Brevet FR2462803A1 — publié le 19810213

L'invention est relative aux ensembles ou "groupes" desti- nés à engendrer une énergie électrique alternative à fréquence constante et sans coupure, ainsi qu'il est requis pour l'alimenta- tion de certains équipements électriques tels que calculateurs, ordinateurs, systèmes de télécommunications, systèmes de navigation, radars, plateformes d'essais, etc. Elle vise plus particulièrement, parmi ces ensembles, ceux comportant un alternateur, un moteur électrique d'entraînement de cet alternateur normalement alimenté par le réseau, des moyens de relais pour prendre le relais du réseau aux fins d'entraînement du rotor du moteur électrique dès coupure de ce réseau, moyens compre- nant un volant d'inertie, un moteur thermique de secours et un em- brayage ou coupleur, et des moyens de correction pour compenser les faibles et brèves variations de vitesse du rotor ci-dessus aux ins- tants o son entraînement commence à être pris en charge par les moyens de relais. Elle a pour but, surtout, de rendre les moyens de correction compris par les ensembles du genre en question tels qu'ils répon- dent mieux que jusqu'à ce jour aux exigences de la pratique, notam- ment en ce qu'ils soient plus fiables et plus économiques que ceux antérieurement connus, sans pour autant être plus encombrants ni assurer une moins bonne précision de la régulation et en n'exigeant aucune modification de l'alternateur ni du moteur, ce qui permet d'adopter pour ces machines des modèles standard. Elle est essentiellement caractérisée en ce que les moyens de correction en question comprennent: - d'une part un train différentiel interposé entre l'arbre A, en- trainé à une vitesse NE' de l'ensemble moteur-volant,et l'arbre B, coaxial à l'arbre A, de l'alternateur, arbre à entraîner à une vi- tesse de consigne constante No, ce train comprenant un premier pi- gnon solidaire de l'arbre A, un deuxième pignon solidaire de l'ar- bre B, et un équipage propre à transmettre les rotations du premier pignon au second pignon selon un rapport qui varie - et de préfé- rence augmente - avec la vitesse de rotation NR d'un élément régu- lateur compris par cet équipage, - et d'autre part des moyens de commande entraînés par l'arbre A, asservis à la vitesse No et à la vitesse NS de l'arbre B de façon à donner constamment à NR une valeur telle que NS demeure égale à No quelles que soient les variations de NE. Dans des modes de réalisation préférés, on a recours en ou- 2 2462803 tre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes - les moyens de commande comprennent une pompe volumétrique à débit variable entraînée par l'arbre A, un moteur hydraulique à cy- lindrée constante propre à entraîner l'élément régulateur, un cir- cuit fermé de liquide propre à transmettre intégralement à ce moteur le volume de liquide débité par cette pompe et inversement, et des moyens pour doser le débit de ce liquide dans ce circuit en fonc- tion de NS et de No de façon à maintenir NS égale à Nov - l'équipage est agencé de façon telle que, lorsque la vitesse de rotation NR est nulle, NE ait sa valeur maximum légèrement supé- rieure à Nol notamment d'environ 3 %, et que, lorsque NR atteint une valeur maximum relativement faible, de préférence de l'ordre d'une centaine de tours par minute, NE atteigne sa valeur minimum inférieure à Nol notamment d'environ 10 %, - l'équipage comprend une cage montée folle sur l'arbre A et/ou l'arbre B, cage constituant l'élément régulateur ci-dessus et por- tant elle-même un troisième et un quatrième pignons engrenant l'un avec l'autre et, respectivement, le troisième avec le premier et le quatrième avec le second, - dans un ensemble selon l'alinéa précédent, les troisième et quatrième pignons portés par la cage ont tous deux le même nombre de dents que le premier pignon et ce nombre de dents est inférieur à celui du second pignon, - dans un ensemble selon l'alinéa précédent, les nombres de dents des premier et second pignons sont respectivement de 30 et de 31, - des moyens