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Procédé pour la synchronisation de machines synchrones. pour la mise en service rapide de machines synchrones, comme c'est nécessaire par exemple lors de 1' adjonction de ma.. chines pour couvrir des débits en pointe dans le réseau, on a créé des dispositifs DE synchronisation à l'aide desquels., après que la machine synchrone a obtenu une vitesse de rotation correspondant approximativement à la fréquence du réseau,elle la est raccordéedirectement au réseau avec interea Lation de bobines de selfinduction ou de résistances ohmiques. L'excitation de la machine synchrone est alors réglée à 'une valeur qui vaut envi- ron de 10 à 20 % de l'excitation normale.
La machinese synchro- nise alors avec une grande durée d'oscillation propre corresponda@
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à la diminution de 1' excitation, tandis que le courant du stator se met, avec des oscillations, progressivement en concordance avec le courant débatte considérable correspondant à 1.. grande sou@-excitation. La présente invention concerne un procède dans lequel ces oscillations propres de la machine synchrone sont rac- courcies considérablement et dans lequel en outre l'absorption, nuisible pour le réseau, de courant déwatté par la machine syn- chrone est réduite au minimum.
Suivant la présente invention, immédiatement après la fermeture du commutateur principal, l'excitation de la machine synchrone est renforcée progressivement et de préférence auto- matiquement. Par ce renforcement de l'excitation, on élève en outre le moment synchronisant de la machine en oscillation, ce qui est important spécialement lorsque la synchronisation se fait sous charge ou sous commande de la machine. (ce dernier cas se présente en général dans les commandes à turbines à eau, pour des raisons de réglage). Le renforcement de l'excitation est en outre avantageux lorsqu'on doit synchroniser en présence d'un moment de force dans l' allure hypersynchrone, ou bien dans l'allure hyposynchrone en présence d'un moment de charge.
Avec le renforcement de l'excitation, après la fermeture du commuta- teur principal, s'abaisse également, malgré que la machine syn- chrone exécute encore des vibrations, le débit déwatté absorbé.
On peut alors utiliser cette diminution du courant déwatté tra- versant les bobines de selfinduction ou les résistances ohmi- nues intercalées, lorsqu'on passe en¯dessous d'une valeur dé- terminée, pour la mise hors circuit automatique des bobinas de selfinduction ou des résistances ohmiques (par exemple par fer- meture d'un commutateur de court¯circuit). On raccourcit ainsi la durée de l'opération totale de synchronisation.
L'invention va être expliquée à l'aide du dessin ropré- sentait un exemple de réalisation. La génératrice synchrone 1 doit être raccordée par l'intermédiaire du atrice synchrone et
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du commutateur principal 3 au réseau triphasé 4. 5 est la machi- ne excitatrice l'excitation propre, qui est accouplée à la géné- ratrice synchrone et qui alimente le circuit d' excitation 6 de la génératrice. 7 est une résistance ohmique qui est interca- lée dans ce circuit d'excitation et qui lorsqu'elle est mise en- fièrement en circuit, réduit 1' excitation de la machine 1 à en- viron 10 à 20 % de l'excitation normale.
8 est un relais qui est placé sous la dépendance du commutateur 3 et qui met en court- circuit la résistance 7 lors de la fermeture du commutateur
9 sont les bobines de selfinduction intercalées avant la machine synchrone. L'opération de synchronisation s'effectue alors de la manière suivante.
La génératrice 1, qui est accouplée par exem- ple à une turbine à eau, est amenée 'd'abord à @@ nombre de @@@ss approximativement synchrone, tandis que son excitation est réduite à la valeur mentionnée par suite de l'intercalation de la résistance 7. Le commutateur 5 est alors fermé de façon que la machine 1 passe avec oscillations à l'état synchrone En même temps que se fait la fermeture du commutateur 3, l'excita- tion de la machine 1 est renforcée par la mise en court-circuit de la résistance 7.
Ce renforcement ne se produit p as instanta- nément mais sous la dépendance d'une constante de temps qui est donnée essentiellement par l'inductivité et par la résistance ohmique du circuit d'excitation. Suivant la valeur de la résis- tance 7 mise hors d'action par mise en court-circuit, l'accrois- sement progressif de l'excitation peut être influencé dans de larges limites.
Des recherches plus approfondies ont montré qu'a- vec les excitations initiales usuelles de 10 à 20 %, la constante de temps, suivant laquelle 1'excitation croît après la femeture du commutateur principal, doit avoir approximativaent une, valeur double de la durée de vibration propre de la machiné synchrone, la pleine excitation étant supposée pour cette durée de vibration propre.
Dans de cas le courant oscillant su stator s'abaisse rapi- dement au cours de l'oscillation, à partie de/sa valeur initiale
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qui pour une impédance
W L = 0,5 E/J se maintient dans les limites de ]. à 1,3 fois le courant nor¯ mal suivant la valeur de la réaction d'induit de la machine considérée, et en particulier déjà les premières amplitudes de l'angle de la roue à pôle, qui influencent la stabilité de la machine, sont fortement diminuées.
Pour la mise hors circuit automatique en temps voulu des bobines de selfinduction 9 après la période de vibration ou à la fin de la période de vibration de la machine ]., on a prévu un relais 10 Qui est commandé par la tension appliquée aux bo- bines de selfinduction 9 et qui met les bobines de selfinduction hors circuit par fermeture d'un commutateur de court-circuit 11 lorsqu'on passe en-dessous d'une tension déterminée, comme pendant la période de vibration le courant circulant dans Les bobines de selfinduction 9 ne diminue pas de façon continue mais avec des vibrations superposées,
le ralais 10 possède un dispositif de retardement à temps qui compense l'influence de ces vibrations et empêche un fonctionnement prématurédans le cas d'un minimum de courant provoflué par les vibrations superposées, Il va de soi que le relais 10 pourrait, au lieu d'être commandé par la tension des bobines de selfinduction, être commandé aussi par un transformateur de courant situé dans le circuit primaire de la machine 1.
