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SYSTEME REGULATEUR AUTOMATIQUE d'UNE GRANDEUR ELECTRIQUE OU MECANIQUE .
Dans la pratique, il est presque toujours nécessaire de modi- fier les caractéristiques propres des machines électriques ou mécaniques de manière à obliger l'une des grandeurs Intervenant dans l'expression de l'é- nergie qu'elles engendrent ou transforment à suivre une loi bien déterminée en fonction de la charge pour permettre une utilisation plus rationnelle de celle-ci*
Par exemple, on exigera que les moteurs primaires, entraînant des alternateurs d'une centrale, tournent à une vitesse indépendante de la charge, car la fréquence des alternateurs doit rester constante. De même, la tension fournie par les alternateurs sera, en général, maintenue constante ou légèrement croissante avec la charge.
On a proposé à cet effet, des régulateurs automatiques com-
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-prenant, d'une façon générale, un organe de mesure sensible à la grandeur à ré- gler dont les mouvements déterminent, par l'intermédiaire d'amplificateurs méca- niques, des serve-moteurs par exemple, la manoeuvre d'un organe de réglage agis- sant sur la grandeur à régler.
La sensibilité que l'on exige de ces appareils ne peut être obtenue qu'au prix d'une construction très légère et très précise qui les rend particulièrement coûteux. Ils comportent en général des voies de contacts ou-des contacts intermittents d'un entretien délicat et qui sont sujets à se dérégler facilement. De plus, la rapidité d'action des régulateurs mécaniques, qui dépend des dimensions et de l'inertie des pièces en mouvement, est limitée par la néces- sité de donner à leurs organes une rigidité et une résistance suffisantes.
Pour éviter-ces inconvénients, on a déjà proposé des régula- teurs dépourvus de tout organe mécanique mobile et basés sur les propriétés des valves thermioniques à vide poussé. L'avantage de ces régulateurs réside dans la précision de leur réglage et dans leur beaucoup plus grande rapidité d'action.
Par contre, leur emploi est limité par les faibles capacités des valves thermio- niques dont le rendement est assez médiocre et qui ne peuvent porter les intensi- tés nécessaires pour la régulation d'unités dépassant une certaine puissance.
C'est pourquoi, ils n'ont été utilisés que pour régler des groupes de faible importance destinés, par exemple, à l'alimentation de laboratoires ou de tables d'étalonnage.
De plus, les régulateurs de ce genre, proposés jusqu'à présent sont'sensibles aux valeurs moyennes des grandeurs à régler et non à leurs valeurs efficaces -ce qui les rend difficilement utilisables dans les applications les plus fréquentes de la régulation d'une grandeur électrique.
La présente invention prévoit un régulateur automatique, exempt d'organes mobiles, sensible à la valeur efficace de la grandeur à régler et dont l'action est pratiquement instantanée. Le dispositif conforme à l'inven- tion,utilise indifféremment des valves à décharge à vide poussé ou à remplissage gazeux-ce qui permet d'étendre son application à la régulation des unités les plus puissantes.
De plus, les appareils fonctionnant suivant les principes de l'invention comportent un minimum de réglages qui peuvent être d'ailleurs effec- tués une fois pour toutes avant leur mise en service, ce qui donne une sécurité de marche absolue.
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l'invention consiste en une combinaison, en tout ou en partie, des éléments suivants en vue d'obtenir un résultat technique nouveau :
Un pont de Wheatstone dont une diagonale est soumise à une tension de valeur efficace proportionnelle à la grandeur à régler et dont les branches sont constituées, en général, par des impédances dont l'une au moins présente une caractéristique non linéaire, c'est-à-dire qu'elle absorbe un courant qui n'est pas proportionnel à la tension qui lui est appliquée.
Un moyen d'alimenter le circuit de commande de l'organe de réglage soit directement, soit par l'intermédiaire d'une excitatrice à l'aide du courant débité par un ou plusieurs tubes à décharge à vide ou à remplissage gazeux munis de grilles de commande: par exemple des thyratrons.
Un moyen d'amplifier la tension aux bornes de la seconde dia- gonale du pont de Wheatstone et de l'appliquer aux grilles des tubes de manière à commander leur débit pour obtenir la régulation désirée.
Un moyen de supprimer les harmoniques de tension apparaissant dans la seconde diagonale du pont, en raison des caractéristiques non linéaires des impédances qui le composent.
Dans le cas où le circuit de réglage est alimenté indirectement, par l'intermédiaire d'une excitatrice, les moyens d'éviter les oscillations provo- quées par les retards de réglage dus aux constantes de temps du circuit de réglage et de l'excitation de l'excitatrice, ep agissant soit sur le régulateur, soit sur .ces circuits eux-mêmes.
Pour simplifier l'exposé, on a décrit l'invention dans le cas particulier, le plus fréquent d'ailleurs,où la grandeur à régler est la tension engendrée par un alternateur. Il est bien entendu que l'exposé de ce cas particu- lier ne limite en rien l'invention qui concerne la régulation d'une grandes élec- trique ou mécanique quelconque.
