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Le principe de la commande par retour d’information sous sa forme la plus simple
Fonctionnement en boucle fermée : comment un régulateur peut modifier sa sortie en temps réel sur la base d’un retour d’information
Un régulateur est un dispositif qui maintient un régime moteur constant à l’aide de systèmes de commande et de surveillance en boucle fermée, tels que des capteurs magnétiques ou d’autres dispositifs de mesure de vitesse (tachymètres) permettant de mesurer la vitesse de rotation réelle. Le contrôleur de régulateur est un dispositif qui, dans le cas de charges présentant un phénomène de « course » (emballement), surveille l’écart entre la vitesse réelle et une consigne prédéfinie. À ce stade, le contrôleur calcule une action corrective et envoie une commande aux actionneurs de la commande des gaz ou de l’alimentation en carburant. Par exemple, une chute de régime de 5 % due à la charge se produit, et le débit de carburant est augmenté instantanément en quelques millisecondes. Ce cycle de rétroaction résout le problème de commande dans les systèmes en boucle fermée, et les signaux de rétroaction compensent des variables supplémentaires non prises en compte, telles que le frottement ou la dérive thermique, qui affectent la vitesse du régulateur. La régulation de vitesse par rétroaction revêt une importance capitale dans les applications relatives aux groupes électrogènes, où des écarts de régime aussi faibles que ±0,25 % entraînent des variations de la fréquence de la puissance.
Les trois éléments fondamentaux d’un régulateur nécessaires à son fonctionnement stable
Les composants requis pour un système de régulation stable de la vitesse comportent les trois éléments fondamentaux suivants, qui sont interdépendants.
- la consigne : régime cible étalonné (par exemple, 1800 tr/min pour les alternateurs de 60 Hz)
- le signal d’erreur : la différence mesurable et quantifiable, calculée activement et en continu (à raison de 50 à 100 fois par seconde)
- l'actionneur : système mécanique, hydraulique ou électronique exécutant les commandes et les ajustements du débit de carburant (papillon des gaz) (jusqu’à une réduction de 70 % du débit dans le système de commande du carburant) en cas de surrégime.
Le cycle complet du dispositif régulateur fonctionne simultanément selon trois composants interdépendants. Un régulateur PID (Proportionnel-Intégral-Dérivé) réduit le temps de réponse du système et améliore globalement les performances du régulateur, tout en garantissant un écart global de vitesse inférieur à 2 % face à des variations de charge allant de 0 à 100 %.
Mécanique du régulateur de vitesse centrifuge : mesure de la vitesse par équilibre des forces
Masselottes : force centrifuge contre force de rappel du ressort à différents régimes (tr/min)
Les masselottes tournent pour produire une force centrifuge proportionnelle au carré du régime moteur (tr/min). À des vitesses plus élevées, cette force l’emporte sur la résultante de la force de rappel du ressort. En conséquence, les masselottes se déplacent verticalement. Au point d’équilibre, où la force centrifuge égale la résultante de la force de rappel du ressort, la position verticale des masselottes correspond à une vitesse prédéfinie. Pour les régulateurs industriels, à 3 000 tr/min, la force centrifuge est supérieure de 15 à 20 % à la résultante de la force de rappel du ressort. Cela garantit une réponse proportionnelle, c’est-à-dire qu’en cas de pic de régime, une action corrective est déclenchée en moins de 0,2 seconde, conformément au principe fondamental de l’équilibre des forces en régulation de vitesse.
Commandes mécaniques et régulation de l’accélérateur : traduction du mouvement en modulation du débit de carburant
Le déplacement vertical des masselottes agit directement sur un levier d’accélérateur par l’intermédiaire d’un manchon. Il s’agit d’une traduction purement mécanique du mouvement, entraînant ainsi une réduction du débit de carburant de 8 % à 12 % pour chaque millimètre de déplacement du manchon sur les moteurs diesel. Un rapport de levier d’environ 4:1 à 6:1 est typique dans ce cas. Le facteur le plus important de cette conception est qu’elle est absolument fiable et ne nécessite aucune source d’énergie externe. L’énergie cinétique de l’ensemble tournant est largement suffisante pour contrôler la combustion et maintenir une vitesse constante.