Lorsque des résistances ohmiques sont intercalées avant la machine synchrone, il est avantageux de diminuer, en même temps que se fait le renforcement de l'excitation, la grandeur de ces résistances phimques, par exemple ::;.' ,Il' miss ;;.il court¯cir¯ cuit progressive. Si ceci ne se fait pas, les résistances ohmi¯ flues peuvent dans certaines circonstances diminuer le moment de synchronisation lorsque l'excitation augmente. La mise en court.-.circuit des résistances peut être réalisée automatique-
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ment par des moyens connus.
Dans le proeédé indiqué au début, la machine est raccor- dée au réseau à un instant arbitraire pour ce qui concerne la cor respondance' de phase. Pour cette raison, la machine est éga- lement sous-excitée pour empêcher autant que possible un choc de courant de court-circuit. Malgré cela, la fermeture du com- mutateur principal au moment déf avorable peut provoquer en cas d'opposition de phase des courants de compensation intenses, et compromettre ou retarder éventuellement l'opération de synchr< nisation.
On peut par conséquent prévoir suivant la présente invention des montages à relais qui font en sorte que la ferme- ture du commutateur prineipal n'est possible que dans le voisi- nage de l'égalité de phases et en..dessous d'une valeur détermi- née de la fréquence de glissement réciproque des tensions à syn- chroniser, tandis qu'en outre la disposition peut avantageuse- ment être telle que l'impulsion pour la fermeture du commutateur principal est donnée déjà avant l'obtention de l'égalité de pha- ses, pour compenser le retardement donné par le mécanisme de com- mutation De semblables montages d'arrêt automatiques pour dis- ,
positifs de synchronisation sont déjà connus en eux¯mêmes.Leur application pour le procédé de la présenteinvention est cepen- dant avantageux en ce sens qu'on ne doit pas faire attention ici à une concordance précise de la tension de phase du réseau et de la machine mais qu'on peut permettre sans inconvénient à cau- se de la sous-excitation et des bobines de selfinduction de plus grands écarts. Les écarts des deux fréquences peuvent également être beaucoup plus grands. Si le degré de précision des relais est sûr, il est également possible d'élever l'excitation initia- le de la génératrice des le début moyennant une mise en sûreté appropriée, ce qui assure la stabilité notamment en cas de mo¯ ment de rotation en excès considérable de la machine de commande.
La figure, 2 montre un exemple de réalisation de la dis- position esquissée* 21 est le réseau triphaséauquel la généra..
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trice 23 à courant triphasé doit être raccordée par l'intermé- diaire du transformateur 22. 24 est le commutateur principal dont la bobine de commande 25 reçoit l'impulsion de fermeture par la ligne de commande 26. Dans la làgne de commande 26 sont in- tercalés des relais qui font que la bobine 25 ne peut fermet le commutateur 24 que lorsqu'il y a à pau prèségalité de phases et que la fréquence de glissement n'est pas trop grande, On a prévu à cet -effet un synchronoscope 27.
Ce dernier consiste par exemple en une petite machine asynchrone dont l'enroulement de stator est excité à partir du réseau 21 et dont l'enroulement de rotor est excité à partir du transformateur 22, les deux champs tournant dans la même sens de telle manière que le syn- chronoscope tourne avec une fréquence de glissement. par suite de ce que le dispositif 27 se comporte de façon synchrone, à l'instant de l'égalité de phases des deux tensions à synchroni- ser est assignée une position déterminée dans l'espace de la partie tournante du dispositif 27. Au synchronoscope sont accou- plés deux disques tournants 28 et 313.
Le disque 28 possède sur une partie de sa périphérie un segment mêtallique 29 qui est re- lié, par exemple au @oyen d'une bague de frottement, à la ligne 210 et sur lequel frotte un balai 211. Une source de courant continu de commande 212 est amenée par le balai et par la ligne 210 et influence le relais 213. comme le segment 29 couvre le disque 28 partiellement seulement à la périphérie, le relais 213 reçoit des impulsions de commande qui sont proportionnelles, en durée, au nombre de tours du dispositif 27 ou à la fréquence de glissement entre les deux tensions à synchroniser.
Le diagramme de la figure 5 montre au moyen de la courbe a l'allure, dans le temps, de cette tension différentielle présentant une fréquence de glissement entre le réseau 21 et la génératrice 23 à synchro- niser. La courbe a possède son minimum ,,, l'instant de l'égalité de phase. C'est à ce moment ou quelque temps avant que le commu¯ tateur 24 doit être fermé. Le segment 29 du disque 28 reçoit des
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dimensions telles et est réglé de façon telle qu'à l'instant qui est marqué par la verticale b à la figure 3,il envoie une impul- sion de commande dans le relais 213, impul sion qui dure jusqu'a l'instant de la verticale e. Le relais 213 est pourvu d'un retar- dement .
Il envoie par conséquent seulement à l'instant de la ver- ticale d une impulsion de commande au relais 214. Le relais 214 provoque par l'intermédiaire du relais 215 la fermeture du com- mutateur principal 24. Le relais 214 est établi de façon ana- logue à une horloge de commutation,de telle sorte qu'à partir du moment où il reçoit l'impulsion du relais 213,il permet pendant un temps déterminé la fermeture du commutateur 24. Ce temps est représenté à la figure 3 par la distanceentre les droites d et e. Pour %ue l'impulsion pour la fermeture du commutateur 24 se produise en outre déjà à un instant déterminé avant l'obtention de l'égalité de phase,,on a encore intercalé dans le circuit com- mandé par le relais 214 un relais 216 qui est commandé par le circuit de commande 212 au moyen du second disque tournant 218.
