Modélisation d'une centrale hydroélectrique (cas de la centrale de Mwadingusha)

2. PRINCIPALES METHODES DE REGLAGE ET REGULATEURS ASSOCIES

Les régulateurs de vitesse utilisés sur les turbines hydrauliques sont toujours à action indirecte, à cause de l'effort énorme nécessité par la commande du vannage. Ils sont de deux types principaux : les régulateurs purement tachymétriques qui agissent uniquement par la vitesse du groupe à régler et les régulateurs accélérotachymétrique, qui font intervenir à la fois la vitesse et l'accélération.

Dans les domaines des turbines hydrauliques, le régulateur comprend :

a) un régleur ou tachymètre, constitué par l'organe de mesure de la vitesse et les dispositifs d'ajustage

b) le servomoteur de commande du vannage et son tiroir de distribution.

L'entraînement du régleur peut s'effectuer soit à partir de l'arbre du groupe générateur, soit à partir des bornes de l'alternateur principal de ce groupe.

Ces deux cas vont être examinés :

Premier cas : - Le régleur est entraîné soit par l'arbre du groupe au moyen d'un dispositif mécanique, soit par un moteur qu'alimente un alternateur pilote, donc l'inducteur est formé d'aimants permanents ou d'enroulements alimentés spécialement au démarrage. Ainsi, l'entraînement du régleur est indépendant de la puissance fournie par l'alternateur.

Deuxième cas : - Le moteur du régleur est alimenté par le circuit de l'alternateur principal grâce à un transformateur spécial branché sur ce circuit.

Toute fois, comme un alternateur ne peut être excité que pour une valeur de la vitesse égale à environ 70% de la vitesse nominale, le réglage automatique ne peut être assuré que pour une vitesse supérieure. De plus, il y a lieu de prévoir un dispositif de sécurité pour le cas où la tension au démarrage demeurerait insuffisante (par exemple en cas de court-circuit), d'où résulterait un danger d'emballement du groupe.

Nous allons étudier maintenant le rôle de l'asservissement dans la stabilité du fonctionnement d'un régulateur.

2.1. Réglage tachymétries et régulateur associé

Considérons un équipement de réglage dans lequel un régulateur centrifuge à boules ou tachymètre A (figure II.2) commandé par l'intermédiaire d'une tige AC, supposée d'abord mobile autour d'un point fixe B, un système de tiroirs D, réglant l'admission d'un fluide moteur dans les deux extrémités d'un cylindre Q qui renferme un piston P dont la tige T actionne le vannage de la turbine.

Figure II.2. Régulateur tachymétrique avec asservissement

Si le groupe ralenti par suite d'une surcharge, le manchon du tachymètre A s'abaisse, le tiroir p₁p₂ s'élève, le fluide moteur est admis en e₁ et évacué en e₂ et le piston P se meut de droite à gauche ouvrant le vannage ; quand la vitesse revient à sa valeur normale, le tachymètre arrête à nouveau l'admission.

La théorie montre qu'un pareil régulateur ne peut assurer la marche d'une turbine : il pompe d'une façon permanente.

Cela tient au fait suivant : supposons que la vitesse du groupe varie suivant une loi sinusoïdale de période T₁ ; le déplacement du tiroir sens où il tend à ouvrir du tiroir, pris positivement dans le sens où il tend à ouvrir le vannage, exécutera une oscillation en opposition avec celle le l'écart de vitesse ; mais l'ouverture du vannage sera en retard de T₁/4 sur la courbe du tiroir et par la suite en avance de T₁/4 sur la courbe de la vitesse. L'ouverture de vannage et le couple seront donc maxima au moment où la vitesse ayant la valeur moyenne augmente vers son maximum et par suite l'oscillation sera entretenue.

