Bescherming
van de voeding met elektrische energie

Het ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), dat gebouwd is op de wetenschappelijke polygoon van Grenoble, is een onderzoekscentrum dat werd gefinancierd door twaalf Europese landen. Haar stralingsbron is de krachtigste ter wereld. Zij bestaat uit een hoofdring en een periferie van bijna een kilometer waarbinnen een bundel van deeltjes cirkelt tegen een snelheid die de snelheid van het licht benadert.

Deze versnelling wekt een « lichtgevende » straling op (die synchrotronstraling wordt genoemd) onder de vorm van X-stralen, met een schittering die vandaag de dag nog steeds zonder weerga is. Het laat meer bepaald toe om clichés te bekomen die de moleculaire structuren in drie dimensies visualiseren. De wetenschappelijke toepassingen ervan horen voornamelijk thuis in de biologie, de genetica, de kristallografie, de chemie,… Een bundel van elektronen die op een langdurige wijze tegen een relativistische snelheid in een baan van een km omtrek met een precisie van een micron wordt opgeslagen, betekent een enorme technologische uitdaging. Een perfect stabiele elektrische voeding is één van de aspecten voor het slagen van een dergelijke krachttoer. Inderdaad, een kortstondige spanningsdaling van meer dan 5%, of, a fortiori een micro-onderbreking, veroorzaakt het totale verlies van de bundel en bijgevolg van de straling, wat een herinjectie van deeltjes in de stockeringsring noodzaakt. Men weet dat er bijna tweehonderd maal per jaar dergelijke storingen voorkomen op de wetenschappelijke polygoon van de stad. Om geen last meer te hebben van de gevolgen van deze storingen waren er verschillende oplossingen denkbaar. De verantwoordelijken voor het project hebben geopteerd voor een dynamische oplossing bestaande uit 10 No-Break KS in parallelle redundanties.

Opbouw
De aangewende No-Break KS-systemen met middelzware spanning zijn voedingen zonder onderbrekingen die bestaan uit (fig. 1) :
- een draaiende machine zonder ring of borstel, volgens een origineel concept dat «Stato-Alternator» wordt genoemd, dat in essentie bestaat uit een synchrone laagspanningsmachine, gecombineerd met een asynchrone rem waarvan het draaiende gedeelte een kinetische trommel is die vrij staat van elke belasting
- een elektromagnetische koppeling
- een dieselmotor met klassieke aanloop
- een kast die bestaat uit elementen voor het vermogen, de controle en de regeling
- een driefasige zelfinductiespoel met middelzware spanning, evenals een spanningsopvoerder per systeem.
Het geheel van de Stato-Alternator, de elektromagnetische koppeling en de dieselmotor wordt samen gemonteerd op een gemeenschappelijk frame. Naar buiten toe kan het systeem overkomen als een eenvoudige stroomgenerator. In werkelijkheid gaat het hem om een voeding zonder onderbreking , met opmerkelijke prestaties.

Functionering in normaal bedrijf
Met stilstaande dieselmotor en de elektromagnetische koppeling open, is de Stato-Alternator direct in parallelschakeling aangekoppeld op het net met middelhoge spanning via een spanningsopvoerder en een zelfinductiebuffer ; hij reageert zoals een klassieke synchrone compensatormachine.
Bij dit type van functioneren dat schematisch wordt voorgesteld in fig. 2, doet het systeem No-Break KS het volgende:
- het realiseert een filtering van de spanningscompensaties die voortkomen uit het stroomtoevoernetwerk
- het verzwakt op een drastische manier de terugstoot naar het netwerk van de stroomcompensaties die door de niet-lineaire belastingen die op de verbruikstoestellen aanwezig zijn, worden veroorzaakt
- het handhaaft een constante spanning aan de aansluitklemmen en corrigeert de trage spanningsfluctuaties in een marge van +/- 10%
- maakt het mogelijk om een nominale spanning te handhaven tijdens tijdelijke belangrijke kortstondige spanningsdalingen zonder te moeten een beroep doen op het aanlopen van de dieselmotor, of op eender welke andere vorm van activiteit die het systeem belast :
U = +/- 50%, 250 msec
U = +/- 100%, 50 msec
Deze belangrijke kortstondige spanningsdalingen zijn het gevolg van kortsluitingen of van bedieningen die voorafgaan aan het systeem en, zoals we dit reeds eerder hebben onderstreept in de korte inhoud, komen deze bijzonder vaak voor op de site van het ESRF.
- wegens zijn zwakke subtransitoire schijnweerstand maakt het een gemakkelijke selectiviteit mogelijk van de beschermingen die voorafgaandelijk aan het systeem werden geplaatst (Icc +/- 20.In), zonder een beroep te doen op het C.C.-vermogen van het netwerk
- het levert automatisch de reactieve stroom die wordt verbruikt door de belasting en vervangt bijgevolg de cos-phi, zonder batterijen van condensatoren te hoeven gebruiken, waarvan het inschakelen over het algemeen micro-onderbrekingen veroorzaakt van de spanning, die schadelijk zijn voor het functioneren van gevoelige installaties.

