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Régulateur pour machines synchrones.
La présente invention a pour objet un appareil régulateur pour moteurs synchrones, dont les buts sont .
1. Rendre très rapides et sûres les manoeuvres de synchro- nisation et de mise en parallèle de machines synchrones.
2. Etant appliqué à une seule des machines synchrones en parallèle, maintenir celle-ci avec facteur de puissance presque constant sous charge quelconque et permettre un réglage de ce facteur de puissance ; étant appliqué à toutes les machines synchrones en parallèle, maintenir sensiblement constante la tension de réseau ; permettre un réglage du facteur de puissance des machines individuelles ; varier automatiquement le facteur de puissance de chaque machine lorsque celui du réseau varie.
3. Augmenter le moment d'inversion d'une machine synchrone.
4. Rendre rapide et sûr le déclanchement d'une machine synchrone.
5. Rendre automatique le recouplage au réseau d'une machi - ne synchrone qui a perdu son pas.
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6. Annuler la puissance du moteur primaire d'un alterna - teur agissant sur son propre réseau lorsque, à la suite d'une forte surcharge, l'interrupteur de ligne se déclanche.
L'appareil suivant l'invention réalise ces buts d'une façon simple et sûre, remplace avantageusement les détecteurs de synchronisme et les sélecteurs de synchronisme ; remplace les régulateurs d'un facteur de puissance et, au contraire de ceux-ci, peut être appliqué à toutes les machines synchrones en parallèle ; il élimine le régulateur (rapide) de tension, en ne nécessitant qu'un égalisateur (par exemple électromagné - tique) de tension pour le parallèle ; il permet une sûre réali- sation de centrale synchrone semi-automatique ou complètement automatique.
Il consiste en substance :
1. En un moteur auto-synchrone (préférablement à deux pôles) alimenté par les barres au travers d'un transformateur (réducteur de tension).
2. En un pivot coaxial à celui du moteur auto-synchrone, et qui' tourne dans le même sens que celui-ci par l'axe de la machine synchrone (avec transmission sans glissement) avec vitesse angulaire # = # p/p, où # = vitesse angulaire de la machine synchrone ; P et p le nombre de pôles de celle-ci et du 'moteur auto-synchrone respectivement.-
3. En deux contacteurs spéciaux sensibles au déphasage entre l'arbre du moteur auto-synchrone et l'arbre entraîné par la machine synchrone.
4. En un moteur auxiliaire électromagnétique, actionné par un des contacteurs précédents qui commande (au moyen d'un autre moteur auxiliaire quelconque) la variation de puissance du mo - teur primaire d'un alternateur ou du moteur auxiliaire de démar- rage d'un moteur -synchrone (pendant la manoeuvre de synchroni - sation).
5. En une résistaricé insérée en plus ou moins grande lon- gueur suivant l'ampleur du déphasage mentionné en 4 au moyen
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de l'action de 1 autre contacteur.
6. En un moteur auxiliaire électromagnétique agissant sur le rhéostat d'excitation de l'excitatrice : indirectement, au moyen d'un moteur auxiliaire quelconque, ou directement, en le court-circuitant en alternances rapides. Ce moteur auxiliai- re est formé par un solénoide en série avec la résistance reprise en 5 et par un solénoïde de tension (relié aux pôles de l'excitatrice) lequel doit toujours égaliser la tension réglable d'un ressort et l'action du solénoide précédent.
7..En un dispositif pour pouvoir varier le facteur de puissance d'une machine synchrone. Celui-ci peut être un cur - seur, lequel peut faire varier le nombre de spires du premier solénoïde repris en 6 en agissant en même temps sur un rhéostat de façon à ne pas varier la résistance totale du circuit du solénoïde même , c'est-à-dire que ce dispositif sert à multi - plier pour un certain facteur l'action de la résistance (repri- se en 5).
8. En un égalisateur normal de tension (par exemple électro- magnétique) pour le parallèle, agissant sur le rhéostat de l'excitation de l'excitatrice de la même manière que le moteur auxiliaire (repris en 6).
Ci-après est donnée une démonstration théorique de l'ac - tion de l'appareil. Le mécanisme de synchronisation et de sé - lection de synchronisme (basé sur les parties reprises en 1, 2, 3, 4) est clairement compréhensible.
Le réglage de l'excitation de la machine synchrone (basée sur les parties reprises er 3,5, 6, 7) peut être compris en observant qu'une relation mathématique, parfaitement déter - minable, existe entre l'excitation de la machine synchrone et l'angle # de déphasage électrique entre la position à vide et la position en charge de l'étoile polaire de la même.
On réus - sit (er tenant compte de la "earactéristique de magnétisation" de la, machine synchrone etde la réac'Lui-,ce ct la résistance ohmique de l'armature de celle-ci, de l'angle # de déphasage
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entre tension de réseau et courant débité ou absorbé, de l'an -
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gle i- sus-mentionné) à déterminer la fonction x : Ase (Ampè - res spires d'excitation) = f ( # # ).
