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La présente invention se rapporte à une installation
hydro-électrique de basse chute destinée à fonctionner sous
des hauteurs de chute ou de refoulement variables et pouvant
descendre jusqu'à des valeurs très faibles, voisines de zéro,
comme c'est par exemple le cas pour une installation hydre-
électrique équipant une usine marémotrice.
La présente invention se rapporte également a un
procédé pour l'obtention à la sortie d'une Turbo machine hydrau-
figue d'un rendement optimal sous une hauteur de chute ou de
refoulement définie, dite nominale, correspondant à une puis-
séance nominale d'une installation hydro-électrique de basse chute et pour une vitesse de rotation correspondant à la vi-
tusse de synchronisme avec la fréquence d'un réseau électrique.
On distingue de façon classique les centrales hydre-
électriques de basse chute, du type centrales de rivières ou
usines marémotrices, qui fonctionnent sous une hauteur de
chute ou de refoulement comprise entre zéro et au maximum
vingt mètres, et les centrales hydro~lectriques de haute chute,
du type centrales de barrages, qui fonctionnent sous des heu--
leurs de chute ou refoulement beaucoup plus élevées, fréquent-
y ment de l'ordre de plusieurs centaines de mètres.
Pour certaines centrales de basse chute, en parti-
cuiter pour les usines marémotrices, la chute peut varier
dans de grandes proportions, mais chaque Turbo machine, telle
que turbine, turbine-pompe ou pompe, est calculée et donc
construite pour avoir le meilleur rendement au voisinage de
la chute la plus fréquente, dite chute nominale. Pour les
usines marémotrices par exemple, cette chute la plus ire-
quinte, ou nominale est de l'ordre de 5 à 10 mètres.
Malheureusement le rendement de ces Turbo machines
décroît très vite en déca de ces valeurs de chute, de sorte
qu'en turbinage les chutes les plus basses, inférieures par
exemple à la moitié ou au quart de la chute nominale, ne sont
pas exploitées car elles ne sont pas assez rentables, et qu'en
que
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pompage on est conduit à consommer une puissance assez cons-
durable.
En prenant, à titre d'exemple illustra tif, le cas
d'une usine marémotrice où la hauteur de chute varie en tuf-
binage de 7 à 1 mètres et en pompage de 0 à 2 mètres, on
consomme environ 300 GWh en pompage alors qu'on en produit
430 en turbinage.
L'in~ention a pour but de pallier ces inconvénients,
et donc de permettre une plus grande production en turbinage
et une plus faible consommation en pompage, grâce à des moyens
permettant d'augmenter considérablement le rendement de la
Turbo machine lorsque la chute devient inférieure à une frac-
lion déterminée de la chute nominale.
Delon la présente invention, il est prévu une insu
talassions hydro~lectrique de basse chute, du type comportant:
- au moins une Turbo machine hydraulique construite
pour un rendement optimal sous une hauteur de chute ou de
refoulement définie, dite nominale, correspondant à une
puissance nominale de l'installation et pour une vitesse
de rotation correspondant à la vitesse de synchronisme avec
la fréquence d'un réseau électrique, et au moins une machine
électrique tournante associée en entraînement à ladite
Turbo machine et connecté électrique audit réseau, cette insu
talassions comprenant:
des moyens de commande automatique permettant, de
S faire tourner ladite Turbo machine à sa vitesse de synchronisme
avec la fréquence du réseau, ces moyens comprenant des éléments
permettant, lorsque la hauteur de chute ou de refoulement est
inférieure à une valeur égale a une fraction déterminée de
ladite hauteur nominale, inférieure à la moitié de cette
hauteur nominale, de faire tourner ladite Turbo machine à une
vitesse inférieure à ladite vitesse de synchronisme, et en
conséquence dlintercaler entre ledit réseau et ladite machine
électrique un dispositif adaptateur de fréquences de puissance
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maximale au moins inférieure à la moitié de ladite puissance
nominale.
Par ces moyens, on accroît considérablement le
rendement de l'installation pour les plus faibles hauteurs
de chute uniquement, de sorte qu'il en résulte pour certaines
applications une diminution considérable de la puissance
consommée en pompage qui passe par exemple dans le cas il lus-
tratif évoqué précédemment, de 300 GWh environ à 200 GWh
environ, et une augmentation appréciable de la puissance
produite en turbinage, qui passe dans cet exemple de 430 GWh
à 500 GWh environ. La puissance totale produite par cette
usine marémotrice, citée pour fixer des ordres de grandeur,
passe donc, grâce aux moyens de l'invention, de 130 à 300 GWh.