Recuperatiefase
Van zodra er een storing van het voedingsnetwerk wordt ontdekt, zorgt het systeem voor zijn afkoppeling van het in gebreke blijvende netwerk door het openen van een beveiligingsschakelaar die zich voorafgaandelijk aan het systeem bevindt. Het tijdelijk diagram daarvan wordt weergegeven in fig. 3.  
Wanneer deze afkoppeling plaats grijpt in het tijdsverloop t=0, wordt de actieve energie die wordt opgenomen door de belasting in een eerste tijdsverloop gehaald uit de massa die draait tegen 1500 t/m. Het polaire wiel van de synchrone machine, die synchrone generator wordt, vertraagt snel met
= C/J rad.s -²
waarbij C het mechanische koppel is in Nm en J het traagheidsmoment van de massa bij 1500 t/m in kgm². Elektronische kaarten die daartoe zijn opgesteld, ontdekken de frequentieval en zorgen voor een DC –stroominjectie in de inductor van de remmotor. Op die manier verwezenlijkt men een magnetisch aanhaken tussen de kinetische trommel waarvan de snelheid afgeregeld is op 2600 t/m en de inductor, waarvan de snelheid is verbonden met die van het polaire wiel. Wanneer het aanschakelingskoppel hoger is dan het koppel dat resulteert uit het actieve vermogen van de belasting, wordt de richting van de versnelling van het polaire wiel omgedraaid, terwijl het kinetische wiel vertraagt, terwijl het een gedeelte van zijn actieve energie afgeeft. Op die manier kan men een regeling van de uitgangsfrequentie tot de uitputting van de kinetische energie van de trommel verzekeren. De kinetische energiereserve en de koppels die kunnen worden overgebracht, worden berekend op zodanige wijze dat :
1. De dieselmotor in staat is om een zachte en progressieve start in enkele seconden te verzekeren (curve van snelheidstoename geschematiseerd in een zwarte lijn op fig. 3).
2. Wanneer het normale startsysteem per starter en batterij van de dieselmotor inefficiënt wordt (gebrekkigheid van de batterijen, defecte starter, …), maakt het No-Break KS-systeem het mogelijk om in elke omstandigheid de dieselmotor te starten door de geforceerde sluiting van de elektromagnetische koppeling (curve van snelheidstoename geschematiseerd in gekrulde lijn op fig. 3).
3. Welke ook de storing is die zich voordoet voorafgaandelijk aan het systeem (kortsluiting of voeding van een netwerk door het hogerop liggende deel bij de verdwijning van de voeding), is het systeem in staat om de energie te leveren tijdens de tijdsspanne die nodig is voor het openen van het relais of van de schakelaar die zich voorafgaandelijk aan het systeem bevindt. Het is bijgevolg niet nodig om een statische schakelaar te gebruiken, die een breekbaar element blijft in het geval van een overbelasting of van een front dat stijf staat van spanning, die voortkomt uit de te hoge spanningen door bedieningen.

Hulpregime
Wanneer de dieselmotor zijn bedrijfstoerental heeft bereikt, sluit de elektromagnetische koppeling zich en voedt het systeem de stroomafnemers op de wijze van een stroomgenerator. Van zodra de Stato-Alternator zijn kinetische energie heeft teruggewonnen en van zodra het netwerk wordt geaccepteerd door de overwakingskaarten, synchroniseert het No-Break KS-systeem zich automatisch en vindt het zijn normaal regime terug.

