Brevet FR2079187A1 — publié le 19711112

Lorsque deux ou plusieurs turbines fournissent de l'énergie à un réseau, tel qu'un réseau de distribution dans lequel une génératrice principale et une ou plusieurs génératrices auxiliaires alimentent le réseau de distribution en courant électri-5 que, la génératrice principale tourne toujours d'une manière isochrone, c'est-à-dire qu'elle est réglée de manière à tourner à une vitesse constante quelle que soit sa charge» Si, cependant, la charge appliquée à la génératrice est supérieure à sa capacité, des génératrices supplémentaires doivent fournir de l'énergie au 10 réseau afin de satisfaire aux demandes qui lui sont imposées. C'est ainsi, par exemple, qu'une génératrice principale entraînée par une turbine à vapeur fournit de l'énergie à un réseau comportant une génératrice auxilaire. La génératrice principale est réglée de manière à tourner a une vitesse qui maintient 15 la fréquence du courant alternatif a une valeur constante. La charge du réseau est telle que la génératrice auxiliaire est chargée à 50%. Dans ce but, la génératrice auxiliaire fonctionne suivant un mode qui est dit avec "chute". Un réglage avec chute est une forme de réglage de la vitesse dans lequel la 20 vitesse de la turbine est réglée en fonction de sa charge. Dans un réseau de distribution, la génératrice principale qui est réglée de manière à fonctionner suivant un mode isochrone provoque l'accrochage en phase de la génératrice auxiliaire qui est réglée de manière à fonctionner suivant un mode avec chute, comme si elle 25 était couplée mécaniquement a la génératrice principale. De ce fait, la vitesse de la génératrice auxiliaire est déterminée par la vitesse de la génératrice principale et, comme telle, elle est également constante. L'alimentation en carburant de la turbine à gaz qui en-30 traîne la génératrice auxiliaire peut être régulée de manière que le niveau de sa charge puisse être contrôlé. Par exemple, si la charge de la génératrice auxiliaire doit être augmentée, le débit de carburant vers la turbine doit également être augmenté. Cette augmentation de débit a tendance à augmenter la vitesse de la 35 turbine qui, cependant,est accrochée en phase avec la génératrice principale et dont la vitesse ne peut, en conséquence, augmenter. Du fait qu'une quantité supplémentaire de carburant est alors fournie à la turbine auxiliaire, la génératrice auxiliaire peut absorber une charge supplémentaire. On suppose maintenant que le 40 niveau de la charge du réseau reste constant de sorte que la 4 QAD ORIQIKAL 71 03389 2079187 charge supplémentaire qui est absorbée par la génératrice auxiliaire doit être retranchée de celle de la génératrice principale dont la vitesse tend, par suite, à augmenter. Cependant, le réglage de la génératrice principale est 5 isochrone et sa vitesse doit rester constante. De ce fait, le dispositif de régulation de la turbine principale réduit le débit de carburant qui lui est fourni de manière à réduire sa vitesse. La quantité de carburant débitée jusqu'alors est transférée de la turbine principale à la turbine auxiliaire sans variation de 10 vitesse. Si la génératrice auxiliaire doit alimenter en courant une partie isolée du réseau, par exemple en cas de sectionnement des lignes de transport d'énergie, la génératrice auxiliaire devient, en fait, la génératrice principale pour la partie interes-15 sée du réseau et, en conséquence, elle doit tourner d'une manière isochrone afin que sa vitesse reste indépendante de sa charge. Il est souhaitable, par suite, de prévoir la possibilité de faire passer le réglage de la turbine d'un mode de fonctionnement isochrone à un mode de fonctionnement avec chute. 