sont prévus pour détecter les variations de la puis- sance électrique consommée par la charge alimentée par l'alterna- teur indépendamment de la vitesse NS et pour rendre les moyens de commande sensibles à ces variations de puissance. L'invention comprend, mises à part ces dispositions princi- pales, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. Dans ce qui suit, l'on va décrire deux modes de réalisation préférés de l'invention en se référant au dessin ci-annexé d'une manière bien entendu non limitative. La figure 1, de ce dessin, est le schéma d'un groupe d'ali- mentation électrique équipé de moyens de secours conformes à l'in- vention. La figure 2 est une vue schématique selon II-II, fig.1, d'u- ne partie de ce groupe. 246280, La figure 3 est le schéma d'une partie d'un autre groupe d'alimentation électrique également amélioré selon l'invention. D'une façon connue en soi, le groupe d'alimentation électr: que de la figure 1 comprend la suite des dispositifs coaxiaux sui vants: - un moteur thermique 1, généralement du type Diesel, - un embrayage 2, - un lourd volant d'inertie 3, - un moteur électrique 4, généralement de type asynchrone, alimen par le secteur ou réseau 5 à travers un disjoncteur 6, - et un alternateur 7 entraîné par le moteur 4 et propre à alimen ter en énergie électrique alternative une charge électrique Z. Cette charge Z est d'un type nécessitant une alimentation permanente à fréquence F constante, c'est-à-dire régulée générale. ment à moins de 1 % près et sans coupure. C'est le cas par exemple des systèmes de traitement automa tique de l'information, pour lesquels une coupure de courant, Mêmi brève, peut conduire à de graves désordres. En temps normal, c'est-à-dire lorsque le réseau fournit du courant, le moteur 4 est alimenté par ce réseau, et donc entraîné à une vitesse sensiblement constante, par exemple voisine de 1.50 tours/minute, au glissement près qui est de l'ordre de 1 à 2% Le volant 3 est également entraîné par ce moteur 4. L'embrayage 2 est ouvert et le moteur 1 est arrêté à l'éta de veille (préchauffé). Lorsqu'intervient une coupure du réseau, le disjoncteur 6 est déclenché, ce qui est symbolisé par la flèche 8, et le moteur n'est plus alimenté. Cette coupure se traduit immédiatement par le démarrage du moteur thermique 1 (flèche 9), puis, très peu de temps après, par exemple au bout de 1 à 2 secondes, par la fermeture de l'embrayage 2 (flèche ). L'énergie emmagasinée par le volant 3 est alors appliquée sur le moteur 1 et le fait monter en vitesse en quelques secondes et au terme de cette mise en vitesse, c'est ce moteur qui assure l'entraînement de tout le groupe à la vitesse initiale. Pendant cette manoeuvre, la vitesse de rotation du volant qui est celle de l'arbre du moteur 4,diminue d'environ 10 à 15 % en 3 ou 4 secondes, puis remonte à sa valeur initiale en un temps de l'ordre de 15 à 20 secondes. 24628O3 A une telle diminution provisoire de vitesse correspond une réduction équivalente de la fréquence F, ce que l'on désire éviter. Certaines solutions ont déjà été imaginées pour remédier à cet in- convénient, telles que notamment celles décrites dans le brevet France 2 070 297 déposé le 20 novembre 1969 au nom de la demanderesse. La présente invention vise une autre solution du rmêre problème. Ici les deux arbres A et B du moteur 4 et de l'alternateur 7 sont en- core coaxiaux, mais distincts, et l'on interpose entre ces deux arbres un train différentiel 11. Ce train 11 comprend - un premier pignon 12, ou pignon d'entrée, lié à l'arbre A et entraîné à la vitesse NE de cet arbre, - un deuxième pignon 13, ou pignon de sortie, lié à l'arbre B et entrainé à la vitesse NS de cet arbre, - _ et un équipage mobile comprenant un élément rotatif régulateur, dont la vitesse de rotation NR est réglable de l'extérieur, c'est-à-dire indépendamment des vitesses NE et Ns, et propre à modifier le rapport entre ces deux vitesses NE et NS- On prévoit en outre des mtoyens extérieurs, entrainés par 1 'arbre A, propres à donner à chaque