Parallelschakeling en redundantie
Zoals elke synchrone machine kunnen de KS-voedingssystemen gemakkelijk parallel worden geschakeld. Deze mogelijkheid laat toe om gemakkelijk het vermogen van de hulpsystemen aan te passen aan de evolutie of aan de uitbreiding van de kritieke belastingen. In het normaal regime verzekeren de spanningsregulatoren van de stato-alternatoren een gelijke verdeling van de reactieve belastingen op de N- machines. In het hulpregime verzekeren de elektronische snelheidsregulatoren van de dieselmotor, geholpen door de belastingsverdelers, de verdeling van de actieve vermogens tussen de verschillende groepen. In de eenvoudige, parallelle systemen is het maximale vermogen, dat elke groep kan ondersteunen gelijk aan P/N In de parallelle, redundante systemen is het maximale vermogen dat elke groep kan ondersteunen gelijk aan P/(N+1). In dit geval bezorgt de waarde van het MTBF (voorspeld gemiddeld tijdsverloop tussen twee feiten), die in de geïsoleerde gevallen hoger is dan 15 jaar, aan het parallelle redundante systeem een quasi absolute bedrijfszekerheid.

Voordelen van de No-Break KS-systemen
Zes fundamentele criteria hebben de keuze van de verantwoordelijken van het ESRF naar de No-Break KS-systemen geleid.
Het hoge rendement
Een draaiende machine die ruim overgedimensioneerd is , waarvan de transitoire en de subtransitoire schijnweerstand heel zwak is (+/- 5%). De functionering ervan in het normale regime is gelijkaardig met die van een synchrone compensatormachine die parallel is geschakeld op het voedingsnetwerk. Het totale actieve vermogen wordt volledig geleverd door het voedingsnetwerk. Zoals we hier verder zullen zien, levert de synchrone machine slechts de reactieve stroom die wordt opgenomen door de belastingen. De Stato-Alternator omvat een synchrone machine, die heel ruim gedimensioneerd is, waarvan de verliezen bij stationair draaien of bij belasting sterk werden gereduceerd.
Deze werking- en dimensioneringskenmerken bezorgen aan het geheel van het systeem een heel hoog rendement (hoger dan 96%).
Gedragswijze tegenover de compensaties van de belastingsstroom
De belastingen van het ESRF-centrum worden in wezen vooral gevormd door elektronische installaties met een groot vermogen en bijgevolg, opwekkers van belangrijke compensatiestromen. De zwakke schijnweerstand van het No-Break KS-systeem leent zich bijzonder goed voor de reductie van de invloed van deze compensaties van de belastingsstroom onder de vorm van spanning van de stroomafnemers. Bij een eerste analyse zijn de schijnweerstanden X"d, X"q, X"o, X2 essentieel om de impact van de compensaties van stromen onder de vorm van een spanningsgolf en van de verwijdering van deze laatsten naar wat voorafgaat aan het systeem, te evalueren. Zij vertalen de efficiëntie van de onderdrukking door de dempingskast van de velden in relatieve rotatie tegenover het fundamentele veld , evenals de zwakte van de stroom van statoruitstromingen. Het geheel van het netwerk, de zelfinductiebuffer, het No-Break KS-systeem en de belasting kunnen worden vereenvoudigd volgens het schema van fig. 4.
De synchrone machines in de Stato-Alternatoren hebben de volgende schijnweerstandwaarden: X"d<5%, X"q@X2@5%, Xo<2%
Wanneer Z een stroomgenerator vormt zoals: Iz = I1 + I3 + … + Iv met een compensatiebereik:
Bijgevolg voor allen v ¹ van 1, herleidt het voorafgaande schema zich tot dat van fig. 5.
met VXLv = XL.v; Xsv = Xo.v voor v = 3.(2k-1) (homopolairen); Xsv = X"d.v voor v = 6k±1, en k = 1, 2, … Het verband tussen XLv en Xsv fluctueert volgens de rang van v tussen 6 en 20. Het resultaat daarvan is dat :
1. De compensatiegraad van de stroom die wordt afgevoerd naar het gedeelte dat voorafgaat (het netwerk) wordt herleid met een factor in de buurt van 10
2. De amplitude van de compensatiespanningen aan de klemlijsten van Xsv (proportionele of met schijnweerstand) zwak is ten opzichte van die van de conventionele machines
Invloed van een vervormde of onevenwichtige netwerkspanning
Een driefasige, onevenwichtige netspanning kan worden vervangen door drie driefasige systemen Ed, Ei, Eo. Het schema kan worden beperkt tot fig. 6.
