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PERECTIONNEMENTS AUX SYSTEMES DE CONTR#LE POUR APPAREILS ELECTRIQUES.
La présente invention se rapporte aux équipements de contrôle à relais et, plus particulièrement, aux équipements dans lesquels on se sert de relais de tension.
On désigne généralement sous le nom de "relais de tension" (ou relais voltmétriques) des appareils munis d'un équipage mobile qui reste en équilibre statique, pour une tension déterminée dite "de base" et quitte sa position de repos si la tension s'élève ou diminue légèrement.
Parmi les nombreuses applications où ce type de relais est utilisé, on peut citer notamment les commutateurs automatiques ou ajusteurs de rapport en charge, pour transformateurs.
Pour assurer à ces appareils un fonctionnement satisfaisant leur, système de contrôle doit être conçu de manière à être peu affecté par des variations de fréquence, tout en présentant une grande sensibilité vis-à
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-vis des variations de tension.
Cette double condition n'a pu être remplie d'une manière entièrement satisfaisante au moyen des relais de tension connus de l'art antérieur.
Ces relais comportent souvent deux enroulements distincts qui créent un couple moteur proportionnel au produit des courants qui traversent ces enroulements et au cosinus d'un angle fonction du déphasage existant entre ces courants.
Pour permettre à l'équipage mobile de rester en équilibre statique pour la tension de base, on peut munir cet équipage d'un ressort antagoniste approprié, mais on peut également obtenir cet effet par l'intermédiaire de circuits judicieusement conçus en alimentant l'un ou les deux enroulements par des courants dont l'intensité n'est pas une fonction linéaire de la tension et qui peuvent pe pas être en phase.
Ces circuits comportent ordinairement une inductance saturée ou une résistance à, caractéristique non linéaire associée à des résistances constantes ou des inductances non saturées ou encore à des condensateurs. Cependant, les dispositions connues présentent divers inconvénients : le couple produit est relativement peu sensible aux variations de tension; certains de ces circuits produisent même des couples plus sensibles aux variations de fréquence qu'à celles de tension.
Enfin ces dispositifs sont le plus souvent d'un réglage délicat et peu étendu.
D'une façon générale, l'objet de l'invention est la construction d'un équipement de contrôle à relais et contacteurs d'un fonctionnement sur et dans lequel on évite la plupart des inconvénients rencontrés dans les systèmes précédents.
Un autre objet de l'invention est de prévoir un relais de tension d'une construction simple et robuste, présentant une grande sensibilité et permettant un réglage aisé et étendu.
Dans les dessins qui accompagnent la description suivante la figure 1 est un schéma représentant un relais de tension construit conformément à l'invention; les figures 2 et 3 sont des diagrammes vectoriels auxquels on se référera au cours de la description; la figure 4 représente schématiquement la réalisation'pratique d'un relais conforme à l'invention; la figure 5 représente schématiquement une application du relais à un équi-
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-pement de contrôle,
Se rapportant à la figure 1, on a désigné par V et I deux bobinages constituant un élément de relais analogue à un compteur monophasé.
En série avec la bobine I se trouve un circuit comprenant la bobine s enroulée sur le transformateur T à noyau saturé et une résistance r.
En parallèle sur la bobine I se trouve un circuit comprenant une résistance R réglable et une bobine b enroulée sur le noyau du transformateur T.
La résistance r est très faible ; peut même être considérée comme incorporée dans la résistance propre de l'enroulement s. Par contre, la résistance R a une valeur élevée. Il en résulte que le courant dans l'enroulement b est toujours faible et ne réduit pratiquement pas la saturation du noyau
D'autre part, la réactance propre de l'enroulement I est insignifiante par rapport à celle de s; on peut donc admettre avec une approximation suffisante que toute la chute de tension Inductive dans le circuit I, a, r, se produit aux bornes de la self s. La détermination des courants is et ib trsersant respectivement les enroulements s et b peut donc pratiquement se faire en supposant que l'impédance de I est nulle ; end'autres termes, les courants is et ib ne réagissent pratiquement pas l'un sur l'autre dans l'enroulement I.
Par contre, au point de vue de leurs effets, ces courants se combinent dans l'enroulement I du relais. On supposera que le sens relatif des enroulements du transformateur est tel que dans le relais, les composantes de ces courants en phase avec la tension U se retranchent. Le couple moteur du relais peut donc être considéré comme résultant de la différence des couples dus à chacune de ces deux composantes. Pour la tension de base Uo, l'intensité du courant ib est ajustée au moyen de la résistance R à une valeur telle que ces deux composantes s'annulent et que, par conséquent, le couple moteur est réduit à 0.
La figure 2 représente le diagramme vectoriel des tensions dans le circuit I, 8, et @. es est la tension aux bornes de la self s; ar est la tension dans la résistance r et la résistance propre de s.
