Brevet FR2998739A1 — publié le 20140530

- La présente invention concerne la régulation des groupes électrogènes. Un groupe électrogène est constitué par l'assemblage d'un moteur theimique et d'un alternateur. Afin de fournir une tension et une fréquence nominales, à la fois le moteur et l'alternateur sont équipés de moyens de régulation. Le moteur thermique est équipé d'un régulateur de vitesse électronique, intégré au système d'injection de carburant du moteur. La régulation de la vitesse du moteur repose entre autres sur la mesure de la vitesse de rotation de l'arbre du moteur, par exemple par un capteur comptant par unité de temps le nombre de dents d'une couronne dentée passant devant le capteur. Un calculateur d'injection du régulateur de vitesse détermine grâce au signal délivré par ce capteur le niveau d'injection de carburant de façon à maintenir la vitesse à une valeur prédéfinie, mais n'a pas une connaissance directe du niveau de charge qui est appliqué au moteur. Chaque variation de charge appliquée au moteur, que ce soit une augmentation ou une diminution, se traduit par une diminution ou une augmentation transitoire du régime moteur que le régulateur de vitesse tente de corriger par un niveau d'injection adéquat. Dans bon nombre de groupes électrogènes connus, c'est ainsi seulement grâce à la connaissance de la vitesse et du niveau d'injection que le régulateur détermine le niveau de charge qui est appliqué au moteur. Par ailleurs, le couple C demandé au moteur thermique est directement proportionnel au courant I en sortie de l'alternateur. En effet, la loi de puissance P du moteur thermique est : P = Cw, où w est la vitesse de rotation du moteur. La loi de puissance P de l'alternateur est : P = U.Icos(v), où U est la tension de sortie de l'alternateur et yo le déphasage entre le courant I et la tension U. Le moteur thermique et l'alternateur étant liés mécaniquement, on peut écrire, de façon simplifiée, que : C.w = U.Lcos(v). Lors de l'application d'une forte charge active, cos(9) devient proche de 1, et la tension de l'alternateur chute. L'alternateur est équipé d'un régulateur de tension qui corrige rapidement cette chute de tension en augmentant le courant dans la roue polaire. La variation de la charge se traduit également par une chute de vitesse, car le couple C demandé au moteur thermique augmente. Le moteur étant incapable de répondre instantanément à cette demande, sa vitesse w chute, car une partie du couple C est puisée dans la réserve d'énergie cinétique en rotation. La reprise de vitesse du moteur est essentiellement conditionnée par la rapidité de l'application d'une aide au moteur par le régulateur de tension. L'invention s'intéresse plus particulièrement mais non exclusivement aux groupes équipés de moteurs à turbocompresseur. Un inconvénient de ce type de moteur est la dégradation de ses performances si la turbocompression ne peut pas être lancée correctement. Or, une variation brutale de la charge est susceptible de ralentir trop fortement le moteur pour un fonctionnement correct de celui-ci. Lors du fonctionnement à vide, la pression d'admission d'air est proche de la pression atmosphérique mais dès que l'augmentation de la charge est appliquée au groupe électrogène, la vitesse du moteur chute à un tel point que, malgré la réaction du régulateur de vitesse sur le système d'injection, le flux de gaz d'échappement n'est pas suffisant pour lancer la ou les turbines des turbocompresseurs à leur régime de fonctionnement. Ces derniers sont alors incapables de faire augmenter la pression d'admission, nécessaire pour que le moteur soit capable d'accélérer et de retrouver sa vitesse nominale. Il existe donc un point limite qu'il faut éviter d'atteindre. De façon connue, l'aide au moteur est appliquée lorsque le moteur thermique a déjà chuté en vitesse et que sa vitesse est descendue en dessous d'une certaine valeur. Il est connu du brevet US 5 703 410 de contrôler le courant d'excitation d'un alternateur et l'injection de carburant à partir de la connaissance de la tension redressée en sortie de l'alternateur. Il est également connu de la demande EP 1 938 447 de