On a déjà imaginé de régler la tension d'un alternateur à 1'aide d'un montage utilisant des valves à décharge dans-les gaz, mais le dispositif pro- posé agissait sur une résistance introduite en série dans l'excitation de l'alter- nateur ,ce qui limite la puissance qu'il est possible de régler. Conformément à l'invention, les tubes à décharge à remplissage gazeux alimentent directement le circuit de commande de l'organe de réglage ou le circuit d'excitation de l'exci- tatrice. De plus, des moyens sont prévus pour obtenir une action progressive sur
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la grandeur à régler et pour éviter les oscillations résultant de la constante de temps des circuits.
On comprendra mieux l'invention en se référant à la description suivante accompagnée de dessins donnés à titre d'exemples nullement limitatifs et dans lesquels t
La figure 1 représente'schématiquement un régulateur de tension d'un alternateur non muni d'une excitatrice.
La figure 2 représente des caractéristiques des résistances constituant le pont de Wheatstone utilisé dans le schéma de la figure 1,
La figure 3 est un oscillogramme montrant la tension appliquée au pont de Wheatstone et la tension apparaissant dans sa diagonale secondaire lorsqu'il n'est pas fait usage des moyens conformes à l'invention pour supprimer les harmoniques d'ordres supérieurs.
La figure 4 est un oscillogramme montrant les mêmes tensions après application des moyens destinés à supprimer ces harmoniques.
La figure 5 est une représentation vectorielle montrant les phases relatives des grandeurs électriques utilisées dans le schéma de la figure 1
La figure 6 représente une application particulière de l'inven- tion.
La figure 7 est le schéma d'un régulateur de tension pour alter- nateur fonctionnont avec excitatrice.
La figure 8 représente schématiquement un des moyens d'éviter les oscillations de tension en agissant sur les circuits des machines elles-mêmes.
Conformément à la figure 1, l'alternateur à régler 1, supposé triphasé, comporte trois phases R, S, T se succédant dans le temps suivant leur ordre alphabétique et un point neutre N. L'alternateur alimente le jeu de barres N', R' S', T' sur lequel sont prises les dérivations (non montrées) constituant la charge.
L'alternateur fonctionne en auto-excitation, c'est-à-dire qu'il alimente sa propre excitation 7 par l'intermédiaire d'un redresseur constitué par un transformateur 8 et deux tubes redresseurs à grille de commande 3 et 4. Les valves 3 et 4 comportent chacune une cathode, une anode et une grille. Elles peu- vent être à vide poussé mais il est préférable qu'elles soient à remplissage ga- zeux, du type thyratron par exemple.
Rappelons que la grille d'un thyratron peut empêcher 1'amorçage
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d'un arc tant qu'elle est portée à une tension inférieure à une certaine valeur critique dépendant de la tension anodique mais généralement faible par rapport à celle-ci,
Lorsque la grille est portée à un potentiel supérieur au poten- tiel critique, l'arc peut s'amorcer pour autant que l'anode soit positive par rap- port à la cathode. A partir de cet Instant., la grille n'a plus d'action sur larc qui ne peut s'éteindre que si la tension d'anode s'annule ou s'inverse momentané- ment.
Le primaire 9 du transformateur 8 est branché entre phase et neutre N' R'. Le transformateur 8 comprend un premier secondaire 10 à prise mé- diane dont les extrémités sont reliées aux anodes 11 et 12 des deux tubes à dé- charge 3 et 4. Les cathodes 15 et 16 sont chauffées Indirectement par les filâ- ments chauffants 17 et 18 alimentés en parallèle par un deuxième secondaire 19 du transformateur 8.Les cathodes sont reliées ensemble au pâle positif de l'exci- tation 7 de l'alternateur dont le pôle négatif est connecté au point médian de l'enroulement 10,
Les phases S' T' alimentent la diagonale a b d'un pont de Wheatstone 2 par l'intermédiaire d'une,
résistance réglable 20 et éventuellement d'un transformateur 21 comportant un primaire 22 et un secondaire 23.
Le pont de lampes 2 sera en général constitué par quatre résis- tances 24, 25, 26 et 27 dont l'une au moins ne suit pas la loi d'ohm. La diago- nale c d du pont est raccordée au primaire 28 d'un transformateur 29 comportant un secondaire 30 pourvu d'une prise médiane. Cette dernière est raccordée au frotteur 32 d'un potentiomètre 31 dont une extrémité est connectée aux cathodes des thyratrons. Les extrémités du secondaire 30 sont raccordées de façon appro- priée aux grilles 13 et 14 par l'intermédiaire de résistances limitatrices de courant 34 et 35. Le potentiomètre 31 est soumis à une tension continue fournie par un redresseur quelconque, à oxyde de cuivre par exemple, que l'alternateur alimente par l'intermédiaire d'un transformateur de rapport convenable 38.