Ce second disque possède sur sa périphérie une étroite armature 217 de sorte que le circuit de commande n'est capable que pendant un temps court,indiqué par les droites e et f à la figure 3,de supprimer l'obstruction du circuit pour l'actionnement du commu- tateur 24 par fermeture du circuit commandé par le relais216. Ce court instant situé entre les droites c et f peut être réglé sur le disque 218 à une valeur située avant l'obtention de l'égalité de phases.
Comme on le sait il faut,pour l'instant de la synchronisation, d'abord une concordance de phase des deux tensions,en second lieu une concordance approximative de la grandeur et en troisième lieu une concordance approximative de la fréquence des deux tensions. On voit que dans le cas de la synchronisation rapide la concordance des grandeurs des deux tensions est d'impor tance plus minime,tandis que ce qui importe avant tout c'est la concordance de phase et une minime fréquence de glissement entre
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les tensions.
On a imaginé une série de dispositifs et de mon- tages qui libèrent automatiquement l'impulsion de courant qui pro- voque la fermeture du commutateur principal,uniquement pendant un intervalle de temps qui se trouve dans le voisinage de la con- cordance de phase,taudis que par exemple à l'aide de relais à temps on peut encore veiller à ce que cette émission ne se pro- duise que lorsque la fréquence de glissement ne dépasse pas une valeur déterminée.La présente invention est basée sur cette cons tatation que le décalage de phases,rapporté à la fréquence de glissement,du commencement de l'intervalle de temps pendant le- quel la fermeture du commutateur principal est autorisée,
par rapport au moment de la concordance de phases des deux tensions doit être augmenté de telle façon que l'intervalle de temps com- mence plus t8t lorsque la fréquence de glissement siérêve. On obtient de cette manière que l'influence du retardement existant entre le commencement de l'impulsion de courant et la fermeture respective du commutateur principal soit er@lue même en cas de fréquence de glissement variable.Suivant la présente invention on a prévu des dispositifs qui font commencer plus tôt l'inter- valle de temps pendant lequel la fermeture du commutateur princi- pal est autorisée,sous la dépendance de l'accroissement de la fré- quence de glissement par rapport! l'angle de phase au moment de la concordance de phase.
Le dessin représenté aux figures 4,5,6,7 et 8 des exemples de réalisation de la nouvelle disposition.A la figure 4 on a représenté par 31 un réseau triphasé auquel il faut raccorder une machine synchrone 32 au moyen d'une synchronisation dite gros- sière ou rapide. La machine synchrone est à cet effet dxcitée à environ 30 % de son excitation normale et est raccordée par l'in termédiaire'de bobines de selfinduction 33 au réseau par la ferme ture du commutateur principal 34 au moment voulu. on a désigné spécialement par 35 et 36 des transformateurs alimentés par la tension du réseau et par la tension de la machina,et qui alimen-
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tent le stator et le rotor d,un synchronoscope 37 établi â la manière d,un moteur asynchrone.
Entre le transformateur 36 et 1' enroulement correspondant du synchronoscope est intercalé un au- tre transformateur 38. Dans le circuit secondaire de ce transfor- mateur on a monté outre l'enroulement du synchronoscope,un com- mutateur 39 qui est accouplé mécaniquement au commutateur princi- pal 34 de telle manière qu,il n'est fermé que lorsque le commuta- teur principal est ouvert. 310 est le circuit à courant continu pour la fermeture du commutateur principal au moyen de la bobi- ne 311. Ce circuit à courant continu est surveillé par le synchro- noscope 37 par l'intermédiaire des deux relais 312 et 313 de telle façon que la bobine 311 ne peut recevoir du courant et fermer le commutateur que lorsqu'il y a approximativement concordance de phases et de fréquences.
La concordance de phases est obtenue en outre par le retardement aux relais 312 et 313,de la même mania-- re qu'on l'a indiqué à propos de la fig.2. Le synchronoscope 37 est de plus réalisé de telle manière qu'il libere déjà plus tot le commutateur 34 lorsque la fréquence de glissement augmente Contrairement à la disposition de la figure 2,le disque de con- tact accouplé au synchronoscope est disposé de façon à tourner par rapport au logement avec le contact destiné au déclenchement du commutateur. La rotation à partir de la position de concordan- ce de fréquence doit être proportionnelle à la fréquence de glis- sement et opposée au champ tournant d'actionnement de l'induit.
Ceci est obtenu par le fait que le disque est mis en rotation dans le sens opposé au champ tournant de glissement suivant le principe du système Ferraris (induit à courants tourbillonants) et contre l'action d'un ressort. Pour une disposition plus grossière il suf fit de commander au moyen d'unjou de plusieurs leviers de glisse- ment montés sur l'axe de l'aiguille du synchronoscope deux ou plu- sieurs électro-aimants qui amènent le disque de contact dans la
EMI9.1
position correcte pour ilhypersynchronisme ou l'h,posynchronisme
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En parallèle sur les bobines de selfinduction 33 se trou- vent monté un commutateur 314 qui est fermé conformément à la fi- gure 1 après la fermeture du commutateur principal,
lorsque la machine 32 est déjà excitée de telle manière que sa tension est à peu prés égale à la tension du réseau. Pour éviter alors une mise hors circuit prématurée des bobines de selfinduction 33 par la fermeture du commutateur 314,la bobine de commutateur 315 est alimentée par le circuit 310 est surveillée par trois relais 316 317 et 318 montée à la suite l'un de l'autre. Le relais 316 est cmmmandé par la tension aux bobines de selfinduction 33 et il permet dans la bobine 315 le passage d'un courant et par consé- quent la fermeture du commutateur 314 lorsque la tension aux bobines de selfinduction est descendue en-dessous d'une valeur déterminée.