Bien évidemment, la réalisation de invention
nécessite l'installation d'un convertisseur de fréquences qui,
sol devait fonctionner pour toute la gamme de chute, serait
à prohiber comme non rentable; il serait en effet d'un coït
élevé pour pouvoir supporter de fortes puissances, et son
rendement propre pourrait facilement chuter jusqu'à des valeurs
de l'ordre de quelques pour cent. En utilisant, conformément
à l'invention, un convertisseur de fréquences uniquement pour
les très basses chutes, et donc les faibles puissances, celui-
ci peut être construit pour une puissance maximale bien plus
faible; de plus, sa perte de rendement propre devenant alors
négligeable par rapport au gain de rendement dû à la diminué
lion de la vitesse de rotation de la Turbo machine, son utile-
station devient très rentable. Ceci ne vient pas naturellement
à l'esprit, car l'homme de métier calculant une installation
d'une certaine puissance nominale est normalement enclin à
lui adjoindre un convertisseur de fréquences de même puissance,
ce qui se révèle économiquement dissuasif comme on l'a montré
précédemment.
Selon la présente invention, il est également prévu
un procédé pour l'obtention à la sortie d'une Turbo machine
là
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- fa -
hydraulique d'un rendement optimal sous une hauteur de chute
ou de refoulement définie, dite nominale, correspondant à une
puissance nominale d'une installation hydro-électrique de
basse chute et pour une vitesse de rotation correspondant à
la vitesse de synchronisme avec la fréquence d'un réseau le
que, consistant:
- à intercaler entre ladite Turbo machine et ledit
réseau un dispositif adapter de fréquence de puissance mari-
maie au moins inférieure à la moitié de ladite puissance
nominale, et
de connecter ledit dispositif adapter de fréquence
à ladite Turbo machine lorsque la hauteur de chute ou de ne-
follement est inférieure à une valeur égale à une fraction
déterminée de ladite hauteur, savoir quand ladite Turbo ma-
chine tourne une vitesse inférieure à ladite vitesse de
synchronisme.
L'inv~nti.on serf mieux comprise larde de la des-
cription suivante d'un exemple de réalisation, destiné a
une usine marémotrice, en référence aux dessins annexés dans
lesquels:
- la figure 1 est un schéma-blocs de l'installation
hydro-électrique de l'invention,
- la figure 2 est un faisceau de courbes permettant
de mettre en valeur le gain de rendement du à invention
Sur la figure 1, la référence 1 désigne une turbine-
pompe reliée mécaniquement par un arbre 2 à une machine le
trique tournante 3, fonctionnant en alternateur en turbinage
et en moteur synchrone en pompage. Lorsque la Turbo machine 1
fonctionne en turbine, l'alternateur 3 a pour fate de fournir
de l'énergie électrique au réseau électrique de distribution 4.
A contrarié, pour que la Turbo machine 1 fonctionne en pompe,
le moteur synchrone 3 doit cire alimenté en énergie électrique
par le réseau 4. En régime classique, la machine électrique
3 est directement couplée au réseau, de sorte
Jo
r
lZ~5~
- 3b -
qu'elle tourne obligatoirement à la vitesse de synchronisme
correspondant a la fréquence de celui-ci. L'automate ou
ordinateur de conduite 5 de la centrale hydro-électrique
possède donc une connexion 6 vers la Turbo machine 1 chargée de
faire tourner celle-ci à la vitesse de synchronisme avec la
fréquence du réseau électrique alternatif 4.
De manière classique une turbine-pompe telle que 1
/
/
,'
i y... .
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-- 4 --
est calculée et construite pour fonctionner avec un rende-
ment maximal, 90% par exemple, pour la hauteur de chute
nominale, par exemple neuf moires. Pour cette chute nom-
naze, elle fonctionne a puissance nominale, 17 M dans
l'exemple considéré par exemple. Pour les hauteurs de
chute situées en Doha de la chute nominale, le rendement
de la turbine-pompe baisse ires vite. Dans l'exemple con-
sidéré, lorsque la hauteur de chute baisse jusqu'à 2,5
moires et que la puissance qui en dépend n'est alors plus
que de 5 Mû, le rendement de la Turbo machine n'est plus
que de l'ordre de 45%.
Le constructeur fournit classiquement, pour une
installation donnée, un diagramme topographique des courbes
d'égal rendement, dite colline de rendement par analogie
avec les lignes isohypses d'une colline sur une carte topo-
graphique. Ces courbes sont tracées la plupart du temps en
coordonnées réduites donnant le d~blt dans la turbom~chlne
ramone une roue de un mètre de diamètre sous un mètre de
chute en fonction de sa vitesse de rotation ramenée égalé-
ment a une roue de un moire de diamètre sous un mètre rechute.
