Turbine hydroélectrique et génératrice asynchrone sur variateur de vitesse

[LRAUTO]

Bonjour à tous,

Je suis en train de remettre en service une ancienne turbine à eau équipée d'une génératrice asynchrone de 7.5 kW couplée au réseau grâce à un variateur de vitesse Siemens.

Je dois refaire le programme de l'automate en me basant sur les informations que j'ai pu télécharger du variateur de vitesse.

Pour qu'une machine asynchrone devienne génératrice, je sais qu'il est nécessaire que la vitesse de rotation de la turbine soit supérieure à la vitesse de synchronisme du moteur (vitesse du champ tournant).

Le variateur est piloté en mode consigne de couple et non en mode consigne de vitesse.

Ma question est la suivante : comment m'assurer que la vitesse de synchronisme du moteur (vitesse du champ tournant) soit toujours inférieure à la vitesse de rotation réelle tout en agissant sur le couple du moteur ?

Avez-vous déjà rencontré une installation similaire ?

Merci pour votre aide.
-----

[BOB92]

Bonjour

Tu dis effectuer un pilotage en couple ........

T'est-tu posé la question de la problématique du pilotage :
- en phase de démarrage et de couplage au réseau,
- en phase de production , un pilotage en couple pour un moteur asynchrone ... pourquoi pas, mais sur quels critères ???
je supposes, que tu veux piloter le variateur de vitesse

Tu dis qu'il s'agissait d'une ancienne turbine à eau ..... comment était réalisé le pilotage et l'optimisation de l'énergie produite ?

cordialement

[LRAUTO]

Il s'agit d'une installation qui n'a plus tourné depuis 10 ans. La personne qui a fait la mise en service à l'époque ne répond plus et ne veut pas donner plus d'explication l'installation est contrôlée par un automate Siemens mais il est protégé par mot de passe donc je suis chargé de refaire un nouveau programme.

La seule chose que j'ai pu faire c'est me connecter au variateur de vitesse pour télécharger le programme présent dans celui-ci et il s'avère que le mode de pilotage du variateur de vitesse est en mode contrôle de couple et non en mode u sur F.

J'ai deux capteurs inductifs montés sur l'axe du moteur afin de mesurer la vitesse de rotation réelle du système et le sens de rotation.

La consigne de couple du variateur de vitesse provient donc d'une sortie analogique de l'automate.

Imaginons que je consigne une valeur de 10 NM au moteur, si le couple fourni par la turbine est supérieure à 10 le glissement sera donc négatif je pense et donc je produirai du courant. Enfin c'est ma théorie 😁.

La question c'est comment garder ce glissement négatif à tout moment en prenant en considération que la vitesse de la turbine peut varier et ce seulement en contrôlant le couple du variateur

En retour d'information du variateur de vitesse j'ai la puissance instantanée et la température moteur je précise encore une fois que c'était les réglages d'origine de variateur avant mon intervention.

Merci pour votre temps

[BOB92]

Bonjour

1) Si tout est en état, pourquoi celà ne fonctionne pas tel quel ? , et pourquoi avoir besoin d'accéder à la programmation e l'automate ?

2) Si tu peux télécharger le programme, pourquoi ne pas pouvoir l'exploiter ? ( et pourquoi le besoin de vouloir le modifier )



Sinon, à en concevoir un nouveau, tu dois réaliser avec ton automate, deux programmes/fonction différentes :
- une fonction de couplage , (et il semblerait logique de découplage)
- une fonction de production
et des fonctions de supervision, tant au démarrage, qu'en production, pour éviter d'aller dans les décors et donc de la casse matérielle/électrique

Il faut d'abord préparer le couplage ( le couple étant nul (ou presque : pertes), le réaliser ,
puis augmenter le couple pour assurer la production.

Il est normal que la fonction de production soit pilotée par le couple , car c'est lui seul qui est significatif vis à vis de la génératrice,
mais attention à la finalité qui a des limites .... courant maxi, échauffement, puissance instantanée de la turbine (par réglage, ou par variation naturelle du débit d'eau ...), et peut-être de la puissance injectée sur le réseau.
Attention aux contraintes du fournisseur d'énergie.


Il est normal que la vitesse ne soit pas un élément de pilotage, car trop imprécis pour la finalité ... le couple est trés représentatif de la puissance ...
Quand à U/F , je ne vois pas son intérêt ici.
cordialement

[A voir en vidéo sur Futura]

[Forhorse]

Si l'automate est un vieux S7 il est possible de faire sauter la protection par mot de passe. Mais ça donnera un programme "brute" sans commentaire ni mnémoniques.

[LRAUTO]

C'est un S71200 , impossible de faire sauter le mot de passe sans perte de données .

[LRAUTO]

Salut,

La production de courant ne fonctionnait à cause des équipement annexes comme entre autre les sondes radar pour la régulation du niveau du canal .

J'ai pu télécharger le soft du variateur et non de la CPU qui pilote en faite la consigne de couple du vfd et le signal run du coup .

