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SYSTEM!!: DE REGULATION DE LA TENSION d fUN TRANSFOMTEMB- -
La présente invention se rapporte à des systèmes de régulation de tension pour transformateurs et,en particulier, au moyen de changer les connexions entre les prises d'un enroulement de transformateur dans le but de régler le rap- port de transformation de la tension du transformateur.
D'ordinaire, il est désirable que la tension d'un circuit élec- trique soit maintenue constante sous des conditions de charge* Ceci est particu- lièrement vrai si la charge comprend des dispositifs électriques à tension cons- tante tels que des lampes à incandescence* Il est également désirable que toute régulation de tension, dans un circuit électrique, oit effectuée sans interrompre le courant d'alimentation.
L'objet général de l'invention est de prévoir un système perfec-
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-ctionné de changement de prises pour transformateurs, simple de construction, d'un fonctionnement sûr, et qui peut servir à changer les prises da transforma-- teur sans en intertompre la charge.
Dtautres objets et avantages de l'invention apparaîtront par la description suivante se rapportant aux dessins ci-joints dans lesquels:
La Fig.l est une vue schématique d'un enroulement de transforma- teur muni d'un mécanisme de changement de prise construit et disposé conformé- ment à l'invention;
La Fig.2 montre des courbes explicatives des tensions et des cou- rants dans diverses parties du mécanisme du changement de prises pendant qu'un tel changement s'effectue, et
Les Fig.3, 4 et 5 montrent des modifications du dispositif de la Fig. 1.
L'enroulement du transformateur montré à la Fig.l comprend un enroulement simple 10, un enroulement série 11 et un enroulement de tension 12.
Cet enroulement du transformateur est branché entre un circuit primaire ou d'alimentation 13 et un circuit de charge ou secondaire 14. Le circuit 14 est connecté en parallèle sur l'enroulement simple 10 et est connecté également, d'un côté, à un point de l'enroulement série 11, comme par exemple son milieu.
L'enroulement série 11 est muni de prises 15, 16, 17,18 et 19 raccordées à des contacts correspondants fixes 20, du côté transformateur, d'un commutateur changeur de rapport de transformation 15'. Un contact mobile 21 du côté circuit de commutateur 15', est raccordé à un côté du circuit 13, l'autre céôté du cir- cuit 13 étant connecté à l'autre extrémité de l'enroulement ordinaire 10. Le contact mobile 21 du commutateur 15' est actionné par un engrenage à croix de Malte qiun moteur 23 fait tourner par l'intermédiaire d'une transmission à "mouvement perdu" 24, le moteur étant contrôlé par un voltmètre-contacteur 25 raccordé à la bobine de tension 12 qui est, évidemment, couplée inductivement avec les enroulements simple et série du transformateur,l0 et 11.
Si la tension du circuit d'alimentation s'élève au-dessus de sa valeur normale désirée, la tension de l'enroulement 12 s'élèvera et le contact mobile 26 du voltmètrecon- tacteur 25 se déplacera vers le contact fixe 35, connectant ainsi le moteur 23 à l'enroulement de tension 12. Le moteur 23 amènera la rotation de la pièce de commande 28 de l'engrenage à croix de Malte dans la direction de la flèche in- diquée dans la Fig.1. Cette pièce de commande 28 porte un bras pivotant 29 muni d'un ergot 30 placé de manière à s'engager dans les fentes 31 de la
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pièce commandée 32 de l'engrenage à croix de Malte* Le déplacement angulaire du bras 29 par rapport à la pièce de commande 28 est limitée par les ergots 33.
La rotation de la pièce de commande 28 tend un ressort 34; jusqu'au moment où l'ergot 30 atteint une des fentes 31 de la pièce commandée 32 et, à ce moment le ressort fera tourner rapidement la pièce commandée 28 d'environ un demi-tour et la pièce commandée 32 d'un cran dans la morne direction, Ceci déplacera ra- pidement le contact mobile 21 du commutateur 15' vers un contact adjacent 20 dans une direction telle que la tension dans le circuit de charge 14 soit ra- menée à sa valeur normale.
Si la tension du circuit primaire 13 tombe au-dessous de sa valeur normale désirés, le contact mobile 26 du voltmètre-contacteur 25 se déplacera vers le contact 27 du voltmètre-contacteur connectant ainsi le moteur 23 à l'enroulement de tension 12 qui agira sur la pièce de commande 28 de l'engre- nage à croix de Malte, dans une direction opposée à celle indiquée par la flè- che dans la fig.l. Geoi déplacera rapidement, de la manière déjà décrite, le contact 21 du commutateur 15' vers un contact fixe adjacent 20 de manière à augmenter la tension du circuit de charge jusqu'à sa valeur normale désirée.
Si le contact mobile 21 du commutateur 15' est déplacé d'un con- tact fixe 20 à un autre pendant que le courant de charge passe par le circuit 13 et 14, il y aura tendance à la formation d'un arc entre les contacts et ceux-ci seraient ainsi bientôt 'brûlés et sérieusement endommagés;
Pour prévenir la formation de cet arc et les dégâts qui.en résultent, une dérivation 36 est établie entre le contact mobile et l'enroulement série$ la connexion du côté de l'enroulement série étant montrée au centre ou point milieu électrique de l'en- roulement, Cette dérivation 36 peut être constituée par toute Impédance conve- nable, nne forme satisfaisante étant une résistance ayant normalement une valeur élevée mais possédant une caractéristique volt-résistance fortement négative de telle manière que sa résistance diminuera considérablement lorsque la %en- sion à ses bornes augmentera, et augmentera considérablement lorsque la tension à ses bornes diminuera. Un matériau convenant pour cette résistance est décrit dans le brevet belge N 352.309 du 22 Juin 1928.
