Brevet FR2137107A1 — publié le 19721229

La présente invention est relative à la stabili action rapide en fréquence d'un générateur de courant alter R4tf. De façon plus précise il est souvent nécessaire de stabiliser la fréquence d'un générateur de courant alternatif, cette fréquence pouvant être perturbée par la variation d'impédance du circuit d'utilisation, et par le dispositif d'entraInement dudit générateur. C'est le cas en particulier de l'alternateur linéaire entraîné par une machine à piston libre. Cette dernière entraine une instabilité due aux variations de fréquence, et de course du piston. Une étude théorique a montré que la fréquence de fonctionnement était étroitement liée à la course de l'équipage mobile. La grandeur que l'on se contentera de mesurer et de réguler sera donc la fréquence. Une solution possible consiste à réguler la puissance thermique fournie à la machine; on peut le faire de deux façons: - par contrle de la température ou de la pression du fluide dans la chaudière (contrôle de la puissance thermique de la chaudière). - Par régulation du débit de fluide admis dans la machine, c'est-à-dire par action sur les soupapes d'admission. Si cette régulation rapide de débit n'est pas associée à une régulation plus lente de la puissance thermique dissipée dans la chaudière (ce qui ntest pas possible dans le cas particulier d'une source à radio-isotopes) il faut prévoir un débit dérivé pour compenser les variations du débit du moteur. La première méthode est inapplicable si la source thermique est radioisotopique, or c'est ce qui se produit dans le cas des applications nucléaires. La deuxième méthode présente dans tous les cas des inconvénients. D'une part les soupapes d'admission du moteur thermique qui sont commandées par la montée du piston, ne se prêtent pas facilement à la régulation du débit; d'autre part une régulation du mouvement des soupapes imposerait la présence d'un dispositif mécanique avec tous les aléas que cela entrain, usure, etc... L'invention a précisément pour objet un procédé et un dispositif de stabilisation en fréquence d'un générateur de courant alternatif qui pallient les inconvénients des solutions rappelées précédemment. Ce procédé se caractérise en ce que l'on échantillonne dans le temps la différence de potentiel à la sortie de l'alternateur pour lui donner une valeur efficace déter minée, correspondant à la valeur f de référence choisie pour o la fréquence. Le dispositif objet de l'invention se caractérise en ce que la fréquence f de la tension à la sortie du générateur de courant alternatif est traduite en tension par un convertisseur fréquence tension, ladite fréquence est comparée à la fréquence f- de référence dans un premier comparateur, le o signal ainsi -élaboré- étant introduit dans un amplificateur "Proportionnel intégral dérivé" ce qui donne un signal t qu'on introduit dans un- deuxième comparateur dont 1 ' autre entrée est attaquée par une tension To, ledit comparateur délivre donc à sa sortie le signal To-t, ce signal constituant le temps d'ouverture de la ligne. -Selon une urie-autre caractéristique intéressante de l'invention, l'ouverture de la ligne peut être obtenue par un pont à- thyratrons, ou par un pont à thyristors. Ce procédé et ce dispositif peuvent très avantageusement s'appliquer au cas particulier de l'alternateur linéaire associé à un moteur à piston libre, du type décrit et revendiqué dans les demandes de brevets n EN 6940995, EN 6940996 et EN 7036994 déposées au nom du Commissariat à l'Energie Atomique, respectivement pour "Générateur d'énergie électrique alternative", "Convertisseur de chaleur en énergie électrique", et '1Perfectionnements aux motoalternateurs à piston libres" Le procédé objet de l'invention permet, d'une façon simple l'adaptation exacte à tout instant de la puissance fournie par l'alternateur à la demande du réseau.Cet équilibr- entre les deux puissances fournies et demandées et qui permet a'éviter soit l'emballement de l'alternateur soit son arrêt, est une fonction de la fréquence à laquelle débite l'alternateur. C'est