La pulsation du courant redressé par le redresseur 6 est amortie par une capacité de shuntage 33,
La position du frotteur 32 détermine la polarisation moyenne des grilles des thyratrons, ce qui permet de choisir, sur leur caractéristique, le point de fonctionnement le plus avantageux.
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Suivant une disposition préférée de l'invention, les résistan- ces 25 et 26 peuvent être constituées par des lampes d'éclairage à filament mé- tallique,ou bien par des résistances en fil de fer baignant dans une atmosphère d'hydrogène, et les résistances 24 et 27 peuvent être constituées par des lampes à filament de carbone ou par des résistances en thyrite, matière dont la résis- tance décroît lorsque la tension appliquée augmente.
Le fonctionnement du régulateur peut s'expliquer de façon élé- mentaire comme suit
On a représenté, à la figure 2, l'intensité absorbée 1 en fonc- tion de la tension appliquée u, par une lampe à filament métallique (courbe I) et par une lampe à filament de carbone (courbe Il).
On voit qu'il est possible de trouver au moins une tension u. pour laquelle les deux lampes absorbent le même courant.! . Si le pont 2 est constitué par des lampes 'de ce genre, il sera en équilibre si la tension qui est appliquée à la diagonale a b est égale à 2u. et la tension dans la diagonale c d sera nulle.
Si la tension appliquée en a b est continue et si la borne a est positive par rapport à la borne b, la borne c sera positive ou négative par rapport à la borne d suivant que la tension appliquée en a b est supérieure ou Inférieure à la tension 2u..
Si la tension appliquée en a b est alternative, la tension e d sera en phase ou en opposition de phase avec la tension a b suivant que cette dernière est supérieure ou inférieure à la tension efficace 2u. Ceci suppose que le volant calorifique des lampes est très grand et que leur résistance nta par conséquent pas le temps de suivre les fluctuations de la tension pendant la durée d'une période .du courant d'alimentation.
Les connexions du transformateur 29 aux grilles 13 et 14 sont établies de manière que les grilles soient soumises à une tension alternative approximativement en phase ou en opposition de phase avec la tension des anodes correspondantes suivant que la tension développée par l'alternateur est inférieur re ou supérieure à la tension de régime pour laquelle le pont est établi.
Par conséquent, lorsque la tension de l'alternateur tend à dépasser la tension d'équi- libre du pont, chaque grille des thyratrons est portée à un potentiel négatif pen- dant que l'anode correspondante est positive et les thyratrons ne peuvent débiter
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aucun courante La tension diminue de ce fait jusqu'au moment où elle tombe en- dessous de la tension d'équilibre, Le pont 2 fournit alors aux grilles une ten- sion en phase avec les tensions d'anodes correspondantes et les thyratrons débi- tent le plein courant d'excitation, ce qui tend à faire monter la tension.
Ce phénomène se reproduit indéfiniment avec une cadence très rapide et ,en raison de l'effet des amortisseurs de l'alternateur, le courant d'excitation est maintenu 'à la valeur moyenne nécessaire pour que l'alternateur développe sa tension de régime.
En réalité, les résistances constituant le pont varient légè- rement au cours d'une période du courant d'alimentation et on peut montrer aisé- ment que la tension qui apparaît en c d n'est pas sinusoïdale ,même si la tension en a b l'est. De plus, la valeur efficace de la tension c d ne passe jamais par zéro, même lorsque la tension a b est égale en valeur efficace à 2u. Dans ce dernier cas, la tension c d comporte un harmonique fondamentale généralement à peu près en quadrature sur la tension a b et un harmonique d'ordre trois de même amplitude comme on peut s'en rendre compte en observant l'oscillogramme de la figure 3 qui montre la tension de grille eg et la tension Eab appliquée à la diagonale a b .
Cette tension harmonique est très gênante et peut troubler profondément le fonctionnement du régulateur. C'est pourquoi, conformément à l'invention, il est fait usage d'un filtre approprié ne laissant passer que la composante fondamentale de la tension c d. Ce filtre peut être placé entre la diagonale c d et le transformateur de grilles, ou bien entre le secondaire de ce transformateur et les grilles elles-mêmes.
Une disposition particulièrement simple consiste à shunter le secondaire 30, ou chacune des branches qui le constituent, au moyen de capacités 36 et 37 de manière que le circuit secondaire soit en résonance pour la fréquence fondamentale de l'alternateur. Ce shuntage a pour effet de déplacer la tension secondaire du transformateur 29 d'environ 90 électriques en arrière sur la ten- sion primaire ,ce qui explique pourquoi la tension appliquée à la diagonale a b a été, dans l'exemple cité, déphasée de 90 en avant sur la tension appliquée aux thyratrons. Ce déphasage de 90 n'est nullement critique et a été choisi unique- ment à titre d'exemple. On a constaté que le déphasage pouvait varier entre 50 et 130 sans modifier en rien les résultats obtenus.