commander l'actionneur d'admission de carburant d'un groupe électrogène grâce à un dispositif de contrôle délivrant un signal de commande se substituant à un signal de sortie du régulateur de vitesse lorsqu'une variation de charge est détectée. La demande US 2007/0228735 divulgue un système de production d'énergie dans lequel un dispositif de contrôle agit sur le générateur pour changer sa tension de sortie en réponse à une variation de la vitesse de rotation. Dans un exemple, le dispositif de contrôle 30 agit directement sur un pont de redressement commandé (SCR) et son contrôle prévaut sur la commande effectuée par le régulateur de tension. Dans cette situation, le régulateur de tension ne peut plus jouer son rôle et part en saturation complète. Un inconvénient de ce système est que lors du retour au fonctionnement normal, un à-coup aura lieu tant que le régulateur de tension ne se sera pas recalé. La demande DE 10 2004 017 087 décrit la régulation de l'injection de carburant dans un moteur au niveau du régulateur de vitesse, par la détection d'une modification de la charge. Cela implique de fabriquer un régulateur de vitesse spécifique. La demande US 2010/0241283 divulgue un procédé de régulation modifiant le courant d'excitation en cas d'augmentation de la puissance. Le régulateur de vitesse coopère étroitement avec le régulateur de tension, ce qui implique une conception intégrée du régulateur de tension ou du régulateur de vitesse, et une conception appropriée du régulateur de vitesse. Il existe un besoin pour améliorer encore les performances des groupes électrogènes, notamment sans changer la conception des régulateurs de vitesse préexistants, afin de gérer les variations de la charge et faciliter l'utilisation de moteurs à turbocompresseur. L'invention vise à répondre au moins en partie à ce besoin et elle y parvient, selon l'un de ses aspects, grâce à un procédé de régulation de l'injection de carburant dans un moteur thermique d'un groupe électrogène comprenant un alternateur entraîné par le moteur thermique, l'alternateur comportant un régulateur de tension, le moteur thermique comportant un régulateur de vitesse ayant une entrée pouvant recevoir une consigne de vitesse externe, le procédé comportant les étapes suivantes : - détecter une variation de couple et d'énergie cinétique du groupe électrogène par (les mesures électriques sur l'alternateur, - exercer, en fonction de l'amplitude de la variation de couple relativement au niveau d'énergie cinétique, une action sur l'entrée de la consigne du régulateur de tension et/ou du régulateur de vitesse. Grâce à l'invention, la connaissance du niveau de couple et d'énergie cinétique dès l'application d'une charge, et de la variation de couple ou d'énergie cinétique, permet d'appliquer instantanément une correction adéquate au groupe électrogène. Cette correction est possible grâce à la communication d'informations entre le régulateur de tension et le régulateur de vitesse, permettant notamment une modification de la valeur de consigne de vitesse du régulateur de vitesse du moteur thermique. Les performances du groupe électrogène sont augmentées sans autre modification de ses caractéristiques, ce qui permet de mettre en oeuvre l'invention avec peu de modifications, voire sans modification du régulateur de vitesse du moteur thermique et donc d'appliquer l'invention à des moteurs existants. Le régulateur de vitesse peut être réalisé sous la forme d'une ou plusieurs cartes électroniques, logées par exemple dans un ou plusieurs boîtiers propres au moteur thermique, et le régulateur de tension peut être réalisé sous la forme d'une ou plusieurs cartes électroniques, logées par exemple dans un ou plusieurs boîtiers propres à l'alternateur. L'action exercée sur l'entrée de la consigne du régulateur de vitesse peut consister à modifier la valeur de consigne de vitesse du moteur thermique, en l'augmentant ou en la diminuant. La régulation différenciée qui s'exerce grâce à l'invention s'effectue en fonction du niveau de couple et d'énergie cinétique, et de la variation de couple. L'amplitude de la 10 variation de couple peut être déterminée par rapport à la mesure précédente du niveau du couple. Ainsi, l'action peut être exercée seulement sur le régulateur de tension si l'amplitude de la variation de couple relativement au niveau d'énergie cinétique est inférieure à un seuil prédéfini. 