Brevet FR2517751A1 — publié le 19830610

La presente invention concerne un procédé et un dispositif de régulation de vitesse d'une turbine hydraulique, plus particulièrement destinés à minimiser ltécart dynamique de la vitesse en fonction de la perturbation. La fonction essentielle d'un régulateur de vitesse d'un groupe turbo-alternateur hydraulique est de maintenir constante la vitesse de la turbine motrice et de l'alternateur qutelle entraine, et par conséquent la fréquence du courant produit par l'alternateur connecté à un réseau général de distribution. Un système usuel de régulation est représenté schématiquement par la figure 1 annexée, où la turbine T accouplée au générateur G est alimentée par une vanne V dont l'ouverture réglable permet de faire varier le débit de l'eau entrant dans la turbine. Le comparateur 1 mesure l'écart EF entre la fréquence de consigne FC, élaborée par exemple par une horloge étalon 2, et la fréquence réelle F relevée en 3 sur l'arbre du groupe turbo-générateur. Le signal d'écart de fréquence EF est appliqué aux deux circuits 4 et 5, à actions respectivement proportionnelle et dérivée, et dont les signaux de sortie sont additionnés dans le comparateur 6.Le signal de sortie EM du comparateur 6, après écrêtage dans le circuit 8, est traité dans le circuit à action intégrale 9 qui élabore le signal RV de pilotage de position de la vanne V, dans le sens d'ouverture ou defermeture defcelle- ci, pour respectivement augmenter ou diminuer la vitesse de la turbine. Les écratages du circuit 8 ont pour objet de limiter l'intensité du signal EH dans le sens d'ouverture ou de fermeture, et par conséquent, après intégra tion, les vitesses de manoeuvre de la vanne V ; en effet il est indispensable de limiter les vitesses de manoeuvre pour éviter les surpressions hydrauliques dans les conduites. Une boucle de contre réaction applique à ltentrée du comparateur 6, et en oppostion aux signaux proportionnel et dérivé, le signal 5 figuratif de 11 ouverture de la vanne V et issu du signal RV par filtrage dans le circuit 10, dérivation dans le circuit 11, et écrêtage dans le circuit 12. Les écrêtages haut (H) et bas (B) du circuit 12 ont pour objet de réduire le temps de rétablissement de la vitesse. En effet ltécrêtage haut ou bas limite la valeur absolue, positive ou négative, du signal de contre-réaction, et donc limite l'affaiblissement du signal issu du compara teur 6 et par lâ le temps d'intégration dans le circuit 9. En d'autres termes le signal EM à traiter par l'action intégrale 9 augmente plus fortement lorsqu'il dépasse en valeur absolue les seuils haut et bas d'une plage centrée sur la valeur zéro. Ce type de structure de régulation est appelé "régulation tachy- accélérométrique à asservissement temporaire et à écrêtagesWixestt. Un choix convenable des paramètres des circuits 4, 5, 9 et 11 conduit à un compromis satisfaisant entre la stabilité et la précision dynamique du réglage de la vitesse. Ceci est valable dans le domaine des petites perturbations, où aucun des écretages H et B du circuit 12 n'est atteint. Pour les perturbations de moyenne ou grande amplitude, les écretages H et B interviennent, et le temps de rétablissement de la vitesse ut plus court dans la mesure où la stabilité est satisfaite ; l'expérience montre en effet que la stabilité du réglage est fonction de l'amplit wde de la perturbation. L'invention permet, en minimisant lSécart de vitesse, de conserver la stabilité du réglage et dfameliorer le régime transitoire saune pour de fortes amplitudes de perturbations. Le procédé pour minimiser l'2cart dynamique de la vitesse stap- plique à un système de régulation de vitesse d'une turbine hydraulique comportant un circuit à action intégrale pour traiter le signal issu de la comparaison entre une vitesse de consigne et la vitesse réelle de la turbine, et commandant l'ouverture ou la fermeture de la vanne de réglage du débit de la turbine, le signal à traiter par l'action intégrale étant augmenté