Brevet FR2130129A1 — publié le 19721103

Dans les groupes générateurs électriques, un 1alternateur est en général entraîné par une turbine hydraulique, on à vapeur, ou encore -ar une turbine à gaz ou par un moteur à explosion. Il est nécessaire de pouvoir régler la vitesse de rotation de 11'alternateur avec une grande précision, notamment pour permettre1 la synchronisation de l'alternateur avec un réseau avant d'être broché sur ce dernier. lia mesure de la vitesse des alternateurs est souyent obtenue à l'aide d'un générateur tachymétrique monté en bout arbre de-l'alterna- teur. Ce générateur tachymétrique est relativement petit comparé aux dimensions de l'arbre de l'alternateur qui peut avoir un diamètre de l'ordre de 50 cm et même plus. En raison de ces différences de dimensions, la fixation en bout d'arbre du générateur tachymétrique pose des problèmes mécaniques. En outre, ce générateur est relativement onéreux et il peut constituer une gene pour les diverses opérations de travail et d'entretien de l'alternateurF la présente invention a pour objet de permettre une mesure très précise de la vitesse de l'arbre d'un groupe générateur électrique sans avoir recours au générateur tachymétrique habituel. Llinvention a pour objet un dispositif de réglage de la vitesse de rotation d'un arbre d'un groupe générateur électrique, comprenant au moins une unité de mesure de la vitesse de l'arbre et une unité de formation dtun signal électrique l~écatt de la vitesse mesurée par rapport à une vitesse de consigne. de dispositif est caractérisé en ce que l'unité de mesure de la vitesse de l'arbre comprend des moyens fournissant une première impulsion de début d'opération de mesure, puis, chaque fois que l'arbre a tourné d'un angle prédéterminé, une seconde impulsion de fin d'opération de mesure, un générateur étalon de fréquence déterminée dont le signal de sortie est appliqué à un compteur, ce compteur étant déclenché par la premiere impulsion pour compter un nombre déterminé d'oscillations du généra- teur et délivrer un signal de fin ae comptage dès que ce nombre est atteint, le signal de fin de comptage et la seconde impulsion étant appliqués à un comparateur donnant un signal représentatif du décalage dans le temps entre la seconde impulsion et ledit signal. Le dessin annexé représente, schématiquement et à titre d'exemple, des formes d'exécution du dispositif objet de l'invention. La fig. 1 est un schéma-bloc de la première forme d'exécution. La fig. 2 est un schéma-bloc de la seconde forme dlexécution. La-fig. 3 représente le schéma plus détaillé d'une partie de la fig. 2. lia fig. 4 représente le schéma plus détaillé d'une partie de la fig. 3. f En référence à la fig. 1, le cercle 1 est une vue schématique en coupe d'un arbre d'un alternateur. Cet arbre porte à sa périphérie deux aimants permanents 2 et 3 qui passent successivement, lors de la rotation de l'arbre, devant un capteur 4 électromagnétique. Ce capteur fournit une impulsion de tension au passage de chaque aimant, et en donnant des polarités magnétiques différentes aux deux aimants, on obtient des formes dlimpulsions différentes au passage del'un et de l'autre aimant, ce qui permet de les distinguer par des circuits électriques. les impulsions fournies par le capteur 4 sont appliquées à llen- trée du circuit 5 de mise en forme des signaux qui comprend notamment un amplificateur'et divers montages pour fournir des impulsions pré- cises qui sont différentes suivant quelles proviennent du passage de l'aimant 2 ou de l'aimant 7. Ces impulsions peuvent être, par exemple, positives pour un aimant et négatives pour l'autre aimant, ou être dirigées suivant le cas sur l'uae ou l'autre de deux sorties du circuit 5. lies impulsions correspondant au passage de l'aimant 2 sont dirigées sur une sortie 6 qui pilote une base de temps 7, tandis que les impulsions correspondant au passage de l'aimant 3 sont appliquées par une sortie 8 à un comparateur 9. La baste de temps 7 fournit un signal de sortie un temps déterminé après la réception de l'impulsion d'entrée, et ce signal de sortie est appliqué au comparateur 9. Ce dernier fournit un signal représentatif de l'écart de temps entre les signaux qui sont appliqués à 1' une ouà l'autre de-ses entrées. Ce signal indique aussi l'ordre dans lequel les deux signaux d'entrée ont été reçus, ce qui peut etre donné soit par des signaux fournis sur deux sorties distinctes, soit par un signal délivré sur une seule sortie, mais présentant une particula- rité définissant l'ordre des signaux d'entrée. Cette particularité peut être, par exemple, la polarité du signal de sortie. Pour obtenir un signal analogique illustrant l'écart entre le temps donné par la-base de temps 7 et le temps séparant les passages des ai mante 2 et 3 en regard du capteur 