Lorsque le contact mobile 21 du commutateur 15' est raccordé à la même prise que la résistance 36, il est visible que la résistance 36 est court-oircuitée par le commutateur 15'. Dans ces conditions, la résistance 36 sera très élevée, le courant qui y passe sera négligeable et tout le courant
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de charge passeta par le commutateur 15. Lorsque le contact mobile 21 est réuni à toute autre prise que celle à laquelle est connectée la résistance 36, la tension entre ces deux prises sera appliquée à la résistance, mais cette tension est faible et le courant à travers la résistance sara donc négligeable, car tout le courant de charge passe encore à travers le commutateur 15'.
Lors- que le contact mobile 21 se trouve entre deux des contacts fixes 20, le circuit à travers le commutateur 15' est ouvert et tout le circuit ou la tension du transformateur sera appliquée à la résistance 36. Grâce à cette tension rela- tivement élevée qui lui est appliquée, la résistance 36 diminuera instantanément jusqu'à une valeur très faible et livrera un passage facile au courant de charge éteignant ainsi rapidement tout arc et évitant tout dommage aux contacts du com- mutateur.
Supposons que le contact mobile 21 est raccordé à la même prise 17 à laquelle est raccordée la résistance 36 et que le contact mobile doit être déplacé rapidement vers le contact fixe adjacent 20 qui est connecté à la prise 18, comme indiqué à la Fig.l* Les courbes de la fig.2 donnent les tensions et les courants dans les différentes parties du mécanisme de changement de prises qui vient d'être décrit* La ligne brisée 37 de la fig.2 indique l'instant au- quel le contact mobile quitte le premier''contact fixe 20 et la ligne 38 indique l'instant où le contact mobile 21 atteint le second contactdfixe 20, de manière à accomplir un changement de prise. La courbe C39 donne le courant qui circule de la prise 39 à la prise 18.
La courbe C 40 donne le courant dans le conduc- teur de la prise 17 à la prise 40. La courbe C 21 donne le courant dans le con- tact mobile 21 du commutateur 15'. La courbe C 13 donne le courant dans le cir- cuit d'alimentation 13. La courbe E 36 donne la tension aux bornes de la résis- tance 36. La courbe C 36 donne le courant qui traverse la résistance 36. La courbe 0 13 montre que le courant dans le circuit d'alimentation 13 passe d'une façon continue et n'est pas interrompu lorsqu'on effectue un changement de prise Les courbes 0 39 9 0 40, C 21 et C 36 montrent que le courant passe dans le contact mobile 21 et la connexion de prise'40 jusqu'au moment où le contact mobile 21 atteint la prise 39 auquel instant le courant passe de la résistance à cette'prise 39.
La courbe E 36 montre que la tension aux bornes de la résis- tance 36 est assez faible pour être négligeable, sauf lorsque le courant est interrompu dans le commutateur 15'.
L'invention prévoit un mécanisme de changement de prises très
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simple et sûr, la présence de la résistance en dérivation 36 permettant de se servir d'un type simple de commutateur pour changer les prises sans interrom- pre le courant dans le circuit de charge. Il est désirable que le mécanisme de commutation et la distance entre les contacts fixes 20 soient choisis et pro- portionnés de telle manière que le courant de charge passant normalement par le contact mobile 21 aura toujours le temps de s'annuler après que le contact mobile 21 a quitté un contact fixe 20 et avant qu'il atteigne un-contact fixe adjacent 20.
Ceci assurera le passage du courant de charge à la résistance 36 et l'extinction complète de tout arc entre les contacts avant que le déplace- ment du contact mobile soit effectué.
En connectant l'impédance en dérivation 36 au point milieu de l'enroulement série, la tension continue maxima à ses bornes est limitée à la moitié de la tension de l'enroulement série.
La modification montrée à la Fig.3 est particulièrement bien adaptée pour l'emploi comme régulateur graduel de tension pour circuit d'ali- mentation. En principe, la disposition est analogue à la fig.l mais elle en diffère par les détails auivants :
Le relais primaire ou voltmètre-contacteur 25 est muni de bobines d'arrêt 41 et 42 qui sont connectées de manière à être désexcitées lorsque le contact mobile 26 n'est pas en prise avec les contacts fixes 27 et 35, mais qui sont excitées, respectivement, lorsque le contact mobile 26 est en prise avec le contact fixe 27 ou le contact fixe 35.
Ces bobines d'arrêt peuvent être excitées de n'importe quelle manière convenable, et, comme il est montré, elles sont mises en parallèle avec les circuits d'excitation du moteur* Le but de ces bobines d'arrêt est d'assurer un contact solide évitant le tremble- ment ou la formation d'arc entre les contacts fixes et le contact mobile 26.
Ainsi, par exemple, lorsque le contact mobile 26 est en prise avec le contact fixe 27, la bobine d'arrêt 41 est excitée, maintenant ainsi magnétiquement le contact 26 en prise avec le contact 27 et évitant les tremblements et les vi- brations entre ce contact, tremblements et vibrations produisant une détério- ration des contacts du voltmètre-contacteur* D'une manière analogue, lorsque le contact 26 est en prise avec le contact fixe 35,. la bobine d'arrêt 41 est excitée de manière à assurer un contact intime et solide. Un autre résultat de la présence des bobines d'arrêt est d'amener l'ouverture ou la fermeture des contacts du voltmètre-contacteur 25 pour différentes valeurs de la tension.