lorsqu'il dépasse en valeur absolue les seuils haut et bas d'une plage centrée sur la valeur zéro. Selon l'invention on fait varier les seuils haut et bas de la plage en fonction décroissante de la valeur absolue de l'accélération ins- tantanée de la turbine. Selon un mode particulier de réalisation, on fait aussi varier les seuils haut et bas de la plage en fonction croissante de la vitesse de la turbine et en fonction décroissante de la dérivée de la pression d'eau à l'entrée de la turbine. Lorsque le procédé est destiné à un système où le circuit à action intégrale agit en série avec des circuits à actions proportionnelle et dérivée, avec écrêtage sur une boucle de contre-réaction du circuit à action intégrale, on agit en faisant varier les seuils d'écrêtage du circuit de contre-réaction. Lorsque le procédé est destiné à un système où le circuit à action intégrale agit en parallèle avec des circuits à actions proportionnelle et dérivée, on agit sur les seuils de non-linéarité dtun circuit nonlinéaire disposé à l'entrée du circuit à action intégrale. L'invention sera mieux comprise en se référant à des modes de réalisation donnée à titre.d'exemples et représentés par les autres dessins annexés. La figure 2, homologue de la figure 1, montre le dispositif complémentaire de régulation selon l'invention en fonction de la seule accélération de la turbine. La figure 3 décrit le dispositif utilisant à la fois la vitesse et l'accélération de la turbine, et la mesure de la pression de liteau à l'entrée de la turbine. La figure 4 donne un exemple numérique montrant, avec et sans application de l'invention, la réponse du système de régulation à une même perturbation. La figure 5 représente l'application de l'invention à un autre système de régulation. On retrouve dans le cadre A de la figure 2 le système de réglage connu tel que représenté à la figure lb Dans le cadre C1 qui représente l'ap- port de l'invention, le signal de vitesse F est d'abord filtré en 13 et dé- rivé en 14 dont le signal de sortie DF représente l'accélération de la turbine T. Le circuit 17 qui revoit DF élabore en fonction de l'accélération de la turbine des signaux L1 et 12 qui sont respectivement, pour les valeurs négative ou positive de DF, fonction décroissante de la valeur absolue de DF. Ce sont ces valeurs L1 et 12 qui sont introduites dans le circuit 12 pour constituer respectivement les seuils H et B d'écrêtage du signal de contreréaction. Ainsi, une augmentation de la-valeurabsolue de l'accélération de la turbine, positive ou négative, entraine un resserrement de l'écart entre les seuils dtécrêtage du signal de contre-réaction et une réduction supplémentaire du temps d'intégration et du rétablissement de la vitesse. La figure 4 traduit ce résultat en représentant, pour une meme perturbation ayant entrainé une chute de vitesse de la turbine, d'une part en trait plein l'évolution de cette vitesse pendant le régime transitoire d'action de la régulation muni du dispositif à écrêtages variables selon l'invention, et dtautre part en traits interrompus la même évolution avec une régulation connue à écrêtages fixes. Le perfectionnement peut encore être amélioré en prenant en combe non seulement l'accélération de la turbine, mais encore la vitesse de celleci et la pression de l'eau à ltentrée de la turbine. La figure 3 représente te dans le cadre C2 le dispositif correspondant où l'on retrouve les circuits 13, 14 et 17 pour élaborer les signaux L1 et L2 à partir de la vitesse F et l'accélération DF. Mais ici chaque signal Li et L2 est d'abord ajouté à F dans les circuits 19 et 20, dont les sorties sont à leur tour combinées dans les circuits 21 et 22, en opposition avec la dérivée DP de la pression P prélevée en 24 à l'entrée de la turbine, puis filtrée en 25 et dérivée en 26.Ce sont les signaux de sortie des comparateurs 21 et 22 qui sont introduits dans le circuit 12 pour constituer respectivement les seuils H et B d'écrêtage du signal de contre-réaction. Sous la forme