15 L'action peut être exercée à la fois sur l'entrée du régulateur de vitesse et du régulateur de tension si l'amplitude de la variation de couple relativement au niveau d'énergie cinétique est supérieure à un seuil prédéfini. Ces seuils prédéfinis dépendent avantageusement des caractéristiques du moteur thermique et de celles de l'alternateur. 20 Les actions à exercer sur le régulateur de tension et/ou le régulateur de vitesse en fonction de la variation de couple et de l'énergie cinétique peuvent être déterminées par une loi de commande prédéfinie, par exemple préenregistrée dans une table, ou calculée en temps réel. La loi de commande peut être telle que définie dans le tableau ci-dessous : où Ej représente un niveau d'énergie cinétique, E1 Le groupe peut comporter un bus permettant l'échange d'informations entre le régulateur de tension et une interface utilisateur, laquelle peut se présenter par exemple sous la forme d'une armoire de contrôle située en un emplacement différent du régulateur de tension. L'échange des informations sur le bus s'effectue par exemple par un protocole de transmission série, par exemple CAN ou autre. Le groupe est équipé d'un système de régulation qui assure que la variation de données électriques en sortie de l'alternateur soit exploitée au mieux pour maintenir le moteur thermique dans une plage de fonctionnement adaptée. Ce système de régulation met en oeuvre le procédé défini plus haut. Toutes les caractéristiques de l'invention énumérées ci-dessus pour le procédé valent ainsi pour le groupe électrogène. Le système de régulation peut comporter un calculateur, notamment au niveau du régulateur de tension, qui détermine la variation de couple et d'énergie cinétique et, en fonction de l'amplitude de la variation de couple relativement au niveau d'énergie cinétique, exerce une action sur une entrée du régulateur de tension et/ou du régulateur de vitesse. Cela permet de diminuer le niveau de couple demandé au moteur thermique et/ou d'augmenter le régime de celui-ci, de préférence avant que le moteur n'ait ralenti. Ce système de régulation peut être intégré au régulateur de tension. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples non limitatifs de mise en oeuvre de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 représente un groupe électrogène selon l'art antérieur, la figure 2 représente un groupe électrogène selon l'invention, la figure 3 est un schéma en blocs illustrant un procédé selon l'invention, - la figure 4 illustre différentes plages de fonctionnement en fonction du niveau d'énergie cinétique et de la variation de couple, - la figure 5 représente, isolément, un alternateur et un régulateur de tension selon l'invention, et - les figures 6 et 7 représentent une variante d'alternateur selon l'invention. Un groupe électrogène selon l'art antérieur comporte, comme illustré à la figure 1, un moteur thermique 2 et un alternateur 3, auquel une charge est appliquée. Le moteur 2 comporte un régulateur de vitesse 4 qui est par exemple connu en lui-même, comportant un calculateur d'injection qui calcule l'injection (ou la commande des gaz) du moteur afin que la vitesse de rotation w soit maintenue constante autant que possible à une valeur nominale wn qui dépend de la polarité de l'alternateur et de la fréquence du courant de sortie recherchée, par exemple 1500 tr/min pour une fréquence de 50 Hz. Le moteur 2 comporte un capteur 5 de vitesse pouvant être, par exemple, inductif, capacitif ou optique. Le capteur 5 est par exemple disposé devant une couronne dentée entraînée en rotation par le moteur, et délivre des impulsions à une fréquence proportionnelle à la vitesse de rotation w. Le régulateur de vitesse 4 reçoit le signal du capteur 5 et calcule le niveau d'injection de carburant adéquat pour maintenir la vitesse. Le rotor 19 d'un alternateur 3 selon l'invention peut comporter, comme illustré à 