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SYSTEME PERFECTIONNE DE CONTROLE ELECTRIQUE*
La présente invention a pour objet un système de contrôle, et plus particulièrement un nouveau système de-contrôle perfectionné pour ma- chines dynamo-électriques. Parmi les types connus de dynamos, le con- densateur synchrone est celui auquel, l'invention s'applique plus parti- culièrement. -
Un condensateur synchrone est un moteur synchrone qui fonctionne en fournissant une puissance mécanique faible ou nulle. Par définition, lorsqu'il est normalement excité pour une tension et une charge par- ticulières, il fonctionne avec le facteur de puissance unité, c'est-à-
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-¯dire qu'il absorbe le courant minimum sur la ligne d'alimentation.
Une surexcitation, c'est-à-dire une excitation supérieure à la norma- le, peut être provoquée en abaissant la tension aux bornes, sans aug- menter réellement le courant d'excitation, ou en augmentant le courant d'excitation sans changer la tension aux bornes. Dans des conditions, le condensateur synchrone absorbe, sur la ligne d'alimentation, du courant déwatté décale en avant* De manière analogue, une sous-excita- tion, c'est-à-dire une excitation inférieure à la normale, peut être provoquée en augmentant la tension aux bornes sans abaisser réelle- ment le courant d'excitation, ou en abaissant le courant d'excitation sans changer la tension aux bornes. Le conducteur synchrone absorbe alors du courant déwatté décalé en arrière.
Lorsqu'une telle machine est munie d'un régulateur au'comatique de tension, elle est souvent utilisée pour régler la tension d'une ligne d'énergie à courant alternatif. C'est ainsi que, si la tension de la ligne augmente au-delà de celle correspondant au réglage du régulateur automatique, qui correspond en général à la tension normale du conden- sateur synchrone, le régulateur diminue l'excitation du condensateur, ce qui lui fait absorber sur la ligne une plus grande quantité de cou- rant déwatté en arrière, et ce courant en retard, traversant la réac- tance de la ligne, en abaisse la tension.
Inversement, une diminution de la tension de la ligne provoque, de la part du régulateur, une aug- mentation d'excitation du condensateur, de telle sorte que du courant déwatté en avant est absorbé sur la ligne, ce qui élève la tension-
D'habitude, l'excitation zéro correspond à la quantité limite de puissance réactive en arrière absorbée par le machine, mais une machi- ne normale est calculée de telle sorte que la valeur du courant en re- tard, pour l'excitation zéro, soit sensiblement inférieure (d'habitude 40 à 50%) au courant nornal de nleine charge de la machine, de telle sorte que des quantités sensiblement plus grandes d'énergie réactive en , avant peuvent être fournies par la machine, lorsqu'elle est surexcitée.
La Société demanderesse a trouvé, toutefois, que les condensateurs syn- chrones à rotor à pôles saillants possèdent un couple synchronisant im-
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. -portant,.de telle sorte que l'excitation peut être même renversée, ou rendue négative, sans que le condensateur ne quitte le synchronis- me, et elle a trouvé qu'au moyen d'une telle excitation négative, un condensateur synchrone ordinaire à pôles saillants est capable d'ab- sorber de 50 à 67% plus d'énergie réactive en retard, par rapport à cette même énergie correspondant à l'excitation nulle. Par excitation négative,' on entend: courant d'excitation inversé ou négatif, mais non pas flux d'excitation ou flux rotorique inversé ou négatif.
Lors- qu'un condensateur synchrone fonctionne avec un courant en retard, sa réaction d'induit est dans le même sens que sa force magnétomotrice d'excitation positive, et, par conséquent, une excitation négative di- minue la force magnétomotrice de réaction d'induit.
La Société demanderesse a également trouvé que la quantité d'ex- citation négative, qui peut être utilisée jusqu'au décrochage, dépend de la grandeur de la tension aux bornes. Plus cette tension est élevée, plus le couple synchronisant qui maintient le condensateur synchrone à pôles saillants en synchronisme, est grand et, par conséquent, plus l'excitation négative du condensateur peut être grandeo-
Conformément à la présente invention, on prévoit pour les conden- sateurs synchrones un nouveau système simple de contrôle automatique, grâce auquel le condensateur fonctionne avec une excitation négative; ce système perfectionné limite également automatiquement l'excitation négative, de façon à permettre le fonctionnement avec la puissance ré- active maxima en retard, compatible avec la stabilité.
En outre, dans l'une de ses formes préférées, l'invention prévoit des moyens pour faire varierle réglage de la limite d'excitation négative, d'après la tension aux bornes du condensateur, de telle sorte que l'on peut obtenir la plus grande énergie négative en retard possible, avec sta- bilité et dans des conditions variables de tension aux bornes.-
Cette dernière caractéristique est importante si l'on se rappelle que c'est l'énergie réactive en retard absorbée par le condensateur qui tend à abaisser la tension du système et quel par conséquent, plus
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cette tension est élevée, plus on peut obtenir du condensateur une énergie réactive en arrière élevée, sans lui faire perdre le synchro- nisme.
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L'invention sera d'ailleurs bien comprise en se reportant à la description qui suit et aux dessins qui l'accompagnent, donnés à sim- ple titre d'exemple non limitatif, et dans lesquels: la figure 1 représente le schéma d'une réalisation de l'invention; la figure 2 est une vue partielle d'une variante de l'invention; les figures 3 à. 7 sont des schémas et des courbes permettant de comprendre le fonctionnement du système de contrôle, objet de l'inven- tion.-
En se reportant à la figure 1, on voit que l'invention est appli- quée à un condensateur synchrone triphasé 1, qui possède un rotor 2, à pôles saillants, avec un enroulement 3 d'excitation, alimenté par une excitatrice 4. Celle-ci est, par exemple, une génératrice shunt habituelle, à enroulement d'excitation 5.
La tension de l'excitatrice 4 peut être contrôlée de toute manière appropriée, comme par exemple au moyen d'un générateur 6, survolteur-dévolteur, à réaction d'induit compensée. Ce générateur a un collecteur muni de deux balais principaux 7 et 8, et de deux balais 9 et 10 en quadrature, et reliés en court- circuit par un conducteur 11. Pour contrôler la tension @atre les ba- lais 7 et 8, la machine 6 est munie de deux enroulements d'excitation 12 et 13 agissant en sens inverse, l'enroulement 12 provoquant un a- baissement de tension, et l'enroulement 13 provoquant une augmentation de tension, la tension dans les deux cas étant celle du condensateur synchrone principal.