20 Dans le passé, cette opération ne pouvait pas être ef fectuée en pratique et il fallait régler la turbine à la main afin de maintenir sa vitesse constante. . La présente invention se propose de résoudre ce problème par un appareil destiné à réguler (automatiquement) la carac-25 téristique de la vitesse en fonction de la charge d'une turbine. Un signal de vitesse de référence qui représente la vitesse voulue de la turbine est ajouté algébriquement à une réaction de vitesse qui représente la vitesse réelle de la turbine et donne une somme qui est transmise à l'entrée d'un amplificateur opéra-30 tionnel. La sortie de l'amplificateur est transmise à un dispositif qui règle le débit de carburant vers la turbine de manière à maintenir constante sa vitesse. La sortie de l'amplificateur opérationnel est modifiée et elle est transmise à une seconde jonction d'addition où elle est ajoutée algébriquement à un se-35 cond signal de référence qui représente la charge voulue qui peut être absorbée par la turbine. Un commutateur constitue, lorsqu'il est fermé, une connexion qui permet à la somme de la seconde jonction d'addition d'être ajoutée à la somme de la première jonction d'addition afin de régler la turbine en fonction de la 40 charge. BAD OPIO*N?A 71 03389 2079187 Un troisième signal de référence qui représente la vitesse de la turbine à charge nulle, peut être transmis à la seconde jonction d'addition de manière que la vitesse de la turbine soit réglée pendant qu'elle tourne indépendamment du réseau et 5 qu'elle est préparée en vue de son branchement au réseau. Le réglage de l'un quelconque des signaux de référence et du signal de réaction peut être effectué sans modification des conditions déterminées par les autres signaux d'entrée et de modification. 10 a titre d'exemple on a décrit ci-dessous et représenté aux dessins annexés plusieurs formes de réalisation du dispositif selon l'invention. La figure 1 est un shcéma de blocs représentant les principes d'un réglage isochrone d'une turbine. 15 La figure 2 est un schéma de blocs représentant le ré glage d'une turbine pour un mode de fonctionnement avec chute. La figure 3 représente un dispositif de réglage d'une turbine permettant le passage du réglage du mode de fonctionnement d'une turbine à gaz d'un fonctionnement isochrone à un fonc-20 tionnement avec chute et inversement d'un fonctionnement avec chute à un fonctionnement isochrone. Sur la figure 1, un signal 11 de référence de vitesse est transmis à une jonction d'addition 13 qui reçoit également un signal de réaction 15 représentant la vitesse d'une turbine 25 17. Les polarités des signaux 11 et 15 sont opposées de sorte que leur somme algébrique assure la commande de la vitesse de la turbine destiné à équilibrer la vitesse déterminée par le signal de référence 11, en fonction du signal de réaction 15. La figure 1 représente un exemple de dispositif de commande de vitesse iso-30 chrone d'une turbine à gaz dans lequel la vitesse est déterminée par un signal de référence 11 et est maintenue à cette valeur quelle que soit la charge de la turbine. De ce fait, s'il ne se produit aucune variation de la charge de la turbine, le signal de réaction 15 annule le signal de référence de vitesse d'entrée, 35 l'entrée de l'amplificateur opérationnel 19 est nulle et sa sortie stable maintient la pompe à carburant 21 qu'il commande par une série de dispositifs de commande(non représentés) à un niveau de fonctionnement prédéterminé. Il convient de noter que la sortie de l'amplificateur 19 est, de ce fait, proportionnelle à la charge de la turbine. 40 r 71 03389 2079187 Si la charge appliquée à la turbine augmente, sa vitesse tend à diminuer de sorte que la tension du signal de référence 11 est supérieure au signal de réaction 15 et produit un déséquilibre à la jonction d'addition 13 et à l'entrée de l'amplificateur 5 opérationnel 19. On suppose que le signal de référence de vitesse 11 est négatif, le signal de réaction 15 étant de ce fait positif, de sorte que dans l'exemple donné ci-dessus, l'entrée de l'amplificateur opérationnel 19 devient plus négative lorsque la vitesse de la turbine diminue du fait de sa charge. Les caractéristiques 10 de l'amplificateur opérationnel 19 sont telles que sa sortie devient plus positive lorsque son entrée devient plus négative, de sorte que la pompe 21 augmente le débit de