La réactance s est saturée; on peut donc considérer la tension ss comme constante. De plus, l'angle compris entre le vecteur es et er est égale-
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ment constant et égal à 7e -1
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Par conséquent, une variation donnée de U se traduit, sur le diagramme vectoriel, par un mouvement de rotation du vecteur U autour du point 0. Par exemple, à la tension U1, correspond la tension er1.
Le diagramme de la figure 2 montre que pour des faibles valeurs de er, une variation très faible de U produit une variation importante de er.
Le courant le est en phase avec la tension er et est proportionnel à er si la résistance r est constante. Le courant ib est pratiquement en phase avec es et son intensité est sensiblement constante; en effet, ce courant ib est dû à la f.e.m. induite par le flux existant dans le noyau et ce flux est constant.
Le diagramme de la fig.3 représente les vecteurs des courants ib et is avec leurs déphasages respectifs par rapport à la tension U. Sur la même figure, on a représenté en traits interrompus les tensions er et es correspondantes. On constate à l'examen de la fig.3, que lorsque la tension varie, les composantes e's et i'b des deux courants varient en sens inverses.
Cette circonstance assure une grande sensibilité aux relais de tension construits conformément à l'invention. En'effet, dans les dispositifs connus de l'art antérieur, même les plus sensibles, c'est-à-dire ceux qui comprennent une self et un condensateur, les deux tensions ou les deux courants qui s'opposent, varient tous deux dans le même sens.
Ainsi qu'on l'a dit plus haut, le couple moteur du relais peut être considéré comme résultant de la différence des couples dus aux cmmposantes, en phase avec la tension U des courants ib et is
La composante de is en phase avec la tension U peut être repré- sentée à une certaine échelle par la projection de er sur U. Cette projection
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est égale à or COS y z ¯ (voir tig.2) Or, Coe f # (voir fig.2) donc, à une certaine échelle, la projection de er sur U est encore égale à @ @
D'autre part, le couple moteur est proportionnel au produit des courants traversant les enroulements V et I. Le courant traversant V est direc- tement proportionnel à U. Par conséquent, le couple moteur peut être représenté par l'expression
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±¯ e2 , t" , X étant une constante.
L,7-
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Il en résulte que le couple moteur dû au courant is est représenté à une certaine échelle, par le carré du Vecteur er; il varie donc considérablement en fonction de la tension U.
Le circuit b,R, parcouru parte courant ib, permet d'obtenir l'annulation du couple moteur dans le relais pour la tension de base Uo.
Le couple antagoniste dû au courant ib est proportionnel au produit: de U par la composante de ib en phase avec U.
Ce couple antagoniste est donc égal à
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/..#.-<t-0 Or, Sin! ;'-:1 o donc, le couple mott!lur antagoniste est égal à ,éô il est donc constant.
En définitive, le couple résultant dans le relais sera : C = ,\,.et - /-( . -;j Or, e.... 2. - CT 2. ;:;J:z. d'ou C = /Cv2.J¯ bzz Pour U * U on doit avoir C 8 0, donc /< (Vo 2.-e) = /-< De là, on déduit ¯ C - .
La tension Uo pour laquelle C = 0 est déterminée par la valeur de la résistance R en circuit. Elle peut donc être ajustée à la valeur désirée.
La sensibilité du couple moteur du relais peut être exprimée par le rapport de la variation élémentaire, mesurée en pour-cents, du couple à la variation élémentaire correspondante mesurée en pourcents, de la tension,
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CL c..
La sensibilité s'eXprime donc par 1 o-<-<. # . O oÉ tI ci cr Cl.
9 elle est égale à: ^2 l U, V' :::..f 17' 2k(v::' v-,;) Zr=- lTD"- elle est donc très grande au voisinage de U - Uo et elle est indépendante de est
Dans le circuit s,r de l'enroulement I, on peut remplacer la self saturée s par une self non saturée à condition de remplacer la résistance
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r de valeur ohmique constante par une résistance assurant le maintien d'un courant constant, par exemple une résistance fer-hydrogène. Toutefois, on peut montrer en opérant d'une manière analogue à celle qui a été exposée cidessus, que, dans ce cas, le couple est donné par l'expression
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c = - 'tj Z e-al La sensibilité du couple moteur est alors t
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c ¯L. =¯¯¯¯¯¯1####### et.
C7 . c v:" -e - 0E5 < j <o.-<#
Cette sensibilité dépend de la tension es, qui peut donc être choisie en conséquence.
Bnfin pour augmenter la sensibilité ou pour diminuer l'influence relative des variations de fréquence, on peut se servir, au lieu d'une résistance r constante, d'une-résistance dont la valeur ohmique décroit avec la tension appliquée (thyrite), carborandum, carbonate, etc.., Dans ce cas, bien entendu, la self s doit être à noyau saturé, de telle sorte que la tension es à ses bornes puisse être considérée comme pratiquement constante. La sensibilité du couple moteur du relais dépendra, dans une mesure importante, de la fonction r (es) représentant la valeur ohmique de cette résistance, Plus cette valeur diminuera rapidement en fonction du courant, plus la sensibilité sera grande.
