Brevet FR2622974A1 — publié le 19890512

Dispositif de déteotion et de mesure des oscillations hyposynchrones d'un arbre. notamment d'un arbre d'un groupe turbo-alternateur L'invention concerne la détection et la mesure des oscillations hyposynchrones d'un arbre et notamment d'un arbre d'un groupe turbo-al ternateur, de telles oscillations prenant naissance lors de contraintes occasionnelles engendrées par des perturbations électriques sur le réseau électrique auquel le groupe turbo-alternateur est relié. Parmi les sources de perturbations on peut citer la compensation série des lignes de transmission de courant alternatif, les systèmes de transmission de courant continu sous haute tension (HVDC), les convertisseurs alternatif continu. Les contraintes engendrées se traduisent par des torsions de la ligne d'arbre du groupe turbo-alternateur, qui peuvent provoquer une résonance hyposynchrone entre le groupe et la ligne de transmission. Les perturbations entrainent une fatique de la ligne d'arbre du groupe, et la connaissance de la valeur descontraintes de torsion, c'est-à-dire des déplacements angulaires de la ligne d'arbre, permet de connaitre les fatigues subies par ladite ligne d'arbre, afin d'éviter les risques de rupture de celle-ci. La détection des déplacements angulaires se fait habituellement par des capteurs optiques placés sur la ligne d'arbre et la mesure des oscillations est effectuée par un dispositif de mesure placé à proximite des capteurs. D'une part le fonctionnement des capteurs optiques peut être perturbé par des projections d'huile, notamment le capteur situé entre l'alternateur et le réducteur de vitesse, et d'autre part par I'humidité ambiante, celle-ci constituant également un environnement climatique sévère pour les circuits électroniques du dispositif de mesure. Le but de l'invention est de réaliser un dispositif de detection et de mesure des oscillations hyposynchrones dont les- performances soient indépendantes des conditions d'environnement précitées. L'invention a pour objet un dispositif de détection et de mesure des oscillations hyposynchrones d'un arbre, notamment celui d'un groupe turbo-alternateur, caractérisé par le fait qu'il comprend un premier et un deuxième ensembles de détection et un circuit de mesure et que chaque ensemble de détection est constitué par un capteur électromagnétique et un circuit de détection relie au circuit de mesure, ledit capteur comportant une partie fixe et une partie mobile solidaire de l'arbre et comportant des dents réparties uniformément qui viennent couper un flux magnétique de la partie fixe, ledit circuit de détection délivrant une impulsion à chaque coupure dudit flux magnétique. Le dispositif de détection et de mesure des oscillations hyposynchrones de l'invention est constitué par deux ensembles de détection et un circuit de mesure. Chaque ensemble de détection comprend un capteur électromagnétique associé à un circuit de détection, le capteur étant constitué d'un circuit magnétique fixe et de repères mobiles solidaires de l'arbre du groupe turbo-alternateur, lesdits repères coupant, lorsque l'arbre est en rotation, un flux magnétique du circuit magnétique ; les coupures du flux magnétique sont détectées par le circuit de détection associé qui délivre une impulsion à chaque coupure du flux. Les repères mobiles d'un capteur et ceux de l'autre capteur sont fixés en deux endroits de l'arbre entre lesquels on veut mesurer les oscillations.Les circuits de détection sont reliés au circuit de mesure qui élabore une impulsion lorsque l'écart de temps entre les impulsions délivrées par les circuits de détection est supérieur à une valeur T max correspondant à un angle de torsion maximal admissible de l'arbre en régime de charge constant, c'est-à-dire à un écart angulaire maximal Q max entre les repères des deux capteurs ; un compteur comptabilise les impulsions ainsi élaborées. L'invention sera bien comprise par la description ci-après d'un exemple de réalisation non limitatif illustré par les figures annexées dans lesquelles - la figure 1 est une vue schématique en perspective, d'un capteur de l'invention, - la figure 2 est une vue agrandie du capteur de la figure 1, - la figure 3 est une vue schématique d'un ensemble de détection de l'invention, - les figures 4A, 4B sont des diagrammes expliquant le fonctionnement de l'ensemble de détection de la figure 3, - la figure 5 est une vue schématique du dispositif de détection et de mesure de