pourquoi, selon le procédé objet de l'invention, on commence par faire choix d'une fréquence de référence fO qui sera, soit exactement, soit très sensiblement, celle à laquelle débitera l'alternateur sur le réseau; puis, en fonction de la puissance P demandée par le réseau à cette fréquence fO, on découpe dans le temps la tension de sortie de l'alternateur pour lui donner compte tenu de la puissance thermique disponible une valeur efficace correspondant à la fourniture au réseau de la puissance P demandée à la fréquence f. 0 Pour réaliser pratiquement ce découpage de la tension de sortie de l'alternateur, on ouvre la ligne périodiquement pendant des temps Ta, séparés par des intervalles de conduction d'une durée de T/2 - Ta, T étant la période de la tension délivrée par l'alternateur. Les temps Ta sont, selon l'invention, de la forme Ta = To- t, formule dans laquelle t représente, à un coefficient de proportiona lité près, l'écart f-f entre la fréquence réelle et la o fréquence de référence choisie Il en résulte que To n'est autre que la valeur de Ta lorsque f = fO. De toute façon l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre exemple non limitatif, la présente description se rapportant au cas oh la chaine d'asservissement comporte un pont à thyratrons. La description se réfère'aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la figure 1 représente le schéma d'asservissement du motoalternateur linéaire, - la figure 2 représente la tension fournie au réseau extérieur selon le temps de blocage des thyratrons. Sur la figure l on a représenté en l le motoalternateur linéaire et en 2 et 3 les bornes de sortie de l'ensemble du dispositif. Par ailleurs, la chaîne d'asservissement se compose essentiellement d'un convertisseur fréquence/tension 4, de deux comparateurs 5 et 6, d'un amplificateur proportionnel intégral dérivé 7 (dénommé ci-après P.I.D), d'un système d'élaboration 8 du signal de déblocage des thyratrons, d'un pont redresseur à quatre tyratrons 9. La fréquence f de la tension délivrée par le motoalternateur linéaire, est mesurée puis traduite en tension par le convertisseur fréquence/tension 4. L'asservissement étant bien entendu analogique, lorsqu'on parlera dans la suite de la description de grandeurs autres que des tensions (fréquence, temps) il faudra comprendre tension proportionnelle à telle ou telle grandeur indiquée. Le comparateur 5 dont on n'a pas précisé la réalisation, mais qui peut être par exemple un amplificateur opérationnel monté en différentiel, élabore la différence f-fO; f étant la fréquence à laquelle on veut stabiliser le -o dispositif et pouvant être fournie par une source de tension non représentée sur la figure 1. La valeur f-fO est introduite dans le P.I.D 7'dont le roule est double; il élabore la quantité t = K (f - fO) K étant une constante de proportionnalité; il stabilise la boucle d'asservissement, le signal t pouvant bien entendu être positif ou négatif.Le comparateur 6 permet de calculer la quantité Ta = To - t, To étant élaboré par un procédé non décrit sur la figure qui peut être une source de tension continue, et étant tel que pour t = o le temps de blocage soit To pour les conditions nominales. Le dispositif 8 a pour but d'élaborer le signal de déclenchement des thyratrons, dont le temps de blocage est Ta. La réalisation du dispositif 8 n'est pas précisée sur la figure; on peut par exemple réaliser une commande dite "verticale "obtenue en superposant la tension U (t) délivrée par l'alternateur, à la tension Ta. Ce signal appliqué aux électrodes de commande des thyratrons permet de "bloquer" la tension de sortie pendant le temps Ta pour chaque alternance de la tension. Cette tension, donc cette puissance, dissipée dans le réseau extérieur, comparée à la puissance fournie au motoalternateur, donne une nouvelle valeur de f, comme indiqué dans l'étude théorique. La chaine d'asservissement est ainsi fermée. Selon la nature du P.I.D. on peut envisager deux modes de fonctionnement de l'asservissement: Le P.I.D. a trois actions comme son nom l'indique; une amplification