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Par exemple, la tension qui intervient lorsque les contacts 26 et 27 sont en prise, est inférieure à la tension nécessaire pour les séparer à cause de la traction exercée par la bobine 41. On remarquera également que l'enroulement série, secondaire ou de régulation, 11, est connecté du côté circuit d'alimen- tation de l'enroulement ordinaire ou primaire 10, ou, en dtautres mots, que l'enroulement ordinaire 10 est toujours directement raccordé en parallèle sur le côté charge du circuit 14. Par conséquent, comme le nombre de tours de l'en- roulement ordinaire en parallèle sur le circuit de charge est constant, la ten- sion induite dans l'enroulement auxiliaire 12 est toujours une mesure directe de la tension du circuit de charge,, Ceci est également vrai pour le rapport entre les enroulements 10 et 12 de la fig.1.
La différence suivante entre les fig. 3 et 1 réside dans le fait que, dans la fig.3, le circuit est muni d'un commutateur-sélecteur manié à la main eu tableau terminal 43. Au moyen de ce commutateur supplémentaire
11 est possible d'avoir ce que l'on pourrait appeler un régulateur "five in one". Ainsi, le régulateur de la fig.1 n'offre que deux degrés d'élévation de la tension et deux d'abaissement et les valeurs de l'élévation et de l'abais- sement sont égales, Dans la fig.3, au moyen du commutateur changeur de con- nexions 43, il est possible de prévoir cinq différentes étendues de régulation.
Le commutateur 43 est muni d'un contact mobile 44, lequel, ainsi qu'il est montré, entre en prise avec un contact fixe 45. Dans Bette position, un côté du circuit de charge est connecté directement au côté extérieur de l'enroule- ment série 11. Si la tension de l'enroulement série 11 at@eint les 10 % de la tension du circuit, la position figurée du commutateur 43 peut être appelée position "10 % d'élévation" car le déplacement du contact changeur de prise 21 sur le contact 20 peut fournir un réglage de régulation allant de zéro jusqu'à un maximum de 10 % d'élévation.
Dans la position où le contact 21 est montré à la fig.3, une élévation de 5 % se produisant et si le contact 21 se déplace dans le sens du mouvement des aiguilles d'une montre à partir de cette position il se produira successivement une élévation de tension de 7 1/2 % et une élé- vation de 10 %, tandis que,si le contact se déplace dans le sens contraire, il se produira successivement une élévation de tension de 2 1/2 % et de 0 pendant que le contact sera en prise successivement avec les deux contacts 20.
L'élévation de 5 % qui se produit dans la position représentée est due au fait que le courant de charge s'écoule du conducteur inférieur du circuit d'alimentation 13 à traversle contact mobile 21, la prise 17 sur
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l'enroulement série 11, la partie inférieure de l'enroulement série qui pro- duit une élévation de tension de 5 %, ensuite à travers le contact fixe, le contact mobile 44, vers le circuit de charge, à travers le conducteur infé* rieur du circuit de charge 14, Le retour du courant évidemment se fait par les conducteurs supérieurs des circuits de charge et d'alimentation 14 et 13, Si, maintenant, le contact mobile 44 du commutateur de changement de prise 43 est déplacé dans le sens du mouvement des aiguilles d'une montre vers le contact fixe adjacent 46,
l'étendue de régulation qui pourra être assurée par le contact mobile du changeur de connexion 21, ira d'un maximum de 7 1/2 % d'élévation,en passant par zéro, jusqu'à un maximum de 2 12 % d'a- baissement de tension, Avec le contact 21 dans la position représentée, il se produira une élévation de tension de 2 1/2 %, tandis que, si le contact 21 est déplacé dans le sens du mouvement des aiguilles d'une montre, l'élévation sera d'abord réduite à zéro lorsque le premier contact fixe 20 est en prise et, lorsque le contact suivant 20 est en prise, il se produira un abaissement de tension de 2 1/2 %.
Ceci est dû au fait que, lorsque le contact mobile 21 est en prise avec le second contact 20, compté dans le sens du mouvement des ai- guilles d'une montre, le courant de charge passe à travers la partie de l'en- roulement série 11 comprise entre les prises 19 et 18 dans une direction qui est en oppesition avec la tension de cette partie de l'enroulement produisant ainsi un abaissement de la tension.
Si le contact mobile 44 du commutateur 43 est déplacé vers le contact suivant adjacent 47, le circuit du changement de prise sera équivalent à celui montré à la fig.1 et il se produira une élévation de tension de 5 % et un abaissement de 5 % en étapes égales de 2 1/2 % . Ceci est dû au fait que le circuit de charge sera alors connecté directement au point milieu de l'en- roulement 11, comme dans la fig.1.
Si le contact mobile 44 est déplacé vers le contact suivant 48, il sera possible d'assurer une élévation de tension de 2 1/2 % et un abaissement de tension de 7 1/2 % en étapes de 2 1/2 %. Fina- lement, si le contact mobile 44 est déplacé de manière à être en prise avec le contact fixe 49, la connexion sera l'inverse de celle montrée dans les dessins et il sera possible d'assurer une diminution de tension de 10 % en quatre étapes de 2 1/2 %.
D'ordinaire, le commutateur-sélecteur 43 sera mis dans une posi- tion donnant l'étendue de régulation qui est désirée dans un circuit particu-
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-lier où le régulateur est employé, et, dans le but de changer l'étendue de la régulation, il sera nécessaire de déconnecter le régulateur du circuit de ma- nière qu'aucun oourant ne passe à travers le commutateur 43. Cependant, ceci n'est pas indispensable et, si une impédance de dérivation du courant de charge analogue à la résistance 36 est connectée en parallèle avec le commutateur 43, ce commutateur peut agir de manière à changer l'étendue de la régulation pen- dant que le régulateur supporte le courant de charge. Par exemple, la résis- tance 50 peut jouer le rôle d'une telle résistance.