L'examen de cette colline de rendement n'est a
priori pas ires encourageant en ce qui concerne les centrales
devant fonctionner sous des hauteurs de chute variables,
comme c'est le cas pour les usines marémotrices. On se
rend compte en effet que le point de fonctionnement soi
âne assez rapidement du coeur de la colline lorsque la chute
baisse, et que le seul moyen de l'y ramener serait de baisser
la vitesse de rotation de la Turbo machine, ce qui conduirait
devoir installer un convertisseur de fréquences entre la
machine électrique tournante et le roseau, destine à adapter
la fréquence de fonctionnement de cette machine à la ire-
quence fixe du roseau. Or une étude rapide montre vite que
le bilan économique résultant de l'installation d'un tel
12~5~
- fa -
convertisseur de fréquences est prohibitif. Pour des puis-
séances nominales élevées, 17 a 20 M dans l'exemple cons-
dore, un tel convertisseur est très onéreux, de sorte qu'il
n'est pas rentable aux faibles puissances, et possède des
pertes propres telles qu'au voisinage du coeur on ne pour-
fait visiblement pas apporter de gain de rendement substan-
tien.
La demanderesse a trouve qu'il était possible
d'obtenir un bilan économique substantielle ment positif
en installant, entre la machine électrique 3 et le roseau
4, un convertisseur de fréquences 7 de faible puissance
maximale admissible, 5 M par exemple dans l'exemple cite
ci-dessus ou la puissance nominale est de 17 M , et en n'in-
ter calant ce convertisseur, normalement hors-circuit, que
lorsque la hauteur de chute devient inférieure à une faible
fraction de la hauteur nominale, de l'ordre du quart de gel-
le-ci par exemple. On peut alors, par l'automate de con-
dite 5, connexion 6, baisser la vitesse de rotation de la
Turbo machine de manière en augmenter substantielle ment
le rendement, avantageusement en ramenant celui-ci près
de son maximum, par exemple à 87~. Corrélativement, l'au-
tomate de conduite 5 commande le convertisseur de fréquences
7 par la connexion 8 pour lui permettre d'adapter la fréquence
imposée par la vitesse, alors réduite, de la machine Electre-
que 3, a la fréquence du réseau y.
Sur la figure 1, le dispositif permettant d'in-
ter caler le convertisseur de fréquences 7 est schématise
par deux commutateurs 9, 10 a deux positions, respectivement
placés en amont et en aval
,
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par un interrupteur 11 permettant de court-circuiter ledit convertisseur.
Ces trois contacteurs 9, 10, 11 sont commandés par l'automate de conduite
5, par le ligne schématisées en 12, 13, 14.
Le fonctionnement du dispositif de la figure 1 est le suivant :
En turbinage tout d'abord, tînt que la hauteur de chute reste supérieure
une valeur définie Hé, par exemple 2,5 mètres pour une hauteur de chute no-
minable de 9 mètres l'interrupteur 11 est ferré, les commutateurs 9 et 10
étant en position "2". Le convertisseur de fréquences 7 est court-circuité
et hors service. la turbine 1 tourne à fa vitesse de synchronisme avec la
fréquence du réseau et l'alternateur 3 débite directement sur le réseau 4.
Lorsque la hauteur de chute devient égale ou inférieure à la Vu-
leur Hé, dans ce que 2,5 mètres, l'automate 5 commande llouverture de l'in-
ter rupteur 11, ce qui met le convertisseur 7 en circuit entre l'alternateur
3 et le réseau 4 ; en même temps lattâtes 5 commande, d'une part par la
connexion 6 la vitesse de rotation de la turbine pour 18 faire baisser jus-
qu'a une valeur, fonction de la chute, augmentant le rendement jusqu'à envi-
non 85 87 %, et d'autre part pur la connexion 8, le convertisseur de ire-
quences 7 pur kil fournie en sortie une tension électrique de Rouen
ce égale à celle du réseau 4.
En pompage maintenant, la hauteur de chute, dite alors hauteur de
refoulement, est généralement nulle au départ et peut augmenter progressive-
ment par la fuite.
Il faut tout d'abord démarrer la pompe 1. Pour ceci, l'automate 5
commande l'ouverture de l'interrupteur 11 et place les commutateurs 9 et 1
en position "1", ce qui intercale le convertisseur 7 entre le réseau 4 et
le moteur synchrone 3. L'automate 5 commande alors, par y connexion 8, le
convertisseur 7 pour lui faire appliquer au moteur 3 une tension de fréquent
ce progressivement croissante, 1 Hertz pour commencer, puis plusieurs Hertz
au fur et à mesure que le moteur synchrone 3 commence tourner.
