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PERFECTIONEMENTS APPORTES AUX REGULATEURS ELECTRIQUES'
La présente invention vise des perfectionnements aux régulateurs électriques et aux systèmes de réglage, particulièrement pour les équipe- ments synchrones des circuits et des réseaux de transmission d'énergie , et plus spécialement à leurssystèmes de réglage.
Le développement de réseaux de transmission importante comportant de longues lignes de transmission, et l'interconnexion de groupes généra- teurs importants, ont attiré l'attention de manière pressante sur le pro- blème d'augmenter l'énergie ou la puissance qui peut être transmise de faqon économique et stable, sur des lignes et des réseaux d'étendue vair- abl e.
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La limite de stabilité d'un circuit ou d'un réseau de transmission d'énergie comprenant des génératrices synchrones, des moteurs synchrones et des condensateurs synchrones, est déterminée, dans une grande mesure, par la valeur de la charge qui peut être ajoutée au système, soit progressivement, soit brus- quement, par les courte-circuits pouvant être supportés, et par la chute de ten- sion pouvant être autorisée ou admise aux bornes des appareils synchrones, ou en d'autres points dans le réseau, sans entraîner d'instabilité, ni de perte de synchronisme entre les divers groupes unitaires synchrones du circuit ou du réseau.
Dans des conditions de charges appliquées progressivement, la charge maximum pouvant être transmise sans entraîner d'instabilité, est désignée par "charge limite de l'état stable", tandis que, dans des conditions de charges et de court-circuits appliqués brusquement, ou de toute autre perturbation de la ligne entraînant un fon'ctionnement dans des conditions transitoires ou mo- mentanées, la limite est désignée par "charge limite de l'état transitoire".
L'instabilité, dans des conditions transitoires, peut 'être due à une charge accrue n'étant pas accompagnée d'une diminution de tension, ou à la combinaison d'une charge accrue et d'une chute de tension occasionnée par celle- ci, ou à un court-circuit d'une nature à entraîner simplement une chute de ten- sion, sans ajouter une charge en kilowatts, au système-
En vue de résoudre le problème d'augmenter la limite de stabilité des systèmes et des réseaux de transmission, on a essayé d'améliorer et de per- fectionner les systèmes d'excitation des équipements synchrones*
A cet effet, on a proposé divers systèmes d'excitation du type "à réponse rapide" , mais des études récentes ont montré qu'il n'est pas possi- ble d'améliorer sensiblement les limites de stabilité des systèmes de transmis- sion,
dans des conditions transitoires suivant des court-circuits dans le sys- tème ou le réseau, sans s'écarter des procédés et des moyens usuels de variation et de réglage du courant d'excitation-
Ceci posé, la présente invention porte, en première ligne, sur un système de réglage perfectionné pour augmenter la limite de stabilité des sys- tèmes et des réseaux de transmission d'énergie*
Les procédés et les moyens perfectionnés, objets de l'invention, sont destinés aussi à augmenter le débit des appareils synchrones d'un système
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ou d'un réseau de transmission d'énergie,
lorsque des accroissements importants et brusques de charge ou des court-circuits sont appliqués au réseau-
Ces procédés et ces moyens perfectionnés sont destinés aussi à augmenter sensiblement le flux des machines synchrones d'un système ou d'un réseau de transmission d'énergie, pendant les perturbations de ligne qui sui- vent des court-circuits et des accroissements de charge importants et brusques*
Bien que les moyens perfectionnés dont il vient d'être question, soient destinés en général à améliorer les limites de stabilité des systèmes ou des réseaux de transmission d'énergie, ils sont particulièrement bien adaptés pour améliorer la limite de stabilité des systèmes ou des réseaux de transmis- sion d'énergie, dans des conditions de court-circuit, ou dans des conditions suivant l'application d'accroissements de charge importants et brusques.
A ce sujet, il convient d'observer la différence essentielle en- tre les nécessités d'excitation pour améliorer la stabilité d'une part en cas de fonctionnement dans des conditions de stabilité dynamique, c'est-à-dire un fonctionnement au-dessus de la charge limite de l'état stable, et d'autre part en cas de fonctionnement dans des conditions de court-circuit.
Dans le premier cas, il n'est pas aussi important d'exécuter à grande vitesse les variations de courants inducteurs, que d'obtenir la relation de phase et de temps convenable entre le mouvement oscillatoire propre ou inhé- rent des rotors des machines synchrones, et la variation d'excitation correcti- ve du champ des machines synchrones'
Au contraire, dans le second ces, un taux élevé de variation du courant inducteur est important, et la condition essentielle est d'obtenir ra- pidement un accroissement important d'excitation, lorsqu'il se produit une per- turbation suivant des conditions de court-circuit, dont l'effet est, non seule- ment de maintenir le flux de la machine, mais aussi d'augmenter le flux et d' augmenter ainsi le débit des machines synchrones en kilovoltampères.
Pour obtenir une variation dans l'excitation de l'inducteur capa- . ble d'améliorer sensiblement la stabilité, particulièrement dans des conditions de court-circuit, on a trouvé que la tension appliquée au champ de chaque machi- ne synchrone ,doit avoir, non seulement un taux élevé de variation, et être ra- pidement appliquée, mais qu'elle doit aussi être sugementés jusqu'à une valeur atteignant un multiple de la tension qui est nécessaire, d'après la loi d'Ohm,
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pour faire circuler le courant d'excitation à pleine charge, de manière continue et à taux normal, à travers l'enroulement inducteur des machines synchrones; le coefficient de ce multiple étant de préférence compris entre 2 et 4.
