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SYSTEME ELECTRIQUE DE PROPULSION DE NAVIRES,
La présente invention se rapporte à la commande de moteurs synchrones à vitesse variable. destinés à la propulsion des navires et particulièrement à un mode de commande qui rende sensible le fonctionnement stable des moteurs synchro- nes et des génératrices, dans des conditions qui n'impliquent pratiquement pas de marge normale de couple,
Les systèmes fournissant l'énergie pour la propulsion des navires doivent être en mesure de fonctionner à l'intérieur d'une assez large gamme de vitesses et de charges, et aussi de résister à de soudaines variations de charge*
On a déjà utilisé de tels systèmes et les diverses vitesses de régime du navire $taient obtenues en modifiant celle du moteur principal,
'de
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manière à faire varier la fréquence de la génératrice et par conséquent la vitesse,*. de synchronisme. Jusqu'alors ces systèmes ont fonctionné avec une Marge rolative- ment large de couple afin que les moteurs ne décrochent pas dans le cas de forte mer ou de surcharge soudaine.
Certains types de navires impliquent que les dimen- sions et le poids de la machinerie soient réduite au minimums Quand ces conditions sont remplies, il devient extrêmement difficile de dissiper la chaleur engendrée dans les enroulements d'excitation, particulièrement en cas de charge anormale où il est nécessaire d'accroître la dite excitation pour maintenir la stabilité du fonctionnement* Si on tente de maintenir une largedmarge de couple en augmentant l'excitation, dans le but de satisfaire aux demandes soudaines, il peut en résulter scelle est longtemps maintenue, un échauffement préjudiciable aux machines.
Cette excitation anormale entraîne une perte de rendement en charge et, continuellement maintenue, elle Implique l'emploi d'organes d'excitation plus importants qui en- traîne une augmentation de poids. En conséquence,, l'invention a pour objet un sys- tème perfectionné de propulsions de navires par courant alternatif, susceptible de fonctionner dans une large gamme de vitesses et de charges, dans des conditions de marge Minima de couple,
Un autre objet de l'invention consiste à prévoir un système de propulsion comportant une génératrica à vitesse variable, un moteur synchrone et un systèmede commande destiné à maintenir la stabilité, alors que le système fonctionne sans marge de couple.
On en comprendra mieux les avantages par l'examen des dessins annexés au la figure 1 représente schématiquement un système de propulsion de navire conforme à l'invention et les figures 2 et 3 des variantes.
Le dit système, représenté figure 1, comporte un alternateur entraîné pa@ une turbine à vitesse variable et alimentant un moteur synchrone commandant l'hélice du navire. Les enroulements d'excitation de la génératrice et du moteur sont ali- mentés par un système commun, comportant une excitatrice principale, une excitatrice pilote fournissant l'excitation à l'excitatrice principale et un régulateur comman- dant le fonctionnement de l'excitatrice pilote.
Les excitatrices principale et pi- lote sont choisies pour fournir une excitation rapide, et le régulateur est étudiée de manière à être sensible à l'angle de déphasage entre les rotors dudmoteur et de la génératrice, de manière à obtenir une stabilité forcée et à maintenir moteur et génératrice en synchronisme dans la gamme de charges appliquées au système à
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toutes les vitesses de synchronisme, de telle sorte qu'il puisse fonctionner sans marge normale de couple, Le terme "marge normale de couple" est employé ici pour désigner en charge normale, l'excès d'excitation sur celle nécessaire pour main- tenir le moteur et la génératrice en synchnonisme, et disponible pour maintenir le dit synchronisme en cas de variation de charge.
Un dispositif de commande de stabi- lisation, ou d'anti-pompage, est alimenté selon le régime de variation de l'angle de déphasage entre moteur et génératrice. Il a pour rôle de permettre au système d'ex- citation de maintenir la stabilité du fonctionnement sans marge normale de couple pour toutes les conditions de charge* Le fonctionnement du système d'excitation confère une stabilité forcée du groupe moteur-génératrice, telle que l'excitation en excès n'a pas à être utilisée en fonctionnement normal, et l@échauffement de la ma- chine est par conséquent diminués
En se référant maintenant aux figures, on voit que le système de propulsion représenté sur la figure 1 comporte, entraînée par une turbine 11 à vitesse variable,
une génératrice de courant alternatif alimentant un moteur synchrone 12.