Ces enroulements sont sur. le même axe que les ba- lais principaux 7 et 8, et ils produisent. une tension entre les ba- lais en quadrature 9 et 10; en raison de la faible résistance du con- ducteur 11, cette tension fait passerdans l'induit un courant très élevé, produisant ainsi un flux transversal de réaction ci' induit / qui produit l'excitation principale de la machine, ainsi que!la tension de sortie entre les balais principaux 7 et 8.-
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Pour compenser dans le générateur 6, la réaction d'induit pro- voquée par le courant passant dans les balais 7 et 8, on dispose un enroulement, compensateur 14 sur l'axe des balais 7 et 8. Les deux en- roulements d'excitation 12 et 13 sont alimentés par la tension aux bornes du condensateur 1.
Comme on le voit, ils sont reliés au secon- daire d'un transformateur 15, par l'intermédiaire de leur redresseur respectif, 16 et 17. Une impédance non linéaire, constituée parune bobine de réac tance à. noyau de fer 18, est connectée dans le circuit d'alimentation du redresseur 16, destinée à l'enroulement 12 abais- seur de tension, et une impédance linéaire, constituée par une résis- tance ordinaire 19, est branchée dans le circuit d'alimentation du redresseur 17, destiné à l'enroulement 13, élévateur de tension.-
Pour limiter la quantité d'excitation négative que le dispositif automatique régulateur de tension peut produire, le générateur 6 est muni d'un troisième enroulement d'excitation 20, sur 1:'axe des balais principaux 7,8.
Cet enroulement est connecté de manière à être sensi- ble à l'excitation négative du condensateur; à titre d'exemple, on l'a représenté comme étant relié aux bornes de l'enroulement 3, ou aux bornes de l'excitatrice 4, en passant par une valve électrique, ou par un conducteur à conductibilité dysymétrique 21. Ce dispositif
21 est connecté de telle sorte qu'il empêche le courant de traverser l'enroulement 20 quand l'excitation du condensateur est positive, c'est-à-dire lorsque l'excitatrice 4 a la polarité indiquée figure 1.
Afin que le courant dans l'enroulement 20 s'établisse rapidement lorsque la tension d'excitation négative augmente, on connecte en sé- rie une impédance 22 non linéaire, qui peut être une résistance en ma- tière de nature céramique. Cette matière a une caractéristique défi- nie par l'équation RIa = C, dans laquelle R est sa résistance, I le courant qui la traverse, a un exposant et C une constante dont la va- leur dépend'des dimensions mécaniques de la résistance.' Cette carac- téristique est telle que la résistance diminue très rapidement lors de l'augmentation du courant.
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Pour régler la limite d'excitation négative daprès la tension aux bornes, on intercale une résistance 23 dans le circuit de l'en- roulement 20, de telle sorte qu'un courant unidirectionnel., propor- tionnel à la tension aux bornes du condensateur synchrone 1; circule à travers cette résistance 23, par suite de la présence d'un redres- seur 24 connecté aux bornes du transformateur 15.
De cette manière, la tension aux bornes de la résistance'23 est proport onnelle à la tension aux bornes du condensateur, et le redresseur 24 est connecté de manière que la polarité de cette tension s'oppose au passage du courant dans la valve 21, dans le sens où elle conduit le courant.-
On n'a pas représenté les dispositifs d'entraînement de l'exci- tatrice 4 et du générateur 6, car ils peuvent être quelconques, cornue par exemple des moteurs séparés, ou un moteur commun, ou même encore le condensateur synchrone lui-même.-
Bien entendu, le système régulateur de tension sera muni, comme d'habitude, de tous dispositifs approprias connus de co@pensation de fréquence, de compensation de la température,
de compensation de chu- te de tension en ligne, de dispositif anti-pompage, et (-le dispositifs sensibles aux composantes polyphasées suivant leur nécessité. Tous ces accessoires bien connus du régulateur ne rentrent pas dans le cadre de l'invention et n'ont pas été décrits.-
Comme le circuit de limitation d'excitation négative est sensi- ble à la tension d'excitation négative, plutôt qu'au curant d'exci- tation négative, il tend à fonctionner avant que le courant dans l'en- roulement d'excitation 3 atteigne une haute valeur négative dangereuse.
Cette caractéristique peut être quelquefois désirable, mais.,, si elle ne l'est pas, le circuit limitant l'excitation négative peut. être ren- du sensible au courant d'excitation, suivant la variante de la figure 2, dans laquelle le fonctionnement du circuit est obtenu à partir de la chute de tension dans une résistance en série 25. La tension aux bor- nes de cette résistance est proportionnelle au courant d'excitation et, par conséquent, le circuit de limitation de l'excitation négative
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-ne commence 'pas à agir, tant que le courant d'excitation négative n'a pas atteint la valeur à laquelle il doit être limité.
Le fonctionnement du dispositif représenté est le suivant:
La réac'tance 18 est calculée de manière que son noyau soit satu- ré, quand la' tension du condensateur synchrone est normale; la résis- tance 19 estcalculée de telle sorte que le courant qu'elle laisse pas- ser dans l'eroulement élévateur 135 à la tension normale du conden- sateur synchrone, provoque dans cet enroulement un nombre d'ampères- tours numériquement légèrement inférieur aux ampères-tours de l'enrou- lement abaisseur 120 Si ces deux enroulements 12 et 13 ont le même nom- bre de spires, leurs courants seront directement proportionnels à leurs ampères-tours, et ceci est évidemment le dispositif le plus simple.
Ce rapport est représenté graphiquement figure 3, dans laquelle on a re- présenté la tension aux bornes du condensateur synchrone en ordonnées, et les courants d'excitation de contrôle en abcisses. On a représenté l'horizontale N correspondant à la tension normale aux bornes du con- densateur. La courbe, qui correspond dans sa forme à la courbe de sa- turation du fer, représente le rapport non linéaire entre le courant dans l'enroulement abaisseur 12 et la tension aux bornes du condensa- teur.-
La ligne droite représente le rapport linéaire entre le courant dans l'enroulement élévateur 13 et la tension du condensateur.