L'accroissement d'une
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telle fonction, supposant P constante, de vide à charge, est donné par t xù Ase = f ( F5ol ) - f ( 0"- rr), de laquelle, en .posant f = lf'7 (valeur normale de 11 angle -' ) on tire:
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En variant l'excitation de la machine synchrone en fonction de # suivant la relation ainsi déterminée, on contreint la ma - chine synchrone à débiter ou à absorber du courant déphasé de l'angle #n par rapport à la tension (constante) du réseau.
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Il est à remarquer que la foncti'onA Ase pour les valeurs ordinaires de J (Q 1 16--JSi et pour les valeurs ordinaires du facteur de puissance est toujours croissante.
L'accroissement des ampères-spires d'excitation dans le passage de vide à charge pour une valeur quelconque et constan- te de # i, est donné à peu près par .
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ou 1ì = pour = f! , et où Ki est différent de un pour y différent de #n.
La résistance (reprise en 5) et le solénoïde en série avec celle-ci (repris en 6) pour un certain nombre de spires dépen - dant du curseur (repris en 7) sont tels que l'excitation de l'alternateur reçoit l'accroissement # A se. La machine synchrone fonctionne ainsi (si la tension de réseau est cons -
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tante) aveo ¯ '2 En déplaçant le curseur (repris en 7 ), on donne a 7.' exci - talion de l'alternateur 1' accroissement # Ase , clest-à-dîr (à parité de réseau) que l'on contraint la machine synchrone
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à fonctionner avec r =- '111/1..
L'analyse même montre comment on réalise automatiquement une variation du facteur de puissance de toutes les machines synchrones génératrices en parallèle (tou - tes étant munies du régulateur) quand ceci est requis par le
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réseau. (Cela comporte une petite variation de la tension de réseau).
On comprend maintenant parfaitement aussi la réalisation des buts 2 , 3 . L'obtention des autres buts (4,5 et 6) peut se vérifier (ainsi que pour les précédents), en se référant au dessin annexée qui montra à titre d'exemple, une des ap - plications possibles de cet appareil et précisément l'applica- tion à ur, alternateur triphasé (actionné par un moteur primai- re quelconque) pour la réalisation d'une centrale synchrone semi-automatique.
La fig.l du dessin montre le schéma 3 G 3 # est l'alternateur; il son excitatrice ; M/ le moteur pri - maire ; I/ l'interrupteur automatique de ligne; r/ et R/ sont respectivement les rhéostats d'excitation de l'excitatrice et de l'alternateur (r/ est réglé (en fig.l) au moyen de court- circuitage en alternance rapide; il/ est un petit moteur à courant continu agissant sur le régulateur de vitesse de M/ ; F2 un frein qui bloque le petit moteur M/ lorsque il n'est pas parcouru par du courant; m2/ et s/ sont respectivement ressorts et solénoïde de commaride de F2/ ; il est le commuta - leur pour la marche en deux directions du petit moteur M/ ;
T/ est le transformateur (réducteur de tension) pour le moteur auto-synchrone 3 M ;d1 est un disque porté par l'axe du moteur auto-synchrone ; d2 un disque porté par l'axe entraîné par la machine synchrone avec transmission (dans le schéma : à chaine); 1, 2,3,4 sont des anneaux isolés communiquant avec les contacts 1,2,3,4 du disque d2 (fig.3) ; 0 un anneau isolé communiquant avec les balais a/ et b/ du disque dl (fig.2) , F1 un frein à frottement doux sur le disque dl (fonctionnant lorsque I2 est ouvert); m1 et S respectivement ressort et solénoide de commande de F1 Il un interrupteur automatique (ouvert lorsque le moteur primaire M ne peut pas être démarré) (par exemple dans une turbine si l'écluse est fermée) ; I2 est l'interrupteur à bouton poussoir ; a2une dent d'arrêt
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pour 12 ;
I3 un interrupteur automatique (se fermant de manière centrifuge) dans le circuit d'excitation du moteur auto-syn - chrone ; I4 un interrupteur automatique (se fermant lorsque l' égalisateur de tension U a réalisé l'égalité entre la tension de la machine synchrone et la tension de réseau); I5un inter- rupteur (à fermeture à temps réglable) ; Ig un commutateur et interrupteur à bouton poussoir ; l 8 un interrupteur commandé en même temps que I ; I9 un interrupteur à bouton poussoir ; I10 un interrupteur automatique (se fermant lorsque la machine a une charge excessive) pouvant être commandé même à la main ; S1 est un solénoïde à nombre de spires variable ; c un curseur pour le réglage du nombre de spires S2;
R2 une résistance insérée par c en portion égale à celle des spires de S2 désin- sérées ; S3 un solénoïde pour la fermeture de I5; F3 une cataracte à huile pour I5 (freinant seulement dans la ferme - ture) ; S5un solénoïde pour la fermeture de I ; S6un solénoï- de pour l'ouverture de I (par le soulèvement de la dent d' arrêt ai) ;
