Brevet FR2538858A1 — publié le 19840706

La présente invention concerne des perfectionnements aux aérogénérateurs comportant un rotor à hélice à pas variable. On connatt déjà des aérogénérateurs qui sont montés pivotants sur un support approprié et orientables au moyen d'une dérive fixée à leur partie arrière et dont le rotor est disposé du coté opposé à la dérive par rapport au pivot. Dans un aérogénérateur de ce genre tel que décrit dans le brevet français NO FR 2 291 378 les pales du rotor qui sont montées pivotantes sur des axes inclinés vers l'avant par rapport à celui du rotor, tendent à pivoter autour de leurs axes respectifs, sous l'action de la force centrifuge, lorsque le rotor tourne, et ce déséquilibre dynamique est compensé par un dispositif de régulation comportant des moyens élastiques d'équilibrage reliés à chacune des pales pour s'opposer au pivotement de celles-ci sous l'action de la force centrifuge.Ces moyens élastiques d'équilibrage comprennent un plateau de régulation monté rotatif sur l'axe du rotor, des moyens de transmiasion pour transmettre le mouvement de pivotement des pales autour de leurs axes à ce plateau rotatif et des organes de rappel élastiques disposés entre le bôti du rotor et le plateau rotatif. Le dispositif d'équilibrage précité permet de maintenir les pales dans la position angulaire voulue autour de leurs axes respectifs lorsque le rotor tourne à sa vitesse nominale. La présente invention concerne des perfectionnements apportés à cet aérogénérateur dans le but d'obtenir une meilleure utilisation de-s vents de vitesse inférieure à la vitesse nominale pour laquelle l'aérogénérateur a été conçu, un contrôle exact de la vitesse de rotation de l'hélice de l'aérogénérateur et par conséquent de la période du courant alternatif produit éventuellement par celui-ci, et un con truble et une limitation stricts de la puissance de sortie de l'aérogénérateur. A cet effet cet aérogénérateur comportant un rotor à hélice à pas variable, dont les pales sont montées pivotantes autour d'axes respectifs,en étant déséquilibrées dynamiquement de manière à avoir tendance è se mettre en drapeau, sous l'action de la force centrifuge, lorsque le rotor tourne, le rotor comportant également un dispositif de rdgula- tion comprenant un plateau de régulation coaxial pouvant subir un débattement angulaire déterminé par rapport eu rotor,des moyens de transmission pour transmettre le mouvement de pivotement des pales autour de leurs axes à ce plateau de régulation et des organes de rappel élastiques disposés entre le bsti du rotor et le plateau de régulation afin de maintenir les pales dans la position angulaire voulue, autour de leurs axes respectifs, lorsque le rotor tourne à sa vitesse nominale,la liaison entre les pales et le plateau étant telle que le ralentissement du plateau par rapport au rotor entrain une augmentation du pas des pales allant jusqu'a la mise en drapeau et qu'au contraire une accélération du plateau entraIns une diminution du pas, est caractérisé en ce qu'il comporte une butée élastique placée entre un point mobile du dispositif de régulation et un point de l'armature du rotor, et ce de telle façon que la butée élastique, de course limitée, exerce une action, sur le dispositif de régulation, s'opposant à l'effort exercé par les organes de rappel élastique sur le plateau de rdgu- lation, lorsque la vitesse de rotation du rotor devient légèrement inférieure à la vitesse de rotation nominale. Grâce à la butée élastique additionnelle qui est prévue suivant l'invention, on peut donner aux pales, pour une vitesse de rotation légèrement inférieure à la vitesse nominale, une inclinaison, par rapport au plan radial passant par l'axe de la pale, légèrement inférieure à celle que prendrait la pale en l'absence de cette butée. Suivant une caractéristique complémentaire de l'in vention l'aérogénérateur comporte un moteur à induction lin.éaire comprenant un inducteur fixe et un disque rotorique solidaire du plateau de régulation, et un dispositif de commande de l'alimentation électrique de ce moteur à induction linéaire lequel est piloté par effet différentiel entre la période du courant électrique alternatif produit par l'alternateur entraîné par le rotor et celle d'un signal électrique alternatif de référence Ce moteur à induction linéaire exerce, sur le plateau de régulation, un couple moteur ou au contraire de freinage suivant que la vitesse de rotation de l'hélice tend vers une valeur inférieure ou supérieure à la valeur nominale et par conséquent ilmodifie le pas des pales et il assure au rotor une vitesse constante d'où une période fixe pour le courant alternatif produit par l'alternateur solidaire du rotor. Suivant une autre caractéristique complémentaire de l'invention l'aérogénératsur peut