Le point où cesldeux lignes se coupent correspond par conséquent à l'ex- citation zéro de contrôle du générateur 6, et par conséquent à. une tension nulle produite par cette machine. -
En conséquence, l'excitatrice 4, qui est une machine shunt, aurait tendance à accélérer sa rotation jusqu'à obtention de sa tension ma- xima, qui serait la tension pour laquelle sa propre courbe de satura- tion couperait la courbe de la résistance de son circuit d'excitation.
Cette tension est évidemment une tension beaucoup trop élevée de l'ex- citatrice, pour une tension normale du condensateur synchrone,et,c'est pourquoi cette tension normale, dans la figure 3, correspond à un point
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qui est légèrement au-desus de l'intersection des deux lignes, de telle sorte que les ampères-tours de l'enroulement abaisseur sont plus grands que les ampères-tours de l'enroulement élévateur, de tel- le sorte que le générateur 6 a une tension dévoltrice par rapport à celle de l'excitatrice 4.-
On voit d'après la figure 3 que le point sur la courbe de satu- ration, correspondant à la tension normale du condensateur synchrone, est situé sur la partie plate de la courbe qui est presque horizonta- le, de telle sorte que de très petites variations de la tension du condensateur synchrone,
au-dessus et au-dessous de sa valeur normale, provoquent de très grandes variations de courant dans l'enroulement a- bai¯sseur 12,cette variation étant une augmentation de courant pour une augmentation de tension et une diminution de courant pour une diminu- tion de tension. Toutefois, le courant dans l'enroulement élévateur 13 est directement proportionnel à la tension du condensateur, Par conséquent, la tension dévoltrice du générateur 6 augmente rapidement si la tension aux bornes du condensateur s'élève au-dessus de sa va- leur normale, et elle diminue rapidement si la tension aux bornes du condensateur s'abaisse au-dessous de la normale, jusqu'à ce qu'au point de l'intersection des deux courbes, l'excitation résultante, et par conséquent la tension produite par le générateur 6, devienne égale à zéro.
Si la tension du condensateur synchrone diminue encore, la po- larité du générateur 6 se renverse, et il fonctionne en survolteur au lieu de fonctionner en dévolteur.
L'action du survolteur-dévolteur 6 sur la tension de l'excitatri- ce 4 est représentée sur la figure 4, dans laquelle on a représenté la tension en ordos, et le courant d'excitation de l'excitatrice en abcisses. La ligne incurvée représente la caractéristique d'aimenta- tion de l'excitatrice, et elle a la même forne générale que la courbe de saturation de la réactance 18 (figure 3).- La ligne droite représen- te la résistance du circuit d'excitation de l'excitatrice, c'est-à- dire qu'elle représente la chute de tension dans la résistance du cir- cuit d'excitation de l'excitatrice, (ce circuit comprenant la résis-
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-tance du survolteur dévolteur 6) suivant les variations de courant qui se produisent dans cette résistance .
L'intersection de ces deux lignes correspond à la tension normale maximum de l'excitatrice, 'est-' à-dire à la tension pour laquelle l'excitatrice est essentiellement stable, et vers laquelle elle tend naturellement, si elle n'en est pas empêchée par des moyens extérieurs.
On a représenté par N l'horizontale correspondant à la tension normale ; on a représenté entre les deux flèches, en G, la gamme de fonctionnement du système; les flèches f1 et f2 correspondent à l'ac- tion survoltrice du générateur 6, la flèche f3 correspondant à son ac- tion dévoltrice. Par conséquent, pour toute tension située en-dessous du point d'intersection des deux courbes, la tension produite par l'excitatrice excède la chute de tension dans son circuit d'excita- tion, de telle sorte que son courant d'excitation tend à augmenter, ce qui augmente encore la tension, et cette action, une fois commencée par le magnétisme résiduel de la machine, continue jusqu'à ce que l'on at- teigne ledit point d'intersection.
Au-delà de ce point, la tension né- cessaire pour faire passer le courant à travers la résistance du cir- cuit d'excitation est supérieure à celle que produit le générateur 6.
En d'autres fermes, pour toute augmentation du courant au-delà du cou- rant correspondant à ce point d'intersection, l'augmentation de la chute de tension dans la résistance est plus grande que l'augmentation de la tension aux bornes, detelle sorte, bien entendu, que la tension ne peut pas s'élever au-delà de celle correspondant à ce point d'in- tersection.-',
La tension normale de l'excitatrice qui correspond à la tension normale du condensateur synchrone est représentée, figure 4 (N), comme se trouvant au coude de la courbe de saturation de l'excitatrice, à . l'endroit où sa pente varie rapidement, et ce point est situé entre l'origine et le point d'intersection des deux courbes.
La flèche f3 dirigée vers:le bas, et comprise entre le point de la courbe de ten- sion de l'excitatrice correspondant à la tension normale et la courbe de résistance, pour la valeur du courant d'excitation qui fournit cette
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tension normale, représente la valeur de la tension dévoltrice de la machine 6, nécessaire pour que le fonctionnement reste stable en ce point.-
En comparant les figures 3 et 4, il s'en suit quo si la tension du condensateur synchrone descend en-dessous de la tension nor@ale, la ten- sion dévoltrice du générateur 6 diminue, ce quipermet à la tension de l'excitatrico de monter.
Ceci augmente l'excitation du condensateur synchrone, le fait travailler avec surexcitation et lui fait absorber un plus grand courant déwatté en avance, et ce courant, en traver- sant la réactance de la ligne d'alimentation du condensateur, provo- que une élévation de tension à ses bornes.
Si cette tension descend jusqu'au point d'intersoction de la figure 3, la tension aux bornes de la machine 6 devient nulle et la tension de l'excitatrice augmente jus- qu'à sa valeur normale maxima, correspondant au point d'intersection des courbes de la figure 4. Si la tension aux bornes du condensateur continue encore à baisser, la polarité de la machine 6 s'inverse et celle-ci devient survoltrice, cornue représenté par la flèche f2 de la figure 4, au-delà du point d'intersection descourbes. Ilest donc pos- sible d'obtenir une tension aux bornes de l'excitatrice au-delà de la valeur maxima normale, par suite de Inaction survoltrice de la machine
6.