instant à la vitesse NR une valeur telle que la vitesse NS demeure égale à une valeur de consigne No malgré les variations de la vitesse NE. On prévoit avantageusement le train 11 ci-dessus de façon à remplir les deux conditions suivantes - pour une vitesse NE supérieure à la vitesse No, par exemple d'environ 3% la valeur de la vitesse NR est nulle, de façon d'une part à tenir catpte d'une légère survitesse éventuelle du moteur thermique (qui peut apparaître lors des régimes transitoires dans le cas de 1 'entraînement par ce noteur), et d'autre part à assurer une meilleure stabilité de la régulation: en effet ladite valeur nulle de NR ne sera jamais obserxé dans la pratique, de sorte que la régulation sera toujours effectuée "sur une pente", c'est-à-dire dans un domaine de valeurs de NR non nulles et toujours du même sens; - lorsque, au cours d'une permutation du mode d'entrainement ci-dessus, la vitesse NE diminue jusqu'à sa valeur minimum, qui peut être inférieure à NS d'environ 10 %, la valeur NR croît jusqu'à un maximum relativement faible, par exemple de 1 'ordre de 100 tours/minute. Dans ces conditions, en régime de croisière, c'est-à-dire en dehors des périodes de permutation du mode d'entrainement de l'arbre A, la vitesse NF étant comprise en général dans une plage de + 2 % autour de la vitesse Nor compte tenu de là nature du moteur d'entrainenent, la vitesse NR demeure très faible, savoir de l'ordre de quelques tours/minute. Dans le nxode de réalisation préféré de ce train 11 qui a été illustré sur les figures 1 et 2, 1 'équipage mobile de celui-ci comprend une cage 14 nontée folle sur l'un au moins des arbres A et B, cage portant deux pignons cy- lindriques d'axes parallèles aux axes desdits arbres, savoir un troisième pignon en prise avec le pignon 12 et un quatrième pignon 16 en prise avec le pignon et avec le pignon 13, ces pignons 12 et 13 étant alors également des pignons cylindriques. C'est cette cage 14 qui constitue l'élément régulateur du train et que l'on entraîne en rotation à la vitesse NR. Dans le mode de réalisation illustré, les pignons 12, 15 et 16 ont le même nombre de dents et le pignon 13 a un nombre de dents légèrement supérieur, ces deux nombres étant par exemple respecti- vement de 30 et 31, ou encore de 33 et 34, de 34 et 35, ou de 50 et 51. On pourrait également prévoir une répartition différente en- tre les nombres de dents, le pignon 12 ayant par exemple un nombre de dents supérieur à celui du pignon 13 et le pignon 15, un nombre de dents inférieur à celui du pignon 16. Pour ce qui. est des moyens actionnés par l'arbre A et pro- pres à entraîner la cage 14 à la vitesse NR, on les constitue de préférence par un ensemble hydraulique 17 comprenant: - une pompe volumétrique à débit variable 18, entraînée par l'arbre A, notamment par l'intermédiaire d'une paire de pignons 19, 20, - un moteur hydraulique à cylindrée constante 21, propre à entrai- ner la cage 14, notamment par l'intermédiaire d'une paire de pi- gnons 22, 23, - un circuit fermé de liquide 24, propre à transmettre intégrale- ment au moteur 21 le liquide débité par la pompe 18 et inversement, - et un organe doseur 25, propre à régler le débit du liquide dans le circuit 24, par exemple par modification de la cylindrée de la pcmçe. La position de ce doseur 25 est réglée automatiquement en pex manence de manière à maintenir la vitesse de rotation NS de l'arbre B égale à la valeur de consigne No, par exemple à moins de 1 % près. On a recours à cet effet à un ensemble électronique 26 pro- pre à élaborer des instructions de commande symbolisées par la flè- che 27 en fonction à la fois de la vitesse de rotation réelle NS de l'arbre B, vitesse détectée par un organe tachymétrique 28 (infoi mation symbolisée par la flèche 29) et d'une référence de fréquence rigoureusement stabilisée, fonction de la valeur N., référence dont l'introduction dans l'ensemble 26 est symbolisée par la flèche 30. La valeur de cette référence peut être elle-même réglée de toute manière désirable, notamment