En conséquence le courant de compensation entre le réseau 31 et la machine est alors minime également.Le relais 317 est commandé par le courant d'excitation dans la machine 32 (en dérivation sur la résistance 6 319 dans le circuit d'excitatio Cen'est que lorsque le courant d'excitation de la machine 32 a atteint une grandeur déterminée que l'enrayage du courant dans la bobine 315 est supprimépar le relais 317. Au moment de la fermeture du commutateur principal 34,il se produit un choc de courant de compensation considérable entre le réseau et la machine 32.
Ce choc se transmet également par suite d'un accouplement magnétique au circuit d'excitation de la machine 32,de sorte que par suite de ce renforcement passager du courant d'excitation,le relais 317 pourrait déjà fonctionner prématurément.Pour empêcher cet inconvénient,on a prévu le re- lais 318 fonctionnant avec un retardement,et dont le circuit de commande passe par le commutateur 39. La disposition est telle au commutateur 39 que c'est seulement 'lors de la fermeture du com mutateur principal 34 que le circuit de commande du relais 318 est fermé. Après que le temps de retardement s'est écoulé, le relais 318 libère alors le courant pour la bobine de commuta-
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tion 315.
Dans le circuit de commande à courant continu 310 ali- mentant les différents relais et le syncbronoscopeon a inter- calé encore un commutateur 319 dont la bobine de fermeture 320 est surveillée par un relais 321 qui est commandé de son côté par la tension de la machine excitatrice à courant continu 322.
Le relais 321 fetme le commutateur 319 seulement lorsque la ma- chine excitatrice 322 a atteint une tension déterminée ou un nom- bre de touts déterminé. la mise en circuit des appareils n'est donc possible que pour un glissement déterminé de la machine 32.
On évite ainsi des détériorations des appareils en cas de glis- sement élevé. La machine excitatrice à courant continu 322 est construite sous la forme d'une machine excitatrice "Ossana", dans laquelle il y a un champ d'excitation supplémentaire qui est d'abord monté en opposition avec le champ d'excitation principal.
Apres la fermeture du commutateur principal on obtient ube exci- ttion rapide à la machine Ossana par le fait qu'au moyen de la bobine de commutation 323 le champ supplémentaire monté en oppo- sition est renversé ce 'qui remforce le champ principal.
La disposition suivant la figure 5 se rapporteseulement au dispositif spécial qui fait en sorte que la différence de pha- se entre le moment de la libération de la bobine du commutateur principal et le moment de la concordance de phase des deux ten- sions à synchroniser soit augmentée proportionnellement à la fré- quence de glissement de telle sorte que malgré le temps de retarde ment constant du commutateur, même en cas de glissement varia- ble les contacts doient toujours fermés au commutateur principal à l'instant de la pJeine concordance de phases.
Pour la surveil- lance du circuit 424 alimentant la bobine du commutateur princi- pal on a prévu un relais 425 à tension minima,qui fonctionne avec ub retardement et qui ést alimenté par une tension qui se compose d'une tension ayant la fréquence du réseau et d une ten- sion ayant la fréquence de la machine et qui donne ainsi une ten- sion présentant une fréquence de glissement.Le relais 425 fonc-
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tionne lorsqu'il règne une concordance approximative de phase dans les deux tensions amenées.Le retardement du relais a pour effet que le fonctionnement n'est possible qu'en dessous d'une fréquence de glissement déterminée.
Les tensions amenées au re lais 425 sont produites dans deux machines synchrones auxiliaires 426 et 427 dont les circuits d'excitation à courant continu sont montés en série en vue d'obtenir la même grandeur pour les deux tensions, La machine 426 est accouplée à un moteur synchrone 428 alimenté par le réseau et la machine 427 est accouplée à un mo- teur synchrone 429 alimenté par la tension de la machine à ajouter Entre les machines 427 et 429 on a intercalé un accouplement élas- tique 430 et en outre on a monté sur l'arbre de là machine 427 le rotor d'un moteur asynchrone 431 dont le stator est alimenté à partir du réseau.
Si les fréquences de la tension du réseau et de la tension de la machine ne concordent pas,le rotor du moteur asyn< chrone 431 glisse par rapport au champ tournant du stator et de ce fait il se produit dans l'enroulement du tator un courant et un moment de rotation qui produit une rotation à l'accouplement 430.
La position des phases de la tension fournie par la machine 427 se modifie aussi en conséquence,et le relais 425 fonctionne lorsque le glissement augmente avec un plus grand angle de phase par rap- port à la concordance de phases. Pour le réglage de la rotation à l'accouplement 430,on a intercalé dans le circuit secondaire du mo teur asynchrone 431 des résistances ohmiques réglables 432.
Dans la disposition de la figure 6,la fonction du synchronos- cope 37 de la figure 4 est remplie par des relaiset pour le reste la disposition de la figure 6 est analogue à celles des fi- gures 4 et 5. A la figure % 6 on a représenté une disposition dans laquelle un refais 541 à E.J sin comportant des contacts à butée élastique est combiné à un relais de tension 542 et à deux relais à temps 543 et 544, ce qui permet la surveillance de la fréquence limite ainsi que celle de l'égalité de phase.