Analyse de la réponse du régulateur de vitesse aux conditions de survitesse
Le régulateur de vitesse réagit aux conditions de survitesse, où l’action de freinage du régulateur est liée à la vitesse à laquelle se produit la survitesse.
L'objectif principal ici est de maintenir un certain niveau de décélération, car des conditions de sur-vitesse peuvent survenir en raison d'une charge accrue exercée sur le régulateur lorsque le moteur fonctionne avec ce dernier, et lorsqu'une charge est appliquée à l’installation supérieure à la charge nominale prévue pour le régulateur.
Limitations actuelles des régulateurs de vitesse
Les limitations des régulateurs de vitesse mécaniques traditionnels découlent des limites inhérentes à la précision du régulateur mécanique, du délai nécessaire au régulateur mécanique pour réagir à une variation de charge et de la vitesse à laquelle ce régulateur peut réagir à une telle variation. Les régulateurs mécaniques utilisent des systèmes à masselottes tournantes et des systèmes à ressort, qui introduisent une inertie mécanique importante dans le régulateur, ce qui entraîne un délai de réponse du régulateur à la correction requise, compris approximativement entre 300 et 500 millisecondes. Ce résultat signifie que le régulateur réagira à toute variation de charge dépassant les critères de conception d’environ 1 à 3 %, et que le régulateur de vitesse aura une vitesse maximale limitée.
Les régulateurs électroniques étendent les limites du système de régulation en utilisant des corrections du système de régulation commandées par microprocesseur, avec une fréquence d’environ 50 millisecondes. Cela permet une précision sans précédent du contrôle de la vitesse, à ± 0,25 % de la vitesse cible. Ce type de système de régulation assure également le contrôle de la vitesse lors de changements brusques de charge (perte de charge). Ces systèmes de régulation intègrent également des technologies telles que le GPS et l’assistance intelligente à la vitesse (ISA) pour les zones géorepérées (zones scolaires, zones de travaux), où la limitation maximale de vitesse est appliquée automatiquement, sans aucune intervention du conducteur. Des fonctions de télémétrie (notamment à des fins de diagnostic) sont également disponibles pour assurer une maintenance prédictive ; des études récentes sur l’efficacité des flottes font état d’économies de carburant allant de 4 à 7 %.
Frequently Asked Questions (FAQ)
Qu’est-ce qu’un régulateur de vitesse ?
Un régulateur de vitesse est un système qui maintient constant le régime moteur (tr/min) en fonction de la charge du moteur, en régulant la position de la commande d’accélérateur.
Comment fonctionne un régulateur de vitesse centrifuge ?
Dans un régulateur de vitesse centrifuge, l’augmentation de la vitesse déclenche l’écartement des masselottes sous l’effet de la force centrifuge, rompant ainsi leur équilibre. Cela initie une réponse du papillon des gaz proportionnelle à la tension exercée sur le ressort déclenchée.
Quelles sont les limitations des régulateurs de vitesse mécaniques ?
La plupart des régulateurs de vitesse mécaniques présentent des limitations dues à l’inertie des systèmes mécaniques, à une moindre précision et à une réponse plus lente, par rapport aux régulateurs de vitesse électroniques.
En quoi les régulateurs de vitesse électroniques constituent-ils une amélioration par rapport aux systèmes mécaniques ?
Les régulateurs de vitesse électroniques offrent également un temps de réponse plus court, une plus grande précision et une meilleure adaptabilité comparés aux systèmes mécaniques. Ils permettent également un contrôle de la vitesse du système dans diverses conditions avec une précision accrue.