par des moyens à commande ma- nuelle ou motorisée. On prévoit en outre des moyens de contre-réaction symboli- sés par la flèche 31 pour transmettre à l'ensemble 26 une informa- tion sur la position du doseur 25 à chaque instant. Il est avantageux de prévoir également d'autres moyens, sym- bolisés par la flèche 32, pour transmettre à l'ensemble 26 une information sur la puissance électrique délivrée à chaque instant par l'alternateur 7. En effet, si un complément de charge est branché sur le cir- cuit électrique alimenté par cet alternateur, ou si au contraire ce circuit subit un délestage, la vitesse de rotation de l'alterna- teur tend à diminuer ou à augmenter: en transmettant instantané- ment à l'ensemble 26 une information sur la modification de puis- sance soutirée due à cette modification de branchement, on obtient un temps de réponse de la chaîne d'asservissement plus petit que si l'information relative à ladite modification de branchement était simplement décelée au niveau de la variation de vitesse de l'organe tachymétrique 28, c'est-à-dire au niveau de la conséquence et non à celui de la cause. D'autres moyens encore peuvent être prévus, en fonction des besoins de l'installation, pour agir sur l'ensemble 26. C'est ainsi que, si l'on envisage de faire fonctionner en parallèle plusieurs groupes identiques du genre de celui décrit ci- dessus, propres à entraîner respectivement des alternateurs identi- ques, on peut adopter pour la commande de leurs doseurs respectifs 25 un ensemble 26 commun et, dans un tel cas, prévoir dans cet en- semble un traitement d'informations relatives aux charges alimen- tées respectivement par les différents groupes de façon à répartir au mieux ces charges entre les groupes. Le fonctionnement du groupe ci-dessus décrit est le suivant. On supposera, dans ce qui suit, -à titre purement illustratif, que l'on désire entraîner l'alternateur 7 à une vitesse de rotation N0 égale à 1. 500 tours/minute à moins de 1 % près, cet alternateur étant par exemple destiné à délivrer une énergie électrique alter- native de fréquence F égale à 50 Hz. En régime normal, le moteur 4 est alimenté par le réseau et son rotor tourne à une vitesse NE légèrement inférieure à N0, par exemple de l'ordre de 1.460 t/mn. La vitesse NR de la cage 14 est alors faible et les rotations de l'arbre A sont transmises à l'arbre B par l'intermédiaire des pignons 12, 15, 16 et 13- Quant à la vitesse Ns, elle est alors égale à No" Si à partir de cette situation le réseau 5 est coupé, le disjoncteur 6 saute, et comme exposé plus haut, l'entraînement di rotor du moteur électrique 4 est progressivement pris en charge r le moteur thermique 1. Lors de cette prise en charge, la vitesse NE commence par décroître pendant 3 à 4 secondes, jusqu'à un minimum d'environ 1.350 t/mn (première phase), puis reprend progressivement sa valeur ini tiale en 15 à 20 secondes (deuxième phase). Au cours de la première phase, la vitesse NS tend à décroi tre également, mais la comparaison instantanée entre cette vitess prélevée en 28, 29 et la vitesse de consigne No engendre un signa d'erreur agissant immédiatement sur le doseur 25, dans un sens et avec une amplitude tels que la cage 14 est entraînée à une vitess de régulation NR propre à compenser ladite erreur. Pendant la pre mière phase considérée, cette vitesse NR croit jusqu'à sa valeur maximum qui est de l'ordre de 100 t/mn. Puis, au cours de la deuxième phase, pour laquelle la vite se NE croit à nouveau, l'importance de la compensation nécessaire pour maintenir constante la vitesse N5 diminue automatiquement, ainsi donc que la vitesse NR, jusqu'à ce que la vitesse N E ait atteint sa valeur de consigne stabilisée, le moteur thermique 1 ayant alors pris intégralement le relais du moteur électrique 4 pour l'entraînement.du groupe. L'alimentation de la charge Z a donc été assurée sans cou- pure et sans modification de fréquence pendant toute la durée de la permutation du mode d'entraînement de l'arbre A. Le rétablissement subséquent de