électrique (I(t)) de la phase (U) mesuré par le capteur (12) et du flux magnétique global instantané (Φ(ί)) de la phase (U), ayant été calculé.
- 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite puissance électrique instantanée (P(t), Q(t)) fournie par la machine tournante (2) génératrice d’électricité est soit la puissance électrique instantanée de la phase (U), soit la puissance électrique instantanée totale de la machine.
- 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier module (21) est configuré pour calculer le flux magnétique Φ(ί) global instantané de la phase (U) du stator (4) comme étant égal àNspire φ0)= Σ Σ^(,±λ»λ(^®)) ζ=1 Æe{3j} où i est un indice désignant chaque spire de la phase (U),Nspire désigne le nombre de spires de la phase (U), e·* k et désignent les indices des dents (D) qui sont entourées par la spire i, (pr est le flux instantané mesuré par la sonde (11) de mesure, ω est la vitesse angulaire de rotation du rotor (3) par rapport au stator (4), dr est le pas dentaire qui est l’angle entre deux dents successives parmi les dents (D), m est l’indice de la dent (Dr) déterminée sur laquelle se trouve la sonde (11) de mesure du flux φΓ, hmk est une fonction de synchronisation temporelle prescrite, dépendant de l’indice k et de l’indice m.
- 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le premier module (21) est configuré pour calculer la fonction de synchronisation temporelle prescrite hmk comme étant égale à hm,k{dT^= άτ ω
- 5. Dispositif suivant l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la dent déterminée (Dr) sur laquelle se trouve la sonde (11) de mesure du flux (φΓ) est l’une des dents entourées par au moins une des spires de la phase (U).
- 6. Dispositif suivant l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième module (22) de calcul comporte un sous-module (221) configuré pour calculer une tension instantanée (V(t)) de la phase (U) au moins par dérivation temporelle du flux magnétique global instantané (Φ(ΐ)) de la phase (U), ayant été calculé.
- 7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le deuxième module (22) de calcul est configuré pour calculer la puissance électrique instantanée (P(t), Q(t)) fournie par la machine tournante (2) génératrice d’électricité au moins par multiplication de la tension instantanée (V(t)) de la phase (U), ayant été calculée, par le courant électrique (I(t)), ayant été mesuré par le capteur (12).
- 8. Dispositif suivant l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte un module (23) de diagnostic de l’état de fonctionnement de la machine tournante (2) génératrice d’électricité, apte à calculer au moins un paramètre de diagnostic de l’état de fonctionnement de la machine tournante (2) génératrice d’électricité à partir de la puissance électrique instantanée (P(t), Q(t)), ayant été calculée par le deuxième module (22) de calcul et à partir d’une grandeur observable (G(t)) et/ou à partir du flux magnétique (Φ(ί)) global instantané de la phase (U) du stator (4), ayant été calculée par le premier module (21) de calcul.
- 9. Installation de production d’électricité, comportant une machine tournante (2) génératrice d’électricité, laquelle comporte un rotor (3), un stator (4), un entrefer (5) situé entre le stator (4) et le rotor (3), le stator (4) comportant au moins une phase (U) comportant des spires (i) et un nombre déterminé de dents (D), caractérisée en ce que l’installation de production d’électricité est munie du dispositif (1) de mesure de la puissance électrique instantanée, fournie par la phase (U) du stator (4) suivant l’une quelconque des revendications précédentes.
- 10. Procédé de mesure de la puissance électrique instantanée, fournie par au moins une phase (U) du stator (4) d’une machine tournante (2) génératrice d’électricité, comportant un rotor (3), un stator (4), un entrefer (5) situé entre le stator (4) et le rotor (3), le stator (4) comportant au moins une phase (U) comportant des spires (i) et un nombre déterminé de dents (D), le procédé étant caractérisé en ce que on mesure, par une sonde (11) de mesure localisée de manière fixe sur l’une déterminée (Dr) des dents (D) du stator (4), un flux magnétique (φΓ) localisé et instantané d’entrefer, appelé flux instantané mesuré, on mesure par un capteur (12) de mesure le courant électrique (I(t)) instantané, fourni par la phase (U) du stator (4) de la machine tournante génératrice (2) , on calcule par un premier module (21) de calcul un flux magnétique (Φ(ί)) global instantané de la phase (U) du stator (4) par sommation, effectuée sur les spires (i) de la phase (U) et pour chaque spire (i) de la phase (U) sur les dents (D) qui sont entourées par cette spire (i), d’une pluralité de flux instantanés, obtenus à 5 partir du flux instantané mesuré (φΓ) par des décalages temporels proportionnels aux décalages angulaires des dents (D) par rapport à la dent déterminée (Dr), on mesure par un deuxième module (22) de calcul la puissance électrique instantanée (P(t), Q(t)) fournie par la machine tournante (2) génératrice d’électricité à partir du courant électrique (I(t)) mesuré par le capteur (12) et du flux magnétique 10 global instantané (Φ(ί)) de la phase (U), ayant été calculé.
- 11. Programme d’ordinateur, comportant des instructions de code pour la mise en œuvre du procédé de mesure suivant la revendication 10, lorsqu’il est exécuté sur au moins un calculateur.
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2018
- 2018-12-12 WO PCT/EP2018/084621 patent/WO2019115642A1/fr active Application Filing
Patent Citations (2)
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| WO2014135784A1 (fr) * | 2013-03-05 | 2014-09-12 | Electricite De France | Procédé de détection d'un défaut d'excentricité d'un rotor d'une machine électrique tournante |
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