In dit geval speelt de schijnweerstand Xsv ten opzichte van de wisselstroomweerstand XLv, de rol van spanningsverdeler. Bij het vervangen van de waarden van de schijnweerstanden door de corresponderende waarden in functie van de compensatie-orde of van de waarden die resulteren uit de transformatie van Park, kan men zich rekenschap geven van de drastische reductie van de amplitude van de vervormingen.
Dynamische prestaties
De reacties van het systeem ten opzichte van alle storingen die komen uit het netwerk, zijn merkwaardig:
- trage en voorbijgaande kortstondige spanningsdalingen
- beroep op belastingen op de stroomafnemers
- frequente kortsluitingen voorafgaande aan het 400 kV-netwerk in geval van onweer
- zwakke afwijkingshoeken tijdens storingen van het netwerk en opvragen van belastingen, evenals tijdens het opvragen van belangrijke belastingen op de stroomafnemers.
Wij zullen het eerste punt expliciteren voor wat de handhaving van de spanning aan de klemlijsten van de stroomafnemers betreft in het geval van belangrijke, kortstondige spanningsdalingen van het netwerk. Met dit doel zullen we de volgende conventies volgen (fig. 7)
Bij het functioneren in gesynchroniseerde modus op het netwerk, bevindt het No-Break KS-systeem zich dan in afwachting van een netwerkdefect. In deze situatie is de stroom die wordt geleverd door de synchrone machine in een faseverschuiving van een kwart periode tegenover de spanning Ua. Het wisselt in feite geen enkel actief vermogen uit buiten zijn zwak verlies wanneer de motor niet draait. Overigens is de netwerkspanning in een faseverschuiving van een kwart periode tegenover de spanning van de zelfinductie U s. Deze zelfde spanning U s vertegenwoordigt het vectoriële verschil tussen de netwerkspanning en de spanning van de stroomafnemers.
Fig. 8a geeft het vectoriële diagram weer van de spanningen en stromen die door het systeem gaan wanneer de spanning van het netwerk dicht ligt bij de gebruiksspanning (afgeregeld op +/- 1%) en dat de belasting nominaal is met cosj = 0,8. Men constateert onmiddellijk dat de stroom die voorafgaandelijk aan het systeem door gaat, bijna 20% lager is ten opzichte van de stroom die wordt opgenomen door de belasting. Het systeem vervult zijn rol van synchrone compensatormachine door de quasi totaliteit te leveren van de reactieve stroom die wordt opgenomen door de belasting en doordat de cosj van het netwerk dicht bij 1 is.
De fig. 8b en 8c geven dezelfde diagrammen weer wanneer de netwerkspanningen respectievelijk 5% hoger en 5% lager zijn dan de voorgeschreven spanning.
Fig. 8d correspondeert met het geval van een belangrijke kortstondige spanningsdaling waarvoor de spanning van het netwerk gedaald is met 50%. Op te merken valt dat de spanning aan de klemlijsten van de stroomafnemers kan worden gehandhaafd op haar nominale waarde, voor zover dat de synchrone machine in staat zou zijn om een belangrijke reactieve stroom te leveren.
We hebben gezien dat de synchrone machines van de No-Break KS-systemen zeer ruim zijn gedimensioneerd. Het leveren van belangrijke reactieve stromen biedt bijgevolg geen enkel probleem. Enkel de levensduur van de schakelaar voorafgaandelijk aan het systeem zal dit type van functioneren in de tijd beperken.
Heel hoog MTBF en heel kort MTTR
Een compact en robuust systeem op het niveau van de besturing van louter de draaiende machine. De vermogens die gecontroleerd zijn door de besturings- en regelingskaarten van de draaiende machine zijn niet hoger dan enkele honderden watt, wat een belangrijke overdimensionering van het geheel van de elektronische onderdelen toelaat en wat hen een heel hoge bedrijfszekerheid verzekert. Daarenboven versterkt een gemakkelijke handhaving die samenhangt met de redundantie nog deze kwaliteiten.
Vermogen van hoge kortsluiting
De lage waarde van de schijnweerstand biedt het systeem een Pcc in de buurt van de Pcc van het bestaande netwerk, wat geen complexe wijzigingen vereist voor de selectieve bescherming van de stroomafnemers.
Met onze dank aan de heren J. Schoebrechts en S. Kupisiewicz van Euro-Diesel