proportionnelle, une action dérivée, une action intégrale. L'action dérivée a pour but de diminuer l'erreur dynamique, c'est-à-dire d'amortir les oscillations du système; compte tenu du temps de réponse du convertisseur fréquence tension, forcément long, cette action dérivée présente peu d'intérêt. L'action intégrale a pour but d'annuler l'erreur statique, c'est-à-dire d'annuler la différence f - fO; l'amplification proportionnelle seule permet de diminuer ladifférence f - fO. On voit donc que si le P.I.D. se réduit à une action proportionnelle, le système atteindra sa stabilité pour une fréquence voisine de fO, mais différente de fO. Ail contraire si le P.I.D. comporte en plus une action intégrale, le système atteindra sa stabilité pour la fréquence f0 exactement. Le temps To dont on a donné une définition précédemment et qui est un paramètre du système, dépend en fait à la fois de la charge nominale du réseau de la puissance fournie au moteur à pistons libres et de la fréquence de travail. De -plus ce temps To permet de faire varier le temps de blocage des thyratrons de part et d'autre de cette valeur To. Sur la figure 2, la courbe 2a représente la différence de potentiel qu'on aurait à la sortie du dispositif s'il n'y avait pas le pont à thyratrons. La courbe 2b représente la différence de potentiel à la sortie du dispositif lorsque le temps de blocage des thyratrons Ta est maximal (conduction minimale). La courbe 2c représente la différence de potentiel à la sortie du dispositif lorsque le temps de blocage des thyratrons Ta est minimal (conduction maximale). Bien entendu, il va de soi que l'invention ne se limite pas au seul mode de réalisation décrit et représenté, elle en embrasse au contraire toutes les variantes. En particulier, si l'application de l'invention au motoalternateur à piston libre est spécialement intéressante dans la mesure où on ne peut pas modifier la puissance thermique de la chaudière cela n'exclu absolument pas son application à d'autres types de générateur de courant alternatif. REVENDICATIONS .10/ Procédé de stabilisation rapide en fréquence d'un générateur de courant alternatif, en charge sur un réseau caractérisé en ce que l'on échantillonne dans le temps la différence de potentiel à la sortie de l'alternateur pour lui donner une valeur efficace déterminée, correspondant à la valeur fO de référence choisie pour la fréquence. 20/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la commande du découpage de la différence de potentiel à la sortie de l'alternateur est le résultat d'une série d'opérations successives faites sous forme analogique et dans lesquelles: - on compare la fréquence f réelle de l'alternateur à la valeur fO de référence choisie; - on amplifie le signal t résultant de l'opération précédente, puis on le soumet à une action intégrale et dérivée; - on ajoute au signal'précédent un temps To, le temps To étant tel que pour t = o le temps d'ouverture de la ligne soit To, pour les conditions nominales; - on élabore un signal commandant l'ouverture de la ligne pendant un temps réel à To - t. 30/ Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication-l, caractérisé en ce que la fréquence f de la tension à la sortie du générateur de courant alternatif est traduite en tension par un convertisseur fréquence/tension, ladite fréquence est comparée à la fréquence de référence f0 dans un premier comparateur, le signal ainsi élaboré étant introduit dans un amplificateur "Proportionnel intégral dérivé* ce qui donne un signal t qu'on introduit dans un deuxième comparateur dont l'autre entrée est attaquée par une tension To, ledit-comparateur délivre donc à sa sortie le signal To - t, ce signal constituant le temps d'ouverture de la ligne. 40/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'ouverture de la ligne est obtenue par un pont à thyratrons, lesdits thyratrons étant bloqués pendant le temps To - t. 50/ Dispositif selon la revendication 3, carac térisé en ce que l'ouverture de la ligne est obtenue par un pont à thyristors, lesdits thyristors étant bloqués pendant le temps To - t.