Ainsi, si le point neutre ----.Il
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de l'alternateur n'est pas accessible, le transformateur 8 pourra, par exemple, être branché entre phases S R et le transformateur 2A entre phases S T ,ce qui porte à 60 la valeur du déphasage.
La figure 3 représente un oscillogramme montrant la tension de grille et après shuntage par les capacités 36 et 37.
Le shuntage du secondaire 30 par capacités n'a pas seulement pour effet d'éliminer les harmoniques d'ordres supérieurs. Il stabilise en outre le régulateur qui ne fonctionne plus par tout ou rien comme expliqué ci- dessus. En effet, la composante fondamentale, d'amplitude fixe mais déphasée sur la tension appliquée a b ,qui apparaît dans la diagonale a d quand le pont ast en équilibre, se superpose, en cas de déséquilibre, à une tension fondamen- tale d'amplitude variable qui est en phase avec la tension a b. Il en résulte une tension d'amplitude et de phase variables en fonction de l'écart entre la tension de l'alternateur et la tension de régime. Le courant d'excitation est alors réglé suivant une fonction continue de la tension développée par l'alter- nateur.
Les composantes des circuits peuvent être établies pour que toute la gamme des courants d'excitation nécessités par l'alternateur, soit parcourue par une variation de quelques dixièmes de pour cent de la tension développée.
La précision du réglage peut ainsi être poussée aussi loin qu'il est nécessaire, notamment en augmentant le rapport dehtransformation soit du transformateur 29, soit du transformateur 8, soit des deux simultanément.
La figure 5 représente vectoriellement les trois tensions NR, NS et NT développées entre phases de l'alternateur et se succédant dans le temps dans le sens de la flèche. Le vecteur ST représente la tension appliquée au pont de lampes et le vecteur NR, en retard de sur ST, la tension appli-
1 quée aux anodes des thyratrons.
On a représenté, à titre d'exemple, à la figure 1, un dispositif de compoundage permettant d'obtenir une tension croissante en fonction de la charge. Il suffit, pour cela, d'introduire dans le circuit primaire d'alimen- tation du pont de lampes une tension NX proportionnelle à la charge et s'oppo- sant à la tension ST. Comme le régulateur maintient automatiquement constante la tension aux bornes du pont, la tension développée par l'alternateur doit croître en fonction de la charge. La tension NX, qui doit être déphasée de #
2 en arrière sur NR peut être obtenue au secondaire d'un transformateur d'inten-
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-site 32 dont le primaire est parcouru par le courant débité par la phase R'.
Il est aisé d'imaginer d'autres montages permettant de faire varier la tension suivant une fonction quelconque de la charge, de maintenir l'intensité constan- te, etc...
La figure 6 indique, par exemple, le moyen de maintenir auto- matiquement à zéro, le courant déwatté d'une machine synchrone réglée confor- mément à l'invention et fonctionnant en parallèle avec un réseau. Un tel mon- tage pourra servir pour limiter les courants d'échange entre alternateurs fonctionnant en parallèle ou pour régler automatiquement l'excitation d'un com- pensateur sychrone. Il est aisé de voir, que tout courant déwatté en arrière développe, dans l'ensemble des transformateurs 33 et 34, une tension en phase avec la tension secondaire du transformateur 21, ce qui a pour effet de désé- quilibrer le pont 2 dans un sens tel que'le courant d'excitation de l'alterna- teur dimilue jusqu'à annulation du courant déwatté.
La figure 7 représente l'application de l'invention à la régu- lation de tension d'un alternateur muni d'une excitatrice E. L'alternateur alimente cette fois l'excitation d'excitatrice 36 par l'intermédiaire d'un redresseur constitué par le transformateur 8 et les tubes à remplissage gazeux 3 et 4. Comme à la figure 1, le pont de lampes 2 est branché entre phases ST de l'alternateur. Il alimente les grilles 13 et 14 par l'intermédiaire d'un transformateur élévateur 29. L'excitatrice 45 est connectée directement à l'excitation 7 de l'alternateur 1.
Suivant une telle disposition, le retard dû aux constantes de temps des circuits d'excitation des machines entraîne, en général, des oscil- lations de tension inadmissibles.
L'invention prévoit divers moyens d'éviter ces inconvénients, notamment en asservissant le régulateur à la tension développée par l'excita- trice, Dans ce bute l'excitatrice 45 alimente un circuit d'asservissement com- portant, en série, deux condensateurs 37 et 38 et une résistance 39. Cette der- nière est Introduite, comme le montre le dessin, en série dans le retour com- mun des grilles des thyratrons. Lorsque, par suite d'une variation de charge, le régulateur provoque une augmentation de tension d'excitatrice, les conden- sateurs 37 et 38 se chargent et la chute ohmique, engendrée aux bornes de la résistance 39 par le courant de charge, polarise négatimement les grilles des @
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thyratrons qui tendent à s'éteindre.