Cependant, la résistance 50 sert dans un autre but qui est décrit immédiatement ci-dessous et, de préféren- ce, n'est pas destinée à supporter le courant de charge du circuit, ce qui ne ferait qu'augmenter inutilement le prix du régulateur.
Le but principal de la résistance 50,laquelle, de préférence, est faite dans le même matériau que la résistance 36, est de complèter un circuit de protection en dérivation sur l'enroulement série 11. Très souvent, la fou- dre ou des tensions transitoires produites pendant la commutation produisent des tensions élevées qui pourraient détériorer l'isolement de l'enroulement série 11, car ces tensions élevées se déplacent le long du circuit sous la forme d'ondes.
Cependant, si une telle onde de tension élevée atteint le régu- lateur, les résistances 36 et 50 en série shuntent complètement l'enroulement série 11 et, grâce à leur caractéristique de résistance qui diminue instanta- nément lorsque la tension appliquée est augmentée, elles constituent une déri- vation non linéaire de'protection pour éviter les tensions excessives sur l'en- roulement série 11, On remarquera ,évidemment, que les résistances 36 et 50 sont, en fait, connectées en série sur l'enroulement série 11 et réunissent directement le circuit d'alimentation 13 et le circuit de charge 14.
La différence restante entre la fig.3 et la fig.l est qu'une réactance munie d'un enroulement 51 et une armature magnétique saturable 52, est connectée en parallèle avec l'impédance de dérivation du courant de charge 36, constituant ainsi un réseau d'impédances en dérivation. Cette combinaison de la résistance non linéaire 36 et de la réactance saturable produit une meil- leure dérivation du courant de charge car, lorsque le courant d'arc entre le contact 21 et le contact fixe 20 passe par zéro, la réaetance livre passage au courant, éteignant ainsi l'arc, et se sature, constituant ainsi une dériva- tion d'impédance relativement faible.
La crête de tension élevée produite lors- que le courant de la réactance passe par zéro et qui, par conséquent, n'est pas
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réduite par la saturation, amène la résistance non-linéaire 36 à augmenter et la résistance agit, pour la réactance, comme un dispositif de limitation de la tension. Une telle combinaison, pour un appareil donné, est beacoup moins coûteuse et plus pratique qu'une résistance non-linéaire seule, parce q'une réactance saturable,qui est capable de supporter le courant de charge, peut être obtenue pour un prix moins élevé qu'une résistance non linéaire laissant passer le même courant.
Dans la fig. 4, une capacité 53 est connectée en parallèle avec la résistance de dérivation de charge 36. L'action est semblable à celle d'une réactance saturable en ce que, lorsque le courant d'arc a passé par zéro et commence à augmenter, la capacité constitue une impédance faible pour le cou- rant croissant absorbant ainsi le courant et permettant déteindre l'arc.
Lorsque la capacité se charge, la tension à ses bornes s'élève jusquà une valeur telle que la résistance non linéaire 36 augmente, Cette résistance non linéaire constitue alors une impédance faible pour le courant jusqu'à ce que le contact mobile 21 atteigne le contact fixe suivant et agit également comme un dispositif limitant la tension aux bornes de la capacité 53.
La fig,5 montre une forme modifiée de l'invention qui est parti- culièrement commode pour l'emploi dans des circuits qui n'exigent pas la même finsase de régulation ou l'étendue de la régulation produite par le régulateur montré àux fige 1 et 3. C'est un dispositif simple et peu coûteux, muni sauf lement de deux parties mobiles et peut être décrit comme un élévateur de ten- sion de circuit d'alimentation car, dans une forme préférée, il permet simple- ment un degré d'élévation de tension.
Comme dans les fig.1 et 3, ce dispositif consiste principalement en un auto-transformateur muni d'un enroulement ordinaire 10 et d'un enroule- ment série Il. Un contacteur, agissant électromagnétiquement, 54, du type à deux positions,est muni de deux rangées de contacts 55 et 56,'une des rangées seule pouvant être fermée à la fois. Lorsque les contacts 55 sont fermés et les con- tacts 56 sont ouverts, l'enroulement série 11 est complètement hors circuit et le courant de charge passe par les contacts 55, Lorsque les contacts 56 sont fermés et que les contacts 55 sont ouverts, l'enroulement série 11 est branché dans le circuit de charge à travers les conducteurs 57, 58 et les contacts 56.
Pendant le changement de position des contacts, l'impédance de dérivation du courant de charge 36 supporte le courant et, comme il est montré,
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cette impédance est connectée entre un point intermédiaire de l'enroulement série 11 et le circuit de charge 14. L'opération de changement de prise est donc semblable à l'opération correspondante des fig. 1 et 3.
L'élévateur de tension de la fig.5 est également muni d'une déri- vation de protection de surtension 50, laquelle, dans ce cas, est connectée en parallèle sur l'enroulement 11 ou, plus proprement, est connectée de manière à réunir directement le circuit d'alimentation 13 et le circuit de charge 14.
En dehors du contacteur 54, la seule autre partie mobile est l'armature et le contact mobile d'un relais 59 se formant séparément ce qui peut être appelé "circuit résonnant de contrôle du relais",
Ce circuit résonnant de contrôle du relais consiste en une capa- cité 60, une réactance réglable à armature saturable 70 et une résistance 71 connectées en série à travers un commutateur 72 sur une partie de l'enroulement série 11, Comme la tension de l'enroulement série est directement proportion- nelle à la tension du circuit de charge, la tension appliquée au circuit ré- sonnant du relais est une mesure directe de la tension de charge.