Cette tension survoltrice, comme expliqué plus haut, représente la quantité auxiliaire de tension, au-dessus de celle de l'excitatrice, qui est nécessaire pour faire passer la quantité voulue de courant d'ex- citation travers la résistance de ce circuit d'excitation -
Si, au contraire, la tension du condensateur synchrone augmente au-dessus de la valeur normale, l'action dévoltrice de la machine 6 augmente, ce qui abaisse la tension de l'excitatrice, et diminue par conséquent l'excitation du condensateur; ce dernier fonctionne donc sous-excité et absorbe un courant déwatté en retard, sur la ligne, de manière à abaisser la tension aux bornes du condensateur.
Cette action se poursuit et la tension dévoltrice continue à augmenter jusque une ,valeur de la tension et du courant d'excitation correspondant approxima- tivement à la ligne verticale en traits interrompus, entre les. deux courbes de la figure 4. Elle représente la valeur maxima de'la tension
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dévoltrice. Au-delà de ce point, et vers les valeurs inférieures de la tension de l'excitatrice, la tension dévoltrice diminue, car la ten- sion de l'excitatrice décroit plus rapidement que la chute de tension dans la résistance de l'excitation.
Le fonctionnement normal du régulateur est excessivement rapide, parce que de très petites valeurs absolues de l'excitation de contrôle de la machine 6, dans l'une ou l'autre direction font produire à la machine sa valeur maxima de tension, de telle sorte que l'action du régulateur est'presque une action dynamique, par laquelle la valeur de la tension et du courant, maintenue par le régulateur, varie excessi- vement rapidement, et de quantités extrêmement petites, au-dessus et en-dessous de la valeur désirée. En d'autres termes, le régulateur est toujours équilibré, de manière à agir presque instantanément pour empê- cher tout éc'art à partir des valeurs désirées.
Si la tension du condensateur reste toujours au-dessus de la nor- male, la tension de l'excitatrice peut être abaissée à zéro, auquel point la tension dévoltrice de la machine 6 sera également nulle, ce qui est bien correct, puisqu'il n'y a plus pour elle de tension à a- baisser. Ce qui précède n'est pas tout-à-fait vrai, car la tension ré- siduelle de l'excitatrice doit être réduite à zéro avant que la tension de l'excitatrice puisse tomber à zéro, et par conséquent, il est néces- saire de fournir un peu de courant d'excitation négative, ce courant étant bien entendu produit par la tension dévoltrice de la machine 6.
Toutefois, la combinaison de la tension dévoltrice de la machine 6 et d'une tension nulle de l'excitatrice 4, renverse la polarité de la ma- chine 4, de,telle sorte que ces deux polarités seront de même sens. Ceci tend à, augmenter très rapidement l'excitation négative du condensateur synchrone, mais, dès que la tension du condensateur tend à tomber en- dessous de la valeur normale, par suite des quantités croissantes de courant déwatté en arrière que le condensateur absorbe, la polarité de la machine 6 est inversée, de telle sorte qu'elle devient survoltrice dans le sens de la polarité initiale, et, par conséquent, la machine 6 dévolte réellement la tension négative de l'excitatrice, de telle sorte
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qu'on obtient un fonticnnement stable, même pour des valeurs négatives de l'excitation.
La raison pour laquelle le condensateur synchrone peut continuer à fonctionner avec une excitation négative, est que son couple synchroni- sant est la résultante de deux couples, dont l'un provient de sa rélue- tance et dont l'autre est proportionnel à son excitation.Le couple du à la réluctance TR est proportionnel au carré e2 de la tension du con- densateur, à la différence entre les composantes directes et en quadra- ture de la réactance synchrone de la machine (Xd et Xq )respectivement) et au sinus du double de l'angle de décalage de son rotor (Sin 2#) On a donc la relation
EMI12.1
TE ': e2 (Xd - Xq) Sin2A 2 ]Cd ¯
Les réactances directe et en quadrature sont inversement proportionnelles à la réluctance des circuits magnétiques du rotor, le long de ses axes direct eten quadrature.
Par axe direct, on entend l'axe qui passe par les pales saillants du rotor. C'est ainsi, (figure 5) que, si l'induit produit des pôles magnétiques qui coïncident avec les axes des p8îes du rotor, comme indiqua par exemple par les pôles N, S, et N, le flux pas- sant d'un pôle Nord à un pôle Sud traverse un entrefer, un pôle saillant, le corps du rotor principal, le pôle saillant suivant, et son entrefer, pour retourner vers le stator. Ceci est le circuit de réluctance corres- pondant à la réactance synchrone directe Xd de la machine. La distance entre pôles voisins du stator est de 180 degrés électriques.
En supposant que les pôles du stator avancent de 90 électriques, en sens inverse des aiguilles d'une montre par rapport aux pôles du rotor, ces pôles seront maintenant situés entre N',S' et N'.Ceci revient à avoir déplacé le rotor de 90 électriques en ar rière sans avoir déplacé les pôles du sta- tor. La réluctance du circuit magnétique entre pôles adjacents du stator est naintenant sensiblement plus élevée, car elle a un plusgrand trjet dans l'air, ce trajet partant de N', pour traverser un plus grand entre- fer d'air, puis les épanouissements polaires des pôles saillants, pour revenir en S' en traversant un plus grand espace d'air, le circuit se
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fermant par le stator.
Ceci est le circuit de réluctance correspondant , à laréactance synchrone Xq en quadrature et, comme cette réluctance est plus élevée que la réluctance directe, la réactance directe. est plus élevée que la réactance en quadrature, aile-ci étant en général d'environ 60% delà réactance directe. Pendant le fonctionnement réel, les p8les du rotor et du stator sont dans une position quelconque en- tre les deux positions extrêmes, de coïncidence ou de quadrature, de telle sorteque le courant dans l'induit est déterminé à la fois par les réactances directe et en quadrature.