carburant envoyé à la turbine 17. Normalement, la pompe est montée sur l'arbre d'entraînement de la turbine à gaz, de sorte qu'un accroissement de vites-15 se de la turbine fait augmenter le débit d'entrée du carburant, c'est-à-dire que le débit de refoulement de la pompe est en corrélation aveç la vitesse de la turbine comme s'il répondait à un signal de réaction émis par la turbine et indiqué par la flèche de réaction 23. La quantité supplémentaire de carburant fournie 20 à la turbine tend a augmenter sa vitesse afin de supprimer les effets des pertes à l'intérieur de la turbine jusqu'à ce que le signal de réaction 15 équilibre à nouveau le signal de référence de vitesse 11 et, à ce moment, l'entrée de l'amplificateur opérationnel 19 est à nouveau réduite à une valeur nulle. Un condensa-25 teur 27 monté en réaction entre les bornes d'entrée et de sortie de l'amplificateur 19 empêche des signaux stables d'être renvoyés de la sortie de l'amplificateur à la jonction d'addition 13. Seules les variations transitoires du signal de sortie sont renvoyées par le condensateur 27 de sorte que le réglage de la vitesse de la 30 turbine est insensible aux variations de sa charge. La figure 2 représente le schéma de blocs d'un circuit de réglage avec chute pour une turbine à gaz. Ce type de réglage est utilisé toutes les fois où la charge de la turbine doit être contrôlée. Un signal de référence d'entrée 31 est transmis à une 35 jonction d'addition 33 qui reçoit, de plus, un signal de réaction de vitesse 35 d'un appareil tel qu'un tachymètre (non représenté) monté sur l'arbre de sortie de la turbine 37 et un signal de réaction de charge 46 par l'intermédiaire d'une résistance 47. Le signal 31 est opposé aux signaux de réaction 35 et 46, de sorte que 40 la vitesse de la turbine est égale à la somme algébrique du signal 71 03309 5 2079187 de référence 31 et des signaux de réaction 35 et 46 et cette somme est approximativement nulle dans des conditions de marche stable. On suppose maintenant que le signal 31 de référence de vitesse d'entrée est de polarité négative et qu'il fait tourner 5 la turbine à une vitesse prédéterminée dans les conditions existantes de la charge. Si,par exemple, la charge appliquée à la turbine augmente, sa vitesse tend à diminuer et, de ce fait, la valeur du signal de réaction de vitesse 31 tend à diminuer. La jonction d'addition 33 devient de ce fait plus négative et le si-10 gnal de sortie 46 qui alimente la jonction d'addition par la résistance de réaction 47 devient plus positif. Du fait que la vitesse de la turbine est la résultante de la somme algébrique des trois signaux qui constituent l'entrée de l'amplificateur opérationnel 39, cette vitesse aura varié par suite de la variation de charge 15 lorsque la somme algébrique sera revenue à nouveau à une valeur nulle du fait du signal supplémentaire transmis par la résistance 47. Lorsqu'un partage de la charge est nécessaire, comme par exemple dans un réseau de distribution de courant électrique, 20 une génératrice principale entraînée par une turbine à vapeur, par exemple, est commandée de manière que sa vitesse reste constante quelle que soit sa charge. Des génératrices auxiliaires entraînées par des turbines à gaz ou à vapeur sont mises en service à mesure que la demande d'énergie augmente et risque de dé-25 passer la capacité de la génératrice principale. La turbine à vapeur de la génératrice principale est commandée d'une manière isochrone par le circuit de la figure 1 afin de maintenir sa vitesse constante. La vitesse de la turbine à gaz de la génératrice auxiliaire est commandée par un circuit de régulation de vitesse 30 avec chute tel que celui représenté sur la figure 2.ad. on se reporte maintenant aux figures 1 et 2 et si on suppose que les deux turbines sont en ligne, c'est-à-dire qu'elles sont connectées au même réseau de distribution, la capacité de la génératrice auxiliaire étant inférieure à celle de la génératrice principale, 35 elle tourne a la même vitesse que celle-ci du fait que les deux génératrices sont accrochées en phase comme si elles étaient reliées l'une à l'autre par un arbre commun. La vitesse de la génératrice principale étant constante, la vitesse de la génératrice auxiliaire est, de ce fait, constante et le signal de réaction de 40. vitesse 35 est constant. 