l'invention, - la figure 6 est un schéma du circuit de mesure de l'invention, - les figures 8 et 9 sont des diagrammes expliquant le fonctionnement du circuit de mesure de la figure 7. La figure 1 représente un capteur électromagnétique comportant un disque 1 calé sur l'arbre 2 du rotor de la machine 3 et un circuit magnétique 10 en forme de E. Le disque 1 comporte plusieurs dents 1A, quatre par exemple, en matériau amagnétique, cuivre ou aluminium par exemple, le disque étant en matériau magnétique ou amagnétique. Dans la figure 2, qui est une vue agrandie du circuit magnétique 10 et de la dent 7A, le circuit magnétique comporte une branche centrale 11, une première branche latérale 12 et une deuxième branche latérale 13, ces trois branches étant réunies par une armature commune 14 ; le circuit magnétique est réalisé en matériau feuilleté à cristaux orientés, ou en ferrite. La branche centrale 11 comporte un enroulement 11A ayant m spires ; la première branche latérale 12 comporte un enroulement 12A ayant n spires ; la deuxième branche latérale 13 comporte un enroulement 13A ayant N spires, N étant supérieur à n, d'où N = n+n' pour des raisons explicitées plus loin, ou prendra n' voisin de 2n. Les enroulements 12A et 13A sont en série, mais bobinés en sens inverse de manière que pour un même sens de circulation des flux magnétiques dans les deux branches latérales 12 et 13 les tensions créées aux bornes de chaque enroulement 12A et 13A soient de signe opposé. L'enroulement 71A est alimenté par une tension alternative Ve7 en provenance d'un circuit électronique qui sera décrit plus loin. Cette tension induit une tension Ve2 dans l'enrou- lement 12A et une tension Ve3 dans l'enroulement 13A, de sorte qu'on recueille, aux bornes des enroulements 12A et 13A en série,. une tension résultante Vs = Ve2 - Ve3 qui est renvoyé au circuit électronique de détection. On désigne par 12 le flux magnétique passant de la branche centrale 17 à la première branche latérale 12, et par 13 le flux magnétique passant de la branche centrale tl à la deuxième branche latérale 13 ; par construction on a 12 = 13 Le circuit magnétique 10 et le disque 1 sont disposés de manière que le flux magnétique 013 soit interrompu par le passage de la dent 1A du disque 1. Lorsque la dent 7A ne vient pas gêner le passage du flux 13 il existe les relations ci-après Ve2 = K n 0 avec 0 = KlVel Ve3 - K (n+n') ou K est un coefficient. Il en résulte que la tension de sortie Vs prend la valeur Vsl Vsl = K n Vsi = - Kn' Lorsque la dent 1A vient empêcher le passage du flux 13, ce dernier s'annule, mais par contre tout le flux passe de la branche centrale 11 à la première branche latérale 12 et il vient les relations Ve2 = K.n.2 Ve3 = K (n+n')13 = O 0 et la tension de sortie Vs prend la valeur Vs2 Vs2 = Ve2 = K.2.n. On constate donc que les tensions résultantes Vsl et Vs2 sont déphasées de 1800, la tension résultante Vsl étant elle-même déphasée de 1800 par rapport à la tension d'alimentation Vel. D'autre part on constate que si l'on a n' = 2n, les tensions résultantes Vsl et Vs2 ont même amplitude, de sorte que la présence d'une dent entre la branche centrale 11 et la deuxième branche latérale 13 se traduit uniquement par un déphasage de 1800 de la tension résultante VS2 par rapport à la tension. résultante Vsl en l'absence de dent. Ce déphasage de 1800 introduit par la dent a lieu sur une fraction de déplacement de l'arbre 2, ce qui permet de connaître avec précision la position angulaire de l'arbre, et en particulier les oscillations hyposynchrones comme cela sera explicité plus loin. Un circuit de détection électronique permet la détection du déphasage ; il peut être placé à grande distance de l'arbre, à l'abri des perturbations électromagnétiques et dans un environnement exempt d'humidité et de poussières. Comme représenté figure 3, ce circuit de détection comprend un émetteur 20, un circuit récepteur 21 et un comparateur de phase 25. L'émetteur 20 et l'enroulement 11A sont reliés par un câble blindé 18. L'émetteur 20 est un oscillateur à fréquence fixe et stable, par exemple à quartz. La fréquence est choisie telle que l'accord du câble 18 sur son impédance caractéristiques ne soit pas critique. La fréquence dépend également du degré de précision recherché. Pour une machine à deux paires de pôles tournant à 3000 tours/minute une fréquence de 200 kHz assurera une précision de l'ordre du deuxième de degré sur la position de la dent lors du changement