Comme on le voit, le circuit d'asservis- sement tend, à chaque instant, à détruire l'effet du régulateur, ce qui a pour conséquence d'amortir les oscillations qui pourraient prendre naissance. Un tel mode de stabilisation qui n'agit que sur le régulateur, ne mettant el jeu que des quantités minimes d'énergie, ne peut évidemment pas abaisser le temps de réglage en-dessous d'une certaine limite dépendant des constantes de temps des machines.
Il est possible cependant d'obtenir un réglage plus rapide en utilisant un asservissement intéressant les machines elles-mêmes,
La figure 8 représente un tel asservissement, Le régulateur alimenté par l'alternateur 1, comme à la figure 7,alimente lui-même l'excita- tion 36 de l'excitatrice 45. Celle-ci est reliée à l'excitation 7 de l'alter- nateur 1.
Les circuits d'excitation de l'excitatrice et de l'alternateur sont accouplés par l'intermédiaire d'un transformateur 39 comportant un primaire 40 et un secondaire 41, Le transformateur est connecté de manière que toute varia- tion d'excitation de l'une des machines induise dans le circuit d'excitation de l'autre machine une force électromotrice tendant à empêcher les oscillations, On peut montrer que ce résultat peut être obtenu quel que soit le signe de l'accouplement entre primaire 40 et secondaire 41, pourvu que le coefficient d'induction mutuelle entre ces deux enroulements ait une valeur qui soit exté- rieure à deux quantités critiques déterminées de signes contraires, dépendant des caractéristiques des machines.
On choisira évidemment le signe de cette induction mutuelle et le rapport de transformation du transformateur de manière que les ampères-tours primaires et secondaires se fassent équilibre en régime bien que cette condition ne soit pas indispensable. Ce mode d'accouplement des excitations des deux machines permet d'obtenir, dans.certaines conditions, un réglage pratiquement instantané de la tension de l'altérnateur.
Bien entendu, ces dispositifs d'asservissement ne sont donnés qu'à titre d'exemple et ils peuvent être remplacés par d'autres équivalents sans sortir pour cela du cadre de la présente invention.
Ainsi, par exemple, le dispositif de la figure 7 pourra être remplacé par un transformateur dont le primaire serait alimenté par la tension d'excitatrice et dont le secondaire viendrait remplacer la résistance 39 de manière à obtenir un résultat équivalent.
Il est évident que bien que l'on ait décrit un régulateur s'ap-
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-pliquant à un générateur à courant alternatif, l'invention s'appliquerait parfaitement à un régulateur quelconque,pour machine à courant continu par exemple, Dans ce cas, le générateur pourrait être muni d'une excitatrice four- nissant un courant alternatif alimentant les thyratrons comme à la figure 7, tandis que la tension continue à régler agirait sur les grilles de ceux-ci par l'intermédiaire d'un pont de lampes analogue à celui qui a été décrit. Cette alimentation des grilles se ferait soit directement, soit par l'intermédiaire d'un amplificateur utilisant des valves thermioniques.
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AUTOMATIC REGULATOR SYSTEM OF AN ELECTRICAL OR MECHANICAL SIZE.
In practice, it is almost always necessary to modify the specific characteristics of electrical or mechanical machines so as to force one of the quantities involved in the expression of the energy that they generate or transform to follow a law well determined according to the load to allow a more rational use of it *
For example, it will be required that the primary motors, driving the alternators of a power plant, run at a speed independent of the load, because the frequency of the alternators must remain constant. Likewise, the voltage supplied by the alternators will, in general, be kept constant or slightly increasing with the load.
For this purpose, automatic regulators have been proposed.
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- taking, in general, a measuring device sensitive to the quantity to be regulated, the movements of which determine, by means of mechanical amplifiers, servo motors for example, the operation of a device adjustment acting on the quantity to be adjusted.
The sensitivity which is required of these devices can only be obtained at the cost of a very light and very precise construction which makes them particularly expensive. They generally include contact paths or intermittent contacts that are delicate to maintain and which are subject to easy adjustment. In addition, the speed of action of mechanical regulators, which depends on the dimensions and the inertia of the moving parts, is limited by the need to give their components sufficient rigidity and resistance.
To avoid these drawbacks, regulators have already been proposed without any movable mechanical member and based on the properties of thermionic high vacuum valves. The advantage of these regulators lies in the precision of their adjustment and in their much greater speed of action.
On the other hand, their use is limited by the low capacities of thermal valves, the efficiency of which is rather mediocre and which cannot carry the currents necessary for the regulation of units exceeding a certain power.
This is why they have only been used to regulate small groups intended, for example, to supply laboratories or calibration tables.
In addition, the regulators of this type, proposed until now, are sensitive to the average values of the quantities to be regulated and not to their effective values - which makes them difficult to use in the most frequent applications of the regulation of a quantity. electric.
The present invention provides an automatic regulator, free of moving parts, sensitive to the effective value of the quantity to be regulated and whose action is practically instantaneous. The device according to the invention uses either high vacuum or gas-filled discharge valves, which makes it possible to extend its application to the regulation of the most powerful units.