Une réalisation de la présente invention, qui a douné den résultats très satisfaisants et très sûrs, comporte l'utilisation, pour l'enroulement d'ex- citation de la machine synchrone, d'une excitatrice dont la tension peut être augmentée jusqu'à une valeur atteignant un multiple de la tension nécessaire, d'aprés la loi d'Ohm, pour faire circuler le courant d'excitation à pleine char- ge continue et à taux normal, à travers l'inducteur auquel il est relié-
Une excitatrice ayant les caractéristiques mentionnées ci-dessus peut, en vue d'âtre différenciéce par rapport à la pratique antérieure, être désignée par "excitatrice à haut plafond" ;
en effet, la tension de bornes maxi- mum, c'est-à-dire le plafond qui peut être obtenu avec une excitatrice construi- te conformément à la pratique usuelle, dépasse seulement de 30% la tension d'ex- citation à pleine charge de la machine à laquelle elle doit être connectée flan- dis qu'une excitatrice conforme à la présente invention, est agencée pour avoir un plafond dépassant d'au moins 100 % la tension d'excitation à pleine charge.
Daps la technique antérieure, une excitatrice ayant une valeur de tension nominale de 250 volts, possède un plafond d'environ 320 volts, tandis qu'une excitatrice convenant pour la mise en oeuvre de la présente invention, peut comporter un plafond d'environ 1.000 volts, lorsqu'elle est destinée à être utilisée avec un enroulement d'excitation de 250 volts*
Une excitatrice de ce dernier type peut augmenter ou élever la tension appliquée à un inducteur de 250 volts, jusqu'à environ 1.000 volts, à un taux de variation de tension d'environ 6.000 à 7.000 volts par seconde, au contraire, d'ane un système conforme à la pratique antérieure, lorsque la tension est augmentée jusqu'à 320 volts,
le taux maximum de variation de ten- sion est d'eiviron 400 à 600 volts par seconde*
La pratique antérieure, pour augmenter ou élever la tension d'ex- citation à la valeur de la tension qui est nécessaire, en vertu de la loi d'Ohm, pour maintenir le courant d'excitation désiré à sa valeur correspondant à l'état stable, à travers les circuits d'excitation, peut tout juste maintenir le flux de la machine synchrone dans des conditions de court-circuit, même an supposant que la tension possède un taux de variation infini, au lieu de la
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faible valeur de 400 à 600 volts par seconde.
En conséquence, on conçoit que les systèmes d'excitation précé- damment utilisés sont dépourvus de plusieurs des facteurs nécessaires pour ef- fectuer une amélioration sensible de la stabilité dans des conditions de court- circuit.
La description qui va suivre, en regard du dessin ani-exé, donné à titre d'example, fera bien comprendre la nature et les avantages de l'invention.
La figure unique de ce dessin est un schéma des connexions d'un système ou d'un réseau de transmission d'énergie, muni d'un système de réglage conforme à la présente invention-
Sur le dessin, 1 désigne une machine électrique synenrone, qui est connectée à un circuit ou un réseau 2 de transmission ou de distribution, par l'intermédiaire d'un. transformateur convenable 3*-'La Machine synchrone 1 est munie d'un enroulement d'excitation 4, qui est alimenté en courant d'exci- tation par une source de courant continu, représentée sous forme d'une excita- trice 5.
L'excitatrice 5 comprend un induit 6 qui est connecté de façon à exciter 1'enroulement d'excitation 4, et un enroulement inducteur 7 qui est de préférence excité par une source séparée d'énergie électrique, représentée par une machine dynamo-électrique 8, formant sous-exci tatrice.
L'excitatrice 5 peut être. construite de manière connues son induit et son commutateur sont agencés pour que cette machine soit capable de fone- tionner pendant des intervalles de temps limitée, à la tension de plafond dé- sirée.
Par exemple, dans un système d'excitation à condensateur de 30.000 kilovolt-ampèrers. l'excitatrice principale, qui doit être connectée à un inducteur à 250 volts, et normalement actionnée dans les limites de portée d'une excitatrice à 250 volts, comporte une construction d'induit et de commu- tateur correspondant à une machine de 750 volts, cette machine fournit ainsi une tension de plafond d'environ 1.000 volts.
Les noyaux de jong et d'inducteur peuvent être de construction usuelle, mais le circuit de l'enroulement inducteur est de préférence agencé pour avoir une faible constante de temps, en vue de permettre un taux de va- riation élevé pour le courant d'excitation de l'excitatrice* Cette faible
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constante de temps- peut être obtenue de diverses manières convenables dont des exemples sont connus dans la technique*
Plusieurs résistances 9,10, 11 et 12 sont montées en série avec l'enroulement d'excitation 7, de l'excitatrice principale 5.
La résistance 9 est utilisée pour faire varier le courant d'exci- tation de l'excitatrice principale, pendant des variations d'une quantité dé- terminée à l'avance d'une caractéristique électrique, par exemple la tension de la machine synchrone 1.