Referenties

Prof. Crappe M., «Présentation générale des groupes de secours rotatifs», (Algemene voorstelling van rotatieve hulpgroepen) 27ste conferentiecyclus SRBE – 10/92

Daros M., Kupisiewicz S., «Gruppi di Continuitià Rotanti Integraticon Motore Endotermico ed Accumulatore Inverziale – Il Progretto degli Impianti Elettrici di Energia» – le Normee la Regola dell’Arte, Studiedag te Padua – 06/91

Canayi M., «Accroissements de la Disponibilité du Système de Distribution d’Auxiliaires des Centrales thermiques par des Compensateurs synchrones» (Toenamen van de beschikbaarheid van het Distributiesysteem van Hulpmiddelen van Thermische centrales door synchrone Compensatoren), Revue ABB – 01/91

Kupisiewicz S., Systèmes rotatifs d’Alimentation sans Coupure No-Break KS»,(Rotatieve voedingsystemen zonder onderbreking No-Break KS) 27ste conferentiecyclus SRBE – 10/92

Bouteille J-F., Glauda J., «Qualité de l’Electricité» (Kwaliteit van de elektriciteit), J3E n° 642 – 04/94.

Sauvegarde
de l’alimentation en énergie électrique

L’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), construit sur le polygone scientifique de Grenoble, est un centre de recherche financé par douze pays européens. Sa source de rayonnement, la plus puissante au monde, est constituée d’un anneau principal, d’une circonférence de près d’un kilomètre, dans lequel circule un faisceau de particules à une vitesse proche de celle de la lumière.

Cette accélération génère un rayonnement « lu mineux » (dit rayonnement synchrotron), sous forme de rayons X, d’une brillance inégalée à ce jour. Il permet, notamment, d’obtenir des clichés visualisant les structures moléculaires en trois dimensions dont les applications scientifiques sont essentiellement en biologie, génétique, cristallographie, chimie, …
Un faisceau d’électrons, stocké de manière prolongée à une vitesse relativiste sur une orbite d’un km de circonférence avec une précision d’un micron, constitue un défi technologique majeur.
Une alimentation électrique parfaitement stable est une des composantes de la réussite d’une telle prouesse. En effet, un creux de tension supérieur à 5%, ou a fortiori une microcoupure, provoque la perte totale du faisceau et donc du rayonnement, ce qui nécessite une réinjection de particules dans l’anneau de stockage. On sait que de telle perturbations se produisent près de deux cents fois dans l’année sur le polygone scientifique de la ville. Pour s’affranchir des conséquences de ces perturbations, plusieurs solutions étaient envisageables. Les responsables du projet ont opté pour une solution dynamique constituée de 10 No-Break KS en parallèle redondants.

Constitution
Les systèmes No-Break KS appliqués en moyenne tension sont des alimentations sans coupure constitués (fig. 1) :
* d’une machine tournante sans bague ni balai de conception originale dénommée Stato-Alternateur, comportant essentiellement une machine synchrone B.T. combinée à un frein asynchrone dont la partie tournante est un tambour cinétique libre de toute contrainte:
* d’un embrayage électromagnétique
* d’un moteur diesel à démarrage classique
* d’une armoire comportant des éléments de puissance, de controle et de régulation
* d’une self moyenne tension triphasée, ainsi qu’un transformateur élévateur par système.
L’ensemble Stato-Alternateur, embrayage électromagnétique et moteur diesel est assemblé sur un châssis commun. Extérieurement, le système peut apparaître comme un simple groupe électrogène ; en réalité, il s’agit d’une alimentation sans coupure aux performances remarquables.