l'alimentation électrique du moteur 4 par le réseau 5 ne pose pas de problème particulier dès ce rétablissement, l'embrayage 2 est rouvert et l'entraînemen du rotor du moteur 4 est assuré à nouveau instantanément par voie électrique, sans aucune modification de la vitesse N E de son arbr Bien que les moyens hydrauliques proposés ci- dessus pour a surer l'entraînement de la cage 14 à partir de l'arbre A soient préférés, on pourrait assurer cet entraînement par des moyens dif férents, par exemple à l'aide d'un ensemble électrique générateur moteur du type Ward Léonard, la pompe hydraulique 18, le moteur hydraulique 21, le circuit hydraulique 24 et le doseur 25 de la solution précédente étant alors remplacés respectivement par un générateur électrique, un moteur électrique, un circuit électrique et un rhéostat ou organe de réglage équivalent. Il est à noter également que les ensembles originaux décrits ci-dessus, interposés entre les arbres A et B, peuvent être appli- qués sans sortir du cadre de l'invention à des groupes d'entraine- ment et de secours dont la section amont, c'est-à-dire celle qui entraîne l'arbre A, serait constituée autrement que selon la figure 1. Les seules conditions à remplir pour cette section sont - qu'elle comprenne un moteur électrique normalement alimenté par le réseau et assumant en régime normal l'entraînement de l'arbre A, un volant d'inertie, un moteur thermique propre à prendre le relais du moteur électrique en cas de coupure du réseau, et un embrayage ou coupleur permettant de permuter le mode d'entraînement de l'ar- bre A (réseau ou moteur thermique), - et que la vitesse NE de l'arbre A ne diminue que d'une petite fraction, généralement inférieure à 15 %, pendant une relativement courte durée, généralement inférieure à 30 secondes, lors des chan- gements du mode d'entraînement de cet arbre. C'est ainsi qu'à titre d'exemple, on a illustré sur la fi- gure 3 une variante de réalisation pour ladite section. Cette section comprend encore un volant 3 solidaire de l'ar- bre A et un moteur électrique 4, notamment du type asynchrone, nor- malement alimenté par le réseau 5 à travers le disjoncteur 6. Mais ici ce moteur 4 est relié au volant par un coupleur 33 à glissement, notamment hydraulique, le moteur thermique n'étant pas prévu accouplable au rotor de ce moteur 4 par un embrayage: ce moteur thermique est ici celui d'un groupe électrogène 34 et le re- lais de l'alimentation électrique du moteur 4 à partir du réseau 5 est pris par une autre alimentation électrique assurée à partir du- dit groupe 34 à travers un interrupteur 35 qui se ferme automatique- ment lorsque le disjoncteur 6 s'ouvre et inversement (flèche 36). Les glissements du coupleur 33 rendent possible une montée rapide du moteur asynchrone 4 jusqu'à son régime nominal lors des démarrages, avant même que le volant 3 ait atteint sa vitesse de croisière normale. Dans cette variante, le ralentissement provisoire de l'arbre A lors d'un changement du mode d'entraînement de cet arbre est dû à la durée nécessaire pour la mise en régime du groupe électrogène 34 à partir de son arrêt, durée qui est généralement de l'ordre d'une dizaine de secondes. r En suite de quoi, et quel que soit le mode de réalisation adopté, on obtient finalement un groupe d'alimentation en énergie électrique équipé de moyens de secours en cas de coupure du réseau,- dont la constitution et le fonctionnement résultent suffisamment de ce qui précède. Un tel groupe présente de nombreux avantages par rapport à ceux antérieurement connus, notamment en ce qui concerne la fiabi- lité, le faible prix, le faible encombrement et la possibilité d'u- tiliser pour l'alternateur 7 et le moteur 4 des modèles classiques, non modifiés. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés: elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes, notamment celles o les pignons cylindriques 12 et 13 du mode de réali- sation décrit ci-dessus seraient remplacés par deux pignons coni- ques, les pignons cylindriques 15 et 16 étant alors remplacés eux-mêmes par un seul pignon conique satellite en prise avec les deux autres, l'axe de ce dernier pignon étant incliné d'un angle voisin de 900 sur ceux des arbres A et S et étant monté fou sur une cage du type de la cage 14 ci- dessus. 