Dispositif de Démarrage Statique [PDF]

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Fonctionnement de la turbine Dispositif de démarrage statique à gaz Maintenance électrique Cours de formation

ALSTOM (Switzerland) Ltd

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Fonctionnement de la turbine à gaz/ Maintenance électrique

Dispositif de démarrage statique

Tous droits réservés sur le présent document et les informations qu’il contient. La reproduction, l’usage ou la communication à un tiers sans autorisation expresse est strictement interdit. Copyright© ALSTOM (Switzerland) Ltd 2008 Ceci est un cours de formation. Il fournit uniquement des informations générales sur le système spécifique. Tous les réglages et valeurs mentionnés / ci-joints sont indiqués à titre informatif uniquement. Les valeurs peuvent être changées pendant la mise en service. Pour obtenir les valeurs réelles, se reporter au manuel d’instructions.

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Dispositif de démarrage statique

Table des matières Objectifs du cours ............................................................................................................................... 4 Présentation ........................................................................................................................................ 5 Méthodes de démarrage .................................................................................................................. 5 Terminologie ................................................................................................................................... 5 Fonctions du SSD ............................................................................................................................. 5 Vue d’ensemble du rôle du système statique de démarrage au démarrage ......................................... 6 Notions de base concernant le dispositif de démarrage statique ............................................................ 6 Fonctionnement des composants du SSD........................................................................................... 6 Finalité d’un thyristor........................................................................................................................ 7 Génération d’un couple sur le rotor .................................................................................................. 7 Fonctionnement pulsé et commandé par la machine.......................................................................... 8 Principe de la régulation en boucle fermée ........................................................................................ 9 Démarrage régulier du turbogénérateur à gaz................................................................................... 9 Fonctionnement et entretien ............................................................................................................... 10 Résumé ............................................................................................................................................ 10 Figure 1: Méthodes de démarrage ..................................................................................................... 10 Figure 1: Méthodes de démarrage ..................................................................................................... 11 Figure 2: Dispositif de démarrage statique pour un turbogénérateur à gaz........................................... 12 Figure 3: Circuit de base d’un système de démarrage statique ............................................................ 13 Figure 4: Moteur synchrone alimenté par un onduleur ........................................................................ 14 Figure 5: Courant électrique 2 de 3 phases (mode pulsé) .................................................................... 15 Figure 6: Oscillographe pour la vitesse et les courants pour une séquence de démarrage de turbine à gaz type .......................................................................................................................... 16 Figure 7: Régulation du couple du moteur .......................................................................................... 17 Figure 8: Séquence de démarrage régulier type pour une turbine à gaz............................................... 18

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Objectifs du cours

Une fois ce cours terminé, le stagiaire est capable de: •

Enumérer les fonctions du système statique de démarrage lors de la mise en marche du turbogénérateur.

•

Répondre aux questions suivantes concernant la finalité et le fonctionnement du système statique de démarrage: • pourquoi le SSD doit-il être en marche jusqu’à ce que l’unité ait atteint une vitesse de rotation spécifique? • d’où provient la puissance électrique nécessaire au démarrage du SSD? • définir le rôle d’un thyristor. • quel est le rôle de l’onduleur-redresseur du système statique de démarrage? • quel est le rôle de la bobine de réactance de liaison CC du système statique de démarrage? • comment se comporte le redresseur lorsque l’unité fonctionne à vitesse de rotation réduite et que la tension fournie est insuffisante pour convertir le courant dans l’onduleur?

•

Décrire les tâches effectuées par le système statique de démarrage lors de: un démarrage à cycle simple un démarrage à cycle combiné

• •

•

Expliquer comment le SSD réagit en cas d’arrêt d’urgence de l’unité pendant le démarrage de la turbine à gaz.

•

Donner les causes probables de 5 alarmes et arrêts d’urgence différents du système statique de démarrage.

•

Enumérer 5 consignes de sécurité à respecter lors du travail sur ou autour des armoires et de l’équipement du SSD.

•

Expliquer la fonction des commutateurs qui se trouvent dans les voies électriques du SSD (par exemple le disjoncteur d’entrée, les commutateurs pour TG, les commutateurs/disjoncteurs allant vers d’autres systèmes ou en provenant). • indiquer la séquence de commutation lors du démarrage, de l’arrêt et de l’arrêt d’urgence.

•

Décrire la procédure à suivre pour remplacer une carte de circuit imprimé.