La résistance 10 est utilisée pour augmenter le courant d'excita- ¯tion de l'excitatrice principale, et pour permettre à l'excitatrice 5 de fonc- tioinier à sa tension de plafond, lorsque la diminution dans la caractéristique électrique réglée, dépasse la quantité déterminée à l'avance-
La résistance 12 permet d'établir un courant d'excitation maximun déterminé pour l'enroulement inducteur 7, de l'excitatrice principale, et fixe ainsi une charge maximum déterniinée pour la sous-excitatrice 8.
Le contrôle de la résistance 9 peut être effectué au moyen de di- vers systèmes de régulateurs- Suivant une réalisation préférée, le système est agencé de façon que, lors d'un changement dans la tension réglée, la nouvelle valeur moyenne nécessaire de 1 excitation du champ soit obtenue au cours d'une vibration des contacts et dans la relation de phase convenable par rapport au mouvement oscillatoire propre des rotors de machines synchrones*
En conséquence, la résistance 9 est contrôlée par un régulateur 13 qui comprend deux bras de contact 14 et 15.
Le bras de contact 14 porte un con- tact 16 qui est actionné par un dispositif dynamo-électrique 17 comprenant un enroulement polyphasé fixe 18, primaire ou inducteur, pour produire un champ magnétique rotatif, et une pièce rotative 19 à circuit fermé, ou pièce secon- daire ou induite- L'enroulement 18 est connecté de faqon à être excité par toutes les phases de la machine synchrone 1.
La pièce rotative 19 est connectée mécaniquement de manière à exciter le bras de contact 14, et elle forme un pivot pour ce bras. Le couple de la pièce rotative 19, dans des conditions normales déterminées à l'avance* dans le circuit réglé, est contrebalancé ou équilibré par le couple d'un res- sort 20.
L'enroulement 18 est agencé, sur la périphérie intérieure d'une
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pièce de noyau de stator du type utilisé pour les moteurs d'induction;, comme à la manière usuelle d'un enroulement polyphasé distribué, et la pièce rotative
19 est de préférence construite sous tonne d'une coquille ou enveloppe creuse en aciers
Le mouvement du bras de contact 14 est modifié par des moyens amortisseurs reliés à celui-ci, par exemple un dash-pot 21.
Ce dash-pot 21 est agencé de façon à permettre un mouvement initial rapide du levier 14 suivi par une action d'amortissement, et il comdprend une enveloppe ou boîte cylindrique
22, un piston 23 dans cette enveloppe, et un arbre 24 s'étendant de manière coulissante à travers ce piston, et connecté de façon élastique à celui-ci par des ressorts 25 et 26 qui prennent appui sur les côtés opposés du piston,
et qui sont forcés ou refoulés en engagement avec celui-ci par des pièces de main- tien 27 et 26
Le bras de contact 15 est actionné par des moyens électromagnéti- ques comprenant un solénoide 29 et un plongeur 30 qui est relié mécaniquement du dit bras en un point éloigné de l'extrémité de contact* Ce solénoïde 29 est agencé de manière à être excité en fonction d'une caractéristique électrique du circuit d'excitation de la machine synchrone, et il est connecté de façon à être influencé par la tension de 1'enroulement inducteur 4.-
Un ressort 31 est relié au bras 15, au voisinage de l'extrémité de contact, et est agencé de façon à être opposé à la traction du solénoide 29.
Des moyens convenables sont de préférence prévus pour limiter le mouvement ou le déplacement du bras 15, lorsque l'excitatrice fonctionne à sa tension de plafond- La butée peut être disposée, par exemple, dans le trajet du noyau 30 Sur le dessin, la butée est représentée schématiquement en 31'
Le bras 15 est actionné aussi par un dispositif dynamo-électrique
32 analogue, dans son ensemble, au dispositif dynamo-électrique 17' ce disposi- tif 32 comprend essentiellement un enroulement polyphasé fixe 33, primaire ou inducteur, une pièce rotative 34. secondaire ou induit, et un ressort d'équili- brage ou de compensation 35'. L'enroulement 33 est connecté de manière à être excité par toutes les phases de la machine synchrone 1.
Le bras 15 est monté sur la pièce rotative 34, et ses paliers - agissent conme pivots pour ce bras. Le bras 15 porte des contacts 36 et 37, qui sont mis en place de façon à coopérer avec le contact 16 du bras 14 Le contact
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36 est monté sur la bras 15, tandis que le contact 37 est agence de manière à' être engagé par le contact 36 pour un mouvement déteiminé à l'avance de celui-ci et peut être monté sur un petit ressort plat 38, qui est espacé du bras 15 et du contact 36 par une pièce d'isolement et d'espacement 39.
Les contacts 16 et 37 du régulateur 13 sont connectés en dérivation sur la résistance 9, pour faire varier périodiquement la valeur effective ou ef- ficace de cette résistance 9 dans le circuit de l'enrulement d'excitation 7. En pratique, les contacts du régulateur sont usuellement agencés pour contrôler l'ef- fet de la résistance 9, par l'intermédiaire d'un relais; mais, pour des raisons de simplicité, ce relais n'a pas été représenté.
La résistance 10 est contrôlée par un dispositif contacteur ou in- terrupteur 40 à commande par électro, qui est agencé pour établir et maintenir un circuit en dérivation sur cette résistance qui est normalement an circuit ou- vert-
Dans l'exemple envisagé, l'interrupteur 40 canprend un contact fixe 41 qui est connecté à un côté de la résistance 10, et un contact 42 monté sur un bras mobile 43 qui est relié à l'autre côté de la résistance.