Le démarrage ôtant effectué, l'automate commande, par se
connexions 8 et 6, la vitesse de rotation de la pompe pour lui donner la va-
leur qui, pour la hauteur de refoulement considérée, correspond au rende-
ment maximal.
Lorsque la hauteur de refoulement atteint la valeur ad précédez-
ment définie, c'est-à-dire 2,5 mètres dan notre cas, il faut déconnecter
le convertisseur 7 car il ne supporterait pas une plus grande puissance.
L'automate 5 commande alors la montée en fréquence du convertiR~eur 7 de fa-
con faire tourner le moteur 3 la vitesse de synchronisme, puis la ferme-
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ivre de l'interrupteur 11, ce qui met le convertisseur 7 hors-circuit et
couple le moteur 3 directement sur le réseau 4. Au-delà de la hauteur Hé,
l'installation fonctionne donc comme une installation de pompage classique,
à moteur synchrone 3 couplé nu réseau 4, et à pompe hydraulique 1.
On se reportera maintenant à la figure 2 où la demanderesse, pour
mieux faire comprendre son invention, A tracé, en aidant de la colline de
rendement de la Turbo machine 1, un faisceau de courbes représentant, pour
différentes vitesses n de rotation de la Turbo machine 1, la variation du
rendement y, en pour cent, en fonction de la hauteur de chute H en mètres.
La courbe 20 correspond au fonctionnement classique de la machine
1 sans le convertisseur 7, et pour la vitesse né de synchronisme correspond
dent à un courant alternatif de 50 périodes. Elle montre un maximum de non-
dament soit 90 %, pour la hauteur de chute nominale Hé soit mètres. La
puissance fournie en turbine, ou consommée en pompe, qui comme on le sait
dépend de la hauteur de chute H, est pour la hauteur nominale Hé de 17 M .
De part et d'autre de la valeur nominale Hé le rendement décroît très
vite ; il n'est plus que de 75 Z pour une chute de 11 mètre, où la puissant
ce est de y M , et de 45 X pour une chute de 2,5 mètres, of y p~i~snnce
cet de 5 Y Pour une instullntion classique, on na fera pas fonctionner in
turbine pour une hauteur de chute trop basse, inférieure à 1,5 mètre par
exemple, car l'on perd plu alors en coût d'exploitation que ce que l'on gaz
gène en turbinage.
La courbe 21 est la courbe correspondant à une hauteur de chute
Hé de 7 mètres, d'environ 22 inférieure à la chute nominale Hé mais dans
laquelle le rendement a été ramené à son maximum possible, soit 87 % dans
cet exemple, par diminution appropriée de la vitesse de rotation de la tuf-
bine, qui est passée à la valeur né, correspondant à une fréquence de cou--
rani alternatif d'environ 44 périodes par seconde, déterminée par la "collé-
ne", dans notre exemple. En comparant avec la valeur du rendement à Hé don-
née par la courbe 20, on voit que le fait de baisser la vitesse de né à npne fait passer le rendement que de 82 % 87 X. Compte-tenu du coût élevé
d'installation et d'exploitation d'un convertisseur de fréquences de forte
puissance et des pertes propres d'un tel convertisseur, justement de l'or-
dure de 5 Z, un tel investissement apparat bien évidemment pas rentable
llexploitation du procédé pour ces hauteurs de chute assez proches dû la
chute nominale.
Les courbes 22, 23, 24, 25, 26 sont analogues à la courbe 21,
mais sont tracées pour des hauteurs de chute inférieures à Hé, soit 2,5 me-
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ires, et pour les vitesses de rotation ni, né, né, et correspondant dans chaque cas AU maximum de rendement possible ; ces valeur encore
déterminée par la "colline de rendement", correspondent respectivement
des fréquences en Hertz de 23, 20, 18, et ... . Ces courbes montrent de fa-
Lon frappante le gain de rendement important de la diminution adaptée dota vitesse de rotation. Pur ailleurs, le coût de l'installation et d'exploi-
talion d'un convertisseur de 5 M au maximum, car devînt fonctionner unique-
ment en dessous de Hé, est très inférieur celui d'un convertisseur de
17 M , de sorte que le bilan économique de l'opération vire très posé-
tif.
Dans l'installation hydro-électrique de l'invention, dans la zôneentre 0 et ad où le convertisseur (7, figure 1) est opérationnel, la courbe
de fonctionnement eût l'enveloppe des courbes 22, 23, 24, et ..., et est
représentée en trait fort en 27. Le gain de rendement de invention est
alors représenté par la zone hachurée comprise entre la courbe 27 et y par-
lie inférieure de la courbe 20.