En effet, le diagramme vectoriel permet de se rendre compte que le courant sera représenté par un vecteur qui croit plus vite que le vetteur er. Par conséquent, le couple moteur variera fortement avec la tension U.
On peut alimenter les circuits de l'enroulement I à une tension différente de celle de l'enroulement V. On peut se servir à cette fin d'un transformateur dont le noyau est très loin de la saturation et qui présente une très faible réactance de fuite.
On peut, sans sortir du cadre de la présente invention, remplacer les résistances r et R, le transformateur T par d'autres organes tels que la bobine I soit parcourue par la résultante de deux courants dont les composantes actives varient en sens inverse pour une variation donnée de la tension.
La fig.4 représente schématiquement une réalisation pratique du relais décrit, cette réalisation étant obtenue avec des éléments analogues à ceux d'un compteur monophasé à Induction.
D est un disque sur lequel agissent les flux produits par les courants dans les enroulements V et I.
P est un aimant permanent freinant le déplacement du disque et
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assurant ainsi une certaine temporisation.
L est un électro-aimant fournissant, par son action sur la palette Pa, un couple positif ou négatif suivant la position de la palette. L'électro- aimant L peut évidemment être remplacé par un aimant permanent. Cependant, dans ce cas, on.risque d'introduire des erreurs dues au magnétisme rémanent. D'autre part, l'électro-aimant a encore l'avantage de permettre un réglage très fin du couple résistant. Il suffit en effet, d'ajuster le courant qui le traverse à la valeur convenable, Ce réglage peut être effectué au moyen de la résistance g.
M est un tube de contact inverseur à mercure actionné par un petit pignon denté engrenant avec une vis sans fin montée sur l'arbre de rotation du disque. Le rapport de démultiplication sera de préférence tel que dans chacune des trois positions du contact inverseur, le couple résistant dû à l'électro- aimant L soit nul.
Par conséquent, entre une position du contact inverseur et la suivante, ce couple résistant passe au moins par un maximum positif quel que soit le sens de rotation. Il est désirable aussi que le passage de ce maximum positif ait lieu avant la rupture du contact, de telle sorte que celle-ci se fasse très rapidement au moment où le couple résistant passe de la valeur posi- tive à la valeur négative et s'ajoute ainsi au couple moteur.
Le couple résistant total du relais est fourni : 1 ) par les frottements dans les pivots, paliers, engrenages, etc..., 2 ) par les défauts d'équilibrage impossibles à éliminer complètement des tubes de contacts à mercure.
3 ) par l'aimant permanent P.
4 ) par l'électro-aimant L.
Le couple fourni par l'électro-aimant doit être notablement supé- rieur à celui résultant des frottements et des défauts d'équilibrage de manière à rendre ptatiquement sans effet les variations qu'ils peuvent subir.
A titre d'exemple, on a représenté schématiquement dans la fig.5 une application du relais décrit à l'équipement de contrôle d'un ajusteur auto- matique de rapport en charge pour transformateurs statiques.
Dans cet appareil, les modifications de rapport s'effectuent au secondaire connecté en étoile par déplacement du point neutre.
L'ajusteur peut prendre trois positions; dans chacune de ces posi- tions, le neutre est fermé par un contact tripolaire t B, M, H. On constatera que les contacts sont disposés en triangle, de manière à réduire l'intensité que chacun d'eux doit supporter.
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Un contacteur de passage r commande la mise en circuit d'une résistance de passage Ro destinée à limiter le courant entre deux prises voisines pendant le court instant où la commutation s'effectue d'une prise à la prise voisine sans coupure dans le circuit principal.
Les circuits de contrôle sont conçus de telle sorte que pour passer d'une des prises extrêmes à l'autre, le commutateur doit toujours passer par la prise moyenne. Comme d'autre part, le relais de tension est d'un fonctionnement relativement lent par rapport à celui de l'équipement de contacteurs du commutateur, un seul gtoupe de résistances de passage est suffisant. Il en résulte aussi que les courants sont coupés par les contacteurs D,M, et H sous des tensions faibles, ce qui peut permettre dans certains cas de prévoir ceux-ci sans soufflage, ni pare-flamme.
Sur le schéma de la fig.5, B désigne le contacteur principal de tension basse, H désigne le contacteur principal de tension haute, M désigne le contacteur principal de tension moyenne, P désigne le contacteur de passage, Vb désigne le contact du relais vqltmétrique côté tension basse, Vh désigne lecontact du relais voltmétrique côté tension haute, h et b sont des relais inverseurs auxiliaires du relais de tension, Y et Z sont des relais auxiliaires de verrouillage, X est un relais auxiliaire.