simplifiée comme représentée à la figure 2, aussi bien que sous la forme complexe de la figure 3, l'invention peut aussi s'appliquer aux systèmes de régulation comportant un dispositif de réduction automatique du trainage de position d'un système copiant non-linéaire décrit par exemple par la demande de brevet franchais 80-27275.La figure 5dz la présente demande rappelle la figure 5 de la demande antérieure décrivant un tel dispositif où le signal EF d'écart entre la vitesse de consigne CF et la vitesse réelle F de la turbine est appliqué en parallèle à trois circuits 30, 31 et 32, respectivement à actions proportionnelle, dérivée et intégrale ; la somme des signaux de sortie commande un circuit copiånt 33-34 qui entraine la manoeuvre de la vanne V d'alimentation de la turbine T. Selon la demande 80-27275 les circuits 15 et 16 sont utilisés pour élaborer un signal qui constitue un seuil variable de saturation du circuit à action intégrale 32. Pour provoquer, comme dans le cas des figures 2 ou 3, une augmen- tation du signal à traiter par l'action intégrale à partir de seuils haut et bas variables en fonction de l'accélération de la turbine, ou en fonction en outre des vitesse et de la variation de pression de l'eau à l'entrée de la turbine, on utilise ici un circuit non linéaire 36 où le gain affectant le signal EF est fortement augmenté lorsque EF atteint l'un des seuils B ou H entourant la valeur zéro. On utilise alors les circuits regroupés dans les cadres C1 ou C2 des figures 2 ou 3 pour constituer les seuils H et B qui varient ainsi avec, soit la seule accélération de Ia turbine, soit la combinaison avec la vitesse et la dérivée de la pression de l'eau à ltentrée de la turbine. Ici encore l'augmentation de la valeur absolue de l'accélération de la turbine va entrainer un resserrement de la plage centrale de linéarité du circuit 36, d'où un déclenchement plus rapide de l'accroissement de gain du signal traité par action intégrale, et réduction du temps dtinté- gration. Bien entendu l'invention ntest pas strictement limitée aux modes de réalisation qui ont été décrits à titre d'exemples, mais elle couvre également les réalisations qui nten diffèreraient que par des détails, par des variantes d'exécution ou par l'utilisation de moyens équivalents. REVENDICATIONS 1.- Procédé pour minimiser l'écart dynamique de la vitesse, dans un système de régulation de-vitesse d'une turbine hydraulique, système comportant un circuit à action intégrale- pour traiter le signal issu de la comparaison entre une vitesse de consigne et la vitesse réelle de la turbine et commandant l'ouverture ou, la fermeture de la vanne de régla ge du debit de la turbine, le signal à traiter par l'action intégrale étant augmenté lorsqu'il dépasse en valeur absolue les seuils haut et bas d'une plage centrée sur la valeur zéro, caractérisé par le fait qu'on fait varier les seuils haut et bas de la plage en fonction décroissante de la valeur absolue de l'accélération instantanée (DF) de la turbine. 2.- Procédé selon revendication 1, caractérisé par le fait qu'on fait aussi varier les seuils haut et bas de la plage en fonction croissante de la vitesse (F) de la turbine et en fonc- tion décroissante de la dérivée (DP) de la pression P d'eau à ltentrée de la turbine. 3.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, destiné à un système où le circuit à action intégrale agit en série avec des circuits à actions proportionnelle et dérivée, avec écretage sur une boucle de contre-réaction du circuit à action intégrale, caractérisé par le fait que lton agit en faisant varier les seuils d'écrêtage sur le circuit (10, 11, 12) de contre-réaction 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, destiné à un système où le circuit à action intégrale agit en parallèle avec des circuits à actions proportionnelle et dérivée, caractérisé par le fait que l'on agit sur les seuils de non-linéarité d'un circuit non-linéaire (36) dispose à l'entrée du circuit (32) à action intégrale.