1 INSA de Strasbourg SOCOMEC SOCOMEC CRITICAL POWER

INSA de Strasbourg SOCOMEC
GE5 option énergie
18 Septembre 2014
Etudiant
Alfred Sauvage
SOCOMEC CRITICAL POWER
11 route de Strasbourg
67235 Huttenheim
Tuteur école
Guy Sturtzer
Tuteur entreprise
Aymeric Dorkel
Participation à la caractérisation, la modélisation, la régulation de la charge active 200kVA.
La société Socomec développe des Alimentations Sans Interruption (ASI) de forte puissance qui
permettent d’assurer en continu la disponibilité d’une énergie électrique de qualité.
Leurs tests requièrent de fortes puissances électriques. 1400MWh/an sont consommés à l’usine
d’Huttenheim. Afin de diminuer cette consommation le service de développement a réalisé une charge
active qui permet de réinjecter l’énergie de test sur le réseau. Ces charges ont permis d’économiser
20 000€ ces deux dernières années.
Malgré tout, les charges actives ne permettent pas de remplacer les charges passives linéaires pour
certains tests, notamment lors de basculement d’un réseau électrique à un autre. Mon travail a consisté
à améliorer leurs fonctionnements, pour cela la mise en place d’une manipulation avec une charge
active de puissance nominale 200kVA a été réalisée.
Une fois la situation problématique reproduite, une analyse des différentes données a permis de
montrer qu’un automate n’avait pas le comportement souhaité. Des modifications de son programme
ont permis de réussir les transferts de charge. D’autres points de fonctionnement ont aussi été abordés,
tels qu’un problème de mesure de tension, le contrôle des harmoniques de courants, les changements
de fréquences.
Contribution to the characterization, the modeling and feedback control of a 200kVA active load.
The Socomec company designs high power Uninterrupted Power Supplies (UPS) which provide a
nonstop electrical energy with high quality.
UPS tests need high electrical power. About 1400MWh/year are consumed in Huttenheim factory. In
order to decrease the electrical consumption, the development service has designed an active load. This
load feeds back test energy in the power grid. Thank to it 20000€ saving was made during two last years.
However active load aren’t able to replace linear loads for tests like a change of power sources. My work
consists in improving their operation. To reach this aim tests on a 200kVA active load have been
processed.
Once problematic operational mode was reproduced an analysis of the different data has showed that a
cellular automaton doesn’t work as expected. Modifications in the software helped the active load to
make load transfer. Some other points have been studied as a voltage measurement issue, current
harmonics control, frequency change.
1
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20 0 kVA .
La charge active est un système innovant qui permet de limiter la consommation électrique lors d
de tests.
Elle permet de réinjecter une partie de l’énergie nécessaire à l’essai dans la source,
source de fait seules les
pertes du système sont alors facturées.
facturé
Cependant le fonctionnement de la charge active n’est pas
optimum lors du basculement d’un réseau électrique à un autre. Une étude doit améliorer son
fonctionnement.
La société Socomec développe des Alimentations
Sans Interruptions (ASI) qui permettent d’assurer
en permanence la disponibilité d’une
d’
énergie
électrique de qualité. Ces systèmes sont placés
entre le réseau et l’installation
ation du client, qu’ils
alimentent en continu grâce à une chaîne double
conversion. Elle comporte un redresseur qui
transforme la tension alternative du réseau en
tension continue et un onduleur qui alimente la
charge. Sur ce bus continu sont conn
connectées des
batteries qui alimentent via un hacheur,
hacheur
l’onduleur, en cas
as de coupure réseaux. Grâce à
ces
es convertisseurs la charge est alimenté
alimentée en
permanence soit par le réseau soit par la
batterie. L’énergie distribuée est alors de qualité
car la charge ne voit pas les perturbations réseau.
réseau
En cas de défaut sur un convertisseur un système
appelé
by-pass
pass
permet
de
connecter
instantanément l’installation au réseau avec des
thyristors utilisés en interrupteurs.
interrupteur La charge
active est une évolution d’une ASI qui permet de
réinjecter l’énergie de test sur le réseau. Le
redresseur
et
l’onduleur
utilisa
utilisant
des
technologies
réversibles en courant
courant, il est
possible de piloter l’onduleur avec une consigne
c
de courant à absorber, le redresseur injecte alors
ce courant sur
ur le réseau. La charge active n’est
constituée que de la chaîne double conversion. La
figure 1 montre la constitution d’une ASI et d’une
charge active. L’onduleur de la charge active est
alors câblé à la place de la charge et le redresseur
à la source.
Figure n°1 : Circuit de test d’une ASI sur charge
active.