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Présentation Méthodes de démarrage Figure 1

La finalité du dispositif de démarrage est d’accélérer une machine en rotation pour qu’elle atteigne une vitesse lui permettant de fonctionner de manière autonome. La figure 1 donne une vue d’ensemble des différentes méthodes de démarrage. Pour le démarrage d’un turbogénérateur à gaz, la solution (e) (démarrage avec un système de démarrage statique) est la plus appropriée du point de vue de l’efficacité et de la consommation électrique. Ce type de dispositif est communément utilisé dans les grands alternateurs de turbine à gaz d’ALSTOM et est décrit ci-dessous.

Terminologie Le système statique de démarrage SSD est souvent nommé •

Convertisseur statique de fréquence SFC (le mot „statique“ indique qu’aucun composant n’est mobile) • la désignation LCI (Load Commutated Inverter) se réfère au type de convertisseur.

Fonctions du SSD Le système statique de démarrage (SSD), aidés des systèmes raccordés (alternateur, arbre de la turbine), exécute plusieurs fonctions: •

Il permet au turbogénérateur à gaz de passer de l’immobilisation à sa vitesse de rotation autonome lors du démarrage. Au-delà de cette vitesse, le turbogénérateur à gaz peut produire assez de puissance pour poursuivre sa propre accélération.

•

Il utilise le compresseur/turbine comme une soufflante pour purger l’alternateur de vapeur à récupération de chaleur. Ceci se produit avant le démarrage lorsque le turbogénérateur est utilisé en mode de cycle combiné.

•

Il fournit de la puissance motrice pour permettre la rotation du turbogénérateur à gaz lors du lavage hors ligne du compresseur.

•

Il fournit également de la puissance motrice pour permettre la rotation du turbogénérateur à gaz lors du refroidissement rapide (à vitesse réduite).

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Vue d’ensemble du rôle du système statique de démarrage au démarrage Figure 2

Lors du démarrage de la turbine à gaz, le SSD: •

Se fournit en électricité soit: grâce au réseau à haute tension (HT), soit grâce à un alternateur à moteur diesel raccordé au bus auxiliaire (si prévu pour cette option)

• •

•

Convertit la tension et la fréquence d’alimentation constantes en une tension et une fréquence variables (en fonction de la vitesse de l’accélération du turbogénérateur) fournies à l’enroulement du stator de l’alternateur.

•

Fournit un courant d’excitation de démarrage continu à l’enroulement du rotor de l’alternateur.

•

Utilise donc l’alternateur comme un moteur synchrone pendant la période de démarrage.

Notions de base concernant le dispositif de démarrage statique Fonctionnement des composants du SSD Figure 3

Pour convertir l’alimentation triphasée de tension et de fréquence constantes en une tension et une fréquence variables: •

Le SSD est composé de deux convertisseurs thyristorisés en trois connexions à pont. • la première sert de redresseur (5) • la deuxième d’onduleur (7) • les deux convertisseurs sont reliés par un réacteur CC (6) pour le découplage (lissage du courant CC).

•

Une boucle de régulation ajuste le courant électrique entre le redresseur et l’onduleur. • Elle agit sur les thyristors du redresseur.

•

La tension de ligne garantit que le courant électrique est commuté correctement d’un thyristor à l’autre.

Le courant nécessaire à l’enroulement du rotor de l’alternateur est fourni par •

un système d’excitation séparé (9) (différent et plus petit que le système d’excitation actuel de l’alternateur).

Le SSD nécessite un signal d’interface minimum vers/du système de commande du turbogénérateur à gaz. •

Toutes les fonctions concernant la régulation et la protection sont intégrées dans le SSD (8).

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Finalité d’un thyristor Dans les ponts triphasés mentionnés ci-dessus: •

Les thyristors sont utilisés comme des éléments de „commutation“. Ils sont allumés par une impulsion à gâchette et éteints par un courant diminuant jusqu’à zéro. Le flux électrique moyen à travers les thyristors varie en fonction du moment relatif (au cours d’une période de l’onde sinusoïdale) de la commutation de ces derniers. Ceci est nommé l’“angle d’amorçage“.

• • •

Génération d’un couple sur le rotor Figures 4 & 5

La figure 4 montre une installation très simplifiée du bloc thyristor onduleur et de l’alternateur raccordé: •

Au niveau des trois instants sélectionnés t1, t2 et t3.

•

Le courant électrique traverse 2 des enroulements du stator triphasés au même moment (voir figure 5).

•

Deux thyristors sont allumés en même temps.

•

Le courant traversant les enroulements du stator produit le flux magnétique en résultant Φi.

•

Le vecteur Φi tourne par pas de 60 degrés en fonction de la séquence des paires de thyristors activés.

•

Le système d’excitation de démarrage fournit du courant aux enroulements de l’excitatrice du rotor, produisant ainsi un flux magnétique Φe.

Il en résulte un couple électromagnétique: •

Dont la valeur atteint un maximum lorsque le flux magnétique Φe est perpendiculaire au flux Φi.