Ce circuit comprenant la capacité 60 et la réactance 70, peut être accordé et entrer en résonance de telle manière que ce circuit entre en résonance pour une valeur de la tension déterminée par'le réglage de la réactance 70 et n'est plus en résonance pour une pension moins élevée déterminée par la résistance réglable 71.
En résumé, la raison pour laquelle le phénomène de résonance répond à la tension est due au fait que les variations de tension font varier le courant passant par le circuit résonnant, faisant varier de cette manière la saturation magnétique de l'armature de la réactance qui, à son tour, fait varier la valeur de l'inductance de la réactance, et, pour une valeur parti- culière de l'inductance correspondant à la valeur de la capacité 60, il y aura résonance,
Le relais 59 est branché aux bornes de la capacité et est établi de telle manière que ses contacts s'ouvrent à la résonance et se ferment pour une valeur de la tension Inférieure à celle qui donne la résonance.
Les contacts du relais 59 sont branchés sur une partie de l'en- roulement série 11 en série avec les conducteurs d'entrée du courant alternatif d'un redresseur 73 qui peut être de n'importe quel type connu et est représenté pour donner un exemple comme un redresseur à oxyde de cuivre. Les conducteurs
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de sortie du courant continu du redresseur 73 sont connectés à la bobine du contacteur 54.
Dans l'opération de la fig. 5, si le commutateur 72 est fermé et la tension du circuit de charge est trop faible pour amener la résonance,, les contacts du relais 59 serontdfermés excitant ainsi le contacteur 54 dont les contacts 56 se ferment et les contacts 55 s'ouvrent. Ceci branohe l'enroule- ment série 11 dans le circuit de force et produit une élévation de tension définie et prédéterminée, Si, maintenant, la tension du circuit de force était trop élevée, il y aura résonance et les contacts du relais 59 s'ouvriront, le contacteur 54 sera désexcité et un ressort puissant 74 fermera rapidement les contacts 55 et ouvrira les contacts 56 déconnectant ainsi entièrement 1'enroua lement série 11 du circuit.
Grâce à la réactance 70 et à la résistance 71, il est possible, si l'enroulement série 11 produit une élévation de tension de 10 %, de régler le circuit de contrôle de telle manière qu'une élévation de tension de la % est produite lorsque la tension de circuit de charge tombe à 110 volts par exemple, l'augmentant ainsi jusqu'à 121 volts et faisant retourner le contac- teur à la position de non-élévation lorsque la tension atteint 123 volts où il restera dans la position de non-élévation jusqu'à ce @que la tension tombe de nouveau à 110 volts,
Etant donné que la sûreté et la durée du relais à résonance ne sont pas affectées par l'angle du régulateur ou par vibrations,
ce dispositif est idéal pour des pôles de systèmes de distribution de la même manière que sont montés les transformateurs de distribution*
Bien qu'on ait décrit et représenté certaines formes de'réalisa- tion de l'invention, il va de soi qu'on ne désire pas se limiter à ces formes particulières, données simplement à titre d'exemple et sans aucun caractère limitatif, et que par conséquent toutes les variantes ayant même principe et même objet que les dispositions indiquées, rentreraient comme elles dans le cadre de l'invention.
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SYSTEM !!: VOLTAGE REGULATION OF TRANSFOMTEMB- -
The present invention relates to voltage regulation systems for transformers and, in particular, to the means of changing the connections between the taps of a transformer winding for the purpose of adjusting the transformation ratio of the transformer voltage. .
Usually, it is desirable that the voltage of an electrical circuit be kept constant under load conditions. This is especially true if the load includes constant voltage electrical devices such as incandescent lamps. * It is also desirable that any voltage regulation in an electrical circuit be carried out without interrupting the supply current.
The general object of the invention is to provide a perfect system.
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-actuated to change taps for transformers, simple of construction, safe operation, and which can be used to change the taps in the transformer without interrupting the load.
Other objects and advantages of the invention will become apparent from the following description relating to the accompanying drawings in which:
Fig. 1 is a schematic view of a transformer winding provided with a tap changer mechanism constructed and arranged in accordance with the invention;
Fig. 2 shows explanatory curves of the voltages and currents in various parts of the tap change mechanism while such a change is taking place, and
Figs. 3, 4 and 5 show modifications of the device of Fig. 1.
The transformer winding shown in Fig. 1 comprises a single winding 10, a series winding 11 and a voltage winding 12.
This transformer winding is connected between a primary or supply circuit 13 and a load or secondary circuit 14. The circuit 14 is connected in parallel on the single winding 10 and is also connected, on one side, to a point of the series winding 11, such as its middle.
The series winding 11 is provided with taps 15, 16, 17, 18 and 19 connected to corresponding fixed contacts 20, on the transformer side, with a transformation ratio changer switch 15 '. A movable contact 21 on the switch circuit side 15 'is connected to one side of the circuit 13, the other side of the circuit 13 being connected to the other end of the ordinary winding 10. The movable contact 21 of the switch 15 'is operated by a Maltese cross gear which a motor 23 rotates through a "lost motion" transmission 24, the motor being controlled by a voltmeter-contactor 25 connected to the voltage coil 12 which is , obviously, inductively coupled with the single and series windings of the transformer, 10 and 11.