Le couple' dû à la réluctance, dans une machine donnée fonctionnant à une tension donnée, est représenté figure 6 par la courbe 'sinusoïdale
A. Les ordonnées de cette courbe sont lé couple C et ses abcisses re- présentent l'angle relatif du rotor. Comme on le voit, le couple s'élè- ve jusqu'à un maximum pour 'Il' et s'annule pour #/2, puis s'inverse et effectue deux cycles complets en 3600 C électriques (2#). Le cou- ple dû à l'excitation de la machine TF est égal à la tension aux bor- nes e, multipliée par le courant d'excitation If, multiplié par le si- nus de l'angle de déplacement du rotor, et divisé par la réactance di- recte Xd.
Ce couple est représenté par une autre courbe sinusoïdale en
B, figure 6,'de fréquence moitié de celle du couple dû à la réluctance.
Le couple synchronisant normal de la machine, est par conséquent la som- me de ces deux couples, et cette résultante est également représentée figure 6, en D. Lorsque l'excitation de la machine devient négative,son couple dû à l'excitation s'inverse et est représenté par la courbe E.
Le couple synchronisant résultant, avec excitation négative, est encore la somme des deux couples correspondants, et cette résultante est re- présentée figure 6, suivant la courbe F. La ligne horizontale H en traits interrompus, légèrement au-dessus de l'origine, représente le couple mécanique de la machine et le point où ce couple horizontal cou- pe les courbes de couple résultant, indique l'angle relatif du rotor avec lequel la machine fonctionne.
Dans le cas d'une excitation positi- ve normale, l'angle est très petit, car la machine a un couple synchro- nisant maximum beaucoup plus élevé. que le couple mécanique sur l'arbre.-
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-Toutefois, lorsque l'excitation négative augmente, la valeur maxima du couple résultant, dans ces conditions, diminue, de telle, sorte qu'on atteint un point, comme représenté sur le dessin, pour lequel le couple maximum est, dans ces conditions, inférieur au couple sur l'arbre de la machine, ce qui entraîne la machine à gliss,er d'un pôle. C'est le point limite de fonctionnement avec excitation négative.
Pour éviter que la machine glisse d'un pôle, à la suite d'une ex- citation trop négative, la résistance 22 est calculée de telle sorte qu'aussitôt que, soit la tension de l'excitation négative (figure 1), soit le courant d'excitation négative (figure 2), atteignent leur limi- te de sécurité, la résistance de 22 décroisse rapidement, pour permet- tre à des quantités rapidement croissantes de courant detraverser l'en- roulement 20 contrôlant la limitation de l'excitation négative. La po- larité de cet enroulement est telle qu'elle augmente la tension du gé- nérateur 6, dans son sens initialement survolteur, c'est-à-dire dans le sens dans lequel il agit alors quoique, bien entendu, il s'agisse d'une tension dévoltrice par rapport à la polarité négative de l'excitatrice.
Il en résulte que le régulateur est effectivement protégé contre l'aug- mentation de l'excitation négative au-dessus d'une limite prédéterminée-
Cette action est représentée figure 7, en se référant à certaines courbes,dites en V, du condensateur synchrone. Ces courbes négligent ,la saturation et sont représentées sous forme de lignes droites; elles négligent également les pertes, de telle sorte qu'elles arrivant à un courant nul de l'induit pour des valeurs normales de l'excitation. Pour des excitations supérieures à la normale, lc courant;, d'induit', est en avance, et pour des excitations en-dessous de la nor@ale, le courant d'induit est en retard, comme indiqué sur cette figure.
On a porté en ordonnées le courant dans l'induit du condensateur synchrone et en abscisses le courant d'excitation de ce condensateur. On a représenté trois courbes, l'une pour la tension normale n, l'autre pour une tension n1 supérieure, par exemple de 10%, à la tension normale et une troisiè- me courbe n2 correspondant à une tension inférieure, par exemple de la%,
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à la tension normale. Si on considère la courbe n correspondant à la tension normale, on va supporter que le point 25 est la valeur limite de.'excitation négative, au-delà de laquelle la machine décroche.
Ce- ci correspond à une valeur de courant en retard représentée par le point 26, qui est sensiblement plus élevé que la valeur du courant en retard pour l'excitation zéro, à cette même tension, comme représenté par le point' 27. Aven une excitation négative au-delà du point 25, la machine glisse d'un pale, comme expliqué à propos de la figure 6.
!
Si la machine glisse d'un pôle, il se produit un renversement ef- fectif de 1'.'excitation, car, comme on le voit figure 6, au-delà de l'an- gle 7T correspondant à 180 électriques, la courbe du couple résultant, avec excitation négative, coupe la ligne du couple mécanique sur l'ar- bre, au point 28, correspondant à un très petit angle au-delà de # et le fonctionnement sera stable, car l'excitation négative coopère main- tenant avec le couple dû à la réluctance. Ceci reviendrait, figure 7, à descendre sur la courbe en V jusqu'au point 29, mais comme la limita- tion du courant empêcherait l'excitation négative d'augmenter davanta- ge, le système se fixerait en ce point 29, qui est un point parfaite- ment stable, et n'entraînerait .pas la production de courants trop éle- vés ou d'autres Effets nuisibles.
La valeur du courant d'excitation au point 29 est la même qu'au point 25.
Toutefois, il pourrait arriver un moment où les conditions dans le circuit principal seraient telles que la tension du condensateur ten- drait à s'abaisser, au lieu de s'élever. Le régulateur automatique agi- rait alors pour réduire l'excitation négative. Cependant, comme la ma- chine a déjà glissé d'un pôle, le régulateur agirait dans le mauvais sens, de telle sorte que l'angle de couple de la machine augmenterait, que le couple résultant diminuerait et que le courant d'induit augmen- terait en décalage arrière, au lieu de diminuer, dans ce sens de déca- lage en arrière.
En conséquence, l'action se continuerait en remontant sur la courba en V, à partir du point 29, jusqu'à ce qu'une limite de stabilité soit atteinte au point où cette courbe en V coupe la courbe .
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limite du courant d'excitation, point dont les co-ordonnées sont 25 et 26.
Un peu au-delà de ce point, la machine glisserait encore d'un pô- le,rétablissant ainsi les diverses polarités à leur état initial. L'ex- citation serait maintenant positive et le courant descendrait brusque- ment de nouveau jusqu'au point 29, et de 12, jusqu'à. sa valeur minima, puis augmenterait comme courant déwatté en avance, jusqu'à ce que la tendance de baisse de la tension du condensateur soit arrêtée, et en fait, jusqu'à ce que la tension du condensateur soit revenue presque exactement à la valeur désirée, telle que déterminée par le réglage du régulateur.