comporter également un ralentisseur à courantsde Foucault agissant sur le disque rotorique solidaire du plateau de régulation et qui est alimenté en fonction des courbes et d'un plafond d'intensité du courant de production pour limiter la puissance de l'aé rogénéreteur. On décrira ci-apr8s-, à titre d'exemples non limitatifs, diverses formes d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel a figure 1 est une vue en perspective schématique du dispositif d'équilibrage de la force centrifuge des pales au voisinage de la vitesse nominale. Les figures 2A, 2B et 2C sont des schémas illustrant l'action des ressorts de rappel du dispositif d'équilibrage et de la butée élastique, à la vitesse nominale et à une vitesse voisine de celle-ci. Les figures 3, 4 et 5 sont des vues en coupe à plus grande échelle d'un organe de rappel élastique coopérant avec une butée élastique, dans des positions correspondant respectivement à une vitesse égale,infXrieure et supérieure à la vitesse nominale. La figure 6 est une vue en élévation schématique du dispositif assurant le controns de la vitesse de rotation et de la puissance de sortie de l'aérogénératsur. Sur la figure 1 est représenté schXmåtiqu.ement le bàti 1 du rotor lequel est solidaire d'un moyeu central 2 sur lequel sont montées plusieurs pales 3. La description détaillée d'un tel sérogénérateur est donnée dans le brevet français NO FR 2 291 378. Les pales 3 du rotor sont réparties régulièrement autour de l'axe x x' du moyeu 2, chacune de ces pales 3 étant elle-mSme montée à pivotement autour d'un axe 4 qui est incliné vers l'avant par rapport à l'axe de rotation x x' du rotor.L'axe 4 de chaque pale 3 est décalé vers le bord d'attaque de la pale si bien que la masse de la partie de la pale comprise entre ce bord d'attaque et l'axe 4 est inférieure au restant de la masse située à l'opposé de l'axe 4 et que par conséquent, pendant la rotation du rotor, chaque pale 3 est soumise à une force centrifuge indiquée par la flèche- f0 et les figures 2A et 28, lorsque le rotor tourne à sa vitesse nominale Vû. Le rotor de l'aérogénérateur est pourvu d'un dispositif de régulation assurant un équilibrage dynamique et qui comporte, pour chaque pale 3, un organe élastique de rappel 5, tel qu'un ressort de compression dont une extrémité est liée au bàti 1 du rotor et l'autre extrémité est accrochée à un plateau de régulation transversal circulaire 6 monté à rotation sur le moyeu 2 du rotor et portant une couronne dentée 7 centrée sur l'axe x x' du rotor. Avee cette couronne est en prise, pour chaque pale 3, un pignon conique 8 solidaire d'une tige 9 laquelle porte à son extrémité un pignon 11 en prise avec un autre pignon 12 centré sur l'axe 4 de la pale 3 et solidaire de cell-e-ci.Par conséquent, lorsque le rotor tourne à la vitesse nominale Vg, la pale 3 tend à faire tourner la couronne 7 et le plateau de régula- tion 6 dans le sens inve-rse des aiguilles d'une montre sur la figure 1, sous l'action de la force centrifuge fO et l'organe élastique de rappel 5 exerce sur le plateau de régulation 6 une poussée qui est transmise à la pale 3 et qui donne une force F s'opposant à la force centrifuge fO comme on peut le voir sur la figure 2A. De ce fait chaque pale 3 est maintenue inclinée d'un angle aO par rapport au plan radial P passant par l'axe longitudinal xx' du rotor et l'axe de pivotement 4 de la pale 3. Suivant l'invention une butée élastique 12, telle que ressort, vérin ou butée plastique, est placée en un point quelconque du dispositif de régulation, entre un point mobile de celui-ci et un point de l'armature du rotor. Par exemple cette butée élastique 12 peut être portée par le plateau de régulation 6 sur lequel agissent les organes élastiques de rappel 5 et qui peut être plus ou moins décalé angulairement par rapport au moyeu 2 du rotor. Ce moyeu 2 est solidaire d'un doigt radial 13 qui peut venir en contact avec la butée élastique 12. La butée élastique 12 agit à l'encontre des organes de rappel élastiques 5 et elle a une course limitée. Elle permet de réaliser, en dessous de la vitesse nominale Vg, une variation contrôlée du pas des pales, sous une très faible variation de la vitesse du rotor. La figure 28 illustre le cas ob le rotor tourne à la vitesse nominale Vg et où la butée élastique 12 est prévue. A cette vitesse nominale Vg, le plateau de régulation 6 occupe une position, par rapport au moyeu 2 du rotor, telle que la butée élastique 12 soit juste en contact avec le doigt 13 solidaire du moyeu 2 du rotor et qu'elle ne soit pas comprimée, autrement dit qu'elle n'exerce aucun effort f sur le plateau de régulation 6 (f=o). De ce fait la pale 3 est toujours soumise à l'effort de rappel de l'organe élas- tique 5 et elle forme par conséquent le même angle aO, avec le plan