Le contact 42 et le bras mobile 43 sont actionnés, lors de l'excitation d'un électro-aimant comprenant un solénoïde 44 et un plongeur 45
Les contacts 41 et 42 sont knormalement maintenus hors d'engagement par des moyens convenables, par exemple un ressort 46 Le solénoide 44 est connec.. té, par les contacts 36 et 37, aux deux côtés d'une barre omnibus auxiliaire 47
Une résistance 48 est montée en série avec le circuit allant à la barre ormibus, pour limiter le courant traversant le solénoide, lorsque les con- tacts 36 et 37 sont en engagement, et un interrupteur 48' est disposé en série avec ceux-ci pour permettre de mettre en train le fonctionnement du régulateur,
sans que 11 excitatrice soit amenée à élever sa tension de plafond*
On peut comprendre facilement que l'excitation du solénoïde 44 peut être contrôlée par un dispositif à relais, qui est agencé pour être influencé par une variation déterminée à l'avance dans la caractéristique électrique ré- glée, et comportant des contacts indépendants des contacts du régulateur vibrant 13; ce dispositif peut être utilisé, si on le préfère, sans sortir de la pré- sente invention-
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La résistance 11 est contrôlée par un dispositif contacteur ou in- terrupteur 49 à commande par électro, qui est agencé pour court-circuiter nonna- lement cette résistance.
L'interrupteur 49 comprend un contact fixe 50, qui est connecté à un colé de la résistance 11, et un contact 51 monté sur un bras mobile
52, qui est connecté à l'autre côté de cette résistance.
Le contact 51 et le bras mobile 52 sont actionnés, lorsqu'il se produit une excitation déterminée à l'avance d'un électro-aimant comprenant un solénoide 53 et un plongeur 54. Les contacts 50 et 51 sont normalement mainetenus en engagement par des moyens convenables, par exemple un ressort 55.
Le solénoïde 53 est connecté de façon à être excité en fonction du courant passant dans l'enroulement d'excitation 4, et est connecté à un shunt d'intensité 56 monté en série avec le circuit de l'enroulement inducteur 4.
Ce montage est avantageux pour protéger l'enroulement inducteur 4, lorsque la tension de l'excitatrice 5 augmente jusqu'à sa valeur de 1 fond, et que la tension du courant alternatif n'a pas encore été ramenée à une valeur suffisaient élevée pour permettre d'insérer la résistance 10,
Ceci posé, le fonctionnement du système représenté sur le dessin, est le suivant :
On suppose d'abord que le contact 16 occupe une position fixe, que l'excitatrice 8 est en marche, que la résistance 11 est c ourt-circuitéem que le circuit en dérivation sur la résistance 10 est ouvert, et que l'intéruptuer 48' est dans la position d'ouverture.
Si l'attracton combinée due à la tension de l'extitatricus et à la tens-ion alternative, par l'intermédiaire du moteur-couple 32, est insuffisante pour surmonter la traction du ressort 31, le contact 37 vient engager le contact 16 et court-circuite la résistance 9, pour permettre l'augmentation de la tension de l'excitatrice 5 et du courant traversant l'enroulement inducteur 4.
Lorsque la tension de l'excitatrice 5 augmente, et que la tension alternative approche de la valeur déterminée qui est destinée à être maintenue, les contacts 37 et 16 sont séparés* Cela a pour effet d'insérer la résistance 9 dans le circuit inducteur de l'excitatrice principale, et la tension de 1'*:ci- tatrice pommence à diminuer- Lorsque cette tension a diminué jusqu';:' une valeur déterminée, le ressort 31 tenue de nouveau les contacts 37 et 16.
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Ainsi, pour une position fixe du bras 14 et du contact 16, la ten- sion de l'exeitatirc principale varie entre deux valeurs, et on obtient ainsi une certaine valeur moyenne* Apres que le régulateur a cemmencé à fonctionner, l'interrupteur 48' est fermé pour compléter une coupure dans le circuit de la bobine de commande 44 de l'interrupteur ou contacteur 40 contrôlant le circuit endérivation sur la ré- sistance 10.
La tension d'excitatrice moyenne ainsi maintenu engendre une certaine tension aux bornes de la machine synchrone 1. Si cette tension d'excitatrice pos- sède une valeur convenable pour amener le couple du rotor 19 à équilibrer le cou- ple opposé du ressort 20, le contact 16 demeure dans la position supposée ou envi- sbgée, et le fonctionnement continue de la manière précédemment décrite.
Dans des conditions de tensions équilibrées dans le circuit 2, les courants polyphasés passant dans l'enroulement primaire 18 y produisent un champ tournant qui a pour effet de faire circuler des courants induits dans la pièce rotative 19. Ces courants induits réagissent sur le flux magnétique tournant, de telle façon que la pièce secondaire 19 tend à être entrainée avec le flux rotatif.
Le couple reçu par la pièce rotative 19 est transmis au bras de con- tact 14 et est équilibré par le ressort 20, lorsque la tension du circuit 2 possè- . de la valeur normale déterminée à l'avance-
Si la tension du circuit 2 augmente, le couple du rotor 19 dépasse le couple d'équilibrage ou de compensation du ressort 20, et le bras de contact 14 est déplacé en s'éloignant du contact 37, et diminue la période pendant laquelle la résistance 9 est court-circuitée.