11 n'y a, en conséquence, que deux signaux 71 03389 6 2079187 variables qui influencent le fonctionnement de la turbine de la génératrice auxiliaire : (1) le signal de référence de vitesse 31 et (2) le signal de réaction de charge 46 qui est transmis par la résistance de chute 47. Si, par exemple, le signal de vi-5 tesse d'entrée 31 du dispositif de commande, de la vitesse de la turbine auxiliaire augmente, l'entrée de carburant dans la turbine augmente et sa vitesse a tendance à augmenter. Cependant, du fait que les génératrices sont accrochées l'une à l'autre, il ne peut se produire aucun accroissement de vitesse. La quantité supplé-10 mentaire de carburant fait cependant absorber par la turbine-génératrice auxiliaire une charge plus importante car la turbine produit alors une puissance plus élevée. Si on suppose maintenant que la charge du réseau est constante, la génératrice principale est soulagée d'une partie de sa charge et sa vitesse tend en con-15 séquence à augmenter. Le signal de réaction de vitesse 15 augmente de ce fait et produit un déséquilibre à l'entrée de l'amplificateur opérationnel 19. Ce déséquilibre a pour effet de réduire le carburant fourni à la turbine principale afin de maintenir sa vitesse à la valeur constante déterminée par le signal de référence 20 11. De ce fait, l'accroissement de carburant fourni à la turbine auxiliaire et la diminution du carburant fourni à la turbine principale se traduisent par le transfert d'une partie de la char-, ge de la génératrice principale à la génératrice auxiliaire. On suppose maintenant qu'il faut que la génératrice 25 auxiliaire soit déconnectée de la ligne principale et qu'elle fournisse de l'énergie à une zone particulière qui est également isolée de la ligne principale, c'est-à-dire qu'elle devient alors la génératrice principale de cette zone. Pour que sa vitesse reste constante quelle que soit sa charge, il faut que le mode de com-30 mande de la turbine de la génératrice auxiliaire passe au mode de fonctionnement isochrone au lieu du mode de fonctionnement avec chute. La figure 3 représente un circuit destiné à faire passer la commande d'une turbine du mode de fonctionnement avec chute 35 au mode de fonctionnement isochrone et ; inversement, du mode de fonctionnement isochrone au mode de fonctionnement avec chute. Une barre omnibus positive 51 est connectée par un potentiomètre 53 à une barre omnibus négative 54 de manière à constituer un circuit diviseur de tension dont le niveau.de tension peut être ré-40 glé par un curseur 57 du potentiomètre 53 qui est connecté à une è 71 03389 7 2079187 résistance 59. La résistance 59 est connectée par une résistance 61 à la sortie de l'amplificateur opérationnel 63 et à un condensateur 65. La résistance 59 est connectée par une résistance réglable 67 et par un dispositif de verrouillage 69 à une jonction 5 d'addition 79 et également à une résistance 71 qui reçoit un signal de référence 73 "d'appel ou demande de charge". Le dispositif de verrouillage 69 est connecté à une résistance de réaction de vitesse 75 et à une résistance variable 77 par la jonction d'addition 79, de manière à transmettre un signal d'entrée à l'ampli-10 ficateur opérationnel 63. La jonction d'addition 79 est connectée par une résistance 81 à un condensateur 65. La résistance réglabLe 77 est connectée à la barre omnibus négative 54. La sortie de 1'amplificateur 63 est connectée à un circuit de commande (non représenté) de la pompe à carburant 83 qui fournit le carburant 15 à la turbine à gaz 85 entraînant une génératrice ou un appareil semblable (non représenté). La pompe à carburant étant montée directement sur l'arbre d'entraînement de la turbine, la quantité de carburant fournie à la turbine est