4, le signal du comparateur 9 est appliqué à un circuit intégrateur 10. Comme la mesure de la vitesse de l'arbre 1 est faite par échantillonnage à chaque passage des aimants 2 et 3, et que le dispositif doit fournir un signal agissant de façon continue sur un régulateur du moteur d'entralnerent du groupe générateur électriaue, par exemple pour régler le débit d'eau alimentant une turbine, il est nécessaire de prévoir des moyens pour obtenir un si;-nal de sortie continu. A cet effet, le circuit intégrateur 10 est relié à un circuit de transfert et de -maintien..11 qui conserve en mémoire chaque signal de sortie de l'intégrateur 10 jus qu'au signal suivant, quels que soient le signe et la valeur du signal. La fig. 2 illustre la seconde forme d'exécution qui se distingue principalement de la première par le fait que deux dispositifs de mesure de vitesse sont prévus pour effectuer ces mesures de vitesse simultanément et à deux fins diamétralement opposées de l'arbre 1. Â cet ei'f et, deux capteurs 12 et 13, formant un élément fize 33, sont disposés d'un côté de l'arbre 1, et deux autres capteurs 14 et 15, formant un second élément finie 34, sont disposés de l'autre côté. l'arbre 1 porte égalerqent deux éléments magnétiques 16 et 17 oui passent successivement et à tour de rôle devant les deux capteurs d'un groupe, puis devant les deux capteurs de l'autre groupe. Chacun des groupes de capteurs agit sur une chaîne de circuits analogues à ceux. de la fig. 1 et qui sont désignés à la fig. 2 par-5 à 11 pour une chaîne, et par 5' à 11' pour l'autre chaîne. les signaux analogiques des circuits de maintien 11 et 11' sont additionnés dans un circuit d'addition 18 qui fournit un signal représentant la moyenne des deux mesures effectuées par les deux groupes de capteurs. Grâce à cette disposition, on évite toutes les er-. reurs de mesure pouvant provenir de déplacements imprévisibles de l'axe de rotation de l'arbre 1. On sait, en effet, que dans les groupes hydroélectriques de forte puissance, le jeu général de l'ar- bre dans ses paliers est de l'ordre de 1 mm, ce qui autorise des déplacements pouvant affecter de façon sensible la précision de la mesure effectuée tar un seul capteur. lies circuits de base de temps 7 et 7' peuvent, bien entendu, être combinés en un seul circuit. La fig. 3 illustre plus en détail la structure de la base de temps 7 des fig. 1 et 2. Cette base de temps comprend les blocs 19 à 24 et 32. lie bloc 19 est un générateur étalon constitué, par exemple, par un oscillateur à quartz dont la tension de sortie de fréquence très précise est appliquée à un circuit de comptage, ou plus exactement de décomptage. Un nombre déterminé est formé par un circuit 21 et appliqué au circuit de décomptage 20 par un circuit de transfert 22. Dès que ce nombre est introduit dans le circuit 20, il est diminué d'une unité à chaque période de la tension de sortie du générateur étalon 19, et lorsque ce nombre devient nul, le cir cuit 20 émet un signal de sortie. lie circuit 21 est agencé pour élaborer le nombre qui doit être affiché dans le circuit de- comptage 20 après chaque signal de sortie de ce dernier. Ce circuit 21 peut être relié par deux boutonspoussoirs 25 et 26 à l'une ou à l'autre des sorties d'un générateur d'impulsions 23. L'une des sorties commande une augmentation du nombre enregistré dans le circuit 21, et l'autre une diminution. Lorsque ni l'un ni l'autre des boutons 25 et 26 n'est poussé, le nombre contenu dans le circuit 21 reste inchangé, à moins qu'un bouton 27 ne soit poussé pour relier le circuit 21 à un circuit 24 pour y introduire un nombre correspondant à la fréquence nominale du réseau, par exemple 50 Hz. En outre, au lieu d'introduire ce dernier nombre, on pourrait aussi introduire un nombre qui dépende de la fréquence réelle du réseau, en agissant sur un bouton 31 reliant le circuit 21 à un circuit 32. Dans ce cas, on obtient à la sortie-du circuit 20 un signal qui constitue une base de temps définissant une vitesse de consigne égale à la vitesse synchrone du groupe générateur. Par ce moyen, il est facile de faire tourner l'arbre à la vitesse correspondant au synchronisme avec un réseau auquel le groupe générateur devrait être connecté. La fig. 4 montre un exemple de réalisation du circuit-32 de la fig. 3. La tension du réseau est amenée par une ligne 28 à un circuit 29 de mise en forme qui fournit une onde rectangulaire de fré- quence égale à celle du réseau. Cette onde est introduite dans un circuit 30 qui pourrait comprendre, par exemple, une porte " dont l'autre entrée reçoit les oscillations du générateur étalon 19. On introduit ainsi dans le circuit 30 un nombre de périodes correspondant à celui qui s'écoule pendant la durée d'une alternance de la tension du réseau. Si, par exemple, le générateur 