L'avance proportionnelle au glissement à cause du temps propre du commuta-
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teur à huile (figure 7) est ici produite par adjonction d'induc- tivités ou de capacités en cas de marche hypersynchrone ou hypo¯ synchrone, dans un circuit comportant la résistance 545 qui est placée à 1'aide de l'autotransformateur 546 sur la double ten- sion du réseau. L'aiguille 547 est commandée au moyen de la tensik sion différentielle de deux machines à courant continu 548 et
549. Les machines à courant continu sont actionnées par deux machines à courant alternatif 550 et 551 dont l'une est raccor- dée au réseau et 1' autre à la machine à synchroniser.
La dévia¯ tion de l'aiguille 547 est par conséquent proportionnelle au glissement entre les deux tensions à synchroniser. pendant une rotation du vecteur Eg; (figure 7) de la machine par rapport au vecteur En du réseau, le relais wattmétrique 541 pousse le re- lais à temps 543, dans la zone d'avance de la tension de la ma- chine, et le relais à temps 544, dans la zone de retard de la machine, par rapport à la tension du réseau. Les relais à temps arrivent seulement au'terme de leur fonctionnement lorsque le glissement est plus petit que le glissement limita @@posé cha¯ que fois.
Le relais de tension 54%, appliqué à la tension diffé rentielle E1 {figure ) et réglé à 100 %, fait qu'une mise en circuit ne peut se produire que dans la zone de l'égalité de phase qui est obtenue d'une façon sûre par le relais de tension minima 555 d'après le mouvement de l'aiguille du relais 541 à E.J,. sin Le reste de la disposition est analogue à celles décrites aux figures 4 et 5. La mise en service de l'appareil à synchroniser est ici dépendante de la tension des machines au¯ xiliaires à courant continu 548 et 549.
'A la place de ces machines, on peut employer toutefois aussi un autre dispositif de mesure de glissement, par exemple un synchronoscope dont la vitesse de l'aiguille est mesurée électromagnétiquement suivant le système Ferraris.
Si la valeur de la tension du réseau h'est pas certaine, il est à recommander d'employer à la place de la combinaison ;
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relais de puissance ¯ relais de tension la combinaison de deux relais de puissance qui sont montés de telle façon que par un recouvrement approprié de leurs zônes de fonctionnement ils produisent un marquage sélectif de la zone d'égalité de phases et d'inégalité de phases ou de la position de l'inter- valle correspondant à ces zones, dans le but de produire enco- re avec un contrôle du glissement provoqué par des relais à temps le déclenchement du relais auxiliaire 313, figure 4, au moment de l'égalité de phases, ou bien avec unsavance propor- tionnelle au glissement pour l'élimination du temps propre au commutateur a huile, ou bien aved une avance constante 'de 180 ,
cette dernière disposition pour établir la connexion dans le cas d'un glissement limite déterminé, à partir de la marche hyposynchrone ou hypersynchrone dans le voisinage de l' égali- té de phase. Un exemple de réalisation correspondant est re- présenté à la figure 8. Deux contacts des relais de puissance sont raccordés a la tension du réseau et deux à la tension de la machine.
Les deux systèmes situés dans le relais sont pour- vus de bobines de tension*. 641 désigne dans le cas représenté un relais à E.J. sin 4 , 642 un relais qui est réglé de façon à fonctionner principalement pour E.J. cos 4. 645 est' un re- lais basculant qui met en circuit conformément au montage Le relais à temps 643 en cas d'opposition de phase et le met hors circuit en cas d'égalité de phase et produit ainsi une mesure du glissement comme dans la disposition à synchronoscope de la figure 4. Le déclenchement exact en temps voulu est alors produit après l'écoulement du temps de fonctionnement du re- lais à temps, c' est à dire dans la position de l'égalité de phase par le montage en série des contact de travail des re- lais 641,642,
643 d'une manière analogue à celle décrite pour les montages donnés précédemment.
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Method for synchronizing synchronous machines. for the rapid commissioning of synchronous machines, as is necessary, for example, when adding machines to cover peak flows in the network, synchronization devices have been created with the aid of which. , after the synchronous machine has obtained a rotation speed corresponding approximately to the frequency of the network, it is connected directly to the network with interea Lation of self-induction coils or ohmic resistors. The excitation of the synchronous machine is then set to a value which is about 10 to 20% of the normal excitation.
The machine then synchronizes with a long period of own oscillation corresponds to @
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to the decrease in excitation, while the stator current is gradually brought, with oscillations, in accordance with the considerable debate current corresponding to 1 .. great sou @ -excitation. The present invention relates to a process in which these own oscillations of the synchronous machine are considerably shortened and in which, moreover, the absorption, harmful for the network, of current powered by the synchronous machine is reduced to a minimum.
According to the present invention, immediately after closing the main switch, the excitation of the synchronous machine is gradually and preferably automatically reinforced. By this strengthening of the excitation, the synchronizing moment of the oscillating machine is further increased, which is especially important when the synchronization takes place under load or under control of the machine. (the latter case usually occurs in water turbine controls, for adjustment reasons). The enhancement of the excitation is also advantageous when it is necessary to synchronize in the presence of a moment of force in the hypersynchronous rate, or else in the hyposynchronous rate in the presence of a load moment.
With the strengthening of the excitation, after closing the main switch, the absorbed dewatted flow rate is also lowered, despite the synchronous machine still performing vibrations.
We can then use this reduction in the watt-watted current flowing through the self-induction coils or the ohmic resistors inserted, when passing below a given value, for the automatic switching off of the self-induction coils or ohmic resistors (for example by closing a short circuit switch). The duration of the total synchronization operation is thus shortened.
The invention will be explained with the aid of the drawing showing an exemplary embodiment. Synchronous generator 1 must be connected via the synchronous generator and
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from the main switch 3 to the three-phase network 4. 5 is the exciter machine the own excitation, which is coupled to the synchronous generator and which supplies the excitation circuit 6 of the generator. 7 is an ohmic resistor which is interposed in this excitation circuit and which when fully energized reduces the excitation of machine 1 to about 10 to 20% of the normal excitation. .