de phase. Le circuit récepteur 21, relié aux enroulements 12A et 13A par un câble blindé 19, comprend un transformateur d'isolement 22, un filtre accordé 23 pour éliminer tout signal parasite éventuel qui aurait une fréquence différente de celle de l'émetteur, et un amplificateur 24 permettant de rendre le fonctionnement indépendant de l'amplitude du signal reçu. La phase du signal d'émission et celle du signal S1 issu de l'amplificateur 24 sont comparées dans le comparateur 25, de type numérique par exemple. Si, comme représenté figure 4A, on déphase, hors dent, le signal S1 de telle façon que sa phase avec le signal émis eî soit de 90 degrés, on aura, comme représenté figure 4B, un déphasage de 90 + 180 = 270 degrés lorsque la dent sera engagée dans le circuit magnétique 10. A chaque front de montée du signal émis el le comparateur mémorise l'état du signal résultant reçu, c'est-à-dire du signal S1, cet état ayant la valeur O lorsque la dent n'est pas engagée (figure 4A) et la valeur 1 lorsque la dent est engagée (figure 4B). Pour cela le comparateur est avantageusement une bascule de type D dont l'entrée horloge est commandée par le signal émis, le signal I délivré par la bascule, figure 5, a donc la forme d'impulsions de valeur 1 lorsque la dent est engagée dans le circuit magnétique ; il y a bien évidemment autant d'impulsions par tour qu'il y a dents sur le disque, les dents étant réparties de manière uniforme. Le capteur et le circuit de détection constituent un ensemble de détection. La figure 6 représente, schématiquement, et en perspective, le dispositif de détection et de mesure de l'invention et un ensemble turbo-alternateur. Un altermateur 29 et une turbine 30 sont montés sur un arbre 2. Le dispositif de détection est constitué par deux ensembles de détection et un circuit de mesure 37. Un premier capteur est situé du côté de l'alternateur 29 et est constitué par un disque 31 calé sur l'arbre 2 et un circuit magnétique 33 ; un deuxième capteur est situé du côté de la turbine 30 et est constitué par un disque 32 calé sur l'arbre 2 et un circuit magnétique 34. Un premier circuit de détection 35 est relié par la liaison L1 au circuit magnétique 33, et un deuxième circuit détection est relié par la liaison L2 au circuit magnétique 36. Le circuit de mesure 37 est relié aux deux circuits de détection 35 et 36. Les disques 31 et 32 comportent des dents Ri, R2, respectivement ; les positions relatives des disques et des circuits magnétiques sont telles que lorsque l'alternateur n'est pas couplé au réseau, une dent R1 du disque 31 coupe un flux du circuit magnétique 33 en même temps qu'une dent R2 du disque 32 coupe un flux du circuit magnétique 34. Si les circuits magnétiques 33 et 34 sont alignés sur une ligne parallèle à l'axe X'X de l'ensemble turbo-alternateur, les disques 31 et 32 sont calés sur l'arbre 2 de manière à ce que une dent R1 du disque 31 et une dent R2 du disque 32 soient alignées à tout moment sur une même ligne parallèle à l'axe X'X. En l'absence de couple sur l'arbre 2, c'est-à-dire lorsque le groupe turbo-alternateur est à vide, l'alternateur n'étant pas couplé au réseau électrique, les dents R1 et R2 sont alignées et ne présentent aucun décalage temporel. Lorsque l'alternateur est couplé au réseau et débite sur celui-ci, un couple de charge apparait sur l'arbre 2, et en supposant que ce couple de charge soit constant et bien établi, la dent R1 prend un retard ou déphasage angulaire Q par rapport à la dent R2, de sorte que chaque fois qu'une dent R1 du disque 31 coupe un flux du circuit magnétique 33 le premier circuit de détection 35 délivre un signal en retard par rapport au signal délivré par le deuxième circuit de détection 36 et ce retard reste constant tant que le couple de charge ne varie pas. Si une perturbation apparait sur le réseau électrique, le couple de charge varie, et le retard angulaire Q varie également. En régime d'oscillations mécaniques de l'arbre 2, une dent R1 est en retard puis en avance par rapport à une dent R2, le déphasage angulaire O' étant une fonction du temps et de la forme O' = 0* sin (wt) + Qo, dans laquelle Q o est le déphasage initial avant la perturbation, O' l'amplitude de déphasage donc des oscillations, et w la pulsation des oscillations de l'arbre engendrées par la perturbation. Dans la figure 6 les circuits de détection 35 et 36 sont du type représenté figure 3. La figure 7 représente un exemple de réalisation du circuit de mesure 