Les circuits de contrôle peuvent être connectés aux bornes d'une seule des trois phases du transformateur, afin d'être alimentés dès le moment où le primaire du transformateur est mis sous tension. Par contre, le relais voltmétrique est connecté entre deux phases.
Le schéma de la fig.5 représente les différents contacts dans la position qu'ils occupent lorsqu'aucune tension n'est appliquée au transormateur Le fonctionnement des circuits de contrôle est le suivant : supposons les contacts Vb et Vh ouverts tous deux, Lorsque le transformateur est mis sous tension, le circuit de la bobine Z est fermé et Z s'enclenche.
Donc, les contacts Zl et Z2 se ferment. De même la bobine de Y est excitée et Yl se ferme. La fermeture de Z2 provoquent l'excitation de la bohine de M qui s'enclenche (en même temps que le contact auxiliaire Ml s'ouvre), Le neutre du transformateur est donc fermé sur les prises de tension moyenne.
D'autre part,, la fermeture du contact Zl provoque l'excitation
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de la bobine de P, et P s'enclenche. Les résistances de passage Rp sont alors court-circuitées par les contacts M, mais elles sont prêtes à entrer en action dès que le contacteur M déclenchera.
On remarquera que l'enclenchement de P a pour effet la fermeture du contact P1, l'excitation de la bobine de X et l'ouverture du contact Xi.
Supposons maintenant qu'à un certain moment le relais de tension fonctionne et que son contact Yb par exemple, se ferme. Il en résulte que le circuit de la bobine de b est fermée, ce qui provoque l'ouverture du contact b2 et la fermeture du contact bl, l'ouverture du circuit'de la bobine Z, l'ouverture des contacts Z1 et Z2, l'ouverture du circuit de la bobine M, le déclenchement de M. Pendant ce temps y et donc P restent enclenchés.
Le déclenchement de M provoque la fermeture du contact M1, l'excitation de la bobine de H, l'enclenchement de H, la fermeture du contact H1 et l'ouverture du contact H2, le déclenchement de Y, l'ouverture du contact Y1, l'ouverture du circuit de la bobine de P, le déclenchement de P, l'ouverture du contact Pl, le déclenchement de X et enfin la fermeture du contact X1.
Par conséquent, on constatera que les résistances de passage Rp sont mises en service dès l'instant précis où le contacteur M déclenche et jusqu'au moment où le contacteur H s'enclenche,
Supposons maintenant qu'il se produit une variation de tension et que le contact Vb du relais s'ouvre, tandis qu'au bout d'un court instant le contact Vh se ferme.
La temporisation du relais de tension est très grande vis-à-vis de la rapidité de fonctionnement des contacteurs; on aura donc d'abord une période d'ouverture relativement appréciable deus deux contacts @b et Vh. Pendant cette période d'ouverture, Z s'enclenche et provoque l'enclenchement de P. Il est à remarquer qu'à cet instant, le contact M ne peut pas encore s'enclencher, car le contact H2 est ouvert. En outre, bien que b soit déclenché et le contact b1 ouvert, H se maintient enclenché car sa bobine reste alimentée par le circuit dérivé passant par son contact de réalimentation H1. Les résistances de passage sont donc d'abord mises en circuit.
Mais d'autre part, l'enclenchement de P provoque celui de X, donc l'ouverture du circuit de la bobine de H qui déclenche. Il en résulte que le contact H2 se referme et produit l'excitation de la bobine de M qui enclenche; en même temps les résistances de passage sont court-circuitées par les contacts M et sont, de ce fait, éliminés.
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A cet instant, si le contact Vh du relais se ferme, le système de contrôle se trouve précisément dans la situation que l'on a envisagée cidessus : Vh fermé et M enclenché.
Les opérations se succèdent dans le même ordre 1 le contacteur M déclenche, le contacteur B s'enclenche et le contacteur P déclenche*
Au début de la description du fonctionnement de l'équipement de contacteur, on a fait l'hypothèse que les contacts Vb et Vh étaient tous deux ouverts. Supposons maintenant qu'un des contacts, par exemple Vb soit fermé.
Lors de la mise sous tension, le relais Z tendra à s'enclencher le premier.
Mais comme Vb est fermé, le contact b2 s'ouvrira coupant le circuit d'excitation de Z et le contact bl se fermera, ce qui provoquera l'enclenchement de.Et
Le transformateur peut avoir son neutre raccordé à la terre ou sorti; dans ce cas, les contacteurs comportent un quatrième pôle.
Le relais décrit peut évidemment être utilisé également dans un équipement de contrôle comportant un jeu d'interrupteurs inverseurs à commande électrique agissant d'une manière analogue à celle qui a été décrite.