Que veut tu dire par couplage ? Sachant que le moteur n'est pas directement connecté au réseau car il y a une vfd entre la génératrice et le réseau ?

La vitesse nominale de la turbine est de 150 rpm pour une vitesse moteur de 825 rpm (ratio 5.5) on est loin des 50hz .

J'ai de l'expérience en contrôle de moteur asynchrone en tant que moteur et non en tant que génératrice du coup je patauge un peu ...

[BOB92]

Bonjour

C'est à plus rien y comprendre , car chaque post crée une nouveauté ....

Commence donc par faire un diagramme-schéma de toute ta chaîne fonctionnelle depuis l'eau, jusqu'à l'injection ENEDIS ... en mentionnant tous les appareillages, capteurs, et entrées de réglage ( manuels et automatisés)

Et, je n'ai pas compris, pourquoi ne pas utiliser le système tel quel, puisqu'il marchait avant ....
Si c'est à cause de la régulation au niveau du canal qui ne fonctionne plus, il faut la réparer ou la remplacer .....
Car vouloir le réinventer, sur des bases différentes (puisque plus de régulation de niveau d'eau)... il va falloir de l'intégration, de la mise au point, des appareils de mesure, avec des risques de casse ..... celà ne s'invente pas , et ne se limite pas à écrire un programme pour un automate .

cordialement

[LRAUTO]

Oui le turbine ne fonctionnait plus à cause de la régulation de niveau qui était défaillante, sans le programme de l'automate impossible à réparé et un plus pour le suivi de l'installation c'est pas l'idéal d'être en face d'une boite noire .
Le propriétaire est d'abord pour tout réécrire de zéro .

Donc on régule le niveau d'eau du canal grâce aux ventelles de la turbine (les ventelles agissent comme une vanne pour donner plus ou moins d'eau à la turbine).
La hauteur de chute et le débit donne la puissance mécanique de la turbine donc il faut garder un niveau d'eau constant .

Voici le synoptique du process :

process.png

Voici le schéma de puissance avec les signaux d'échange entre le VFD et le PLC :

Puissance Moulin.jpg

[BOB92]

Bonjour

Vitesse de rotation de la génératrice ? ( entre quelles limites ? )

Plaque constructeur du moteur (utilisé en génératrice)

Ref, caractéristiques, et description sommaire de ce VdF ?

Le câblage moteur- réseau est-il complet ?

Qui a réalisé la 2ème pièce jointe ?

D'où provient ce réseau dans lequel se fait l'injection ?

Cordialement

[LRAUTO]

Vitesse de rotation de la génératrice ? ( entre quelles limites ? )

La vitesse nominale de la turbine est donnée pour 150 tr/min, soit un régime de 825 rpm au niveau de la génératrice asyncrone

Plaque constructeur du moteur (utilisé en génératrice)

IMG_20231226_133912.jpg

Ref, caractéristiques, et description sommaire de ce VdF ?

IMG_20231226_133701.jpg

Le câblage moteur- réseau est-il complet ?

Oui

Qui a réalisé la 2ème pièce jointe ?

L'ancienne société qui à fermé boutique, de plus cela à été mal fait .

D'où provient ce réseau dans lequel se fait l'injection ?

L'installation de la turbine se trouve sous un immeuble avec des apparentement qui est alimenté par un tableau basse tension, l'alimentation du coffret turbine provient de ce tableau derrière un disjoncteur 32A .

Aujourd'hui j'ai pu effectuer quelque test et la machine produit environ 4,5 kW de puissance.

Cependant, je dois avouer que je ne comprends pas totalement comment cela fonctionne.

Pour obtenir une production de courant, j'ai dû régler la consigne de couple en négatif, sachant que le sens de rotation du moteur est le même que celui de la turbine (sens anti-horaire).

Cependant, si j'active le VFD avec le signal RUN lorsque la machine est déjà en rotation, avec les consignes VFD suivantes : 0% de RPM et 0% de couple, le VFD passe en défaut de décrochage .

Je dois absolument lui donner une consigne de vitesse positive de quelques pourcent pour ne plus avoir le défaut au démarrage. Cela est étonnant car chez Siemens ils m'ont dit qu'en mode consigne de couple vectoriel, la consigne de vitesse n'était pas utilisée.

Auriez vous une explication à cela ?

Pourriez vous également m'expliquer la chose suivante : lorsque la consigne de couple est à 0% et que le moteur est déjà en mouvement car il est entraîné par la turbine, est-ce que le champ tournant dans le stator se synchronise avec celui du rotor si le VFD est en RUN ? Car je vois une vitesse en Hz affiché sur l'écran du VFD .

Si oui, est-ce que le fait d'appliquer une consigne de couple négative crée un ralentissement du champ statorique, ce qui provoque un glissement négatif ?

Je sais que pour qu'une machine asynchrone devienne génératrice, il faut que le glissement soit négatif.

Merci pour votre aide.

[BOB92]

Bonjour

OK pour la configuration de l'installation : c'est tellement plus clair avec une vision globale ... ( dans les 1ers échanges, j'étais parti sur une fausse piste .....).