radial P passant par l'axe xx' du rotor, que dans le cas de la figure 2A, dans lequel la butée 12 n'est pas pré- vue. Cette position correspond à celle qui est illustrée sur la figure 3. Si la vitesse de rotation du rotor tombe à une valeur V1 inférieure à la vitesse nominale VO , la force centrifuge s'exerçant sur la pale 3 prend une valeur fcl (figure 2C) qui est inférieure à sa valeur fcg lorsque le rotor tourne à la vitesse nominale Vg. Du fait du déséquilibre qui en résulte, l'organe de rappel 5 fait pivoter la pale 3 autour de son axe 4, de manière à la décaler en direction du plan radial P passa.nt par l'axe xx' du rotor, Si bien que cette pale 3 forme alors avec ce plan un angle al qui est plus petit que l'angle aO obtenu lors de la rotation à la vitesse nominale VO. Dans cette position d'équilibre la butée élastique 12 intervient du fait qu'elle se trouve alors comprimée par le doigt 13, comme on peut mieux le voir sur la figure 4. Cette butée élastique 12 exerce alors une force antagoniste f qui s' oppose à la force F1. de l'organe de rappel élastique 5 et qui est nettement inférieure à celle-ci. On voit, d'après la description qui précède, que la butee élastique 12 permet d'adapter le pas des pales 3 aux vitesses des vents inférieures à celle du vent minimal pour lequel l'aérogénérateur est etabli. Elle permet, en exerçant un faible couple de rotation sur le plateau de régulation 6, d'influer sur le calage initial du pas des pales 3 et par conséquent sur la vitesse de rotation et la période du courant électrique produit. La figure 5 illustre une position extreme de la butée élastique 12 dans le cas où le rotor tourne à une vitesse supérieure à la vitesse nominale. Dans ce cas l'organe de rappel élastique 5 est fortement comprimé et la butée élastique 12 est écartée du doigt 13 solidaire du moyeu 2 du rotor. Pour contrôler avec précision la vitesse de rotation de l'hélice de l'aérogénérateur on a prévu addtionnellement un moteur à induction linéaire 13 comportant un inducteur fixe 14 et un disque rotorique- 15 solidaire du plateau de régulation 6 et tournant dans l'entrefer de l'inducteur 14. Ce moteur à induction linéaire 13 est alimenté et piloté par effet différentiel entre la période du courant électri- que alternatif A produit par l'alternateur 16 entraîné par le rotor 2 et celle d'un signal électrique de référence 8 fournie par un oscillateur de référence 17. Le signal de référence B peut être le signal à 50 Hz provenant du réseau électrique ou le signal de sortie d'un oscillateur de refé- rence 17 à quartz ou de tout autre type. Le signal de mesure A et le signal de référence B sont appliqués aux deux en trées d'un comparateur de fréquence 18 qui délivre à sa sortie un signal d'erreur, positif ou négatif, appliqué à un dispositif 19 commandant l'alimentation électrique du moteur à induction linéaire 13. Si la vitesse du vent, c'est-à-dire la vitesse de rotation de l'hélice, et- par conséquent la fréquence du courant électrique sont inférieures aux valeurs nominales prévues, le comparateur 18 détecte que la fréquence du signal de mesure A est inférieure à la fréquence du signal de référence B et applique un signal d'erreur négatif au dispositif 19 lequel alimente alors le moteur 13 pour que ce dernier exerce sur le disque 15 un couple s'ajoutant au couple moteur dO au pas des pales.Par contre si la vitesse du vent, c'est-à-dire la vitesse de rotation et la fréquence tendent 8'dépasser les valeurs nominales fixées, le comparateur de fréquence 18 applique au dispositif de commande 19 un signal d'erreur positif et ce dispositif 19.alimente le moteur 13 en frein due manière que celui-ci exerce un couple négatif tendant à s'opposer et à réduire le couple mécanique du pas des pales 3. De ce fait le moteur 13 asure le maintien de la vitesse du rotor à une valeur constante d'où une période fixe du courant électrique alternatif produit, Si on ne demande pas une puissance supérieure à celle pouvant entre fournie par le vent. Le dispositif 19 commandant l'alimentation Slectri- que du moteur 13 peut etre également connecté à un anémo- mètre 21 permettant de prendre également en compte, pour le pilotage, la vitesse du vent, pour éviter le décrochement aérodynamique de l'hélice en cas d'insuffisance du vent. Par conséquent si la vitesse du vent tombe à une valeur basse, l'anémomètre 21 envoie au dispositif 19 un signal qui provoque alors l'alimentation du moteur 13 qui modère le couple positif sur le disque 15 pour éviter le décro-chement de l'hélice. L'alimentation électrique peut alors être fournie par la génératrice de l'aérogénérateur dès le démarrage effectué. Le couple fourni par le moteur linéaire 13 ne doit représenter qu'unie faible fraction du couple régulateur fourni par les pales 3,afin de ne pouvoir