If the voltage of the power supply circuit rises above its desired normal value, the voltage of the winding 12 will rise and the movable contact 26 of the contact voltmeter 25 will move to the fixed contact 35, thus connecting the motor 23 to the tension winding 12. The motor 23 will cause the rotation of the control part 28 of the Maltese cross gear in the direction of the arrow shown in Fig.1. This control part 28 carries a pivoting arm 29 provided with a lug 30 placed so as to engage in the slots 31 of the
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controlled part 32 of the Maltese cross gear * The angular displacement of the arm 29 relative to the control part 28 is limited by the lugs 33.
The rotation of the control part 28 tightens a spring 34; until the lug 30 reaches one of the slots 31 of the controlled part 32 and, at this moment the spring will quickly turn the controlled part 28 by about half a turn and the controlled part 32 by a notch in the down direction. This will quickly move the movable contact 21 of switch 15 'to an adjacent contact 20 in a direction such that the voltage in load circuit 14 is returned to its normal value.
If the voltage of the primary circuit 13 falls below its desired normal value, the moving contact 26 of the voltmeter-contactor 25 will move to the contact 27 of the voltmeter-contactor thus connecting the motor 23 to the voltage winding 12 which will act on the control piece 28 of the Maltese cross gear, in a direction opposite to that indicated by the arrow in fig.l. Geoi will quickly move, in the manner already described, the contact 21 of the switch 15 'to an adjacent fixed contact 20 so as to increase the voltage of the load circuit to its desired normal value.
If the movable contact 21 of the switch 15 'is moved from one fixed contact 20 to another while the load current is flowing through the circuits 13 and 14, there will be a tendency for an arcing between the contacts. and these would thus soon be 'burned and seriously damaged;
To prevent the formation of this arc and the damage which results from it, a branch 36 is established between the movable contact and the series winding, the connection of the side of the series winding being shown at the electrical center or midpoint of the series winding. This lead 36 can be any suitable Impedance, a satisfactory form being a resistor normally having a high value but having a strongly negative volt-resistance characteristic such that its resistance will decrease considerably when the% in- voltage at its terminals will increase, and will increase considerably when the voltage at its terminals decreases. A material suitable for this resistance is described in Belgian patent N 352.309 of June 22, 1928.
When the movable contact 21 of the switch 15 'is connected to the same outlet as the resistor 36, it is visible that the resistor 36 is short-circuited by the switch 15'. Under these conditions, the resistance 36 will be very high, the current flowing through it will be negligible and all the current
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load passed through the switch 15. When the movable contact 21 is joined to any socket other than the one to which the resistor 36 is connected, the voltage between these two sockets will be applied to the resistor, but this voltage is low and the current at through the resistance sara therefore negligible, because all the charging current still passes through the switch 15 '.
When the movable contact 21 is between two of the fixed contacts 20, the circuit through the switch 15 'is open and the whole circuit or the voltage of the transformer will be applied to the resistor 36. Thanks to this relatively high voltage applied thereto, the resistance 36 will instantly decrease to a very low value and provide easy passage of the load current thus rapidly extinguishing any arcing and preventing any damage to the contacts of the switch.
Suppose the movable contact 21 is connected to the same socket 17 to which the resistor 36 is connected, and the movable contact is to be moved quickly to the adjacent fixed contact 20 which is connected to the socket 18, as shown in Fig. 1. * The curves in fig. 2 give the voltages and currents in the different parts of the tap changer mechanism which has just been described * The broken line 37 in fig. 2 indicates the instant at which the moving contact leaves the first fixed contact 20 and line 38 indicates the instant when the mobile contact 21 reaches the second fixed contact 20, so as to accomplish a change of tap. Curve C39 gives the current flowing from tap 39 to tap 18.
Curve C 40 gives the current in the conductor from tap 17 to tap 40. Curve C 21 gives the current in movable contact 21 of switch 15 '. Curve C 13 gives the current in the supply circuit 13. Curve E 36 gives the voltage across resistor 36. Curve C 36 gives the current flowing through resistor 36. Curve 0 13 shows that the current in the power supply circuit 13 passes continuously and is not interrupted when a change of tap is made.Curves 0 39 9 0 40, C 21 and C 36 show that the current passes through the movable contact 21 and the socket connection'40 until the moment when the movable contact 21 reaches the socket 39 at which moment the current passes from the resistance to this socket 39.
Curve E 36 shows that the voltage across resistor 36 is low enough to be negligible, except when the current is interrupted in switch 15 '.
The invention provides a mechanism for changing taps very
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simple and safe, the presence of the shunt resistor 36 allows a simple type of switch to be used to change the taps without interrupting the current in the load circuit. It is desirable that the switching mechanism and the distance between the fixed contacts 20 be chosen and proportioned in such a way that the charging current normally passing through the movable contact 21 will always have time to cancel out after the movable contact. 21 has left a fixed contact 20 and before it reaches an adjacent fixed contact 20.
This will ensure the flow of load current to resistor 36 and complete extinction of any arcing between the contacts before the moving contact is moved.
By connecting the shunt impedance 36 to the midpoint of the series winding, the maximum DC voltage across it is limited to half the voltage of the series winding.
The modification shown in Fig. 3 is particularly well suited for use as a step voltage regulator for a power supply circuit. In principle, the arrangement is similar to fig. 1 but differs from it in the following details:
The primary relay or voltmeter-contactor 25 is provided with stop coils 41 and 42 which are connected so as to be de-energized when the movable contact 26 is not in engagement with the fixed contacts 27 and 35, but which are energized, respectively, when the movable contact 26 is in engagement with the fixed contact 27 or the fixed contact 35.
These choke coils can be energized in any convenient way, and, as shown, they are paralleled with the motor excitation circuits. The purpose of these choke coils is to ensure a solid contact preventing shaking or arcing between the fixed contacts and the moving contact 26.