37 de la figure 6. Le circuit de mesure 37 comprend une première, 45, et une deuxième, 46, voies de détection, une porte OU 42 reliée en sortie de chacune des voies de détection, un compteur 43 relié en sortie de la porte OU , une bascule monostable 47 ayant une entrée reliée en sortie de la porte OU 42 et une sortie reliée à une entrée de remise à zéro. du compteur 43, un comparateur 48 ayant une entrée reliée en sortie du compteur 43, une autre entrée reliée en sortie d'un circuit de présélection 49, et une sortie reliée en entrée d'une bascule 50 de type R/S, ladite bascule 50 ayant une entrée de remise à zéro reliée à un fil 51 ; l'entrée de la première voie de détection 45 est reliée en sortie du premier circuit de détection 35, et l'entrée de la deuxième voie de détection 46 est reliée en sortie du deuxième circuit de détection 36. Les deux voies de détection sont identiques et constituées chacune de deux bascules monostables et d'une porte ET en série. La première voie de détection est constituée par une première bascule MtO et une deuxième bascule Mil, et une porte ET40 ayant une entrée reliée en sortie de la deuxième bascule et une autre entrée reliée en sortie du deuxième circuit de détection 36. La deuxième voie de détection est constituée par une première bascule M20 et une deuxième bascule M21 et une porte ET 41 ayant une entrée reliée en sortie de la deuxième bascule et une autre entrée reliée en sortie du premier circuit de détection 35. Les premières bascules M10 et M20, lorsqu'elles reçoivent une impulsion, délivrent chacune une impulsion de largeur Tmax qui correspond à un décalage angulaire amax entre les dents R1 et R2 des disques 31 et 32 de la figure 6, ce décalage angulaire maximal étant obtenu pour le couple maximum admissible sur l'arbre de la machine, et correspondant à l'angle maximal de torsion de l'arbre admissible en régime permanent. La largeur Tmax est donc une image du couple maximal, donc de l'angle de torsion maximal. Les deuxièmes bascules M71 et M21 délivrent chacune une impulsion de largeur tl. Comme illustré sur les figures 8 et 9 qui représentent, en fonction du temps divers signaux de la figure 7, les premières bascules M10 et M20 sont déclenchées par le front montant des impulsions des signaux I1 et I2 délivrés par les circuits de détection 35 et 36 ; les deuxièmes bascules M11 et M21 sont déclenchées par le front descendant des impulsions délivrées par les premières bascules M10 et M20. La figure 8 représente divers signaux du circuit de mesure 37 dans le cas où le déclage angulaire entre les dents R7 et R2, figure 6, reste inférieur au décalage angulaire maximal Qmax dans cette figure on a représenté trois positions relatives des signaux I7 et I2 délivrés par les circuit de détection 35, 26 à gauche de cette figure le signal I7 est en retard sur le signal I2 ; au milieu de la figure les signaux sont en phase ce qui correspond à décalage angulaire nul ; à droite le signal I1 est en avance sur le signal I2 ; les signaux V1 et V2 en sortie des portes ET 40 et 41 restent à zéro, de même que le signal D en sortie de la porte OU 42. La figure 9 concerne le cas ou le décalage angulaire est supérieur à Qmax ; à gauche de cette figure le signal I1 est en retard sur le signal I2, et à droite c'est l'inverse, ce qui signifie que le décalage angulaire entre les dents R1 et R2 s'est inversé. A gauche de la figure 9, lorsque l'impulsion du signal I1 est présente et appliquée à la porte ET 41, celle-ci reçoit i'impulsron du signal 121 et délivre une impulsion (signal V2) qui est appliquée à la porte OU 42 et le compteur 43 reçoit une impulsion (signal D). A droite de la figure lorsque l'impulsion I2 est présente et appliquée à la porte ET 40, celle-ci reçoit l'impulsion du signal I71 et délivre une impulsion (signal V7) qui est appliquée à la porte OU 42 et le compteur 43 reçoit une impulsion (signal D). Les impulsions des signaux I11 et I21 permettent donc la prise en compte des impulsions des signaux I1 ou I2 dès lors que le décalage angulaire est supérieur à Qmax ce qui se traduit dans le circuit de mesure 37 par un retard entre les impulsions des signaux I1 et I2 supérieur à Tmax ; le compteur 43 comptabilise les impulsions du signal D qui sont comptées sur un nombre prédéterminé pendant un temps donné, avant de provoquer soit le déclenchement du groupe turbo-alternateur soit une action sur les systèmes de régulation du groupe afin d'enrayer l'entretien des oscillations