La génératrice 10 comporte des enroulements de stator 13 connectés à ceux @ 14 du moteur; on n'a représenté ni la ligne, ni les commutateurs inerseurs. L'en- roulement du rotor de la génératrice est représenté en 15 et celui du moteur en 16.
Ce dernier comporte également une cage d'écureuil 17. Les enroulements 15 et 16 sont connectés en parallèle par les jeux de bagues 18 et 19 respectivement, aux bornes de l'excitatrice principale 20. Pour que le moteur 12 puisse démarrer comme un mo- teur à induction, on prévoit un commutateur 21 permettant de déconnecter l'enroulement 16 et de le mettre en court-circuit par une résistance 22. La turbine 11 est pour- vue d'un dispositif de commande de vitesse représenté en 23.
L'excitatrice 20 comporte un enroulement Inducteur 25, alimenté par une excitatrice pilote 26 et on obtient les caractéristiques de stabilité désirées, en commandant la dite excitatrice pilote 26, par un régulateur 27 sensible aux condi- tions électriques du circuit moteur-génératrice. Cette excitatrice 26 est du type "Amplidyne" à grand rapport d'amplification et très faible constante de temps et son débit peut être commandé par des circuits simples ne comportant pas d'éléments mobiles et pratiquement dépourvus de retard.
L'amplidyne comporte essentiellement un induit du type classique et un collecteur 28 muni dtun jeu de balais 29, en court- circuit, dont l'axe de commutation est en quadrature avec celui du jeu de balais 30,
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Le flux principal de la machine., etent-à-dire celui qui engendre la force
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électromotrice entre les balais 30, est fourni par la réaction d'induit du courant traversant les balais en court-circuit, Un enroulement-série d'excitation est pré- vu dans le circuit de sortie de l'excitatrice 26, afin de neutraliser la réaction normale d'induit de l'excitatrice.
La résistance du circuit compris entre les bala en courtaircuit est relativement faible, et la force électromotrice nécessaire pour produire un courant de oourtcircuit relativement important, est fournie par des for- ces magnéto-motrices résultant de l'alimentation des enroulements 33, 34 et 35, La force magnétomotrice totale fournie par ces enroulements est relativement faible, L'enroulement 33 est alimenté séparément par une source appropriée de courant con- tinu, en série avec une résistance variable 36*-34 et 35 sont des enroulements à ettet contraire, agissant différentiellement et alimentés par le régulateur 27.
Ce dernier comporte un circuit sensible à la tension, ayant une caractéristique impé- dance-courant, linéaire, alimentant ltenroulement 34 et un second circuit sensible également à la tension, ayant une caractéristique impédance-courant non liénaire alimentant l'enroulement 35. On prévoit aussi un circuit sensible au courant pour modifier l'excitation de l'enroulement 35 par opposition de la tension appliquée au dit enroulement 35 par le circuit non linéaire, Le circuit linéaire comporte un redresseur 40 connecté entre le secondaire d'un transformateur de tension 41 et l'enroulement 34, de manière à y produire un courant continu ayant un effet d'ac- croissement.
Le circuit non linéaire comporte un redresseur 42, connecté au primaire du transformateur 41 par une réactance à saturation réglable; une résistance 44 est connectée aux bornes de sortie du courant continu. Cette résistance 44 est en série avec une autre résistance 45 aux bornes de l'enroulement 35 et le circuit sensible au courant est connecté de manière à appliquer à la résistance 45 une tension oppo- sée à celle produite sur la résistance 44 par le circuit non linéaire.
Le circuit sensible au courant comprend le secondaire d'un transformateur de courant 46 connec- té sur uns des lignes du moteur et une résistance variable 47 aux bornes du redres- seur 48, Les bornes de sortie du courant continu du redresseur 48 sont connectées sur la résistance 45 de manière à créer opposition à la tension aux bornes de la résistance 44, produite par le redresseur 42; on a prévu un interrupteur 50 entre le redresseur 48 et la résistance 47, permettant ,si on le désire, de couper le circuit sensible au courant.