8 is a relay which is placed under the control of switch 3 and which short-circuits resistor 7 when the switch is closed.
9 are the selfinduction coils inserted before the synchronous machine. The synchronization operation is then carried out as follows.
The generator 1, which is coupled for example to a water turbine, is first brought to approximately synchronous number of ss, while its excitation is reduced to the mentioned value as a result of the intercalation of resistor 7. Switch 5 is then closed so that machine 1 switches with oscillations to the synchronous state At the same time as switch 3 is closed, the excitation of machine 1 is reinforced by short-circuiting the resistor 7.
This reinforcement does not occur instantaneously but under the dependence of a time constant which is given essentially by the inductivity and by the ohmic resistance of the excitation circuit. Depending on the value of resistor 7 put out of action by short-circuiting, the progressive increase of the excitation can be influenced within wide limits.
Further investigation has shown that with the usual initial excitations of 10-20%, the time constant, according to which the excitation increases after the main switch is closed, should be approximately one double the duration of the switch-off. own vibration of the synchronous machine, full excitation being assumed for this period of own vibration.
In this case, the oscillating current on the stator decreases rapidly during the oscillation, starting from / its initial value.
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which for an impedance
W L = 0.5 E / J remains within the limits of]. at 1.3 times the normal current depending on the value of the armature reaction of the machine considered, and in particular already the first amplitudes of the angle of the pole wheel, which influence the stability of the machine, are greatly diminished.
For the timely automatic switch-off of the self-induction coils 9 after the vibration period or at the end of the machine's vibration period]. A relay 10 is provided which is controlled by the voltage applied to the bo- self-induction coils 9 and which puts the self-induction coils off circuit by closing a short-circuit switch 11 when one passes below a determined voltage, as during the period of vibration the current flowing in the coils of selfinduction 9 does not decrease continuously but with superimposed vibrations,
the relay 10 has a time delay device which compensates for the influence of these vibrations and prevents premature operation in the event of a minimum current caused by the superimposed vibrations, it goes without saying that the relay 10 could, instead of 'be controlled by the voltage of the self-induction coils, also be controlled by a current transformer located in the primary circuit of machine 1.
When ohmic resistances are inserted before the synchronous machine, it is advantageous to decrease, at the same time as the reinforcement of the excitation takes place, the magnitude of these phimque resistances, for example ::;. ' , It 'miss ;;. It shortcuts progressive. If this is not done, the flowing ohmi resistors can under certain circumstances decrease the timing of synchronization as the excitation increases. The resistors can be shorted automatically.
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ment by known means.
In the procedure indicated at the beginning, the machine is connected to the network at an arbitrary instant as regards the phase correspondence. For this reason, the machine is also underexcited to prevent short-circuit current shock as much as possible. Despite this, the closing of the main switch at the unfavorable moment can cause, in the event of phase opposition, intense compensating currents, and possibly compromise or delay the synchronization operation.
Relay arrangements can therefore be provided according to the present invention which ensure that the closing of the main switch is only possible in the vicinity of phase equality and below a value. determined by the reciprocal slip frequency of the voltages to be synchronized, while in addition the arrangement can advantageously be such that the impulse for closing the main switch is given already before the equality is obtained of phases, to compensate for the delay given by the switching mechanism. Similar automatic shut-off arrangements for dis-,
synchronization positive results are already known in themselves. Their application to the method of the present invention is, however, advantageous in that one does not have to pay attention here to a precise match between the phase voltage of the network and the machine but that, due to the underexcitation and the self-induction coils, larger deviations can be allowed without inconvenience. The deviations of the two frequencies can also be much larger. If the degree of precision of the relays is certain, it is also possible to increase the initial excitation of the generator from the start by means of an appropriate safety setting, which ensures stability, particularly in the event of rotation. in considerable excess of the control machine.
Figure, 2 shows an exemplary embodiment of the sketched arrangement * 21 is the three-phase network which the genera ..
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The three-phase current trice 23 must be connected via transformer 22. 24 is the main switch, the control coil 25 of which receives the closing impulse via the control line 26. In the control field 26 are in - tercalés of the relays which make that the coil 25 can close the switch 24 only when there is near phase equality and the slip frequency is not too high, A synchronoscope 27 is provided for this purpose. .
The latter consists for example of a small asynchronous machine whose stator winding is excited from the network 21 and whose rotor winding is excited from the transformer 22, the two fields rotating in the same direction so that the synchronoscope rotates with a slip frequency. as a result of the device 27 behaving synchronously, at the instant of the phase equality of the two voltages to be synchronized, a determined position in space of the rotating part of the device 27 is assigned. two rotating discs 28 and 313 are coupled.
The disc 28 has on a part of its periphery a metal segment 29 which is connected, for example by means of a friction ring, to the line 210 and on which a brush 211 rubs. A source of direct current of command 212 is brought by the brush and by the line 210 and influences the relay 213. as the segment 29 covers the disk 28 partially only at the periphery, the relay 213 receives command pulses which are proportional, in duration, to the number of turns of the device 27 or at the sliding frequency between the two voltages to be synchronized.
The diagram of FIG. 5 shows by means of the curve having the shape, in time, of this differential voltage having a sliding frequency between the network 21 and the generator 23 to be synchronized. The curve a has its minimum ,,, the instant of phase equality. It is at this point or some time before switch 24 must be closed. Segment 29 of disk 28 receives
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dimensions such and is adjusted in such a way that at the instant which is marked by the vertical b in FIG. 3, it sends a control pulse to the relay 213, which pulse lasts until the instant of vertical e. Relay 213 is provided with a delay.