2462803 REVENDICATIONS 1. Ensemble pour engendrer une énergie électrique alternati- ve à fréquence constante et sans coupure, comportant un alternateur, un moteur électrique d'entraînement de cet alternateur normalement alimenté par le réseau, des moyens de relais pour prendre le relais du réseau aux fins d'entraînement du rotor du moteur électrique dès coupure de ce réseau, moyens comprenant un volant d'inertie, un mo- teur thermique de secours et un embrayage ou coupleur, et des moyens de correction pour compenser les faibles et brèves variations de vi- tesse du rotor ci-dessus aux instants o son entraînement commence à être pris en charge par les moyens de relais, caractérisé en ce que lesdits moyens de correction comprennent d'une part un train différentiel (11) interposé entre l'arbre A, entraîné à une vitesse NE, de l'ensemble moteur (4)- volant (3) et l'arbre B, coaxial à l'arbre A, de l'alternateur (7), arbre à entraîner à une vitesse de consigne constante N0, ce train comprenant un premier pignon (12) solidaire de l'arbre A, un deuxième pignon (13) solidaire de l'arbre B, et un équipage propre à transmettre les rotations du premier pignon au second pignon selon un rapport qui varie - et de préférence augmente - avec la vitesse de rotation N R d'un élément régulateur (14) compris par cet équipage, et d'autre part, des moyens de commande (17) entraînés par l'arbre A, asservis à la vi- tesse N0 et à la vitesse N- de l'arbre B de façon à donner constam- O S ment à NR une valeur telle que NS demeure égale à N0 quelles que soient les variations de NE. 2. Ensemble d'alimentation selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les moyens de commande comprennent une pompe vo- lumétrique (18) à débit variable entraînée par l'arbre A, un moteur hydraulique (21) à cylindrée constante propre à entraîner l'élément régulateur (14), un circuit fermé de liquide (24) propre à trans- mettre intégralement à ce moteur le volume de liquide débité par cette pompe et inversement, et des moyens (25, 26-32). pour doser le débit de ce liquide dans ce circuit en fonction de NS et de No de façon à maintenir NS égale à No0 3. Ensemble d'alimentation selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce que l'équipage est agencé de façon telle que, lorsque la vitesse de rotation N R est nulle, NE ait sa valeur maximum légèrement supérieure à N 0 notamment d'en- viron 3 %, et que, lorsque NR atteint une valeur maximum relative- il ment faible, de préférence de l'ordre d'une centaine de tours pé minute, NE atteigne sa valeur minimum inférieure à Nol notamment d'environ 10 %. 4. Ensemble d'alimentation selon l'une quelconque des revE dications précédentes, caractérisé en ce que l'équipage comprenc une cage (14) montée folle sur l'arbre A et/ou l'arbre B, cage constituant l'élément régulateur ci-dessus et portant elle-même un troisième (15) et un quatrième (16) pignons engrenant l'un a% l'autre et, respectivement, le troisième avec le premier et le q trième avec le second. 5. Ensemble d'alimentation selon la revendication 4, carac térisé en ce que les troisième et quatrième pignons portés par i cage ont tous deux le même nombre de dents que le premier pignon et que ce nombre de dents est inférieur à celui du second pignon 6. Ensemble d'alimentation selon la revendication 5, carac térisé en ce que lesnombresde dents des premier et second pignon sont respectivement de 30 et de 31. 7. Ensemble d'alimentation selon l'une quelconque des reve dications précédentes, caractérisé en ce que des moyens (32) son prévus pour détecter les variations de la puissance électrique consommée par la charge (Z) alimentée par l'alternateur indépen- damment de la vitesse NS et pour rendre les moyens de commande sensibles à ces variations de puissance.