L’usine Socomec de Huttenheim réalise la
conception et l’industrialisation d’ASI de fortes
puissances entre 160 et 800 kVA.
kVA De nombreux
tests électriques sont
nt effectués sur les produits
soit par la production, soit par le service de
recherche et développement, soit par les tests
effectués par les clients. Ces essais ont un fort
coût énergétique, 1400MWh/an sont consommés
consommé
avec l’utilisation de charges
charge résistives qui
transforment l’énergie en chaleur.
c
Par exemple, une machine de 500kVA testée à
puissance nominale va consommer un courant de
725A sur le réseau. En utilisant une charge active
qui redonne l’énergie de test au réseau dans les
mêmes conditions de test, le courant consommé
est alors seulement de 90A ce qui représente
une puissance de 42kW. La consommation est
alors réduite de 92% ! Ces charges sont
systématiquement utilisées
utilisé
au test de
vieillissement qui élimine les défauts de jeunesse
et ainsi chaque année 20000€
20000 d’économie ont
été réalisées.. Malheureusement les charges
2
actives ne peuvent pas être utilisées pour tous les
tests car leur fonctionnement ne le permet pas,
le tableau de la figure 2 montre un comparatif
entre les charges classiques et la charge active.
Essai
Charge active
Transfert de
charge
Arrêt lors de
passage by-pass
vers onduleur.
Impact de
charge
Temps de
réponse
paramétrable
par rampe 1ms
max.
Vieillissement Utilisation de la
réinjection
Autonomie
Mesure
rendement,
THDi
Robustesse
aux
perturbations
réseau
Interdit légal
d’injecter de
l’énergie sur le
réseau
Mesure plus
complexe.
Charge
classique
Temps
de
réponse
de
l’ordre de 5 s
Dissipation de
l’énergie
en
pertes Joule
(coût de test
important)
Dissipation de
l’énergie par
effet Joule
Courant
réseau=
Courant
entrée
machine
Arrêt lors
d’enclenchement
de
transformateur
Tableau n°2 : Comparaison charge active/charge
classique.
Lors des transferts de charge, changement de
source en amont de la charge active, cette
dernière s’arrête. Une manipulation a donc été
réalisée afin d’instrumenter la charge pour
déterminer les raisons de cet arrêt. Les données
collectées ont permis de montrer que l’automate
du contacteur onduleur s’ouvre lors des
transferts. Les convertisseurs sont dotés d’un
contacteur qui permet de déconnecter le
système en cas de défaut. Une étude de
l’automate de contrôle de l’onduleur a permis de
montrer que la tension d’alimentation de la
charge active sortait des limites autorisées par
l’automate lors des transferts de charge. Des
modifications du code ont été réalisées puis
testées sur l’installation. Avec la nouvelle version
du programme, la charge ne s’arrête plus lors des
transferts de charge. Elle admet même des
basculements entre deux réseaux avec des
différentiels de tension de 15%. La figure 3
montre un transfert de charge réussi.
Durant les essais de transfert de charge un
problème de mesure sur l’onduleur de la charge
active a été détecté. Les tensions vues par les
chaînes d’acquisition de la charge active sont plus
élevées que la réalité. Les mesures effectuées ont
permis de monter que les fréquences générées
par le découpage de la source perturbent les
mesures de la charge active. Elles sont effectuées
par le DSP avec une fréquence d’échantillonnages
de 12kHz. Or les ASI testées ont une fréquence de
découpage de 6kHz modulée à 50 Hz ce qui
génère des fréquences entre 6kHz et 12kHz dont
la mesure ne respecte pas le critère de Shannon.
La fréquence 11950Hz a été mesurée, elle replie
sur le fondamental à 50 Hz ce qui perturbe la
mesure. Deux filtres anti-repliement ont donc été
testés, un nouveau filtre onduleur a été réalisé, il
permet de filtrer la fréquence 11950 Hz et résout
le problème mais cette solution est coûteuse. Un
filtre passe-bas a donc été introduit dans la
chaîne de mesure. Il permet de résoudre le
problème.
3
tension dont la fréquence est de 60Hz et elle
injecte un courant sur le réseau à 50Hz.
50Hz
- les
es transferts de charge avec déphasage de plus
ou moins 10 degrés entre les sources ont
également été validés.
Figure 3 : Transfert de charge réussi.
D’autres tests de fonctionnement ont été
réalisés, ils ont permis de valider :
- le fonctionnement de la charge active comme
charge capacitive ou inductive.
- le fonctionnement en conversion de fréquence,
fréquence
laa charge active est alors alimentée par une
L’étude sur la charge active a permis d’améliorer
son fonctionnement dans plusieurs conditions
d’utilisations notamment dans les transferts de
charge. Leurs champs
champ
d’utilisations sont
aujourd’hui plus larges
large mais certains points
doivent encore être étudiés.
étudié C’est le cas du
fonctionnement à faible taux de charge (inférieur
à 50kVA) où le courant absorbé est déformé par
les harmoniques 3,5,7.
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