19 a une fréquence de 500 XHz, on introduit pendant une alternance d'une tension de fréquence 50 Hz un nombre d'oscillations de 5000. Le circuit 30 réalise aussi la mise sous code de ce nombre et le transmet au circuit 22 de transfert pour le maintien et le transfert de ce nombre au décompteur 20 qui reçoit aussi les oscillations du générateur 19. Ainsi, chaque fois que les 5000 oscillations ont été comptées, le circuit 32 reçoit un signal et le transmet au décompteur 20. La fig. 5 est un schéma-bloc de la troisième forme d'exécution. La fig. 6 est un schéma-bloc de la quatrième forme d'exécution comprenant un dispositif de mise en synchronisme des fréquences du groupe et d'un réseau. Les fig. 5 et 6 se rapportent à deux formes d'exécution dans lesquelles la mesure de la vitesse est échantillonnée dans le temps, tandis que les-organes qui élaborent le signal de réglage tachymétrique sont alimentés directement par l'alternateur qui alimente une entrée 41. Le signal appliqué à cette entrée peut être obtenu de différentes manières, notamment par l'intermédiaire d'un transformateur de tension connecté à l'alternateur. L'élément 40 est un circuit électronique bi-stable, tel une balance, respectivement un flip-flop. Alimenté par une tension alternative sinusoldale, il délivre une tension alternative rectangulaire. Cette tension, dont les flancs verticaux sont utilisés pour frme-r des impulsions, est appliquée à l'entrée d'un circuit 42 de mise en forme des signaux. L'un des flancs, par exemple celui où la tension passe des valeurs négatives aux valeurs positives, constitue l'impulsion de début de l'opération de mesure, tandis que l'autre flanc constitue l'impulsion de fin d'opération. L'impulsion de début d'opération est dirigée par une sortie 6 qui pilote une base de temps 7, tandis que l'autre impulsion de fin d'opération est appliquée par une sortie 8 à un comparateur 9. La base de temps 7 fournit un signal de sortie, -un temps prédé- terminé après la réception de l'impulsion d'entrée-, et ce signal de sortie est appliqué au comparateur 9. Ce dernier fournit un signal représentatif de l'écart de temps entre les signaux qui sont appliqués à l'une ou à l'autre de ses entrées. Ce signal indique aussi l'ordre dans lequel les deux signaux d'entrée ont été reçus, ce qui peut être donné soit par des signaux fournis sur deux sor ties distinctes, soit par un signal délivré sur une seule sortie, mais présentant tli Farticularité définissant l'ordre des signaux d'entrée. Cette particularité peut être, par exemple, la polarité du signal de sortie.Pour obtenir un signal analogique illustrant l'écart entre le temps donné par la base de temps 7 et le temps séparant le passage des flancs de la tension rectangulaire issue de la balance 40, donc sa demi-période, le signal comparateur 9 est appliqué à un circuit intégrateur 10. Comme la mesure de la vitesse de l'arbre I est faite par échantillonnage, car elle ne 'effectue que pendant une demi-période de la tension alternative rectangulaire, et que le dispositif doit fournir un signal agissant de façon continue sur un régulateur du moteur d'entrntnement du groupe générateur électrique, par exemple pour régler le débit d'eau alimentant une turbine, il est nécessaire de prévoir des moyens pour obtenir un signal de sortie continu. A cet effet, le circuit intégrateur 10 est relié à un circuit de transfert et de maintien 11 qui conserve en mémoire chaque signal de sortie de l'intégrateur 10 jusqu'au signal suivant-, quels que soient le signe et la valeur du signal. La fig. 6 illustre une quatrième forme d'utilisation du dispositif de réglage selon la fig. 5, mais comprenant une seconde boucle de mise en synchronisme de la machine par rapport au réseau. Les éléments correspondant à la troisième forme d'exécution portent les mêmes chiffres de référence et fonctionnent identiquement. La chaîne des appareils de gauche, soit ceux portant les références 40, 42, 7, 9, 10, 11 délivre un signal de réglage proportionnel à l'écart entre la vitesse réelle et une vitesse de consigne fournie par la base de temps 7. La chatte des appareils de droite fonctionne de la même manière, mais au lieu d'être alimentée par l'alternateur, elle ltest par le réseau et délivre un signal proportionnel à l'écart entre la fréquence du réseau et l'horloge de référence 7'. Les horloges 7 et 7' peuvent être confondues. Un circuit sommateur 43 fait la différence de ces signaux et délivre un signal proportionnel à la différence entre la vitesse réelle du groupe et la vitesse correspondant au synchronisme du réseau. Ce réseau 18 agit sur les organes du régulateur, de façon à provoquer une action de réglage ten dant à le supprimer, par conséquent a mettre en synchronisme ma- chine et le réseau. La présente description