Chapitre II. Modélisation et simulation de l’ensemble du système Shore-Navire
II.6 Modélisation du réseau de bord de navire
II.6.3 Simulation du système Shore-Navire en régimes transitoires
Ia-M1 Ia-M2 b) Biphasé 3.503 3.5032 3.5034 3.5036 3.5038 3.504 1260 1270 1280 1290 Temps [s] C o u ra n t [A ] Ia-M1 Ia-M2 b) Biphasé (zoom)
Figure II.30: Courants mesures aux points M1 et M2 (IaM1– courant M1) et (IaM2 – courant M2)
Les simulations proposées dans ce paragraphe ont eu pour but de valider la méthode de calcul du moteur agrégé en régime nominal et en régime de défaut. Cette méthode d’agrégation de charges est donc adoptée pour la suite des études.
II.6.3 Simulation du système Shore-Navire en régimes transitoires
Afin de caractériser les impacts de la limitation en courant des GFCs, plusiers scénarios de simulations sont envisagés:
Démarrage directe des moteurs les plus puissantes; Court-circuit sur le tableau principal du navire.
II.6.3.1Caractéristiques du système embarqué du navire
Comme présenté dans le paragraphe II.6.1, le réseau de bord est un système complexe comprenant plus d’une centaine de moteurs asynchrones. Dans le but de diminuer la taille mathématique de ce réseau, nous avons appliqué la méthode d’agrégation des moteurs présentée plus haut en utilisant l’hypothèse que tous les moteurs ont le même nombre de pôles. Dans le but d’être capable d’observer le comportement des gros moteurs de 257 kW et de certains gros départs constitués de plusieurs moteurs d’une puissance totale de 500 kW, nous avons choisi modéliser l’ensemble des moteurs du navire de la manière suivante :
Moteur agrégé de 1 MW ; Moteur agrégé de 500 kW ;
Modélisation et simulation de l’ensemble du système Shore-Navire
Moteur de 257 kW ;
Toutes les autres charges sont concentrées en deux types : une charge résistive et un autre résistive-inductive.
Le nouveau réseau est schématisé dans la Figure II.31:
Figure II.31: Système Shore – Navire – réseau de charges agrégées sous «ATP-EMTP»
II.6.3.2Régimes transitoires
a) Démarrage direct des moteurs
La phase de démarrage d’un moteur commence par la mise sous tension de cet équipement. Suite à notre analyse réalisée sur le système de navire, nous avons vu qu’une grande partie des moteurs sont directement raccordés au réseau basse tension, sans dispositifs d’aide au démarrage, ce qui est assez habituel dans ces réseaux de bord.
La principale caractéristique d’un démarrage direct est le courant d’appel : ce courant de démarrage peut attendre jusqu’à 7 fois le courant nominal. Les protections doivent donc être dimensionnées à cet effet. Le démarrage direct peut avoir aussi un impact sous forme d’une chute de tension qui risque de perturber le système.
La station Shore, étant une installation, avec une puissance limitée, peut ressentir le courant de démarrage du moteur comme un défaut au niveau de la charge. Quand le courant d’appel atteint la valeur de limitation du bloc des GFCs, le tableau principal du navire peut être confronté à l’apparition d’une chute de tension très importante. Cette réaction du GFC peut affecter le système dans son intégralité.
Nous considérons que le réseau du navire est alimenté par l’installation Shore (Figure II.31) et à un instant donné, un moteur de grande puissance va démarrer en mode direct, sachant que les autres charges du navire sont déjà connectées (les paramètres électriques des moteurs utilisés sont montrés dans l’Annexe A.VI). Les moteurs ont trois niveaux de puissance : 257kW, 500kW et 1 MW.
Modélisation et simulation de l’ensemble du système Shore-Navire
Le démarrage (à l’instantt=0.3s) est réalisé en appliquant trois scenarii: Scenario 1 : démarrage du moteur 257 kW;
Scenario 2 : démarrage du moteur 500 kW; Scenario 3 : démarrage du moteur 1000 kW.
Les variables à surveiller au cours du démarrage moteur sont:
La vitesse du moteur pour déterminer si le moteur réussit sont démarrage;
La valeur efficace du courant de sortie des GFCs pour déterminer s’il y a ou non déclenchement en surcharge des GFCs;
La valeur crête du courant de sortie des GFCs pour déterminer s’il y a ou non déclenchement en court-circuit des GFCs.
