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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.