S7 Un solénoïde pour l'ouverture de I2 (par le soulèvement de la dent d'arrêt a2); B est la batterie d'accu - mulateurs (électriques) à tension constante A un moteur auxiliaire électromagnétique pour le réglage de la tension de l'excitatrice par le réglage du ressort m contre-carrant le solénoïde de tension si et pour l'augmentation de la tension de l'excitatrice (et par conséquent de l'excitation de l'al- ternateur) par l'action S2 dont le flux est réglé par le curseur c (au moyen de la variation de l'intensité du courant continu qui le traverse) ;
U est un égalisateur électromagné - tique. de tension formé par deux (ou six) solénoïdes s2 et s3 alimentés respectivement de part et d'autre de l'interrupteur de ligne I (au moyen de réducteurs de tension); k1 et lc sont des contacts qui, en court-circuitant le solénoïde s en série avec la résistance R3, font court-oircuiter le rhéostat r ; (U est muni d'un amortisseur à cataracte d'huile, non représenté)
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A la fig. 2 le disque dl est représenté avec deux balais a et b dont le premier, suivant le déphasage entre les deux disques (déphasage limité par le nez n de d2 dans la fente f de d forme contact avec les petites pattes 1 ou 2 ou 3, du disque d2 (fig.3) et la seconde avec les différents contacts de la résistance Rl ;
R1 est la résistance en série avec S2 et R2. Pour manoeuvrer un alternateur on procède de la façon sui- vante (fig.l) : On ferme automatiquement Il (et ouvre I2) après les manoeuvres préliminaires pour le démarrage du moteur primaire (par exemple quand il s'agit d'une turbine hydrauli - que , ouverture de l'écluse). Four démarrer et mettre en paral- lèle le groupe, on ferme I2.
Four charger le groupe, on peut forcer le moteur primaire à développer une puissance constante (en mettant hors de service le régulateur centrifuge) ou régler la puissance du moteur primaire en fonction, par exemple s'il s'agit d'une turbine hydraulique, de la quantité d'eau dispo - nible ; ou on peut laisser le réglage de la charge du groupe au régulateur centrifuge (lorsque presque tous les autres alterna - teurs en parallèle ont charge constante). Dans ce dernier cas on peut modifier la charge de l'alternateur en agissant sur I7 (qui la diminue) ou sur I6 (qui l'augmente). Pour déchar - ger : on désembrajre et arrête le groupe, on ferme I7 (et le retient fermé jusqu'à ce que l'interrupteur de ligne se déclan- che ).
Si l'alternateur doit agir sur son propre réseau : Pour
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démarrer le groupe on ferme 19, I2 et &],'iÉ5 I6'
Pour varier la vitesse de régime, oi. a;;it sur I6 (qui l' augmente ) ou sur I7 (qui la diminue).
Four varier la tension de l'alternateur, on agit sur le ressort m ou sur le rhéostat R.
Four arrêter le groupe, on ferme I7 (et on maintient fer - mé jusqu'à ce que le roue s'arrête), après, en maintenant
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encore fermé 17,01, fC1':-':0 10'
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Si entretemps on avait placé en parallèle un autre alter - nateur, pour arrêter le groupe, il suffirait de fermer I7
Si l'alternateur en parallèle perd le pas ; s'il reste sans tension sur le réseau, il se reconnecte automatiquement à celui-ci ; si la tension sur le réseau a été annulée, il s'ar - rête et il démarre automatiquement se replaçant en parallèle aussitôt que la tension revient dans le réseau.
Si ltalternateur, agissant sur réseau propre, est mis hors de service, il s'arrête automatiquement et pour le repla- cer en service, il suffit de fermer I9 et I6.
La transformation de la fig.l en schéma pour centrale complètement automatique est facilement compréhensible.
Il y faut cependant une explication particulière pour l' application de ce régulateur à un moteur synchrone.
Dans ce cas, la rotation des deux disques d1 et d2 (fig.2' et 3) se fait dans l'autre sens (sens contraire aux flèches) ; le contact 0-1 diminue la puissance du moteur auxiliaire de démarrage et 0-3 l'augmente ; le moteur de démarrage est éli - miné par la fermeture de l'interrupteur de ligne ; le réglage de l'excitation se fait comme pour l'alternateur (schéma fig.1); la disjonction du moteur synchrone peut être provoquée (comme on pourrait faire pour un alternateur) par un interrupteur en série avec le contact 0-2 ; alors l'ouverture de I et de I2 ne peut se faire que si # = 0 (c'est-à-dire si le moteur est déchargé ) .
Si le moteur est sorti de phase (chose difficile car le moment maximum du moteur a été augmenté)'il revient automati - quement en parallèle (lorsque naturellement le couple résistant est revenu nul).
Ce régulateur est applicable à des machines synchrones à nombre de phases quelconque ; si elles sont monophasées, le moteur auto-synchrone sera biphasé avec une phase auxiliaire déphasée de 90 par rapport à la principale.