In addition, the devices operating according to the principles of the invention include a minimum of adjustments which can moreover be carried out once and for all before being put into service, which gives absolute operating safety.
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the invention consists of a combination, in whole or in part, of the following elements with a view to obtaining a new technical result:
A Wheatstone bridge, one diagonal of which is subjected to a voltage of rms value proportional to the magnitude to be regulated and whose branches are formed, in general, by impedances, at least one of which has a non-linear characteristic, that is that is, it absorbs a current which is not proportional to the voltage applied to it.
A means of supplying the control circuit of the regulating member either directly or via an exciter using the current delivered by one or more vacuum discharge or gas-filled tubes provided with grids control: for example thyratrons.
A means of amplifying the voltage across the second diagonal of the Wheatstone bridge and of applying it to the grids of the tubes so as to control their flow to obtain the desired regulation.
A means of suppressing the voltage harmonics appearing in the second diagonal of the bridge, due to the non-linear characteristics of the impedances that compose it.
In the case where the adjustment circuit is supplied indirectly, via an exciter, the means of avoiding the oscillations caused by the adjustment delays due to the time constants of the adjustment circuit and of the excitation of the exciter, ep acting either on the regulator or on. these circuits themselves.
To simplify the description, the invention has been described in the particular case, the most frequent moreover, where the magnitude to be adjusted is the voltage generated by an alternator. It is understood that the description of this particular case in no way limits the invention which relates to the regulation of any large electrical or mechanical device.
It has already been imagined to regulate the voltage of an alternator with the aid of an assembly using gas discharge valves, but the proposed device acted on a resistance introduced in series in the excitation of the gas. alternator, which limits the power that can be adjusted. In accordance with the invention, the gas-filled discharge tubes directly supply the control circuit of the adjustment member or the excitation circuit of the exciter. In addition, means are provided to obtain a progressive action on
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the quantity to be regulated and to avoid oscillations resulting from the time constant of the circuits.
The invention will be better understood by referring to the following description accompanied by drawings given by way of non-limiting examples and in which t
FIG. 1 schematically represents a voltage regulator of an alternator not provided with an exciter.
FIG. 2 represents the characteristics of the resistors constituting the Wheatstone bridge used in the diagram of FIG. 1,
FIG. 3 is an oscillogram showing the voltage applied to the Wheatstone bridge and the voltage appearing in its secondary diagonal when the means in accordance with the invention are not used to suppress higher order harmonics.
FIG. 4 is an oscillogram showing the same voltages after application of the means intended to remove these harmonics.
Figure 5 is a vector representation showing the relative phases of the electrical quantities used in the diagram of Figure 1
FIG. 6 represents a particular application of the invention.
FIG. 7 is a diagram of a voltage regulator for an alternator operating with an exciter.
FIG. 8 diagrammatically represents one of the means of avoiding voltage oscillations by acting on the circuits of the machines themselves.
In accordance with figure 1, the alternator to be adjusted 1, assumed to be three-phase, comprises three phases R, S, T succeeding each other in time in their alphabetical order and a neutral point N. The alternator supplies the busbar N ', R 'S', T 'on which are taken the derivations (not shown) constituting the load.
The alternator operates in self-excitation, that is to say it supplies its own excitation 7 via a rectifier consisting of a transformer 8 and two rectifier tubes with control grid 3 and 4. The valves 3 and 4 each have a cathode, an anode and a grid. They can be high vacuum, but it is preferable that they be gas filled, of the thyratron type for example.
Remember that the grid of a thyratron can prevent the ignition
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of an arc as long as it is brought to a voltage lower than a certain critical value depending on the anode voltage but generally low compared to the latter,
When the grid is brought to a potential greater than the critical potential, the arc can start as long as the anode is positive with respect to the cathode. From this instant, the grid no longer has any action on the arc which can only be extinguished if the anode voltage is momentarily canceled or reversed.
Primary 9 of transformer 8 is connected between phase and neutral N 'R'. The transformer 8 comprises a first secondary 10 with a mid-tap, the ends of which are connected to the anodes 11 and 12 of the two discharge tubes 3 and 4. The cathodes 15 and 16 are heated indirectly by the heating filaments 17 and 18 supplied in parallel by a second secondary 19 of transformer 8. The cathodes are connected together to the positive blade of the excitation 7 of the alternator, the negative pole of which is connected to the midpoint of the winding 10,
The S 'T' phases feed the diagonal a b of a Wheatstone bridge 2 via a,
adjustable resistor 20 and possibly a transformer 21 comprising a primary 22 and a secondary 23.
The bridge of lamps 2 will generally consist of four resistors 24, 25, 26 and 27, at least one of which does not follow Ohm's law. The diagonal c d of the bridge is connected to the primary 28 of a transformer 29 comprising a secondary 30 provided with a center tap. The latter is connected to the wiper 32 of a potentiometer 31, one end of which is connected to the cathodes of the thyratrons. The ends of the secondary 30 are suitably connected to the gates 13 and 14 by means of current limiting resistors 34 and 35. The potentiometer 31 is subjected to a direct voltage supplied by any rectifier, copper oxide by means of example, that the alternator feeds through a transformer of suitable ratio 38.