On voit donc que le système peut rattraper lui-même son con- trôle et il ne reste pas indéfiniment au point 29 quand il a glissé d'un pôle. pratiquement, on doit ajuster une limite fixe ou arbitraire du courant, pour éviter à la machina de décrocher., pour la tension de fene- tionnement la plus basse qui puisse se produire.
On a représenté une telle limite du courant par la ligne verticale en tcaits interrompus de la figure 7, qui fixe pratiquement la limite du courant d'excita- tion négative au point 25'',$ correspondant à un courant en arrière de l'induit représenté pa= la référence 30. Bien que ce coint soit supé- rieur au point 31, correspondant à la valeur maxima du courant en re- tard, pour une excitation nulle et une tension basse, il limite néan- moins le courant de l'armature pour l'excitation dégative maximum, pour la tension normale,au point 32, au lieu du point 26, et il limite le courant en arrière da l'induit,
pour unetension élevée, au point 33 au lieu du point 34.
La Sociale demanderesse a trouvé que le courant limite d'excita- tion négative est une fonction linéaire de la tension aux bornes, pour une machine donnée, selon la relation
Xq Ainsi pour une tension aux bornes nulle, la limite d'excitation néga-
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--tive serait zéro. Dans une machine déterminée
Xd - Xa
Xq est egal à deux tiers, ou 0,67, de telle sorte que la limite du cou- rant d'excitation négative est directement proportionnelle à la ten- sion aux bornes, mais a une valeur d'environ 50% de l'excitation norma- le à cette tension, afin de tenir compté des pertes dues à la'rotation.
Cette limite d'excitation négative est représentée par la ligne droite inclinée J, figure 7.
L'obtention automatique d'une telle limite d'excitation négative, suivant la tnsion, est obtenue au moyen de la résistance 23 et du re- dresseur 24 (figure 1), qui produisent dans le circuit de limitation du courant une tension proportionnelle à la tension aux bornes, et qui s'oppose à la tension d'excitation négative de-l'excitatrice. En con- séquence, la tension de la résistance 23 représente le seuil, que la tension de l'excitatrice doit franchir, pour qu'entrent en action les dispositifs de limitation de l'excitation négative.
Il en résulte que la quantité de courant d'induit en retard qui .peut être fournie par la machine, sous tension normale, augmente depuis le point 32 jusqu'au point 26 et, en cas de tension élevée aux bornes, depuis le point 33 jusqu'au point 35. Par conséquent, le contrôle, par la tension, de la limite du courant, permet d'obtenir d'une machine don- née des augmentations importantes de courant déwatté en arrière, sous toutes les conditions de tension de fonctionnement, au-dessus de la tension pour laquelle on a déterminé à l'avance une limitation pour le courant d'excitation négative.
La caractéristique de cette limitation d'excitation négative et la variation de cette limite avec la tension aux bornes, sont bien entendu indépendantes de tout type particulier du système de contrôle de l'exci- tation, à condition seulement qu'un tel système de contrôle puisse pro- duire'des valeurs suffisamment élevées d'excitation négative pour cau- ser une perte de synchronisme, et par conséquent, il doit être bien en- tendu que l'invention n'est pas limitée à des générateurs survolteurs-
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dé.volteurs ou à des systèmes excitateurs à réaction d'induit compensée, et que l'on peut aussi bien employer tout autre contrôle approprié, d'ex- citation pouvant fournir une excitation négative.
Comme le condensateur synchrone 1 peut être une machine standard à pales saillants, et comme l'excitatrice 4 peut être une excitatrice standard ayant un circuit d'excitation habituel, et cornue le survolteur- dévolteur 6 ne fournit normalement qu'une fraction de l'excitation de l'excitatrice, en vue de maintenir constante la tension aux bornes du condensateur synchrone, l'ensemble du système est relativement bon mar- ché et il est en temps possible d'obtenir, d'une manière parfaite- ment stable, la quantité maxima possible de puissance réactive en arriè- re du condensateur, sans lui faire perdra le synchronisme.
En d'autres termes, au moyen d'un équipement de contrôle relativement peu coûteux et composé d'éléments standard, le même condensateur synchrone peut être amené à fournir, d'une faqon particulièrement stable, et sans danger;50 à 60% de puissance réactive en arrière,en plus, que celle qui aurait été obtenue avec un système classique de contrôle du condensateur synchrone.
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PERFECTED ELECTRICAL CONTROL SYSTEM *
The subject of the present invention is a control system, and more particularly a new improved control system for dynamo-electric machines. Among the known types of dynamos, the synchronous capacitor is that to which the invention applies more particularly. -
A synchronous capacitor is a synchronous motor that operates by providing little or no mechanical power. By definition, when it is normally excited for a particular voltage and load, it operates with the unity power factor, that is
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- Say that it absorbs the minimum current on the supply line.
Overexcitation, that is, more than normal excitation, can be caused by lowering the voltage at the terminals, without actually increasing the excitation current, or by increasing the excitation current without changing the voltage at the terminals. Under these conditions, the synchronous capacitor absorbs, on the supply line, dewatted current shifts forward * Similarly, under-excitation, i.e. less than normal excitation, may be caused by increasing the voltage at the terminals without actually lowering the excitation current, or by lowering the excitation current without changing the voltage at the terminals. The synchronous conductor then absorbs dewatted current shifted backwards.
When such a machine is provided with an automatic voltage regulator, it is often used to regulate the voltage of an alternating current power line. Thus, if the line voltage increases beyond that corresponding to the setting of the automatic regulator, which generally corresponds to the normal voltage of the synchronous capacitor, the regulator decreases the excitation of the capacitor, which causes it to absorb on the line a greater quantity of backwatted current, and this lagging current, passing through the reactance of the line, lowers its voltage.