10 la figure 5, un redresseur 17 composé d'un pont de diodes double alternance, alimentant à partir de l'induit d'excitatrice 7 un bus continu 23. L'alternateur 3 peut comporter au stator 20 un inducteur d'excitatrice 28, et l'enroulement d'induit principal 27 est relié à une charge 30, représentée schématiquement. La sortie d'un alternateur 3 selon l'invention alimente par exemple un réseau 15 triphasé, la vitesse wn nominale de rotation du moteur thermique 2 étant par exemple de 1500 tr/min, la fréquence nominale F' étant égale par exemple à 50 Hz, et la tension. nominale U' de sortie entre phases de l'alternateur étant par exemple de 400V. Le moteur thermique 2 est avantageusement un moteur turbocompressé, mais l'invention n'est pas limitée à un type de moteur thermique particulier. 20 Le régulateur de vitesse 4 comporte une entrée pouvant recevoir une consigne de vitesse externe. L'invention n'est pas limitée à un type particulier d'entrée, celle-ci pouvant être numérique ou analogique ou par communication. L'alternateur 3 comporte, comme illustré à la figure 2, un régulateur de tension 6 qui comporte un système de régulation agencé pour détecter une variation de la charge, à 25 partir d'une détection d'une variation du couple et/ou d'énergie cinétique du moteur thermique 2. Le régulateur de tension 6 peut être un régulateur numérique, mais l'invention n'est pas limitée à un type de régulateur de tension particulier. Le groupe électrogène 1 peut comporter, comme dans l'exemple décrit, une interface utilisateur 31 qui communique avec le régulateur de tension 6 et le régulateur de 30 vitesse 4, par exemple par l'intermédiaire d'un bus d'échange d'informations, par exemple par un protocole de liaison CAN, Mod Bus, CAN open, J1939, propriétaire, ou autre. Ainsi, le régulateur de tension 6 peut transmettre des informations au régulateur de vitesse 4, et notamment changer la valeur de consigne de vitesse. L'interface utilisateur 31 peut comporter un écran de contrôle, par exemple un analyseur de réseau ou un superviseur d'installation. L'interface utilisateur 31 peut effectuer par exemple la lecture et l'affichage des valeurs de tension, courant, puissance et température de l'alternateur 3. L'interface 31 peut permettre de régler la tension, le facteur de puissance, l'unité de puissance, le point de fonctionnement manuel, ou encore les gains de chaque boucle de régulation, et les paramètres de l'aide à l'optimisation des réponses en régime transitoire, le cas échéant. L'interface utilisateur 31 permet également de régler des paramètres de limitation, diverses options, et des paramètres dépendant du type d'alternateur utilisé. Le régulateur de tension 6 peut être alimenté par un générateur à aimants permanents 9 ou par tout autre moyen. Le régulateur de tension 6 comporte un calculateur 12, par exemple à microprocesseur, représenté à la figure 5, qui détermine le courant à appliquer dans la roue polaire 8 pour maintenir l'amplitude de la tension à une valeur de consigne qui par défaut est la tension nominale Un. La modification du courant dans la roue polaire 8 s'effectue notamment en diminuant le courant d'excitation de l'excitatrice, le régulateur de tension 6 agissant de façon conventionnelle sur ce courant. Dans une variante, la modification du courant dans la roue polaire 8 s'effectue 20 grâce à une modulation de largeur d'impulsion de la tension aux bornes de la roue polaire. Le régulateur de tension 6 calcule, lors d'une étape 101 représentée à la figure 3, les niveaux de couple et d'énergie cinétique. Ces niveaux sont calculés grâce à des informations concernant les grandeurs électriques en sortie de l'alternateur 3, par exemple à partir de la tension U entre phases en sortie de l'alternateur et du courant parcourant 25 l'enroulement d'induit principal 27 du stator 20, ce courant étant déterminé grâce à un capteur de courant 11 représenté à la figure 5. Au cours du fonctionnement du groupe électrogène, on examine si la valeur de couple a changé, ce qui correspond à l'étape 102 du schéma de la figure 3. Le cas échéant, on évalue l'amplitude de la variation de couple relativement au