Avant d'aller dans les détails, je voudrais mentionner 2 points fondamentaux :

1) A ma connaissance, il faut obtenir l'autorisation de ENEDIS de procéder à cette injection d'énergie, d'autant qu'elle est réalisée avec des matériels ne présentant pas la sécurité adéquate (cf. les inverters destinés à une réinjection sur le réseau).
Je ne voudrais pas être le responsable d'une telle installation, avec des accidents concernant des intervenants ( ENEDIS ou Electriciens de maintenance, ou simples utilisateurs) sur les réseaux publics ou privés.
Sur ce point, c'est une simple mention de ce problème, étant incompétent pur le traiter.

2) Le choix de ce variateur SINAMICS, avec ses possibilités de pilotage, me paraît effectivement judicieux, d'autant qu'il est utilisé avec un moteur faisant justement partie des moteurs supportés (cf. doc du variateur).
J'ai parcouru rapidement la doc de ce variateur, sans entrer dans les détails, .. d'autant que je n'ai aucune expérience pratique de leur utilisations.

Ce variateur permets un freinage dynamique avec réinjection d'énergie dans le réseau ce qui permets son utilisation ici.


Vous indiquez avoir pu réaliser un essai en mentionnant une puissance de 4,5 kW .... attention, car si le moteur tournait vers 850 t/mn, on doit être au voisinage, et pêut-être dépassé sa puissance permanente à cette vitesse ..... car on devait être vers le courant max (échauffements joule), avec une ventilation réduite (bien au-dessous de sa vitesse nominale). Ce sera un des points à gérer .... au risque même 'et là, il faudrait avoir les caractéristiques de ce moteur) d'arriver au décrochage, et de partir en emballement de la turbine.
C'est d'ailleurs un des points à étudier ...... que se passe-t-t-il si le moteur est entrainer à vide ..... conséquences et actions ..
A noter que c'est peut-être pour celà que la vitesse nominale d'entrainement du moteur a été définie à 825 t/mn au lieu des 1500 nominaux ...

Concernant qq points mentionnés
- Il semble normal qu'il faille régler un couple négatif, puisque la machine fonctionne en générateur ....
- Il me semble logique que ce système VdF/moteur s'initialise par le démarrage du VDF, moteur à l'arrêt .....
C'est d'ailleurs mentionné dans sa DOC : ""Mise en marche moteur tournant : La fonction "reprise au vol" n'est pas possible.""
Donc, de créer une phase de démarrage qui permette de contourner cette contrainte.

Le moteur seul, entrainé, surtout à 850 t/mn ne s'amorcera jamais en génératrice asynchrone ..... il y aura tout au plus un peu de rémanent rotorique qui induira une très faible tension triphasée synchrone du rotor (pseudo machine synchrone) ,
Pour qu'il ait un fonctionnement en moteur ou en générateur, il faut que le VDF l'alimente avec une certaine tension et une certaine fréquence ,
et là, on se retrouve bien avec la courbe de couple/puissance d'une machine asynchrone , en mode moteur/générateur autour de la vitesse de synchronisme..

Cordialement

[polo974]

Vitesse de rotation de la génératrice ? ( entre quelles limites ? )

La vitesse nominale de la turbine est donnée pour 150 tr/min, soit un régime de 825 rpm au niveau de la génératrice asyncrone

le moteur est donné pour 45 tr/mn de glissement (1500 - 1455), donc si on fait une bête règle de 3 en prenant le glissement dans l'autre sens:
7.5 * (825/1545) on trouve 4 kW
donc 4.5, c'est trop. et 4, il faut voir coté ventilation comme mentionné par BOB92
il doit être possible de limiter la puissance, la tension et/ou le courant.
s'il y a variation de niveau, il faudrait sans doute aussi varier le couple demandé (au prorata de la hauteur de chute).
d'ailleurs il faudrait des données de la turbine puissance / hauteur de chute / débit (réglage des ventelles) pour optimiser...
bref, pas si simple...

...

Je dois absolument lui donner une consigne de vitesse positive de quelques pourcent pour ne plus avoir le défaut au démarrage. Cela est étonnant car chez Siemens ils m'ont dit qu'en mode consigne de couple vectoriel, la consigne de vitesse n'était pas utilisée.

Auriez vous une explication à cela ?

Il faut bien dire dans quel sens faire tourner le champ magnétique... donc ici, une valeur positive donne le champ tournant dans le bon sens.

...

Si oui, est-ce que le fait d'appliquer une consigne de couple négative crée un ralentissement du champ statorique, ce qui provoque un glissement négatif ?

Près de la vitesse de synchronisme, le couple est en gros proportionnel au glissement.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Machine_asynchrone vers les 3/4 de la page
Donc pour avoir un couple donné, le variateur impose un glissement adapté.

Je sais que pour qu'une machine asynchrone devienne génératrice, il faut que le glissement soit négatif.

Merci pour votre aide.