Si la tension diminue, le couple du rotor 19 devient inférieur au couple d'équilibrage ou de compensation du ressort 20, et le bras de contact 14 se déplace en se rapprochant du contact 37, et augmente la période au cours de laquelle la résistance 9 est court-circuitée*
Une action analogue est obtenue sur le levier 15, par le dispositif dynamo-électrique 32, de manière que, lorsque la tension de la machine synchrone se trouve à sa valeur déterminée à l'avance, le moteur-couple n'a pas d'effet sur le bras de contact-
Dans des conditions de tensions non équilibrées, la tension de phase, ou tension ligne-à-ligne du moteur-couple, contient des composantes de séquence
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de phases symétriques, positives et négatives,
et le couple du Moteur est pro- portionnel à la différence entre les carrés des amplitudes des composantes de séquences de phases positives et des composantes de séquences de pnses négati- ves
De cette façon, on est assuré que le régulateur tend à augmenter l'excitation de la machine synchrone, en cas de production d'un court-circuit monophasé, ou en cas d'addition ou d'application d'une grosse surcharge mono- phasée-
En supposant maintenant que le circuit 2 est soumis à des condi- tions de court-circuit, soit du type monophasé, soit du type triphasé, si la tension d'un des phases ou de toutes les phases diminue d'une quantité dépassant une valeur déterminée à l'avance, le contact 16 établit un contact avec le con- tact 37, pour court-circuiter la résistance 9,
et en outre il poursuit son dé- placement et ferme les contacts 36 et 37'
L'engagement des contacts 36 et 37 a pour effet de fermer un cir- cuit pour le solénoïde 44, le contacteur 40 se ferme et amené les contacts 41 et 42 en engagement, de faqon à court-circuiter la résistance 10
La résistance 10 est agencée de manière à avoir une valeur de ré- sistance telle que, lorsqu'elle est court-circuitée, le courant passant dans l'enroulement inducteur 7 est suffisant pour élever la tension de l'excitatrice
5 jusqu'à sa valeur de plafond, à un taux de variation extrêmement élevé, en volts par seconde.
Cet accroissement de tension, jusqu'à une valeur dépassant, de marii- ère appréciable, la valeur nécessaire, en vertu de la loi d'Ohm, pour faire cir- culer le courant normal de pleine charge, à travers l'enroulement inducteur, à un taux de variation, en volts, par seconde, suffisant pour effectuer un change- ment d'excitation dans une période de temps inférieure à une fraction de seconde, augmente le flux de la machine synchrone, et cette augmentation est telle qu'on obtient un grand accroissement de la charge qui peut être supportée pendant des conditions de court-circuit.
Si le courant traversant l'enroulement inducteur 4 dépasse une va- leur déterminée à l'avance, le solénoïde 53 de l'interrupteur 49 est excité suf- fisamment pour séparer ses contacts 50 et 51, et insérer la résistance 11 en circuit avec l'enroulement inducteur 7, de l'excitatrice 5, et empêcher ainsi
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cet enroulement inducteur d'être endoinmagé.
Pendant le cycle d'opérations qui a été décrit ci-dessus, le régu- lateur 52, au moyen de l'action vibratoire de ses contacts 16 et 37, est agen- cé pour faire varier la résistance 9, de façon à contrôler la tension de l'ex- citatrice 5 entre des limites ayamt une valeur maximum à peu près égale à la valeur qui est nécessaire, en vertu de la loi d'Ohm, pour faire circuler un courant de pleine charge normal et continu dans l'enroulement inducteur.
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IMPROVEMENTS FOR ELECTRICAL REGULATORS '
The present invention is aimed at improvements to electrical regulators and to adjustment systems, particularly for synchronous equipment for circuits and energy transmission networks, and more especially to their adjustment systems.
The development of large transmission networks with long transmission lines, and the interconnection of large generator sets, have drawn urgent attention to the problem of increasing the energy or power that can be achieved. transmitted economically and stably, on lines and networks of varying extent.
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The limit of stability of a power transmission circuit or network comprising synchronous generators, synchronous motors and synchronous capacitors, is determined, to a large extent, by the value of the load which can be added to the system, either gradually or abruptly, by the short-circuits that can be withstood, and by the drop in voltage that can be authorized or admitted at the terminals of synchronous devices, or at other points in the network, without causing instability or loss of synchronism between the various synchronous unit groups of the circuit or network.
Under conditions of gradually applied loads, the maximum load that can be transmitted without causing instability is referred to as "steady state limit load", while under conditions of abruptly applied loads and short circuits, or for any other line disturbance resulting in operation under transient or temporary conditions, the limit is referred to as "transient state limit load".
Instability, under transient conditions, may be due to an increased load not being accompanied by a decrease in voltage, or to the combination of an increased load and a voltage drop caused by it. , or a short circuit of a nature to simply cause a voltage drop, without adding a kilowatt load, to the system-
In order to solve the problem of increasing the stability limit of transmission systems and networks, attempts have been made to improve and perfect the excitation systems of synchronous equipment *
Various excitation systems of the "fast response" type have been proposed for this purpose, but recent studies have shown that it is not possible to significantly improve the stability limits of transmission systems. ,
under transient conditions following short-circuits in the system or the network, without departing from the usual methods and means of varying and adjusting the excitation current.