Pour stabiliser le fonctionnement, il faut asservir le régulateur, c'est-à-dire faire en sorte que, comme dans un régulateur direct de machine à vapeur, à chaque position du tachymètre corresponde une vitesse bien définie : le régulateur asservi n'est pas isodrome, mais il a une certaine courbe caractéristique et un certain écart de réglage. On obtient ce résultat en rendant mobile le point B, autour duquel oscille la tige de commande AC ; l'articulation B est maintenant portée par une tige, coulissant dans des guides g₁ et g₂ et s'appuyant en permanence, par son poids ou par des ressorts non indiqués au moyen d'un galet G sur une came E, dite came d'asservissement, portée par la tige de commande du vannage. Grâce à la tige à la came d'asservissement, la position du point B varie avec l'ouverture du vannage et le couple développé, et à chaque degré de cette ouverture correspond une position d'équilibre différente du tachymètre et une valeur de la vitesse du groupe, comme dans un régulateur direct de machine à vapeur. En faisant varier la longueur de la tige d'asservissement, on fera varier la caractéristique du Régulateur et sa vitesse de régime pour une charge donnée.

L'écart de réglage, ou différence relative entre les vitesses à vide et en charge, nécessaire pour une stabilité convenable du système, est assez grand et il en résulte une trop forte variation de fréquence, inadmissible dans un groupe générateur à courant alternatif. Pour éliminer cet écart et le ramener à une valeur très faible, on utilise des compensateurs

Il existe des compensateurs des différents systèmes mécaniques, hydrauliques... mais le principe de leur action est le même, avec des modes de fonctionnement différents.

La compensation d'un régulateur asservi consiste à ramener lentement l'articulation B de la tige à une même place fixe, après que le réglage de vannage aura été effectué par le servomoteur avec déplacement convenable de ce point d'articulation.

Un schéma de compensation mécanique est donné à la figure précédente (figure II.2). La tige d'asservissement est composée d'une tige filetée H portant le galet G coulissant dans le guide g₁, et venant se visser dans le manchon L qui porte l'articulation B et glisse dans le guide g_2, et venant se visser dans le manchon L qui porte l'articulation B et glisse dans le guide g₁. En faisant tourner le manchon L à la main, ou mécaniquement, on ferait varier la caractéristique du régulateur et la vitesse correspondant à une charge donnée, comme il est dit plus haut.

Dans la compensation, on le fait tourner automatiquement au moyen d'un plateau de friction N, entraîné par un arbre R à mouvement lent et commandant le manchon par l'intermédiaire du plateau M.

Dès que par le jeu du réglage et de l'asservissement, le manchon L se déplace verticalement, le plateau N fait tourner le manchon jusqu'à ce qu'il revienne, par rotation autour de la vis H, présenter le plateau M dans l'axe du plateau N, seule position d'équilibre pour ce plateau M. Après tout réglage, la vitesse revient donc à la même valeur fixe, suffisamment d'une manière lente pour ne pas compromettre la stabilité du réglage.

Un régulateur asservit n'a donc plus d'écart de réglage en régime : sa caractéristique est une horizontale. Cette disposition convient fort bien pour la marche isolée d'un groupe générateur à courant alternatif, dont la fréquence est maintenue rigoureusement constante ; mais elle ne permet pas la marche en parallèle de groupes générateurs alternatifs, puisque la réparation de la charge entre groupes dépend uniquement des caractéristiques de régulateur et est définie, pour deux groupes, par l'intersection de ces caractéristiques après renversement des abscisses de l'une d'elles. Le groupe dont le régulateur fournirait la plus grande vitesse prendrait toute la charge, et entre deux groupes de vitesses rigoureusement égales, la répartition de charge serait indéterminée.

Un certain écart de réglage (au moins 3%) est nécessaire pour permettre la marche en parallèle de groupes alternatifs. Pour obtenir cet écart, il faut décompenser partiellement les régulateurs, en provoquant un léger déplacement de l'articulation B entre les marches à vide et à pleine charge. On y arrive par différents artifices, variables avec le mode de compensation employé ; dans le cas de la figure ci-dessus, on pourrait provoquer un léger déplacement vertical de l'arbre R et du manchon M (commandé par flexible à cet effet). Cet écart de réglage est le statisme, dont il serrait question un peu plus loin ; il détruit en quelque sorte l'effet de la compensation.