•

Il tourne le rotor dans la direction de la force en action. Lorsque le rotor a tourné de 60 degrés, la paire suivante de thyristor est activée (rotation du vecteur Φi de 60 degrés, un couple maximal étant alors à nouveau produit sur le rotor).

Le moment de la commutation séquentielle des paires de thyristor est indiqué par la position actuelle du rotor. •

Il est dérivé de la tension de l’alternateur l’onduleur est alors commuté en fonction de la charge (comparer le type du convertisseur LCI, Load commutated Converter, pour le terme „commutation“, voir page suivante).

•

(suite page suivante)

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Génération d’un couple sur le rotor (suite) Au moment du démarrage, la position est inconnue. C’est pourquoi •

dans une première étape, le courant d’excitation vers le rotor est activé. Ceci induit une tension dans les enroulements du stator qui est mesurée par les circuits de régulation du convertisseur statique de fréquence (SFC). • Si le rotor est à l’arrêt, la position actuelle du rotor est calculée par la „réaction“ du courant d’excitation croissant sur les enroulements du stator. • Si le rotor est encore en rotation, le SFC effectue une synchronisation avec le rotor en rotation.

•

La partie convertisseur - onduleur est ensuite démarrée.

Fonctionnement pulsé et commandé par la machine Figures 5 & 6

A vitesse de rotation faible: •

La machine ne fournit pas assez de tension pour permettre la commutation („transfert“) du courant électrique dans l’onduleur d’un thyristor à l’autre. • Commuter veut dire „transférer“.

•

Le redresseur se charge donc de la commutation en fonctionnement „pulsé“ (ou mode pulsé). A chaque fois que le courant de l’onduleur doit être commuté: • le redresseur (en ligne, côté entrant) réduit le courant CC à zéro; • les thyristors de l’onduleur commencent à se bloquer; • ensuite, la nouvelle paire de thyristors de l’onduleur est à nouveau allumée.

•

Ceci produit une impulsion du courant Id à vitesse réduite (courant CC représenté sur la figure 6).

A vitesse plus élevée: •

La tension à la sortie de l’onduleur est assez élevée pour commuter le courant: le courant qui traverse le thyristor venant d’être allumé accroît rapidement, alors que simultanément, le courant qui traverse l’autre thyristor approche de zéro bloquant le thyristor. • le courant CC Id ne va plus vers zéro. •

•

Ce mode de fonctionnement est appelé fonctionnement „à commande machine“ ou fonctionnement commuté par la machine et est clairement visible sur la figure 6.

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Principe de la régulation en boucle fermée Figure 7

Le couple développé par l’alternateur (utilisé comme moteur synchrone) est: (si les pertes et les influences des harmoniques de flux et de courant sont éliminées)

TM = c • id • cosϕ • Ψ où,

Figure 7

TM c id ϕ

= = = =

couple moyen constante courant moyen dans la liaison CC différence de phase entre les bases de courant et de tension

Ψ

= ∼

flux du moteur, directement proportionnel UM / n UM = tension du moteur n = vitesse (révolution)

•

Comme le montre la formule, le couple peut être influencé par différents paramètres: • id, régulé par le redresseur (convertisseur ligne) • cosϕ, régulé par l’onduleur (convertisseur machine) • Ψ, régulé par le système d’excitation de démarrage

Démarrage régulier du turbogénérateur à gaz Figure 8

La figure 8 représente les caractéristiques d’une séquence de démarrage type d’un turbogénérateur à gaz. •

Un démarrage doux avec secousses de démarrage réduites est possible grâce à un courant CC réduit id (directement proportionnel à IM, IL); le courant d’excitation peut également être réduit en ce point.

•

Dans l’intervalle (de vitesse) C2 • le flux de la machine Ψ reste constant; • la tension de la machine UM augmente directement proportionnellement à la vitesse; • la puissance augmente donc proportionnellement (IM est constante et UM augmente).

Pendant l’intervalle F • UM reste constant à ce maximum (en réduisant le courant d’excitation); • la puissance atteint ainsi son maximum; • c’est pourquoi le SSD doit être conçu pour cette tension moteur maximale UM uniquement. Ainsi, il est plus simple (des thyristors connectés en série ne sont pas nécessaires) et meilleur marché.

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Fonctionnement et entretien

En ce qui concerne l’utilisation et l’entretien, se référer aux différents exercices pendant la formation et aux annexes (en général des extraits de la documentation O&M) qui se trouvent dans cette section. Une description complète se trouve dans les manuels d’utilisation et d’entretien.