niveau d'énergie cinétique, à une 30 étape 103, afin de déterminer si une action doit être exercée sur l'entrée du régulateur de vitesse et/ou du régulateur de tension. Si la variation de couple est faible, ou si le niveau d'énergie cinétique est suffisamment élevé, aucune action n'est exercée. Le régulateur de tension 6 calcule alors à nouveau les niveaux de couple et d'énergie cinétique, comme indiqué en 104 sur la figure 3. Si l'amplitude de la variation de couple relativement au niveau d'énergie cinétique est inférieure à un seuil prédéfini, seule une action sur le régulateur de tension 6 est exercée, lors d'une étape 105. Enfin, si l'amplitude de la variation de couple relativement au niveau d'énergie cinétique est supérieure au seuil prédéfini, une action est exercée à la fois sur l'entrée du régulateur de vitesse 4 et sur le régulateur de tension 6, lors d'une étape 106. Le seuil prédéfini dépend des caractéristiques du moteur thermique 2 et de celles de l'alternateur 3. Différentes actions qui dépendent de l'amplitude de la variation de couple A relativement au niveau d'énergie cinétique E sont illustrées à la figure 4. Le domaine A correspond à une variation de couple A assez faible, et quel que soit le niveau d'énergie cinétique E, aucune action ne sera exercée. Le domaine B correspond à une variation de couple A moyenne, et une action sera exercée sur le régulateur de tension 6 seulement. Le domaine C correspond à une variation de couple A élevée, et quel que soit le niveau d'énergie cinétique E, une action sera exercée à la fois sur l'entrée du régulateur de vitesse 4 et sur le régulateur de tension 6. En cas d'augmentation de- la charge, l'action sur le régulateur de tension 6 comprend la modification de la valeur du courant dans la roue polaire 8, de manière à amener temporairement la tension U de sortie de l'alternateur 3 à une valeur inférieure à celle avant détection de la variation de couple et d'énergie cinétique, en vue de diminuer le niveau de couple demandé au moteur thermique 2. Une fois que la puissance du moteur a augmenté et que la vitesse de rotation w augmente, la valeur du courant dans la roue polaire 8 peut à nouveau être modifiée, de manière à ramener la valeur de la tension U de sortie à celle avant la variation de couple, 25 jusqu'à un point de fonctionnement nominal. L'invention n'est pas limitée à l'exemple qui vient d'être décrit en référence aux figures 2 à 5. Dans la variante représentée aux figures 6 et 7, le rotor 19 comporte un système de communication embarqué, et le bus continu 23 est relié à un système de commutation 18. 30 Un condensateur de filtrage 21 peut être prévu. Le système de commutation 18 peut être composé, par exemple, comme illustré d'une diode de roue libre 26 et d'un composant électronique commutable 25, tel qu'un transistor IGBT. Un contrôleur 13 commande le système de commutation 18 de façon à réguler, lorsque nécessaire, par modulation de largeur d'impulsion, la tension dans la roue polaire 8. Le rapport cyclique /3 de la modulation de largeur d'impulsion est fonction entre autres de la tension de sortie de la machine principale, de façon à maintenir autant que possible la tension délivrée par l'alternateur 3 à la valeur souhaitée. Le rotor 19 comporte dans l'exemple illustré un capteur de courant 10 pour mesurer le courant dans la roue polaire 8. La valeur du courant ainsi mesurée est transmise au contrôleur 13. Le régulateur de tension 6 au stator 20 est alimenté par une alimentation 32, et l'inducteur d'excitatrice 28 est bobiné, dans l'exemple décrit. Un système de communication sans fil HF est disposé entre le contrôleur 13 du rotor 19 et le régulateur de tension 6 du stator 20 de l'alternateur 3. Le système de communication sans fil est composé d'un module de transmission 14 disposé au rotor 19, d'un module de transmission 29 disposé au stator 20, et de voies de transmission sans fil 15 reliant lesdits modules. La valeur du courant dans la roue polaire 8, mesurée par le capteur de courant 10 du rotor 19, est transmise au régulateur de tension 6 du stator 20 par le système de communication sans fil 14, 15, 29. L'expression « comportant un » doit être comprise comme étant synonyme de « comportant au moins un », sauf si le contraire est spécifié.20 REVENDICATIONS1. Procédé de régulation de l'injection de carburant dans un moteur thermique (2) d'un groupe électrogène (1) comprenant un alternateur (3) entraîné par le moteur thermique, l'alternateur comportant un régulateur de tension (6), le moteur thermique comportant un régulateur de vitesse (4) ayant une entrée pouvant recevoir une consigne de vitesse externe, le procédé comportant les étapes suivantes : - détecter une variation de couple et d'énergie cinétique par des mesures électriques sur l'alternateur (3), exercer, en fonction de l'amplitude de la variation de couple relativement au niveau d'énergie cinétique, une action sur l'entrée de la consigne du régulateur de tension (6) et/ou du régulateur de vitesse (4). 2. Procédé selon la revendication 1, l'action exercée sur l'entrée du régulateur de vitesse (4) consistant à modifier la valeur de consigne de vitesse du moteur thermique (2). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, l'action étant exercée seulement sur le régulateur de tension (6) si l'amplitude de la variation de couple relativement au niveau d'énergie cinétique est inférieure à un seuil prédéfini. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, l'action étant exercée à la fois sur l'entrée du régulateur de vitesse (4) et sur le régulateur de tension (6) si l'amplitude de la variation de couple relativement au niveau d'énergie cinétique est supérieure à un seuil prédéfini 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, la valeur de consigne de vitesse du moteur thermique (2) étant transmise par le régulateur de 25 tension (6) au régulateur de vitesse (4) via un bus, notamment par une liaison série ou un signal analogique. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'action sur le régulateur de tension (6) comprenant la modification de la valeur du courant dans la roue polaire (8), de manière à amener temporairement la tension (U) de sortie de 30 l'alternateur (3) à une valeur inférieure à celle avant détection de la variation de couple et d'énergie cinétique, en vue de diminuer le niveau de couple demandé au moteur thermique (2). 7. Procédé selon la revendication précédente, la modification du courant dans la roue polaire (8) s'effectuant en diminuant le courant d'excitation de l'excitatrice. 8. Procédé selon la revendication 6, la modification du courant dans la roue polaire (8) s'effectuant grâce à une modulation de largeur d'impulsion de la tension aux bornes de la roue polaire. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, le moteur' thermique (2) étant un moteur turbocompressé. 10. Groupe électrogène (1) comportant un moteur thermique (2) et un alternateur (3) entrainé par le moteur thermique, le groupe électrogène étant adapté à 10 mettre en oeuvre le procédé de régulation de l'injection de carburant tel que défini dans l'une quelconque des revendications précédentes. 11. Système de régulation de l'injection de carburant dans un moteur thermique (2) d'un groupe électrogène (1) comprenant un alternateur (3) entraîné par le moteur thermique, l'alternateur comportant un rotor ayant une roue polaire (8) et un 15 régulateur de tension (6), le moteur thermique (2) comportant un régulateur de vitesse (4) ayant une entrée pouvant recevoir une consigne de vitesse externe et un capteur de vitesse (5), le système étant configuré pour détecter une variation de couple et d'énergie cinétique par des mesures électriques sur l'alternateur (3), et exercer, en fonction de l'amplitude de la variation de couple relativement au niveau d'énergie cinétique, une action sur l'entrée 20 de la consigne du régulateur de tension (6) et/ou du régulateur de vitesse (4) visant à diminuer le couple demandé au moteur thermique (2) et/ou à augmenter le régime de celui-ci. 12. Système selon la revendication précédente, comportant un contrôleur (13) tournant avec le rotor (19) et permettant de commander le courant dans la roue 25 polaire (8) par une modulation de largeur d'impulsion de la tension aux bornes de la roue polaire.