Fonctionnement en régime normal
Moteur diesel à l’arrêt, embrayage électromagnétique ouvert, le Stato-Alternateur est directement couplé en parallèle sur le réseau M .T. au travers d’un transformateur élévateur et d’une self tampon ; il se comporte en compensateur synchrone classique.
Dans ce type de fonctionnement, schématisé sur la fig. 2, le système No-Break KS :
* réalise un filtrage des harmoniques de tension provenant du réseau d’alimentation
* atténue de manière drastique la réjection vers le réseau des harmoniques de courants générés par les charges non linéaires présentes sur les utilisateurs
* maintient une tension constante aux bornes de la charge et corrige les fluctuations lentes de tension dans une plage de +/- 10%
* permet de maintenir une tension nominale lors des creux transitoires de tension importants, sans recourir ni au démarrage du moteur diesel ni à toute autre forme d’action stressante pour le système:
U = +/- 50%, 250 msec
U = +/- 100%, 50 msec
Ces creux de tension importants résultent de courts-circuits ou de manoeuvres en amont du système et, comme nous l’avons déjà souligné, ceux-ci sont particulièrement fréquents sur le site de l’ESRF:
g de par sa faible réactance sub-transitoire, permet d’assurer une sélectivité aisée des protections placées en aval du système (Icc +/- 20.In), sans faire appel à la puissance de C.C. du reseau
* fournit automatiquement le courant réactif consommé par la charge et relève par conséquent le cos phi, sans avoir à utiliser des batteries de condensateurs dont l’enclenchement provoque généralement des microcoupures de tension préjudiciables au fonctionnement d’équipements sensibles.

Phase de récupération
Dès qu’une perturbation du réseau d’alimentation est détectée, le système provoque sa désolidarisation du réseau défectueux par l’ouverture d’un disjoncteur situé en amont. Le diagramma temporel est repris sur la fig. 3.
Si cette désolidarisation a lieu au temps t=0, l’énergie active absorbée par la charge est dans un premier temps extraite des masses en rotation à 1500 t/m. La roue polaire de la machine synchrone qui devient générateur synchrone décélère rapidement avec
= C/J rad.s -²
où C est le couple mécanique en Nm et J le moment d’inertie des masses à 1500 t/m en kgm².
Des cartes électroniques dédicacées à cet effet détectent la chute de fréquence et provoquent l’injection d’un courant DC dans l’inducteur du moteur frein.
On réalise de la sorte un accrochage magnétique entre le tambour cinétique, dont la vitesse est régulée à 2600 t/m, et l’inducteur, dont la vitesse est liée à celle de la roue polaire.
Si le couple d’accrochage est supérieur au couple qui résulte de la puissance active de la charge, le sens de l’accélération de la roue polaire s’inverse, tandis que le tambour cinétique décélère en cédant une partie de son énergie active. On peut de la sorte assurer une régulation de la fréquence de sortie jusqu’à épuisement de l’énergie cinétique du tambour.
La réserve d’énergie cinétique et les couples pouvant être transmis sont calculés de telle sorte que :
1. Le moteur diesel soit capable d’assurer un démarrage électrique doux et progressif en quelques secondes (courbe de montée en vitesse shématisée en trait noir sur la fig. 3).
2. Si le système de démarrage normal par démarreur et batterie du moteur diesel vient à être inopérant (défectuosité des batteries, défaut démarreur, …), le système No-Break KS permet en tout état de cause de réaliser le démarrage du moteur diesel par fermeture forcée de l’embrayage électromagnétique (courbe de montée en vitesse schématisée en trait frisé sur la fig. 3).
3. Quelles que soient les perturbations en amont du système (court-circuit ou alimentation d’un réseau par l’amont lors de sa disparition), le système est à même de fournir l’énergie pendant le temps nécessaire à l’ouverture du contacteur ou du disjoncteur situé en amont. Il n’est donc pas nécessaire d’utiliser un interrupteur statique qui reste un élément fragile en cas de surcharge ou de front raide de tension provenant de surtensions de manoeuvres.