Thus, for example, when the movable contact 26 is in engagement with the fixed contact 27, the choke coil 41 is energized, thus maintaining the contact 26 magnetically in engagement with the contact 27 and avoiding tremors and vibrations between. this contact, tremors and vibrations producing a deterioration of the contacts of the voltmeter-contactor. Similarly, when the contact 26 is engaged with the fixed contact 35 ,. the choke coil 41 is energized so as to ensure an intimate and solid contact. Another result of the presence of the choke coils is to cause the opening or closing of the contacts of the voltmeter-contactor 25 for different values of the voltage.
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For example, the voltage which occurs when the contacts 26 and 27 are engaged is less than the voltage necessary to separate them because of the traction exerted by the coil 41. It will also be noted that the series, secondary or regulation winding , 11, is connected to the supply circuit side of ordinary or primary winding 10, or, in other words, that ordinary winding 10 is always directly connected in parallel to the load side of circuit 14. Therefore , since the number of turns of the ordinary winding in parallel on the load circuit is constant, the voltage induced in the auxiliary winding 12 is always a direct measure of the voltage of the load circuit ,, This is also true for the ratio between the windings 10 and 12 of fig. 1.
The following difference between figs. 3 and 1 resides in the fact that, in fig.3, the circuit is provided with a selector switch operated by hand on the terminal board 43. By means of this additional switch
It is possible to have what one might call a "five in one" regulator. Thus, the regulator of fig. 1 offers only two degrees of voltage rise and two of lowering and the values of the rise and fall are equal, In fig. 3, at By means of the connection changer switch 43, it is possible to provide five different regulation ranges.
Switch 43 is provided with a movable contact 44, which, as shown, engages with a fixed contact 45. In this position, one side of the load circuit is connected directly to the outer side of the coil. - series 11. If the voltage of the series 11 winding reaches 10% of the circuit voltage, the illustrated position of the switch 43 can be called the "10% rise" position because the displacement of the changeover contact. socket 21 on contact 20 can provide a control setting ranging from zero to a maximum of 10% rise.
In the position where the contact 21 is shown in fig. 3, a 5% rise occurs and if the contact 21 moves clockwise from this position there will be successively a voltage rise of 7 1/2% and a rise of 10%, while, if the contact moves in the opposite direction, a voltage rise of 2 1/2% and 0 will occur successively while the contact will be successively engaged with the two contacts 20.
The 5% rise which occurs in the position shown is due to the fact that the charging current flows from the lower conductor of the supply circuit 13 through the movable contact 21, the socket 17 on
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the series winding 11, the lower part of the series winding which produces a voltage rise of 5%, then through the fixed contact, the moving contact 44, to the load circuit, through the lower conductor * rieur of the load circuit 14, The return of the current obviously takes place by the upper conductors of the load and supply circuits 14 and 13, If, now, the movable contact 44 of the tap change switch 43 is moved in the direction clockwise movement towards the adjacent fixed contact 46,
the range of regulation which can be ensured by the mobile contact of the connection changer 21, will go from a maximum of 7 1/2% of elevation, passing through zero, to a maximum of 2 12% of a- voltage drop, With contact 21 in the position shown, a voltage rise of 2 1/2% will occur, while, if contact 21 is moved clockwise, the rise will first be reduced to zero when the first fixed contact 20 is engaged, and when the next contact 20 is engaged, a voltage drop of 2 1/2% will occur.
This is due to the fact that when the movable contact 21 is engaged with the second contact 20, counted in the direction of movement of the hands of a watch, the charging current passes through the part of the housing. series bearing 11 between the taps 19 and 18 in a direction which is in opposition with the tension of this part of the winding thus producing a lowering of the tension.
If the moving contact 44 of the switch 43 is moved to the next adjacent contact 47, the tap change circuit will be equivalent to that shown in fig. 1 and there will be a voltage rise of 5% and a dip of 5%. in equal steps of 2 1/2%. This is due to the fact that the charging circuit will then be connected directly to the midpoint of the winding 11, as in fig.1.
If the moving contact 44 is moved to the next contact 48, it will be possible to ensure a voltage rise of 2 1/2% and a voltage drop of 7 1/2% in steps of 2 1/2%. Finally, if the movable contact 44 is moved so as to be in engagement with the fixed contact 49, the connection will be the reverse of that shown in the drawings and it will be possible to ensure a 10% voltage drop in. four steps of 2 1/2%.
Usually the selector switch 43 will be placed in a position giving the extent of regulation which is desired in a particular circuit.
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-lier where the regulator is used, and, in order to change the extent of the regulation, it will be necessary to disconnect the regulator from the circuit so that no current passes through the switch 43. However, this is not required and, if a load current bypass impedance analogous to resistor 36 is connected in parallel with switch 43, this switch can act to change the range of regulation while the regulator is support charging current. For example, resistor 50 can act as such a resistor.
However, resistor 50 serves another purpose which is described immediately below and, preferably, is not intended to support the load current of the circuit, which would only unnecessarily increase the price of the regulator. .
The main purpose of resistor 50, which preferably is made of the same material as resistor 36, is to complete a shunt protection circuit on the 11 series winding. Very often the lightning or voltages Transients produced during switching produce high voltages which could deteriorate the insulation of the 11 series winding, as these high voltages travel along the circuit in the form of waves.
However, if such a high voltage wave reaches the regulator, the resistors 36 and 50 in series completely bypass the series winding 11 and, thanks to their resistance characteristic which instantly decreases as the applied voltage is increased, they provide a non-linear derivative of protection to avoid excessive stresses on the 11 series winding. Obviously, it will be noted that resistors 36 and 50 are, in fact, connected in series to the 11 series winding and directly connect the supply circuit 13 and the load circuit 14.