Conversely, a decrease in the line voltage causes, on the part of the regulator, an increase in the excitation of the capacitor, so that forward-wattage current is absorbed on the line, which raises the voltage-
Usually, the zero excitation corresponds to the limit amount of back reactive power absorbed by the machine, but a normal machine is calculated such that the value of the lagging current, for the zero excitation, is is substantially less (usually 40-50%) than the normal full load current of the machine, so that substantially greater amounts of forward reactive energy can be supplied by the machine when it is over-excited .
The Applicant Company has found, however, that salient pole rotor synchronous capacitors have an im-.
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. - bearing, so that the excitation can be even reversed, or made negative, without the capacitor leaving synchronism, and she found that by means of such negative excitation, an ordinary synchronous capacitor with salient poles is able to absorb 50 to 67% more lagging reactive energy, compared to this same energy corresponding to the zero excitation. By negative excitation is meant: reverse or negative excitation current, but not reverse or negative excitation flux or rotor flux.
When a synchronous capacitor operates with a lagging current, its armature reaction is in the same direction as its positive excitation magnetomotive force, and, therefore, a negative excitation decreases the reaction magnetomotive force d 'induced.
The Applicant Company has also found that the amount of negative excitation, which can be used up to stall, depends on the magnitude of the voltage at the terminals. The higher this voltage, the greater the synchronizing torque which keeps the salient-pole synchronous capacitor in synchronism, and, therefore, the greater the negative excitation of the capacitor can be.
In accordance with the present invention, a new, simple automatic control system is provided for synchronous capacitors, whereby the capacitor operates with negative excitation; this improved system also automatically limits the negative excitation, so as to allow operation with the maximum reactive power behind schedule, compatible with stability.
Further, in one of its preferred forms, the invention provides means for varying the setting of the negative excitation limit, according to the voltage across the capacitor, so that the greatest possible lagging negative energy, with stability and under varying terminal voltage conditions.
This last characteristic is important if we remember that it is the lagging reactive energy absorbed by the capacitor which tends to lower the voltage of the system and which consequently, more
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this voltage is high, the more one can obtain from the capacitor a high reactive energy backwards, without causing it to lose synchronism.
-
The invention will moreover be clearly understood by referring to the following description and to the drawings which accompany it, given merely by way of non-limiting example, and in which: FIG. 1 represents the diagram of a realization of the invention; FIG. 2 is a partial view of a variant of the invention; Figures 3 to. 7 are diagrams and curves making it possible to understand the operation of the control system, object of the invention.
Referring to Figure 1, it can be seen that the invention is applied to a three-phase synchronous capacitor 1, which has a rotor 2, with salient poles, with an excitation winding 3, supplied by an exciter 4. That - this is, for example, a usual shunt generator, with 5 excitation winding.
The voltage of the exciter 4 can be controlled in any suitable manner, such as for example by means of a generator 6, booster-step-down, with compensated armature reaction. This generator has a collector provided with two main brushes 7 and 8, and two brushes 9 and 10 in quadrature, and connected in short circuit by a conductor 11. To check the voltage at the balances 7 and 8, the machine 6 is provided with two excitation windings 12 and 13 acting in the opposite direction, winding 12 causing a drop in voltage, and winding 13 causing an increase in voltage, the voltage in both cases being that of the main synchronous capacitor.
These windings are on. the same axis as the main beams 7 and 8, and they produce. a tension between the quadrature balances 9 and 10; Due to the low resistance of the conductor 11, this voltage causes a very high current to pass through the armature, thus producing a transverse reaction flux ich induced / which produces the main excitation of the machine, as well as the voltage. output between main brushes 7 and 8.-
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To compensate in the generator 6, the armature reaction caused by the current flowing through the brushes 7 and 8, a compensating winding 14 is placed on the axis of the brushes 7 and 8. The two windings d ' excitation 12 and 13 are supplied by the voltage across capacitor 1.
As can be seen, they are connected to the secondary of a transformer 15, via their respective rectifier, 16 and 17. A nonlinear impedance, consisting of a reactance coil. iron core 18, is connected in the supply circuit of the rectifier 16, intended for the voltage-reducing winding 12, and a linear impedance, constituted by an ordinary resistor 19, is connected in the circuit of. power supply for rectifier 17, intended for winding 13, voltage booster.
To limit the amount of negative excitation that the automatic voltage regulator device can produce, generator 6 is provided with a third excitation winding 20, on the axis of the main brushes 7,8.
This winding is connected so as to be sensitive to the negative excitation of the capacitor; by way of example, it has been shown as being connected to the terminals of the winding 3, or to the terminals of the exciter 4, passing through an electric valve, or by a conductor with dysymmetric conductivity 21. This device
21 is connected in such a way that it prevents current from flowing through winding 20 when the excitation of the capacitor is positive, i.e. when the exciter 4 has the polarity shown in figure 1.
In order for the current in the winding 20 to build up rapidly as the negative excitation voltage increases, a non-linear impedance 22 is connected in series, which may be a resistor of a ceramic nature. This material has a characteristic defined by the equation RIa = C, in which R is its resistance, I the current flowing through it, has an exponent and C a constant whose value depends on the mechanical dimensions of the resistance. . ' This characteristic is such that the resistance decreases very quickly as the current increases.
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To adjust the negative excitation limit according to the terminal voltage, a resistor 23 is interposed in the circuit of the winding 20, so that a unidirectional current., Proportional to the voltage at the terminals of the capacitor synchronous 1; flows through this resistor 23, due to the presence of a rectifier 24 connected to the terminals of transformer 15.
In this way, the voltage across resistor 23 is proportional to the voltage across the capacitor, and rectifier 24 is connected so that the polarity of this voltage opposes the flow of current through valve 21, in the sense that it conducts the current.
The drive devices of the exciter 4 and of the generator 6 have not been shown, since they can be any one, for example retort separate motors, or a common motor, or even the synchronous capacitor itself. .-
Of course, the voltage regulator system will be equipped, as usual, with all known appropriate devices for frequency co @ thinking, temperature compensation,
line voltage drop compensation, anti-pumping device, and devices sensitive to polyphase components as required. All of these well-known regulator accessories do not fall within the scope of the invention and do not fall within the scope of the invention. have not been described.
Since the negative excitation limiting circuit is sensitive to the negative excitation voltage, rather than the negative excitation current, it tends to operate before the current in the excitation winding 3 reaches a dangerous high negative value.