This being said, the present invention relates, first and foremost, to an improved adjustment system for increasing the limit of stability of energy transmission systems and networks *
The improved methods and means, objects of the invention, are also intended to increase the throughput of the synchronous devices of a system.
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or an energy transmission network,
when large and sudden load increases or short circuits are applied to the network -
These improved methods and means are also intended to significantly increase the flow of synchronous machines in a power transmission system or network, during line disturbances which follow short circuits and load increases. severe and sudden *
Although the improved means just mentioned are generally intended to improve the stability limits of energy transmission systems or networks, they are particularly well suited to improving the stability limit of systems or networks. of power transmission, under short-circuit conditions, or under conditions following the application of large and sudden load increases.
In this regard, it is necessary to observe the essential difference between the excitation requirements to improve the stability on the one hand in the event of operation in conditions of dynamic stability, that is to say operation at above the steady-state limit load, and secondly when operating under short-circuit conditions.
In the first case, it is not as important to carry out the variations of inductor currents at high speed as to obtain the suitable phase and time relation between the own or inherent oscillatory motion of the rotors of synchronous machines. , and the corrective excitation variation of the field of synchronous machines'
On the contrary, in the second case, a high rate of variation of the inductor current is important, and the essential condition is to obtain rapidly a large increase in excitation, when a disturbance occurs according to conditions of. short circuit, the effect of which is not only to maintain the flux of the machine, but also to increase the flux and thus increase the output of the synchronous machines in kilovoltamperes.
To obtain a variation in the excitation of the inductor capa-. In order to improve stability appreciably, particularly under short-circuit conditions, it has been found that the voltage applied to the field of each synchronous machine, must not only have a high rate of change, and be rapidly applied. , but that it must also be increased to a value reaching a multiple of the voltage which is necessary, according to Ohm's law,
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to circulate the excitation current at full load, continuously and at normal rate, through the inductor winding of synchronous machines; the coefficient of this multiple preferably being between 2 and 4.
An embodiment of the present invention, which has given very satisfactory and very reliable results, involves the use, for the excitation winding of the synchronous machine, of an exciter, the voltage of which can be increased up to. a value reaching a multiple of the voltage necessary, according to Ohm's law, to circulate the excitation current at full continuous load and at normal rate, through the inductor to which it is connected-
An exciter having the characteristics mentioned above may, with a view to being differentiated from previous practice, be referred to as a "high ceiling exciter";
in fact, the maximum terminal voltage, that is to say the ceiling which can be obtained with an exciter constructed in accordance with usual practice, only exceeds the full excitation voltage by 30%. load of the machine to which it is to be connected, provided that an exciter according to the present invention is arranged to have a ceiling exceeding by at least 100% the excitation voltage at full load.
In the prior art, an exciter having a nominal voltage of 250 volts has a cap of about 320 volts, while an exciter suitable for practicing the present invention may have a cap of about 1,000. volts, when intended for use with a 250-volt field winding *
An exciter of the latter type can increase or raise the voltage applied to a 250 volt inductor, up to about 1,000 volts, at a rate of voltage change of about 6,000 to 7,000 volts per second, on the contrary, of an a system in accordance with previous practice, when the voltage is increased to 320 volts,
the maximum rate of voltage change is approximately 400 to 600 volts per second *
Previous practice, to increase or raise the excitation voltage to the value of the voltage which is necessary, under Ohm's law, to maintain the desired excitation current at its value corresponding to the state stable, through the excitation circuits, can just keep the flux of the synchronous machine under short circuit conditions, even assuming the voltage has an infinite rate of change, instead of the
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low value of 400 to 600 volts per second.
Accordingly, it will be appreciated that the excitation systems previously used lack several of the factors necessary to effect a substantial improvement in stability under short circuit conditions.
The description which follows, with regard to the ani-exé drawing, given by way of example, will make the nature and the advantages of the invention clearly understood.
The single figure in this drawing is a diagram of the connections of a power transmission system or network provided with an adjustment system according to the present invention.
In the drawing, 1 designates a synchronous electric machine, which is connected to a transmission or distribution circuit or network 2, through a. suitable transformer 3 * - 'The synchronous machine 1 is provided with an excitation winding 4, which is supplied with excitation current by a direct current source, shown in the form of an exciter 5.
The exciter 5 comprises an armature 6 which is connected so as to excite the excitation winding 4, and an inductor winding 7 which is preferably energized by a separate source of electrical energy, represented by a dynamo-electric machine 8 , forming under-exci tator.
The exciter 5 can be. constructed in known manner, its armature and its switch are designed so that this machine is capable of operating for limited time intervals, at the desired ceiling voltage.
For example, in a 30,000 kilovolt-ampere capacitor excitation system. the main exciter, which must be connected to a 250 volt inductor, and normally operated within the range of a 250 volt exciter, has an armature and switch construction corresponding to a 750 volt machine , this machine thus provides a ceiling voltage of approximately 1,000 volts.
The jong and inductor cores may be of customary construction, but the circuit of the inductor winding is preferably designed to have a low time constant, in order to allow a high rate of change in the current of. excitation of the exciter * This weak
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time constant - can be obtained in various suitable ways, examples of which are known in the art *
Several resistors 9, 10, 11 and 12 are connected in series with the excitation winding 7, of the main exciter 5.
Resistor 9 is used to vary the excitation current of the main exciter, during variations of a predetermined amount of an electrical characteristic, for example the voltage of the synchronous machine 1 .