hyposynchrones. Ledit nombre prédéterminé et ledit temps donné sont fonction des caractéristiques du groupe turbo-alternateur. La bascule monostable 47 permet de fixer le temps de comptage du compteur 43 ; elle est déclenchée par l'impulsion délivrée par la porte OU 42. Le nombre prédéterminé d'impulsions est donné par le circuit de présélection 49 qui mémorise ledit nombre prédéterminé. Si, lorsque la bascule monostable 47 a été déclenchée et n'est pas revenue au repos, le compteur comptabilise un nombre d'impulsions égal au nombre prédéterminé d'impulsions, le comparateur 48 délivre une impulsion qui arme la bascule R/S 50 et fait passer sa sortie à la valeur 1, ce qui correspond à un signal de défaut. Après élimination du défaut le circuit de mesure est remis en service par remise à zéro de la bascule R/S 50, cette remise à zéro étant effectuée en appliquant un signal sur le fil 51 la remise à zéro peut être automatique ou manuelle. Si la bascule monostable 47 revient au repos avant que le compteur 43 n'ait atteint ledit nombre prédéterminé d'impulsions, le compteur est remis à zéro lorsque la bascule 47 revient au repos. Ensuite, si la porte OU 42 délivre une impulsion celle-ci déclenche la bascule monostable 47 et fait avancer le compteur d'une unité, initiant ainsi un nouveau cycle de mesure. A la figure 6 on a représenté, à titre d'exemple, quatre dents sur chaque disque ; d'une manière génrale le nombre de dents par disque sera choisi de manière telle que la fréquence des impulsions des signaux I1 et I2 soit au moins égale à deux fois la fréquence des oscillations hyposynchrones. Bien entendu la mesure des oscillations hyposynchrones peut être effectuée pour différents tronçons de l'arbre. Pour cela les capteurs sont disposés à chaque extrémité d'un tronçon, et un circuit de mesure est utilisé pour chaque tronçon. Si deux tronçons de l'arbre se suivent on utilisera un capteur commun à ces deux tronçons, et le circuit de détection associé à ce capteur sera relié aux deux circuits de mesure. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de détection et de mesure des oscillations hyposynchrones d'un arbre, notamment celui d'un groupe turbo-alternateur, caractérisé par le fait qu'il comprend un premier et un deuxième ensembles de détection et un circuit de mesure (3t) et que chaque ensemble de détection est constitué par un capteur électromagnétique et un circuit de détection (35) relié au circuit de mesure (37), ledit capteur comportant une partie fixe (10) et une partie mobile (1) solidaire de l'arbre (2) et comportant des dents réparties uniformément qui viennent couper un flux magnétique de la partie fixe, ledit circuit de détection (35) délivrant une impulsion à chaque coupure dudit flux magnétique. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit de mesure (37) comprend des moyens (M10, Mil, M20, M21, 40, 41, 42) pour élaborer une impulsion lorsqutune-impulsion du premier ensemble de détection et une impulsion du deuxième ensemble de détection ont un écart temporel supérieur à une valeur Tmax correspondant à un angle de torsion maximal admissible de l'arbre en régime de charge constante, et des moyens (43) pour compter les impulsions ainsi élaborées. 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite partie fixe comprend - un circuit magnétique (10) en forme de E comprenant trois branches parallèles (11, 12, 13), . une branche centrale (71) comprenant un enroulement (11A) ayant m spires alimentées par un oscillateur (20), de fréquence f, . une première branche latérale (12) comprenant un enroulement (12A) ayant n spires, une deuxième branche latérale (13) comprenant un enroulement ayant n+n' spires, n'étant voisin de 2n, . les enroulements des branches latérales étant bobinés en sens inverse et connectés en série, et reliés au circuit de détection (35) auquel ils délivrent un signal de même fréquence que l'oscillateur, - et que les dents de la partie mobile passent entre la branche centrale (11) et la deuxième branche latérale (13) pour coupure du flux magnétique entre ces branches, le signal délivré par les enroulements des branches latérales subissant un déphasage de 1800 lors du passage d'une dent. 4/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le circuit de détection (35) comporte des moyens (25) pour comparer la phase entre un signal de l'oscillateur et le signal qu'il reçoit et délivrer une impulsion lorsque ledit signal qu'il reçoit subit un déphasage de 1800.