It therefore sends only at the instant of the vertical a control pulse to relay 214. Relay 214, via relay 215, causes the main switch 24 to close. Relay 214 is thus established. analogous to a switching clock, so that from the moment it receives the pulse from relay 213, it allows the closing of switch 24 for a determined time. This time is represented in FIG. 3 by distance between lines d and e. For% ue the impulse for the closing of the switch 24 also occurs already at a determined instant before obtaining phase equality, a relay 216 has also been inserted in the circuit controlled by the relay 214. which is controlled by the control circuit 212 by means of the second rotating disc 218.
This second disc has on its periphery a narrow armature 217 so that the control circuit is only able for a short time, indicated by the lines e and f in FIG. 3, to remove the obstruction of the circuit for the actuation of switch 24 by closing the circuit controlled by relay 216. This short instant located between the lines c and f can be set on the disk 218 to a value located before the phase equality is obtained.
As we know it is necessary, for the instant of synchronization, first of all a phase concordance of the two voltages, secondly an approximate agreement of the magnitude and thirdly an approximate agreement of the frequency of the two voltages. We see that in the case of rapid synchronization the concordance of the magnitudes of the two voltages is of smaller importance, while what matters above all is the phase concordance and a minimum sliding frequency between
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the tensions.
A series of devices and assemblies have been devised which automatically release the current pulse which causes the main switch to close, only during a time interval which is in the vicinity of the phase match. slums that for example with the aid of time relays it is still possible to ensure that this emission only occurs when the slip frequency does not exceed a determined value. The present invention is based on this finding that the phase shift, referred to the slip frequency, of the start of the time interval during which the main switch is authorized to be closed,
with respect to the moment of the phase concordance of the two voltages must be increased so that the time interval begins earlier when the slip frequency is desired. In this way it is obtained that the influence of the delay existing between the start of the current pulse and the respective closing of the main switch is realized even in the case of a variable slip frequency. According to the present invention, devices have been provided. which cause the time interval in which closing of the main switch is permitted to begin earlier, depending on the increase in the relative slip frequency! the phase angle at the time of phase match.
The drawing shown in Figures 4, 5, 6, 7 and 8 shows exemplary embodiments of the new arrangement. In Figure 4, 31 shows a three-phase network to which a synchronous machine 32 must be connected by means of a so-called synchronization. coarse or fast. For this purpose, the synchronous machine is excited to about 30% of its normal excitation and is connected via self-induction coils 33 to the network by closing the main switch 34 at the desired time. specially designated by 35 and 36 transformers supplied by the voltage of the network and by the voltage of the machine, and which supply
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The stator and rotor of a synchronoscope 37 set up in the manner of an asynchronous motor.
Between the transformer 36 and the corresponding winding of the synchronoscope is interposed another transformer 38. In the secondary circuit of this transformer, besides the winding of the synchronoscope, a switch 39 has been fitted which is mechanically coupled to the switch. main 34 so that it is closed only when the main switch is open. 310 is the direct current circuit for closing the main switch by means of the coil 311. This direct current circuit is monitored by the synchroscopic 37 through the two relays 312 and 313 in such a way that the coil 311 can only receive current and close the switch when there is approximately a phase and frequency match.
The phase concordance is further obtained by the delay at relays 312 and 313, in the same manner as indicated in connection with fig. 2. The synchronoscope 37 is furthermore made in such a way that it releases the switch 34 already earlier when the slip frequency increases Contrary to the arrangement of FIG. 2, the contact disc coupled to the synchronoscope is arranged so as to rotate. relative to the housing with the contact intended to trigger the switch. The rotation from the frequency match position must be proportional to the slip frequency and opposite to the rotating armature actuation field.
This is achieved by the fact that the disc is rotated in the direction opposite to the rotating sliding field according to the principle of the Ferraris system (induced swirling currents) and against the action of a spring. For a coarser arrangement, it suffices to control, by means of a set of several sliding levers mounted on the axis of the synchronoscope needle, two or more electromagnets which bring the contact disc into the
EMI9.1
correct position for hypersynchronism or h, posynchronism
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In parallel on the selfinduction coils 33 is mounted a switch 314 which is closed in accordance with Figure 1 after closing the main switch,
when the machine 32 is already excited in such a way that its voltage is approximately equal to the voltage of the network. To then prevent premature switching off of the selfinduction coils 33 by closing the switch 314, the switch coil 315 is supplied by the circuit 310 is monitored by three relays 316 317 and 318 mounted after one of the other. The relay 316 is controlled by the voltage at the self-induction coils 33 and it allows in the coil 315 the passage of a current and consequently the closing of the switch 314 when the voltage at the self-induction coils has fallen below. a determined value.
As a result, the compensation current between network 31 and the machine is then also minimal. Relay 317 is controlled by the excitation current in machine 32 (bypassing resistor 6 319 in the excitation circuit. that when the excitation current of the machine 32 has reached a determined magnitude that the engagement of the current in the coil 315 is removed by the relay 317. When the main switch 34 is closed, a current shock occurs of considerable compensation between network and machine 32.
This shock is also transmitted as a result of a magnetic coupling to the excitation circuit of the machine 32, so that as a result of this temporary strengthening of the excitation current, the relay 317 could already operate prematurely. To prevent this drawback, Relay 318 has been provided to operate with a delay, and the control circuit of which passes through switch 39. The arrangement is such at switch 39 that it is only when the main switch 34 is closed that the circuit control switch for relay 318 is closed. After the delay time has elapsed, relay 318 then releases current for the switching coil.
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tion 315.