comprend aussi les pièces de priorité qui sont déposées en annexe. Revendications 1. Dispositif de réglage de la vitesse de rotation d'un arbre d'un groupe générateur électrique, comprenant au moins une unité de mesure de la vitesse de l'arbre et une unité de formation d'un signal électrique d'écart de la vitesse mesurée par rapport à une vitesse de consigne, c a r a c t é r i s é en ce que l'unité de mesure de la vitesse de l'arbre comprend des moyens fournissant une première impulsion de début d'opération de mesure, puis, chaque fois que l'arbre a tourné d'un angle prédéterminé-, une seconde impulsion de fin d'opération de mesure, un générateur étalon de fréquence déterminée dont le signal de sortie est appliqué à un compteur, ce compteur étant déclenché par la première impulsion pour compter un nombre déterminé d'oscillations du générateur et délivrer un signal de fin de comptage dès que ce nombre est atteint, le signal de fin de comptage et la seconde impulsion étant appliqués à un comparateur donnant un signal représentatif du décalage dans le temps entre la seconde impulsion et ledit signal. 2. Dispositif selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que le comparateur recevant, lors de chaque période de mesure, les signaux de fin de comptage et lesdites secondes impulsions de mesure est constitué par un circuit intégrateur intégrant une grandeur électrique constante pendant un temps égal à la différence des temps entre le signal de fin de comptage et l'une desdites secondes impulsions de l'unité de mesure pour obtenir un signal analogique de la différence entre la vitesse mesurée et une vitesse de référence. 7. Dispositif selon les revendications 1 et 2, c a r a c t é r i s é en ce qu'il comprend un circuit de transfert et de maintien recevant ledit signal analogique et provoquant, après réception de ce signal analogique, la mise à zéro de 1'intégrateur pour permettre à ce dernier de fonctionner lors de la prochaine période de mesure, ce circuit de maintien et de transfert- permettant la mise en mémoire des signaux analogiques délivrés par 1'intégrateur lors de chaque période de mesure et déliçt un signal de réglage proportionnel à l'écart entre les vitesse réelle et de référence. 4. Dispositif selon la \revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que le compteur est P glable pour permettre de donner au temps de comptage toute valeur dqsirde. 5, Dispositif selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce qu'il comprend trois éléments agissant sur le ombre d'oscillations à compter par le compteur, le premier élément II qontrAolant une augmen tation de ce nombre, le deuxième contrôlant un diminution de ce nombre, le trolsiè:e élément permettant de red|olmer instantcalément à ce nombre sa valeur nominale correspondrnt à la vitesse de rotation nominale. 6. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens fournissant les impulsions comprennent des éléments fixes coopérant avec des éléments mobiles montés sur l'arbre, caractérisé en ce que les éléments montés sur l'arbre sont répartis régulièrement autour de l'arbre, les éléments fixes étant également répartis régulièrement autour de l'arbre, le nombre des éléments mobiles étant un mul tiple du nombre des éléments fixes. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque unité de mesure comprend deux capteurs de champ magnétique formant entre eux un angle plus petit que 300 par rapport à l'axe de rotation de 11 arbre, ce dernier portant des aimants permanents passant en regard desdits capteurs, lors de la rotation de l'arbre. 8. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un circuit agissant sur le nombre d'oscilla tions à compter par-le compteur, ce circuit déterminant le dit nom bre en fonction proportionnelle à la période 4e la tension du réseau électrique alternatif, ceci afin de permettre de régler automatiquement la vitesse de rotation pour mettre le groupe en synchronisme avec le réseau. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les impulsions de début et de fin d'opération sont issues d'une machine électrique dont le rotor est solidaire de l'arbre. 10. Dispositif selon les revendications 1 et 9, caractérisé en ce que la machine générant les impulsions de début et de fin d'opération de comptage est la génératrice principale du groupe. 11. Dispositif selon l'ensemble des revendications 1, 9 et 10, caractérisée en ce que le dispositi comprend en plus d'une première chape d'appareils selon la revedication 9, une seconde channe d'appareils semblables alimentés par le réseau et délivrant un si gnal qui est retranché du signal élaboré par la première chaîne d'appareils pour fournir un signal de réglage agissant sur les orga -ne,e de la machine, de maniére à mettre son rotor e synchronisme avec le réseau.