proportionnelle à sa vitesse, c'est-à-dire que la réaction de vitesse de la turbine 20 et la sortie de l'amplificateur 63 déterminent la quantité de carburant qui lui est fournie. Un tachymètre (non représenté) monté sur l'arbre de la turbine émet un signal de réaction propor-tionnel à la vitesse qui est transmis par la résistance 75 à la jonction d'addition 79. Le mode de fonctionnement isochrone est 25 dû à l'ouverture du dispositif de verrouillage 69 qui a pour résultat de faire transmettre le signal de référence de vitesse isochrone qui représente une vitesse lOOJé par la résistance 77 à la jonction d'addition 79 où il est équilibré par le signal de réaction de vitesse qui est transmis à la jonction 79 par la ré-30 sistance 75. Le signal de réaction de la sortie de 1'amplificateur opérationnel 63 qui est transmis par le condensateur 65 et la résistance 81 à son entrée n'agit sur l'équilibre de la jonction d'addition que pendant des conditions transitoires et n'a aucun effet sur des conditions de marche stable. 35 Lorsque la turbine fonctionne suivant le mode de ré glage avec chute, le dispositif de verrouillage 69 est fermé et il fait transmettre le signal de référence 73 "de demande de charge" par la résistance 71 à la jonction 79 avec un signal de réaction de charge transmis par la résistance 61 et une polarisa-40 tion transmise par la résistance 59, en plus du signal de vitesse E 71 03389 8 207918/ isochrone et des signaux de réaction» Si on suppose maintenant que le signal de référence de vitesse isochrone fait tourner la turbine à une vitesse 100%, le signal de référence de vitesse avec chute doit lui être ajouté 5 afin d'assurer un partage de la charge lorsque la génératrice fonctionne comme source auxiliaire ou supplémentaire dans un réseau comportant une génératrice principale. Le condensateur 65 reste chargé pendant le fonctionnement avec chute du fait qu'il existe une différence de potentiel aux bornes de l'amplificateur 10 opérationnel, de manière que le retour au mode de fonctionnement isochrone puisse être effectué par l'ouverture du dispositif de verrouillage 69 sans provoquer de pointes extrêmes dues à un court-circuitage momentané de l'amplificateur opérationnel 63 pendant la recharge du condensateur 65. Des moyens supplémentaires permet-15 tant de limiter les chocs appliqués à l'ensemble lorsqu'on passe du mode de fonctionnement avec chute au mode de fonctionnement isochrone consistent à permettre au signal 73 de la "demande de charge" de suivre les conditions de charge qui existent pendant le mode de réglage isochrone et au moment où s'effectue le trans-20 fert au mode de réglage avec chute. Par exemple, pendant que la turbo-génératrice est isolée alors que le réglage de sa turbine est isochrone, la demande de charge peut avoir augmenté. Si la génératrice est alors branchée à nouveau au réseau où elle doit partager cette charge avec une 25 génératrice principale de plus grande capacité et si son réglage passe au mode avec chute, le débit de carburant est réduit instantanément à la valeur déterminée par le signal de référence 73 de "demande de charge". Cette réduction imprime un choc considérable au réseau. Pour éviter ce choc, le signal "demande de charge" est 30 réglé automatiquement à une valeur qui correspond à la charge réelle absorbée par la turbine pendant son mode de fonctionnement isochrone. Ce signal de"demande de charge" peut être maintenu à la valeur appropriée par un.dispositif électronique qui compare le signal de réaction de charge (c'est-à-dire le signal de sortie de 35 l'amplificateur opérationnel 63) et le signal réel 73 de "demande de charge" et qui règle automatiquement le signal 73 de manière à supprimer leur différence. Lorsque le fonctionnement de la totalité du réseau est rétabli et que la génératrice auxiliaire fonctionne suivant le mode de réglage avec chute, un opérateur peut régler 40 la résistance de chute 67 et le signal de "demande de charge" à 71 03389 9 2079187 des valeurs pour lesquelles le partage de la charge