Régime de secours
Lorsque le moteur diesel a atteint sa vitesse de régime, l’embrayage électromagnétique se ferme et le système alimente les utilisateurs à la manière d’un groupe électrogène. Des que le Stato-Alternateur a récupéré son énergie cinétique et que le réseau est accepté par les cartes de surveillance, le système No-Break KS se synchronise automatiquement et se retrouve en régime normal.

Mise en parallèle et redondance
Comme toute machine synchrone, les systèmes d’alimentation KS peuvent aisément être placés en parallèle. Cette faculté permet d’adapter aisément la puissance des systèmes secourus à l’évolution ou l’extension des charges critiques.
En régime normal, les régulateurs de tension des stato-alternateurs assurent une égale répartition des charges réactives sur les N machines.
En régime de secours,les régulateurs électroniques de vitesse de moteur diesel, aidés par des répartiteurs de charge, assurent la répartition des puissances actives entre les différents groupes.
Dans les systèmes parallèles simples, la puissance maximum que peut secourir chaque groupe est égale à P/N
Dans les systèmes parallèles redondants, la puissance maximum que peut secourir chaque groupe est égale à P/(N+1). Dans ce cas, la valeur du MTBF, qui dans le cas de systèmes isolés est supérieure à 15 ans, confère au système parallèle redondant une fiabilité quasi absolue.