The remaining difference between fig. 3 and fig.l is that a reactance provided with a winding 51 and a saturable magnetic armature 52, is connected in parallel with the shunt impedance of the load current 36, thus constituting a shunt impedance network. This combination of the nonlinear resistor 36 and the saturable reactance produces a better discharge of the load current because, when the arcing current between contact 21 and fixed contact 20 crosses zero, the reactance passes the current. , thus extinguishing the arc, and saturating, thus constituting a relatively low impedance lead.
The high voltage peak produced when the reactance current passes through zero and which, therefore, is not
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reduced by saturation causes nonlinear resistance 36 to increase and the resistance acts, for reactance, as a voltage limiting device. Such a combination, for a given device, is much less expensive and more practical than a non-linear resistor alone, because a saturable reactance, which is able to withstand the load current, can be obtained for a lower price. than a nonlinear resistor allowing the same current to flow.
In fig. 4, a capacitor 53 is connected in parallel with the load shunt resistor 36. The action is similar to that of a saturable reactance in that when the arc current has passed through zero and begins to increase, the capacitance constitutes a low impedance for the increasing current thus absorbing the current and allowing the arc to be extinguished.
When the capacitor charges, the voltage at its terminals rises to a value such that the nonlinear resistance 36 increases.This nonlinear resistance then constitutes a low impedance for the current until the moving contact 21 reaches the contact. fixed next and also acts as a device limiting the voltage across capacitor 53.
Fig. 5 shows a modified form of the invention which is particularly convenient for use in circuits which do not require the same regulatory finase or the extent of regulation produced by the regulator shown in Fig. 1. and 3. It is a simple and inexpensive device provided except with two movable parts and can be described as a supply circuit voltage booster because, in a preferred form, it allows only a degree. voltage rise.
As in Figs. 1 and 3, this device consists mainly of an auto-transformer provided with an ordinary winding 10 and a series winding II. An electromagnetically acting contactor 54 of the two position type is provided with two rows of contacts 55 and 56, only one row being able to be closed at a time. When the contacts 55 are closed and the contacts 56 are open, the series winding 11 is completely switched off and the load current flows through the contacts 55. When the contacts 56 are closed and the contacts 55 are open, the The series winding 11 is plugged into the load circuit through conductors 57, 58 and contacts 56.
During the change of contact position, the load current shunt impedance 36 withstands the current and, as shown,
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this impedance is connected between an intermediate point of the series winding 11 and the load circuit 14. The tap change operation is therefore similar to the corresponding operation of FIGS. 1 and 3.
The voltage booster in Fig. 5 is also provided with an overvoltage protection bypass 50, which in this case is connected in parallel with the winding 11 or, more properly, is connected so as to directly connect the supply circuit 13 and the load circuit 14.
Apart from the contactor 54, the only other moving part is the armature and the moving contact of a relay 59 forming separately, which can be called a "relay control resonant circuit",
This relay control resonant circuit consists of a capacitor 60, an adjustable saturable armature reactance 70, and a resistor 71 connected in series through a switch 72 on part of the series winding 11. series winding is directly proportional to the voltage of the load circuit, the voltage applied to the resonant circuit of the relay is a direct measure of the load voltage.
This circuit comprising the capacitor 60 and the reactance 70, can be tuned and enter into resonance in such a way that this circuit enters into resonance for a value of the voltage determined by the adjustment of the reactance 70 and is no longer in resonance for a lower pension determined by the adjustable resistance 71.
In summary, the reason why the phenomenon of resonance responds to voltage is due to the fact that variations in voltage vary the current flowing through the resonant circuit, thereby varying the magnetic saturation of the armature of the reactance which , in turn, varies the value of the inductance of the reactance, and, for a particular value of the inductance corresponding to the value of the capacitor 60, there will be resonance,
The relay 59 is connected to the terminals of the capacitor and is established in such a way that its contacts open at resonance and close for a value of the voltage lower than that which gives the resonance.
The contacts of relay 59 are wired to part of the series 11 winding in series with the AC input conductors of a rectifier 73 which may be of any known type and is shown to give a example as a copper oxide rectifier. The drivers
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direct current output of rectifier 73 are connected to the coil of contactor 54.
In the operation of FIG. 5, if the switch 72 is closed and the voltage of the load circuit is too low to bring about resonance, the contacts of the relay 59 will be closed thus energizing the contactor 54 whose contacts 56 close and the contacts 55 open. This turns on the series 11 winding in the force circuit and produces a defined and predetermined voltage rise. If, now, the force circuit voltage was too high, there will be resonance and the contacts of relay 59 will turn off. will open, the contactor 54 will be de-energized and a powerful spring 74 will quickly close the contacts 55 and open the contacts 56 thus completely disconnecting the series winding 11 from the circuit.
Thanks to the reactance 70 and the resistor 71, it is possible, if the series 11 winding produces a voltage rise of 10%, to adjust the control circuit in such a way that a voltage rise of the% is produced. when the load circuit voltage drops to 110 volts for example, thus increasing it to 121 volts and causing the switch to return to the non-raising position when the voltage reaches 123 volts where it will remain in the off position. no rise until the voltage drops back to 110 volts,
Since the safety and duration of the resonant relay are not affected by the angle of the regulator or by vibrations,
this device is ideal for poles of distribution systems in the same way as distribution transformers *
Although certain embodiments of the invention have been described and shown, it goes without saying that we do not wish to be limited to these particular forms, given simply by way of example and without any limiting nature. and that consequently all the variants having the same principle and the same object as the arrangements indicated, would come within the scope of the invention as they do.