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1 - MACHINES ÉLECTRIQUES TOURNANTES DANS LES APPLICATIONS EMBARQUÉES

2 - SYSTÈMES DE GÉNÉRATION D’ÉNERGIE

3 - CONVERTISSEURS DE PROPULSION

4 - APPAREILLAGE ÉLECTRIQUE ET SYSTÈMES DE PROTECTION

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : D5615 v2

Navire électrique - État de l’art et intégration des composants et systèmes

Auteur(s) : Jacques COURAULT, Paul LETELLIER, Jean-Paul SORREL

Relu et validé le 30 juil. 2021

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RÉSUMÉ

Après un exposé sur les différents types de machines tournantes utilisées dans la propulsion électrique des navires, cet article traite des systèmes de génération d’énergie pour les réseaux embarqués à courant alternatif et continu, des stratégies de contrôle et de la qualité de la tension. Puis, sont décrites les topologies récentes des convertisseurs statiques dédiés à l’alimentation des moteurs de propulsion ainsi que différentes structures redondantes. Enfin, l’article conclut sur une présentation de l’appareillage et des tableaux électriques, sur les méthodes d’élaboration du plan de protection des réseaux et sur les performances de coupure en courant alternatif et continu de l’appareillage moderne.

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ABSTRACT

Electric Ship. State of the Art and Integration of Components and Systems on Board

After a comprehensive review of rotating machines meant for electric propulsion, this paper deals with on board power generation systems for AC and DC distributions, their control strategies and network quality. Then, the paper sets out to describe the various topologies of static converters dedicated to the supply of propulsion motors together with some redundant configurations. The paper concludes with a presentation of the switchgear, the elaboration of the protection scheme, the performances of circuit breakers in AC and DC networks and the current trends in this domain.       

Auteur(s)

  • Jacques COURAULT : Ancien directeur des développements en électronique de puissance Alstom Power Conversion, France

  • Paul LETELLIER : Ingénieur de l’École supérieure d’électricité - Consultant, ancien ingénieur Société Jeumont Electric, France

  • Jean-Paul SORREL : Ingénieur de l’Institut national polytechnique de Grenoble - Consultant, ancien ingénieur Société Schneider-Electric, France

INTRODUCTION

À l’origine des propulsions mécaniques, un moteur thermique était associé à l’hélice et l’allure du navire était liée à la vitesse de rotation d’un moteur diesel ou d’une turbine à vapeur ou à gaz. Tandis qu’à pleine puissance, le fonctionnement des machines thermiques est satisfaisant, aux vitesses plus faibles imposées par les profils de mission, les moteurs thermiques ne bénéficient pas d’un fonctionnement optimal : mauvais rendement, encrassement... d’où le recours à des solutions modulaires en ce qui concerne la génération de puissance de façon à ajuster la capacité de production au besoin de puissance. Cela n’est envisageable qu’en partant d’un réseau de bord sur lequel le nombre de générateurs (deux, trois, quatre alternateurs) est modulable et c’est ainsi que les propulsions avec des moteurs électriques se sont imposées.

Pour les navires spéciaux de faible tonnage, des propulsions électriques avec moteurs à courant continu et convertisseurs à thyristors ont été utilisés dès le début des années 1960. Puis, à la fin des années 1970, la généralisation du principe de la variation de vitesse avec des machines synchrones et convertisseurs statiques à thyristors de gros calibre a permis d’étendre ces applications à des puissances au-delà de 20 MW par ligne d’arbre.

Aussi, le moteur à courant continu, du fait de ses nombreuses contraintes, a été peu à peu abandonné au profit des machines à courant alternatif.

Ainsi, évoquant des moteurs électriques à fréquence variable et des réseaux à fréquence fixe, on passe naturellement par la création d’une fonction de redressement pour obtenir une tension continue et d’une fonction ondulation pour obtenir la fréquence machine de propulsion.

Du fait de cette double conversion électrique alternatif-continu-alternatif, la question se pose de savoir si une alimentation globale en courant continu ne serait pas plus adaptée.

Les progrès de l’électronique de puissance ont donc remis à jour cet ancien dilemme, distribution continue ou alternative, pour les applications embarquées.

Toutefois, dans les puissances significatives, la production directe d’électricité en courant continu ne peut se faire que par redressement de tensions alternatives.

Piles à combustibles et systèmes solaires doivent attendre leur heure de maturité.

À ce jour, le navire électrique est donc un navire à bord duquel la propulsion et les auxiliaires sont électriques et la distribution en courant alternatif ou en courant continu. Ces deux modes de distribution présentent des avantages et des inconvénients.

Ainsi, pour des navires militaires ou des navires à émission réduite, la distribution en courant continu s’adapte plus aisément au stockage de l’électricité, soit dans des batteries, soit dans des supercondensateurs, soit sous forme électromagnétique, suivant les missions du bâtiment.

Le dossier « Navire électrique » fait l’objet de trois articles :

  • [D 5 610] Propulsion, distribution électrique et production d’énergie ;

  • [D 5 615] État de l’art et intégration des composants et systèmes ;

  • [D 5 620] Évolutions, systèmes de conduite, contraintes de conception.

Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres.

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KEYWORDS

electric propulsion   |   rotating machines   |   power converters   |   switchgear

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-d5615


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - LATEB (R.) -   Modélisation des machines asynchrones et synchrones à aimants – application à la propulsion marine par POD.  -  Mémoire de thèse de doctorat de l’Institut National Polytechnique de Lorraine, 19 oct. 2006.

  • (2) - MOREAU (L.) -   Modélisation, conception et commande des génératrices à réluctance variable basse vitesse.  -  Mémoire de thèse de doctorat de l’Université de Nantes, 9 déc. 2005.

  • (3) - AMARA (Y.) -   Machines synchrones à double excitation- Principes et structures.  -  Revue RIGE, vol. 10, n° 1-2 (2007).

  • (4) - DROUEN (L.), CHARPENTIER (J.F.), SEMAIL (E.), CLENET (S.) -   Modèle analytique intégrant des effets d’extrémité pour le pré dimensionnement des machines à aimants courtes et à grand entrefer.  -  Conférence EF2009, UTC Compiègne, 24-25 sept. 2009.

  • (5) - DROUEN (L.) -   Machines électriques intégrées à...

1 Événements

Proceedings des congrès « All Electric Ship » dans les bases documentaires des sociétés savantes :

– Institute of Marine Engineers – The Memorial Building – 76 Mark Lane- LONDON EC3R – 7JN

– SEE – Société de l’électricité, de l’électronique et des technologies de l’information et de la communication – 17, rue de l’Amiral Hamelin – 75116 Paris http://www.see.asso.fr

HAUT DE PAGE

2 Normes et standards

OTAN STANAG 1008Caractéristiques des alimentations à bord des bâtiments des marines du traité de l’Atlantique Nord

Normes des domaines navals et offshores

IEC 60092-101Electrical installations in ships – Part 101 : Definitions and general requirements

IEC 60533Electrical and electronic installations in ships – Electromagnetic compatibility

(EMC) – Ships with a metallic hull

IEC 61892-1Mobile and fixed offshore units – Electrical installations – Part 1 : General requirements and conditions

Normes appareillage...

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