s'effectue au niveau voulu entre la génératrice principale et la génératrice auxiliaire. Lorsque les conditions de charge sont telles qu'une 5 génératrice auxiliaire doit être ajoutée au réseau, elle doit être synchronisée avec celui-ci avant d'être connectée. Un signal qui représente le niveau de carburant à pleine vitesse et à charge nulle de la turbine est transmis à la jonction 79 par la résistance 59 et fait tourner la génératrice à une vitesse synchrone avant 10 qu'elle ne soit connectée au réseau. De ce fait, la génératrice auxiliaire est en phase avec la génératrice principale lorsqu'elle est ajoutée au réseau. Le pont diviseur de tension constitué par le potentiomètre 53 étant monté entre les barres omnibus positive et négative 51 et 54 transmet à la jonction d'addition par la ré-sistance 59 un signal qui peut être réglé de manière à assurer un débit de carburant vers la turbine qui fait tourner la génératrice auxiliaire en synchronisme avec le réseau avant qu'une charge lui soit appliquée. Les niveaux de fonctionnement avec chute et à "pleine 20 vitesse à charge nulle" peuvent être réglés chacun sans influence sur l'autre. Dans ce but, le réglage de chute est réalisé de la manière représentée sur la figure 3 plutôt que de faire varier la résistance 61 afin de produire la chute variable. Les variations de la résistance 67 de réglage de la chute n'ont pas d'influence 25 sur le niveau de sortie de l'amplificateur 63 qui est déterminé par le potentiomètre 53, de sorte que la pleine vitesse de la turbine (synchronisation) est indépendante du réglage de la chute. Le réglage de la résistance 77 de référence de vitesse isochrone est indépendant à la fois des réglages de chute et du réglage de 30 "pleine vitesse sans charge", car la résistance alimente directement la jonction d'addition. * 10 71 03389 2079187 REVENDICATIONS 1. Appareil destiné à régler la caractéristique de vitesse en fonction de la charge d'une turbine à gaz par le réglage de son alimentation en carburant effectuée par une pompe à carbu- 5 rant, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif émettant un signal de réaction proportionnel à la vitesse de la turbine, un dispositif émettant un signal de référence opposé au signal de réaction de vitesse et qui est proportionnel a la vixesse voulue de la turbine, une jonction d'addition étant déstinée à addition-10 ner algébriquement le signal de réaction et le signal de référence et un amplificateur opérationnel commandé par ladite somme algébrique émettant un signal de sortie destiné à la commande de ladite pompe. 2. Appareil suivant la revendicationl, caractérisé en 15 ce qu'il comprend de plus, un uispositif destiné au réglage du niveau de tension du signal de sortie, un dispositif émettant un second signal de référence proportionnel à une charge voulue, opposé au signal de tension de sortie réglable, une seconde jonction d'addition étant destinée à ajouter algébriquement le second 20 signal de référence et le signal de tension de sortie réglable et un dispositif connectant la seconde jonction d'addition a la première afin de produire un signal de tension permettant le réglage de la vitesse de la turbine en fonction de la charge. 3. Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en 25 ce qu'il comprend, de plus, un dispositif émettant un troisième signal de référence représentant la pleine vitesse à charge nulle et qui est transmis à la seconde jonction, en opposition au signal de sortie de l'amplificateur opérationnel. 4. Appareil suivant l'une des revendications 2 ou 3, 30 caractérisé en ce que la tension du second signal de référence est réglée automatiquement à un niveau qui est proportionnel à la charge de la turbine pendant que la seconde jonction d'addition n'est pas connectée à la première jonction. 5. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 35 1, 2, 3, 4, caractérisé en ce qu'un circuit condensateur-résistance transmet un signal de réaction de la sortie de l'amplificateur opérationnel à ladite jonction d'addition.