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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.