Resistor 10 is used to increase the excitation current of the main exciter, and to allow exciter 5 to operate at its ceiling voltage, when the decrease in the set electrical characteristic exceeds the limit. quantity determined in advance
The resistor 12 makes it possible to establish a maximum excitation current determined for the inductor winding 7 of the main exciter, and thus fixes a determined maximum load for the sub-exciter 8.
The control of the resistance 9 can be carried out by means of various regulator systems. According to a preferred embodiment, the system is arranged so that, upon a change in the set voltage, the necessary new average value of the excitation of the field is obtained during a vibration of the contacts and in the suitable phase relation with respect to the own oscillatory motion of the rotors of synchronous machines *
As a result, resistor 9 is controlled by a regulator 13 which includes two contact arms 14 and 15.
The contact arm 14 carries a contact 16 which is actuated by a dynamo-electric device 17 comprising a fixed polyphase winding 18, primary or inductor, to produce a rotating magnetic field, and a rotating part 19 with closed circuit, or part. Secondary or induced - Winding 18 is connected so as to be excited by all phases of synchronous machine 1.
The rotating part 19 is mechanically connected so as to energize the contact arm 14, and it forms a pivot for this arm. The torque of the rotating part 19, under normal conditions determined in advance * in the regulated circuit, is counterbalanced or balanced by the torque of a spring 20.
The winding 18 is arranged on the inner periphery of a
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stator core part of the type used for induction motors ;, as in the usual manner of a distributed polyphase winding, and the rotating part
19 is preferably constructed in a ton of hollow steel shell or casing
The movement of the contact arm 14 is modified by damping means connected to the latter, for example a dash-pot 21.
This dash-pot 21 is arranged to allow a rapid initial movement of the lever 14 followed by a damping action, and it comprises a casing or cylindrical box
22, a piston 23 in this casing, and a shaft 24 slidably extending through this piston, and resiliently connected thereto by springs 25 and 26 which bear on opposite sides of the piston,
and which are forced or driven back into engagement with it by holding pieces 27 and 26
The contact arm 15 is actuated by electromagnetic means comprising a solenoid 29 and a plunger 30 which is mechanically connected to said arm at a point remote from the contact end. This solenoid 29 is arranged so as to be energized in function of an electrical characteristic of the excitation circuit of the synchronous machine, and it is connected so as to be influenced by the voltage of the field winding 4.-
A spring 31 is connected to the arm 15, in the vicinity of the contact end, and is arranged so as to be opposed to the traction of the solenoid 29.
Suitable means are preferably provided for limiting movement or displacement of the arm 15, when the exciter is operating at its ceiling voltage. The stopper may be disposed, for example, in the path of the core 30 In the drawing, the stopper is shown schematically at 31 '
The arm 15 is also actuated by a dynamo-electric device
32 analogous, as a whole, to the dynamo-electric device 17 ', this device 32 essentially comprises a fixed polyphase winding 33, primary or inductor, a rotating part 34. secondary or armature, and a balancing or control spring. compensation 35 '. The winding 33 is connected so as to be excited by all the phases of the synchronous machine 1.
The arm 15 is mounted on the rotating part 34, and its bearings - act as pivots for this arm. The arm 15 carries contacts 36 and 37, which are positioned so as to cooperate with the contact 16 of the arm 14 The contact
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36 is mounted on the arm 15, while the contact 37 is arranged so as to be engaged by the contact 36 for pre-determined movement thereof and can be mounted on a small flat spring 38, which is. spaced from the arm 15 and from the contact 36 by an isolation and spacing piece 39.
The contacts 16 and 37 of the regulator 13 are connected in shunt on the resistor 9, to periodically vary the effective or effective value of this resistor 9 in the circuit of the excitation winding 7. In practice, the contacts of the regulator are usually arranged to control the effect of resistor 9, via a relay; but, for reasons of simplicity, this relay has not been shown.
Resistor 10 is controlled by an electro-controlled contactor or switch device 40, which is arranged to establish and maintain a shunt circuit on this resistor which is normally an open circuit.
In the example considered, the switch 40 can take a fixed contact 41 which is connected to one side of the resistor 10, and a contact 42 mounted on a movable arm 43 which is connected to the other side of the resistor.
The contact 42 and the movable arm 43 are actuated, during the excitation of an electromagnet comprising a solenoid 44 and a plunger 45
Contacts 41 and 42 are normally held out of engagement by suitable means, for example a spring 46 Solenoid 44 is connected, through contacts 36 and 37, to both sides of an auxiliary bus bar 47.
A resistor 48 is connected in series with the circuit going to the bus bar, to limit the current through the solenoid, when contacts 36 and 37 are engaged, and a switch 48 'is arranged in series with these to. allow the regulator to operate,
without the exciter having to raise its ceiling voltage *
It can easily be understood that the excitation of the solenoid 44 can be controlled by a relay device, which is arranged to be influenced by a predetermined variation in the set electrical characteristic, and comprising contacts independent of the contacts of the relay. vibrating regulator 13; this device can be used, if preferred, without departing from the present invention.
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Resistor 11 is controlled by an electro-controlled contactor or switch device 49 which is arranged to normally bypass this resistor.
The switch 49 comprises a fixed contact 50, which is connected to a collar of the resistor 11, and a contact 51 mounted on a movable arm.
52, which is connected to the other side of this resistor.