Avantages
Six critères fondamentaux ont guidé le choix des responsables de l’ESRF vers les systèmes No-Break KS.
Rendement élevé:
Machine tournante largement surdimensionnée dont la réactance transitoire et subtransitoire est très faible (+/- 5%). Son fonctionnement en régime normal est similaire à celui d’un compensateur synchrone en parallèle sur le réseau d’alimentation, la puissance active totale est entièrement fournie par le réseau d’alimentation. Comme nous verrons par la suite, la machine synchrone ne fournit que le courant réactif absorbé par les charges. Le Stato-Alternateur comporte une machine synchrone très largement dimensionnée dont les pertes à vide ou en charge ont été fortement réduites.
Ces caractéristiques de fonctionnement et de dimensionnement confèrent à l’ensemble du système un rendement très élevé (supérieur à 96%).
Comportement face aux harmoniques de courants des charges:
Les charges du centre ESRF sont essentiellement constituées d’équipements électroniques de grandes puissances et, par conséquent, générateurs de courants harmoniques importants. Les faibles réactances du système No-Break KS se prêtent tout particulièrement à la réduction de l’influence de ces harmoniques de courants sur la forme de tension des utilisateurs.
En première analyse, les réactances X"d, X"q, X"o, X2 sont essentielles pour évaluer l’impact des harmoniques de courants sur la forme d’onde de tension et la réjection de ceux-ci vers l’amont du système. Elles traduisent l’efficacité d’étouffement par la cage d’amortissement de champs en rotation relative par rapport au champ fondamental, ainsi que la faiblesse des flux de fuites statoriques.
L’ensemble réseau, self tampon, système No-Break KS et charge peut être simplifié selon le schéma de la fig. 4.
Les machines synchrones équipant les Stato-Alternateurs ont les valeurs de réactances suivantes: X"d<5%, X"q@X2@5%, Xo<2%.
Si Z constitue un générateur de courant tel que: Iz = I1 + I3 + … + Iv avec un taux harmonique:
alors pour tous v ¹ de 1, le schéma précédent se réduit à celui de la fig. 5. avec:
XLv = XL.v;
Xsv = Xo.v pour v = 3.(2k-1) (homopolaires);
Xsv = X"d.v pour v = 6k±1,
et k = 1, 2, …
Le rapport entre XLv et Xsv fluctue suivant le rang de v entre 6 et 20. Il en résulte que:
1. le taux harmonique de courant réjecté vers l’amont (réseau) est réduit d’un facteur proche de 10.
2. l’amplitude des tensions harmoniques aux bornes de Xsv (proportionnelles aux réactances) est faible par rapport à celle de machines conventionnelles.
Influence d’une tension réseau déformée ou déséquilibrée:
Une tension triphasée déséquilibrée peut être remplacée par trois systèmes triphasés Ed, Ei, Eo. Le schéma se réduit à la fig. 6.
Dans ce cas, la réactance Xsv joue, par rapport à l’inductance XLv, le rôle de diviseur de tension. En remplacant les valeurs de réactances par les valeurs correspondantes en fonction de l’ordre harmonique ou des valeurs résultant de la transformée de Park, on pourra se rendre compte de la réduction drastique de l’amplitude des déformations.
Performances dynamiques
Les réponses du système sont remarquables vis-à-vis de toutes perturbations venant du réseau:
* creux de tension lents et transitoires
* appels de charges sur les utilisateurs
* courts-circuits amont sur le réseau 400 kV fréquents en cas d’orages
* faibles écarts angulaires lors des perturbations réseau et appels de charges, ainsi que lors d’appels de charges importants des utilisateurs.
Nous allons expliciter le premier point qui concerne le maintien de la tension aux bornes des utilisateurs en cas de creux de tension réseau importants. A cette fin, nous adopterons les conventions suivantes (fig. 7)
Dans le fonctionnement en mode synchronisé sur réseau, le système No-Break KS est alors en attente d’un défaut réseau. Dans cette situation, le courant délivré par la machine synchrone est en quadrature avec la tension Ua, elle n’échange en effet aucune puissance active hormis ses faibles pertes à vide. Par ailleurs, le courant réseau est en quadrature avec la tension de la self U s. Cette même tension U s représente la différence vectorielle entre la tension réseau et la tension des utilisateurs.
Le fig. 8a représente le diagramme vectoriel des tensions et courants qui transitent dans le système lorsque la tension réseau est proche de la tension utilisateur (régulée à ±1%) et que la charge est nominale avec cosj = 0,8. On constate immédiatement que le courant qui transite en amont du système est de près de 20% inférieur au courant absorbé par la charge. Le système remplit son rôle de compensateur synchrone en fournissant la quasi totalité du courant réactif absorbé par la charge et que le cosj du réseau est proche de 1.
Les fig. 8b et 8c représentent ces même diagrammes lorsque les tensions réseau sont respectivement 5% supérieure et 5% inférieure à la tension de consigne.
La fig. 8d correspond au cas d’un creux de tension important pour lequel la tension du réseau s’est effondrée de 50%. On remarque que la tension aux bornes des utilisateurs peut être maintenue à sa valeur nominale pour autant que la machine synchrone soit à même de fournir un courant réactif important.
Nous avons vu que les machines synchrones des systèmes No-Break KS sont très largement dimensionnées, la fourniture de courants réactifs importants ne présente aucune difficulté. Seule la tenue du disjonsteur amont limitera ce type de fonctionnement dans le temps.
MTBF très élevé et MTTR très court:
Système compact et robuste au niveau de la commande que de la machine tournante.
Les puissances contrôlées par les cartes de commande et de régulation de la machine tournante n’excèdent pas quelques centaines de watts, permettant un surdimensionnement important de l’ensemble des composants électroniques en leur assurant une fiabilité très élevée. De plus, une maintenance aisée associée à la redondance renforce ces qualités.
Puissance de court-circuit élevée:
La faible valeur des réactances confère au système une Pcc proche de la Pcc du réseaux existant, ce qui ne nécessite pas de modifications complexes de la protection sélective des utilisateurs.
Avec nos remerciements à
monsieur J. Schoebrechts et
S. Kupisiewicz de Euro-Diesel

Références

Prof. Crappe M., "Présentation générale des groupes de secours rotatifs", 27e cycle de conférences SRBE – 10/92

Daros M., Kupisiewicz S., "Gruppi di Continuitià Rotanti Integraticon Motore Endotermico ed Accumulatore Inverziale – Il Progretto degli Impianti Elettrici di Energia" – le Normee la Regola dell’Arte, Journée d’Etude à Pavie – 06/91

Canayi M., "Accroissement de la Disponibilité du Système de Distribution d’Auxiliaires des Centrales thermiques par des Compensateurs synchrones", Revue ABB – 01/91

Kupisiewicz S., Systèmes rotatifs d’Alimentation sans Coupure No-Break KS", 27e cycle de conférences SRBE – 10/92

Bouteille J-F., Glauda J., "Qualité de l’Electricité", J3E n° 642 – 04/94.