La Figure II.32 présente les courbes de tension et courant mesurés en sortie du bloc de convertisseurs. 0 2 4 6 8 10 0 50 100 150 200 250 Temps [s] T e n s io n [ V ] 1 MW 500 kW 257 kW 0 2 4 6 8 10 0 2000 4000 6000 8000 Temps [s] C o u ra n t [A ] 1 MW 500 kW 257 kW
Tension et courant efficace – démarrage des moteurs
0 2 4 6 8 10 0 50 100 150 200 Temps [s] V it e s s e [ ra d /s ] 1 MW 500 kW 257 kW
Figure II.32: Vitesse des moteurs et la caractéristique GFCs
Le démarrage des moteurs génère un courant d’appel important pour un intervalle de temps de plusieurs secondes. Les résultats sont les suivant:
Moteur 250kW : le démarrage direct est réussit puisque la vitesse du moteur atteint sa valeur nominale en 5 secondes alors que le courant maximum demandé ne dépasse pas le courant nominal des GFC ;
Moteur 500kW : là aussi, le démarrage est réussit en 5 secondes par contre le courant maximum demandé dépasse le courant nominal des GFC mais n’atteint pas la limite d’écrêtage. Ainsi après une période de surcharge de 5 s à une valeur approximative de 6500 A RMS, les GFC retrouvent un courant nominal et ne déclenchent donc pas en surcharge ;
Modélisation et simulation de l’ensemble du système Shore-Navire
Moteur 1MW : ici, le courant de démarrage atteint la limite d’écrêtage pendant plus de 500 ms. Les GFC déclenchent en court-circuit au bout de 500 ms. Le démarrage en direct ne fonctionne donc pas.
Ces trois de démarrage moteurs montrent ainsi les études potentielles de démarrage moteur, lorsque le navire est raccordé au système Shore, en utilisant une modélisation électrique simplifiée du réseau de bord.
b) Court-circuit aux bornes des moteurs
Il est proposé ici de tester le modèle électrique du système Shore-Navire dans le cas d’un court-circuit. Le système Shore-Navire est confronté ici à deux contraintes importantes :
Les convertisseurs de fréquence (GFCs) limitent le courant de défaut à une valeur déterminée et pendant un temps déterminé;
Le navire souhaite un courant de défaut minimal de 3⋅In, pendant une durée de 500 ms pour assurer la sélectivité des protections, au niveau de l’arrivé Shore.
Le cas le plus défavorable, dans quel se peut retrouver la station Shore, est le cas d’un court-circuit triphasé au niveau de la charge. En effet, dans le cas de court-court-circuit monophasé, l‘installation est protégée par la mise à la terre par une résistance du secondaire du transformateur du système Shore. Dans le cas de court-circuit biphasé, la limitation de courant des convertisseurs est légèrement supérieure à la limitation du court-circuit triphasé. Pour la problématique de sélectivité entre Shore et les protections du navire, le cas le plus défavorable est le court-circuit triphasé car la limitation des GFC est plus importante dans le cas d’un court-circuit triphasé. Si on regarde du côté du bloc GFCs, dans les conditions de court-circuit triphasé, les caractéristiques des convertisseurs utilisés en simulation sont les suivantes:
Courant nominal : In= 4320 A (pour un système de six convertisseurs); Protection court-circuit – délai: IK3 <2⋅In; avec une durée de 500 ms.
Pour résoudre la problématique de la sélectivité, le système Shore est surdimensionné et dispose d’un nombre plus important des modules de convertisseurs de fréquence. La caractéristique de la limite du courant fourni par le système Shore est déplacée au niveau du courant minimal de la protection de la plus grosse charge du navire.
Le scénario proposé est réalisé avec le système présenté dans la Figure II.33. Un court-circuit triphasé a lieu sur le réseau du navire. Le but est d’analyser le niveau du courant délivré par la station Shore de 3 MVA mesuré au borde du navire.
Modélisation et simulation de l’ensemble du système Shore-Navire
(f ile chap2_1.pl4; x-v ar t) c:X0005A-NAV1A
0,970 0,985 1,000 1,015 1,030 1,045 [s] 1,060 -13,0 -6,5 0,0 6,5 13,0 [kA]
Figure II.33: Courant délivré au navire
La Figure II.33 montre que la station Shore parvient à délivrer un courant de défaut de 2⋅In: Ainsi on peut conclure que la station Shore n’est pas en mesure de délivrer le courant de défaut de 3⋅In exigé par le navire;
Par contre, on peut noter toutefois que le courant de 2⋅In est suffisant pour faire déclencher la protection du plus gros moteur de 500kW et que donc l’exigence de la norme [IEC 05] est respectée.