Résumé

Cette section, avec ses annexes et ses exercices, reprend la finalité du système statique de démarrage (SSD). Elle fournit une vue d’ensemble du principe de fonctionnement et des composants qui remplissent cette tâche. Les aspects concernant l’utilisation, la suppression des pannes et les travaux d’entretien normaux ont été abordés en se référant à la documentation d’utilisation et d’entretien. Pour vérifier que les sujets abordés ont été bien compris, reprenez la liste des Objectifs du module point par point (page 4).

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Figure 1: Méthodes de démarrage

a: Démarrage avec moteur à démarrage

b: Démarrage avec transformateur ou direct

c: Démarrage à fréquence avec machine auxiliaire synchrone

d: Démarrage à fréquence avec générateur asynchrone disposition à (UNGER)

e: Démarrage à fréquence avec convertisseur de fréquence statique (convertisseur statique de démarrage)

ASG ASM M R SM T Tr U ie

= Générateur asynchrone = Moteur à induction = Moteur à démarreur = Résistance variable = Machine synchrone = Turbine = Transformateur de démarrage = Convertisseur de fréquence = Courant d’excitation CSXA401073.cdr

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Figure 2: Dispositif de démarrage statique pour un turbogénérateur à gaz

Système de transmission HT

Disjoncteur HT

Transformateur principal

Transformateur auxiliaire d’unité Disjoncteur MT

Disjoncteur de l’alternateur

Disjoncteur MT

Convertisseur statique de démarrage

Disjoncteur MT

Vers le réseau auxiliaire

Interrupteur isolant

A Alternateur CSXA401074.cdr

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Figure 3: Circuit de base d’un système de démarrage statique

2

4

5

6

7

id

iu iv

3

G

1 iw

ie

8

9

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Côté d'alimentation en énergie électrique Convertisseur statique de démarrage Transformateur isolant Convertisseur de fréquence statique Redresseur Réacteur de liaison CC Onduleur Système de contrôle et de protection Système d'excitation de démarrage

id ie iu, iv, iw

Courant continu en liaison intermédiaire Courant d'excitation Courant de phase de la machine CSXA401075.cdr

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Figure 4: Moteur synchrone alimenté par un onduleur

t1

U U

V

i

e

i

n

W

W

U

t2 60°

V

i

n

e

W

i

V

W

t

U

i

3

i

n

V

U e

V

W

t1 t2 t3

Intervalle de temps

U, V, W

Phases de la machine synchrone

i

Flux magnétique produit par les enroulements du stator

e

Flux magnétique produit par les enroulements du rotor (excitation)

n

Sens de rotation

i

Courant du stator

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Figure 5: Courant électrique 2 de 3 phases (mode pulsé) id

uu

II

I

III

t

uu

iu

t

uv

iv

uw

t

iw

t

CSXA401077.cdr

Legende:

uu, uv , uw Tensions des phases iu , i v , i w Courants des phases id

Courant de liaison intermédiaire

I II III

Courant conducteur d'enroulement u et w Courant conducteur d'enroulement v et w Courant conducteur d'enroulement u et v

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Figure 6: Oscillographe pour la vitesse et les courants pour une séquence de démarrage de turbine à gaz type

n

Fonctionnement « pulsé »

Fonctionnement « à contrôle machine »

id

iu

t n id iu

Vitesse de la turbine à gaz Courant continu en liaison intermédiaire Courant de phase dans enroulement “U” de la machine synchrone

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Helical

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Machine synchrone

Régulation du flux du moteur y

Excitatrice

Convertisseur machine

Réacteur CC

Convertisseur ligne

Transformateur d'entrée convertisseur

Disjoncteur principal

Régulation du facteur de puissance cos j

Régulation du courant CC id

au courant id de la liaison CC au cos j du facteur de puissance du moteur à UM/n, c'est-à-dire au flux du moteur y

Le couple du moteur TM est proportionnel:

Alimentation principale

ABCD Dispositif de démarrage statique

Figure 7: Régulation du couple du moteur

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Figure 8: Séquence de démarrage régulier type pour une turbine à gaz

UL

fL

IM

IL

PL

UM

cos j L

TM

T GT

U 0

f

n2 C2

F

n

C1

C1, C2 F CL IL cosj IL n PL TM TGT UL UM

Régions de fonctionnement avec flux machine constant Mode d'affaiblissement du champ, c'est-à-dire région de fonctionnement où le flux de la machine est graduellement réduit en fonction de l'augmentation de la vitesse. Fréquence, côté réseau Courant de phase, côté réseau Facteur de puissance de déplacement de la ligne (facteur de puissance de fréquence fondamentale) Courant machine Vitesse nominale de la turbine à gaz Puissance active, côté réseau Couple électromagnétique développé par le moteur synchrone Couple de la charge, turbine à gaz Tension, côté réseau Tension machine CSXA401080.cdr

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