In the direct current control circuit 310 supplying the various relays and the syncbronoscope, a switch 319 has also been interposed, the closing coil 320 of which is monitored by a relay 321 which is in turn controlled by the voltage of the machine. direct current exciter 322.
Relay 321 closes switch 319 only when exciter machine 322 has reached a determined voltage or a determined number of all. switching on the devices is therefore only possible for a specific slip of the machine 32.
This prevents damage to the devices in the event of heavy slipping. The direct current exciter machine 322 is constructed as an "Ossana" exciter machine, in which there is an additional excitation field which is first mounted in opposition to the main excitation field.
After closing the main switch a rapid activation is obtained at the Ossana machine by the fact that by means of the switching coil 323 the additional field mounted in opposition is reversed which reinforces the main field.
The arrangement according to figure 5 relates only to the special device which ensures that the phase difference between the moment of the release of the coil of the main switch and the moment of the phase match of the two voltages to be synchronized is increased in proportion to the slip frequency so that despite the constant delay time of the switch, even in the event of variable slip, the contacts at the main switch must always be closed at the instant of the first phase match.
For the monitoring of circuit 424 supplying the coil of the main switch, a minimum voltage relay 425 has been provided, which operates with ub delay and which is supplied by a voltage which is made up of a voltage having the frequency of the network. and a voltage having the frequency of the machine and thus giving a voltage having a slip frequency. Relay 425 operates.
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occurs when there is an approximate phase match in the two voltages supplied. The delay of the relay means that operation is only possible below a determined slip frequency.
The voltages brought to the relay 425 are produced in two auxiliary synchronous machines 426 and 427 whose direct current excitation circuits are connected in series in order to obtain the same magnitude for the two voltages. The machine 426 is coupled to a synchronous motor 428 supplied by the network and the machine 427 is coupled to a synchronous motor 429 supplied by the voltage of the machine to be added Between the machines 427 and 429 an elastic coupling 430 has been interposed and in addition a on the shaft of the machine 427 the rotor of an asynchronous motor 431 whose stator is supplied from the network.
If the frequencies of the mains voltage and the machine voltage do not match, the rotor of the asynchronous motor <chrone 431 slips with respect to the rotating field of the stator and as a result a current occurs in the tator winding and a torque which produces rotation at the coupling 430.
The phase position of the voltage supplied by the machine 427 also changes accordingly, and the relay 425 operates as the slip increases with a larger phase angle relative to the phase match. To adjust the rotation of the coupling 430, adjustable ohmic resistors 432 have been inserted in the secondary circuit of the asynchronous motor 431.
In the arrangement of figure 6, the function of the synchronoscope 37 of figure 4 is fulfilled by relays and for the rest the arrangement of figure 6 is similar to those of figures 4 and 5. In figure% 6 there is shown an arrangement in which a redo 541 to EJ sin comprising elastic stop contacts is combined with a voltage relay 542 and two time relays 543 and 544, which allows monitoring of the limit frequency as well as that of phase equality.
The advance proportional to the slip due to the inherent switching time
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oil tor (Figure 7) is produced here by adding induc- tivities or capacitances in the event of hypersynchronous or hypo synchronous operation, in a circuit comprising resistor 545 which is placed with the aid of autotransformer 546 on the double voltage of the network. The needle 547 is controlled by means of the differential tension of two direct current machines 548 and
549. The DC machines are powered by two AC machines 550 and 551, one of which is connected to the network and the other to the synchronizing machine.
The deflection of the needle 547 is therefore proportional to the slip between the two voltages to be synchronized. during a rotation of the vector Eg; (figure 7) of the machine with respect to the vector En of the network, the wattmeter relay 541 pushes the time relay 543, in the zone of advance of the voltage of the machine, and the time relay 544, in the delay zone of the machine, in relation to the network voltage. Time relays only arrive at the end of their operation when the slip is smaller than the limit slip posed each time.
The 54% voltage relay, applied to the differential voltage E1 (figure) and set to 100%, means that switching on can only occur in the zone of phase equality which is obtained from a reliably by the minimum voltage relay 555 according to the movement of the needle from relay 541 to EJ ,. sin The rest of the arrangement is similar to those described in Figures 4 and 5. The commissioning of the device to be synchronized is here dependent on the voltage of the auxiliary direct current machines 548 and 549.
In place of these machines, however, it is also possible to use another slip measuring device, for example a synchronoscope, the speed of the needle of which is measured electromagnetically according to the Ferraris system.
If the value of the network voltage is not certain, it is recommended to use instead of the combination;
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power relays ¯ voltage relay the combination of two power relays which are mounted in such a way that by appropriately covering their operating zones they produce a selective marking of the phase equality and phase inequality zone or of the position of the interval corresponding to these zones, with the aim of producing again with a control of the slip caused by relays in time the tripping of the auxiliary relay 313, figure 4, at the time of the equality of phases, either with an advance proportional to the slip to eliminate the time inherent in the oil switch, or with a constant advance of 180,
the latter arrangement for establishing the connection in the case of a determined limit slip, from hyposynchronous or hypersynchronous walking in the vicinity of phase equality. A corresponding exemplary embodiment is shown in figure 8. Two contacts of the power relays are connected to the mains voltage and two to the machine voltage.
The two systems located in the relay are provided with voltage coils *. 641 denotes in the case shown a relay with EJ sin 4, 642 a relay which is set so as to operate mainly for EJ cos 4. 645 is a toggle relay which switches on according to the arrangement The time relay 643 in phase opposition and switches it off in the event of phase equality and thus produces a slip measurement as in the synchronoscope arrangement of Figure 4. The exact timely trigger is then produced after the elapse of the operating time of the relay in time, i.e. in the position of phase equality by the series connection of the working contacts of relays 641,642,
643 in a manner analogous to that described for the assemblies given previously.