Le fonctionnement du régulateur 27 est tel que les effets d'accroisse-
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-ment et de diminution produits par les enroulements 34 et 35, maintiennent la tension de la génératrice 10 à une valeur suffisante pour saturer la réactanceh43 et le circuit sensible à l'action du courant, destiné à l'enroulement 35, agit de manière à corriger la tension à maintenir, conformément aux besoins créés par les variations du courant de ligne. L'interrupteur 50 étant ouvert, le régulateur 27 commande 1'excitatrice-pilote 26 de manière à maintenir un rapport constant entre la tension et la fréquence de la génératrice 10.
Le fonctionnement du régulateur 27 est tel que l'équilibre s'établit entre les champs fournis par 34 et 35, de telle sorte que les ampères-tours résultants soient justes suffisants pour exciter l'amplidyne 26, à une valeur telle que la génératrice 10 fournisse une tension alternative capable de saturer la réactance 43. Comme la tension pour laquelle cette réactance se sature varie comme la fréquence, le régulateur maintient cons- tante la valeur du rapport tension-fréquence, de la génératrice,,
La tension et le courant du moteur et de la génératrice fournissent/une indication sur l'angle de déphasage de leurs rotors, cet angle tendant à croître avec la charge et provoquant une diminution de la tension et un accroissement du courant.
Pour certains systèmes, le courant ou la tension seuls peuvent fournir une indication suffisante concernant l'angle de déphasage, permettant une régu- lation convenable, dans d'autres systèmes, il convient d'utiliser à la fois cou- rant et tension. Un système d'excitation à grande vitesse tel que celui de la figure 1 et comportant l'amplidyne 26, permet une très grande stabilité et aussi le fonctionnement du groupe moteur-génératrice, sans marge normale de couple, Toutefois, il est nécessaire de prévoir un amortissement pour éviter que le régu- lateur fonctionne hors des limites admissiles, oe qui engendrerait des oscilla- tions entretenues qui provoqueraient le décrochage* Pour être efficace,
cet amor- tissement doit être proportionné au taux de variation de ltangle de déphasage.
Quand il y a déphasage entre la génératrice et le moteur, des courants transitoires parcourent leurs enroulements 15 et 16 et engendrent une variation correspondante du courant et de la tension d'excitation, Pour créer ltamortisse- ment destiné à éviter l'amorçage d'oscillations entretenues, un enroulement de commande 51 sur l'amplidyne 26 est alimenté conformément aux variations de tension sur l'excitatrice 20; un transformateur 52 étant connecté aux bornes de l'excita- trice et son secondaire relié à l'enroulement 51.
On prévoit une résistance 53 dans le primaire du transformateur 52.
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On prévoit aussi un enroulement stabilisateur, sensible à la tension fournie par l'amplidyne aux bornes de l'enroulement d'excitation 25, et le primaire du trans- formateur 54 est connecté au dit enroulement 25, de telle sorte que les variations de tension aux bornes de ce dernier, sont appliquées sur un enroulement de stabi- lisation 55 connecté au secondaire du transformateur 54.
Les enroulements stabi- lisateurs 51 et 55 introduisent l'amortissement permettant d'éviter le pompage et d'assurer la stabilité du fonctionnement à l'intérieur d'une large gamme de vitesse et de charges, sans danger d'amorçage d'oscillations entretenues qui peuvent provo- quer le décrochage du moteur*
Les enroulements 51 et 55 sont connectés aux secondaires des transforma- teurs 52 et 54 respectivement, de telle manière que les forces magnéto-motrices engendrées par les enroulement 51 et 55, compensent les variations qui se produisent aux bornes des primaires des transformateurs 52 et 54.