neutraliser celuici et de ne pouvoir également mettre en danger l'installation en cas d'anomalie. D'après la description qui précède on peut voir que la régulation centrifuge qui est mise en oeuvre dans I'aéro- générateur suivant l'invention, exige , pour son bon fonctionnement, e'est-à-dire pour que s'effectue une variation du pas des pales 3, une variation d'effet de la force centrifuge donc de la vitesse de rotation du rotor. Dans le cas où liaérogénérateur équipé d'un alternateur 16 synchrone ou asynchrone à faible glissement doit être couplé directement à un réseau électrique à période fixe, la variation de vitesse devient nulle ou insuffisante pour assurer la régulation précitée.La vitesse de rotation demeure donc constante mais la puissance fournie par l'hélice croit de façon incon tôlée avec la vitesse du vent, ce qui risque d'entraîner une détérioration de l'aérogènérateur tant dans ses parties électriques que mécaniques. Pour remédier à cet inconvénient on peut prévoir, suivant une caractéristique complémentaire de l'invention, un ralentisseur additionnel disposé de la m!ae manière que le moteur à induction linéaire 13 et utilisant le disque rotatif 15 pour la production de courants de Foucault en période de freinage. Ce ralentisseur additionnel est alimen té en fonction des courbes et d'un plafond d'intensité de courant de production déterminé par le biais d'un dispositif connu. Par conséquent ce ralentisseur additionnel intervient pour-limiter, à une vitesse fixe, la puissance de 12droge- négateur et éviter que des dommages lui soient causés. Suivant une variante de réalisation la butée Xlasti- que 12 pourrait astre portée par le bôti 1 du rotor au lieu de autre par le plateau de régulation 6 REVENDICATIONS.- 1.- Aérogénérateur comportant un rotor à- hélice à pas variable, dont les pales (3) sont montées pivotantes autour d'axes respectifs (4),en étant déséquilibrées dynamiquement de manière à avoir tendance à se mettre en drapeau, sous l'action de la force centrifuge, lorsque le rotor tourne, le rotor comportant également un dispositif de régulation comprenant un plateau de régulation coaxial (6) pouvant subir un débattement angulaire déterminé par rapport au rotor,des moyens de transmission (7-11) pour transmettre le mouvement de pivotement des pales (3) autour de leurs axes (4) à ce plateau de régulation (6) et des organes de rappel élastiques (5) disposés entre le bêti (1) du rotor et le plateau de régulation (6) afin de maintenir les pales (3) dans la position angulaire voulue, autour de leurs axes respectifs, lorsque le rotor tourne à sa vitesse nominale,la -liaison entre les pales (3) et le plateau (6) étant telle que le ralentissement du plateau par rapport au rotor entraîne une augmentation du pas des pales allant jusqu'd la mise en drapeau et qu'au contraire une accélération du plateau entraîne une diminution du pas, caractérisé en ce qu'il comporte une butée élastique (12) placée entre un point mobile du dispositif de régulation et un point de l'armature du rotor, et ce de telle façon que la butée élastique (12) , de course limitée, exerce une action, sur le dispositif de régulation, s'opposant à l'effort exercé par les organes de rappel élastiques (5) sur le plateau de régulation (6) , lorsque la vitesse de rotation du rotor devient légèrement inférieure à la vitesse de rotation nominale. 2- Aérogénérateur suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la butée élastique (12) est portée par le plateau de régulation (6) et elle coopère avec un doigt (13) solidaire du moyeu (2) du rotor. 3.- Aérogénérateur suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la butée élastique est portée par le bSti (1) du rotor. 4.- Aérogénérateur suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un moteur à induction linéaire (13) comportant un inducteur fixe (14) et un disque retorique (15) solidaire du rotor, et un dispositif (19) de commande de l'alimentation électrique de ce moteur à induction linéaire (13) , lequel est piloté par effet différentiel entre la période du courant électrique alternatif(A) produit par -l'alternateur (16) entraîné par le rotor et celle d'un signal électrique alternatif de référence (B) fourni par un oscillateur de réfdrehee tel7) 5.- Aérogénérateur suivant la revendication 4 caractérisé en ce que le signal de référence est fourni par exemple par un oscillateur de référence (17) ou tout autre moyen. 6.- Aérogénérateur suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte également un ralentisseur à courants Foucault agissant sur le 20 disque rotorique (15) solidaire du plateau de régu- lation (6) et qui est alimenté en fonction des courbes et d'un plafond d'intensité du courant de production pour limiter, à vitesse constante, la puissance de l'aérogénéra- teur.