The pulsation of the current rectified by the rectifier 6 is damped by a shunt capacitor 33,
The position of the wiper 32 determines the average polarization of the gates of the thyratrons, which makes it possible to choose, on their characteristic, the most advantageous operating point.
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According to a preferred arrangement of the invention, the resistors 25 and 26 can be constituted by metal filament lighting lamps, or else by iron wire resistors bathed in a hydrogen atmosphere, and the Resistors 24 and 27 may be made of carbon filament lamps or of thyrite resistors, a material whose resistance decreases with increasing applied voltage.
The operation of the regulator can be explained in a basic way as follows:
FIG. 2 shows the absorbed intensity 1 as a function of the applied voltage u, by a metal filament lamp (curve I) and by a carbon filament lamp (curve II).
We see that it is possible to find at least one voltage u. for which the two lamps absorb the same current.! . If the bridge 2 is made up of lamps of this kind, it will be in equilibrium if the voltage which is applied to the diagonal a b is equal to 2u. and the tension in the diagonal c d will be zero.
If the voltage applied at ab is continuous and if terminal a is positive with respect to terminal b, terminal c will be positive or negative with respect to terminal d depending on whether the voltage applied at ab is greater or less than voltage 2u ..
If the voltage applied to a b is alternating, the voltage e d will be in phase or in phase opposition with the voltage a b depending on whether the latter is greater or less than the effective voltage 2u. This assumes that the heat flywheels of the lamps are very large and that their resistance therefore does not have time to follow voltage fluctuations during the duration of a period of the supply current.
The connections of the transformer 29 to the grids 13 and 14 are established so that the grids are subjected to an alternating voltage approximately in phase or in opposition of phase with the voltage of the corresponding anodes depending on whether the voltage developed by the alternator is less than or greater than the operating voltage for which the bridge is established.
Consequently, when the voltage of the alternator tends to exceed the equilibrium voltage of the bridge, each gate of the thyratrons is brought to a negative potential while the corresponding anode is positive and the thyratrons cannot deliver.
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no current The voltage therefore decreases until the moment when it falls below the equilibrium voltage. Bridge 2 then supplies the gates with a voltage in phase with the corresponding anode voltages and the flow thyratrons. try the full excitation current, which tends to increase the voltage.
This phenomenon is reproduced indefinitely with a very rapid rate and, owing to the effect of the alternator dampers, the excitation current is maintained at the mean value necessary for the alternator to develop its operating voltage.
In reality, the resistances constituting the bridge vary slightly during a period of the supply current and it can easily be shown that the voltage which appears in cd is not sinusoidal, even if the voltage in ab l 'is. Moreover, the rms value of the voltage c d never crosses zero, even when the voltage a b is equal in rms value to 2u. In the latter case, the voltage cd comprises a fundamental harmonic generally roughly in quadrature on the voltage ab and a third order harmonic of the same amplitude as we can see by observing the oscillogram of figure 3 which shows the gate voltage eg and the voltage Eab applied to the diagonal ab.
This harmonic voltage is very troublesome and can deeply disturb the operation of the regulator. This is why, in accordance with the invention, use is made of an appropriate filter allowing only the fundamental component of the voltage c d to pass. This filter can be placed between the diagonal c d and the gate transformer, or else between the secondary of this transformer and the gates themselves.
A particularly simple arrangement consists in shunting the secondary 30, or each of the branches which constitute it, by means of capacitors 36 and 37 so that the secondary circuit is in resonance for the fundamental frequency of the alternator. This shunt has the effect of moving the secondary voltage of transformer 29 by about 90 electrics backwards on the primary voltage, which explains why the voltage applied to the diagonal ab was, in the example cited, out of phase by 90 in. forward on the voltage applied to the thyratrons. This phase shift of 90 is in no way critical and was chosen only as an example. It was found that the phase shift could vary between 50 and 130 without modifying the results obtained in any way.
So, if the neutral point ----.
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of the alternator is not accessible, the transformer 8 could, for example, be connected between phases S R and the transformer 2A between phases S T, which brings the value of the phase shift to 60.
FIG. 3 represents an oscillogram showing the gate voltage and after bypassing by the capacitors 36 and 37.
The shunting of the secondary 30 by capacitance does not only have the effect of eliminating the harmonics of higher orders. It also stabilizes the regulator, which no longer operates on all or nothing as explained above. Indeed, the fundamental component, of fixed amplitude but out of phase with the applied voltage ab, which appears in the diagonal ad when the bridge ast in equilibrium, is superimposed, in the event of imbalance, on a fundamental voltage of variable amplitude which is in phase with the voltage a b. This results in a voltage of variable amplitude and phase as a function of the difference between the voltage of the alternator and the operating voltage. The excitation current is then regulated according to a continuous function of the voltage developed by the alternator.