The contact 51 and the movable arm 52 are actuated when a predetermined excitation occurs of an electromagnet comprising a solenoid 53 and a plunger 54. The contacts 50 and 51 are normally held in engagement by suitable means, for example a spring 55.
The solenoid 53 is connected so as to be energized according to the current flowing in the excitation winding 4, and is connected to a current shunt 56 mounted in series with the circuit of the inductor winding 4.
This assembly is advantageous for protecting the inductor winding 4, when the voltage of the exciter 5 increases to its value of 1 background, and the voltage of the alternating current has not yet been brought back to a sufficiently high value for allow the insertion of resistance 10,
This being said, the operation of the system shown in the drawing is as follows:
Assume first that contact 16 occupies a fixed position, that the exciter 8 is on, that resistor 11 is short-circuited that the bypass circuit on resistor 10 is open, and that the switch 48 'is in the open position.
If the combined attracton due to the tension of the extitatricus and the alternating tension, via the torque motor 32, is insufficient to overcome the traction of the spring 31, the contact 37 engages the contact 16 and short-circuits resistor 9, to allow an increase in the voltage of the exciter 5 and of the current flowing through the field winding 4.
When the voltage of the exciter 5 increases, and the alternating voltage approaches the determined value which is intended to be maintained, the contacts 37 and 16 are separated * This has the effect of inserting the resistor 9 into the inductor circuit of the main exciter, and the tension of 1 '*: exciter starts to decrease. When this tension has decreased to a determined value, the spring 31 again holds the contacts 37 and 16.
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Thus, for a fixed position of the arm 14 and of the contact 16, the voltage of the main exeitatirc varies between two values, and one thus obtains a certain average value * After the regulator has started to operate, the switch 48 'is closed to complete a cut in the circuit of the control coil 44 of the switch or contactor 40 controlling the bypass circuit on the resistor 10.
The average exciter voltage thus maintained generates a certain voltage at the terminals of the synchronous machine 1. If this exciter voltage has a suitable value to cause the torque of the rotor 19 to balance the opposite torque of the spring 20, contact 16 remains in the supposed or envisioned position, and operation continues in the manner previously described.
Under balanced voltage conditions in circuit 2, the polyphase currents flowing in the primary winding 18 produce there a rotating field which has the effect of circulating induced currents in the rotating part 19. These induced currents react on the magnetic flux. rotating, so that the secondary part 19 tends to be driven with the rotary flow.
The torque received by the rotating part 19 is transmitted to the contact arm 14 and is balanced by the spring 20, when the voltage of circuit 2 possesses. of the normal value determined in advance-
If the voltage of circuit 2 increases, the torque of the rotor 19 exceeds the balancing or compensating torque of the spring 20, and the contact arm 14 is moved away from the contact 37, and decreases the period during which the resistance 9 is short-circuited.
If the voltage decreases, the torque of the rotor 19 becomes less than the balancing or compensating torque of the spring 20, and the contact arm 14 moves closer to the contact 37, and increases the period during which the resistor 9 is short-circuited *
A similar action is obtained on the lever 15, by the dynamo-electric device 32, so that, when the voltage of the synchronous machine is at its value determined in advance, the motor-torque has no effect on the contact arm
Under unbalanced voltage conditions, the phase voltage, or motor-torque line-to-line voltage, contains sequence components
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symmetrical, positive and negative phases,
and the Motor torque is proportional to the difference between the squares of the amplitudes of the components of positive phase sequences and of the components of negative pressure sequences.
In this way, it is ensured that the regulator tends to increase the excitation of the synchronous machine, in the event of production of a single-phase short-circuit, or in the event of addition or application of a large single-phase overload. phased-
Assuming now that circuit 2 is subjected to short-circuit conditions, either of the single-phase type or of the three-phase type, if the voltage of one of the phases or of all the phases decreases by an amount exceeding a value. determined in advance, contact 16 establishes contact with contact 37, in order to short-circuit resistor 9,
and in addition it continues its movement and closes contacts 36 and 37 '
The engagement of contacts 36 and 37 has the effect of closing a circuit for the solenoid 44, the contactor 40 closes and brings the contacts 41 and 42 into engagement, so as to short-circuit the resistor 10.
Resistor 10 is arranged so as to have a resistance value such that when short-circuited the current flowing through field winding 7 is sufficient to raise the voltage of the exciter.
5 to its maximum value, at an extremely high rate of change, in volts per second.
This increase in voltage, up to a value exceeding, appreciably, the value necessary, by virtue of Ohm's law, to cause the normal full load current to flow through the inductor winding, at a rate of change, in volts, per second, sufficient to effect a change of excitation in a period of time less than a fraction of a second, increases the flux of the synchronous machine, and this increase is such that obtains a large increase in the load that can be supported during short circuit conditions.
If the current flowing through the field winding 4 exceeds a predetermined value, the solenoid 53 of the switch 49 is energized sufficiently to separate its contacts 50 and 51, and insert the resistor 11 in circuit with the. inductor winding 7, of the exciter 5, and thus prevent
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this inducing winding to be damaged.
During the cycle of operations which has been described above, the regulator 52, by means of the vibratory action of its contacts 16 and 37, is arranged to vary the resistance 9, so as to control the resistance. voltage of exciter 5 between limits having a maximum value approximately equal to the value which is necessary, by virtue of Ohm's law, to cause a normal and continuous full load current to flow through the winding inductor.