D'après ce qui précède, on conçoit que le système de propulsion est com- mandé en fonction de l'angle de déphasage entre le moteur et la génératrice, de telle sorte que ces derniers puissentdfonctionner sans marge nomale de coupler de plus, afin d'éviter l'amorçage d'oscillations entretenues et pour rendre lesystème stable, on orée un amortissement fonction de la tension d'excitation de la généra- trice et du moteur, et fonction par conséquent de la valeur de la variation de l'an- gle de déphasage.
La variante de la figure 2 diffère de ce qui précède en ce sens que l'am- plidyne 26 est connectée directement pour alimenter les enroulements d'excitation du moteur et de la génératrice, l'amplidyne ayant une puissance suffisante pour fournir la totalité du courant d'alimentation en parallèle, des enroulements 15 et 16. On notera que le dispositif de la dite figure 8 est tel que l'enroulement-série de compensation 31 de l'amplidyne, est en série avec les enroulements d'excitation 15 et 16 en parallèle, L'enroulement 31 est de préférence prévu pour surcompenser la réaction normale de l'induit de l'excitatrice 20.
Les variations du courant d'excitation engendrent un flux de stabilisation proportionnel à la valeur de la variation de déphasage eptre le moteur et la génératrice et il n'est pas nécessaire de prévoir un enroulement de stabilisation supplémentaire tel que l'enroulement 51 de la figure 1.
La variante de la figure 3 diffère de la figure 1 en ce sens qu'un enrou- lement de stabilisation 56, en série avec l'excitatrice 20 *et alimenté en fonc- tion de la valeur du courant d'excitation, a été prévu au lieu de ltexcitation n
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fonction de la tension. Le courant normal traversant l'enroulement 56 fournit le flux coopérant avec celui produit par 1'enroulement-série 31 et surcompensant quelque peu la réaction normale d'induit de l'amolidynes 261 les variations du courant de l'excitatrice 20 traversant l'enroulement 56, fournissent un amortissement propor- tionnel à la valeur de l'écart de déphasage du moteur et de la génératrice représenté par le courant d'excitation du moteur et de la génératrice.
A la lecture de ce qui précède, on conçoit que l'on puisse réaliser une commande de la régulation et de.la stabilisation de la propulsion électrique des navires qui n'implique pas de pièces en mouvement telles que des contacts de régula- teur. Le régulateur 27 fonctionne de manière telle qu'il y a un minimum de retard entre la détection d'une variation des conditions de fonctionnement et l'alimenta- tion de l'excitation dans le but de satisfaire aux besoins w. Le moteur et la géné- ratrice peuvent être maintenus en synchronisme malgré les variations brusques de charge, bien que le système ne fournisse pratiquement pas de marge normale de couple.
Ltamortissement engendré en fonction de la valeur de la variation de l'angle de dé- phasage évite l'amorçage d'oscillations entretenues; la stabilité du système en l'absence de marge normale de couple est maintenue dans une large gamme de charge, dans la gamme des vitesses de synchronisme du moteura L'application de ce système de commande n'est évidemment pas limitée aux groupes moteurs-génératrices à faible capacité de dissipation de chaleur du fait que le rendement des systèmes ayant un excès de puissance peut être accru par la régulation, pour maintenir le courant minimum nécessaire d'excitation compatible avec un fonctionnement stable,
Il est évident que l'amplidyne 26 peut être connectée de manière à fournir 1*excitation selon d'autres modes utilisés communément. C'est ainsi que la dite amplidyne peut être utilisée comme moyen de sous-excitation ou de surexcitation, en liaison aveo l'excitatrice principale, ou encore en combinaison de cette dernière avec la dite excitatrice principaley de manière à fournir une force contre-électromotrice.
Eu égard au mode de commande que l'on vient de décrire, il n'est pas né- # cessaire de prévoir pour les Inducteurs du moteur et de la génératrice, une excita- tion continue supérieure à celle nécessaire au fonctionnement normal, à un instant donné; c'est-à-d¯re que, puisqu'il est possible de faire fonctionner le système pr@- tiquement sans marge normale de coupler l'échauffement des Inducteurs du moteur et de la géneratrice, est réduit au minimum, et l'équipement peut êtreplus léger que ceux employés jusqu'alors pour lesquels la stabilité n'est assurée que si on
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