The components of the circuits can be established so that the whole range of excitation currents required by the alternator, is traversed by a variation of a few tenths of a percent of the developed voltage.
The precision of the adjustment can thus be pushed as far as is necessary, in particular by increasing the dehtransformation ratio either of the transformer 29, or of the transformer 8, or both simultaneously.
FIG. 5 vectorally represents the three voltages NR, NS and NT developed between phases of the alternator and succeeding each other in time in the direction of the arrow. The ST vector represents the voltage applied to the bridge of lamps and the NR vector, lagging behind ST, the applied voltage.
1 quée to the anodes of thyratrons.
FIG. 1 shows, by way of example, a compounding device making it possible to obtain an increasing voltage as a function of the load. For this, it suffices to introduce into the primary supply circuit of the bridge of lamps a voltage NX proportional to the load and opposing the voltage ST. As the regulator automatically maintains constant the voltage at the terminals of the bridge, the voltage developed by the alternator must increase as a function of the load. The NX voltage, which must be out of phase by #
2 backwards on NR can be obtained at the secondary of an intensity transformer.
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-site 32, the primary of which is traversed by the current delivered by phase R '.
It is easy to imagine other arrangements making it possible to vary the voltage according to any function of the load, to keep the current constant, etc.
FIG. 6 indicates, for example, the means of automatically maintaining at zero the wattage current of a synchronous machine set in accordance with the invention and operating in parallel with a network. Such an arrangement could be used to limit the exchange currents between alternators operating in parallel or to automatically adjust the excitation of a synchronous compensator. It is easy to see that any reverse wattage current develops, in all of transformers 33 and 34, a voltage in phase with the secondary voltage of transformer 21, which has the effect of unbalancing bridge 2 in a direction such that the excitation current of the alternator decreases until the dewatted current is canceled.
FIG. 7 represents the application of the invention to the voltage regulation of an alternator provided with an exciter E. The alternator this time supplies the exciter excitation 36 via a rectifier. constituted by the transformer 8 and the gas-filled tubes 3 and 4. As in FIG. 1, the lamp bridge 2 is connected between phases ST of the alternator. It supplies the grids 13 and 14 via a step-up transformer 29. The exciter 45 is connected directly to the excitation 7 of the alternator 1.
According to such an arrangement, the delay due to the time constants of the excitation circuits of the machines generally results in inadmissible voltage oscillations.
The invention provides various means of avoiding these drawbacks, in particular by slaving the regulator to the voltage developed by the exciter. In this stop, the exciter 45 supplies a slaving circuit comprising, in series, two capacitors. 37 and 38 and a resistance 39. The latter is introduced, as shown in the drawing, in series in the common return of the grids of the thyratrons. When, as a result of a variation in load, the regulator causes an increase in the exciter voltage, the capacitors 37 and 38 are charged and the ohmic drop, generated at the terminals of the resistor 39 by the load current, polarizes negatively the grids of @
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thyratrons which tend to go extinct.
As can be seen, the control circuit tends, at every moment, to destroy the effect of the regulator, which has the consequence of damping any oscillations that could arise. Such a stabilization mode, which acts only on the regulator, only involving minimal amounts of energy, obviously cannot lower the setting time below a certain limit depending on the time constants of the machines. .
It is however possible to obtain a faster adjustment by using a servo-control involving the machines themselves,
FIG. 8 represents such a servo-control. The regulator supplied by the alternator 1, as in FIG. 7, itself supplies the excitation 36 of the exciter 45. The latter is connected to the excitation 7 of alternator 1.
The excitation circuits of the exciter and of the alternator are coupled by means of a transformer 39 comprising a primary 40 and a secondary 41. The transformer is connected in such a way that any variation of excitation of the 'one of the machines induces in the excitation circuit of the other machine an electromotive force tending to prevent oscillations. It can be shown that this result can be obtained whatever the sign of the coupling between primary 40 and secondary 41, provided that the coefficient of mutual induction between these two windings has a value which is outside two critical quantities determined with opposite signs, depending on the characteristics of the machines.
We will obviously choose the sign of this mutual induction and the transformation ratio of the transformer so that the primary and secondary ampere-turns are balanced in regime although this condition is not essential. This method of coupling the excitations of the two machines makes it possible to obtain, under certain conditions, a practically instantaneous adjustment of the voltage of the alternator.
Of course, these control devices are given only by way of example and they can be replaced by other equivalents without going beyond the scope of the present invention.
Thus, for example, the device of FIG. 7 could be replaced by a transformer whose primary would be supplied by the exciter voltage and whose secondary would replace resistor 39 so as to obtain an equivalent result.
It is obvious that although we have described a regulator
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-plicant to an alternating current generator, the invention would apply perfectly to any regulator, for a direct current machine for example. In this case, the generator could be provided with an exciter providing an alternating current supplying the thyratrons as in FIG. 7, while the continuous voltage to be regulated would act on the gates thereof by means of a bridge of lamps similar to that which has been described. This supply of the grids would be done either directly or via an amplifier using thermionic valves.