This feature may sometimes be desirable, but if it is not, the negative excitation limiting circuit may. be made sensitive to the excitation current, according to the variant of FIG. 2, in which the operation of the circuit is obtained from the voltage drop in a resistor in series 25. The voltage at the terminals of this resistor is proportional to the excitation current and, therefore, the negative excitation limiting circuit
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- does not begin to act, as long as the negative excitation current has not reached the value to which it must be limited.
The operation of the device shown is as follows:
Reactance 18 is calculated so that its core is saturated, when the voltage of the synchronous capacitor is normal; the resistor 19 is calculated such that the current which it allows to pass in the step-up winding 135 at the normal voltage of the synchronous capacitor causes in this winding a number of ampere-turns numerically slightly lower than Step-down winding 120 ampere-turns If these two windings 12 and 13 have the same number of turns, their currents will be directly proportional to their ampere-turns, and this is obviously the simplest device.
This ratio is represented graphically in FIG. 3, in which the voltage at the terminals of the synchronous capacitor has been represented on the ordinate, and the control excitation currents on the abscissa. The horizontal N corresponding to the normal voltage at the terminals of the capacitor has been shown. The curve, which in form corresponds to the saturation curve of iron, represents the non-linear relationship between the current in the step-down winding 12 and the voltage across the capacitor.
The straight line represents the linear relationship between the current in the step-up winding 13 and the voltage of the capacitor.
The point where these two lines intersect therefore corresponds to the zero control excitation of generator 6, and therefore to. zero voltage produced by this machine. -
Consequently, the exciter 4, which is a shunt machine, would tend to accelerate its rotation until it obtains its maximum voltage, which would be the voltage for which its own saturation curve would intersect the resistance curve. of its excitation circuit.
This voltage is obviously a voltage much too high of the exciter, for a normal voltage of the synchronous capacitor, and, this is why this normal voltage, in figure 3, corresponds to a point
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which is slightly above the intersection of the two lines, so that the ampere-turns of the step-down winding are greater than the ampere-turns of the step-up winding, so that generator 6 has a devolving voltage compared to that of the exciter 4.-
It can be seen from figure 3 that the point on the saturation curve, corresponding to the normal voltage of the synchronous capacitor, is located on the flat part of the curve which is almost horizontal, so that very small variations in the voltage of the synchronous capacitor,
above and below its normal value cause very large variations in current in the bottom winding 12, this variation being an increase in current for an increase in voltage and a decrease in current for a decrease. - voltage tion. However, the current in the step-up winding 13 is directly proportional to the voltage of the capacitor. Therefore, the step-down voltage of the generator 6 increases rapidly if the voltage across the capacitor rises above its normal value, and it decreases rapidly if the voltage across the capacitor drops below normal, until at the point of the intersection of the two curves, the resulting excitation, and consequently the voltage produced by the generator 6, becomes equal to zero.
If the voltage of the synchronous capacitor decreases further, the polarity of generator 6 is reversed, and it operates as a booster instead of operating as a buck.
The action of the booster-step-down 6 on the voltage of the exciter 4 is represented in FIG. 4, in which the voltage is represented in ordos, and the excitation current of the exciter in abscissa. The curved line represents the power characteristic of the exciter, and it has the same general shape as the saturation curve of reactance 18 (figure 3) .- The straight line represents the resistance of the circuit. excitation of the exciter, that is to say it represents the voltage drop in the resistance of the excitation circuit of the exciter, (this circuit comprising the resistor
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-tance of the step-down booster 6) according to the current variations which occur in this resistance.
The intersection of these two lines corresponds to the maximum normal tension of the exciter, 'est-' that is to say to the tension for which the exciter is essentially stable, and towards which it tends naturally, if it is not not prevented by external means.
The horizontal corresponding to the normal voltage is represented by N; between the two arrows, in G, the operating range of the system has been shown; the arrows f1 and f2 correspond to the step-up action of generator 6, the arrow f3 corresponding to its step-up action. Therefore, for any voltage below the point of intersection of the two curves, the voltage produced by the exciter exceeds the voltage drop in its excitation circuit, so that its excitation current tends to increase, which further increases the tension, and this action, once started by the residual magnetism of the machine, continues until the said point of intersection is reached.
Beyond this point, the voltage required to pass the current through the resistance of the excitation circuit is greater than that produced by generator 6.
In other words, for any increase in current beyond the current corresponding to this point of intersection, the increase in voltage drop across the resistor is greater than the increase in terminal voltage, so, of course, that the tension cannot rise beyond that corresponding to this point of intersection.
The normal voltage of the exciter which corresponds to the normal voltage of the synchronous capacitor is shown, figure 4 (N), as lying at the bend of the saturation curve of the exciter, at. the place where its slope varies rapidly, and this point is located between the origin and the point of intersection of the two curves.
The arrow f3 directed towards: the bottom, and included between the point of the voltage curve of the exciter corresponding to the normal voltage and the resistance curve, for the value of the excitation current which provides this
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normal voltage, represents the value of the step-down voltage of machine 6, necessary for operation to remain stable at this point.
By comparing figures 3 and 4, it follows that if the voltage of the synchronous capacitor falls below the normal voltage, the voltage of the generator 6 decreases, which allows the voltage of the excitatrico to go up.
This increases the excitation of the synchronous capacitor, causes it to work with overexcitation and causes it to absorb a greater dewatted current in advance, and this current, crossing the reactance of the supply line of the capacitor, causes a rise. voltage across its terminals.
If this voltage goes down to the point of intersoction of figure 3, the voltage at the terminals of machine 6 becomes zero and the voltage of the exciter increases to its maximum normal value, corresponding to the point of intersection curves in figure 4. If the voltage at the terminals of the capacitor continues to drop, the polarity of machine 6 is reversed and it becomes booster, retort represented by arrow f2 in figure 4, beyond the point of intersection of curves. It is therefore possible to obtain a voltage at the terminals of the exciter beyond the normal maximum value, as a result of the boosting inaction of the machine.
6.
This booster voltage, as explained above, represents the auxiliary amount of voltage, above that of the exciter, which is required to pass the desired amount of excitation current through the resistance of this circuit. excitement -
If, on the contrary, the voltage of the synchronous capacitor increases above the normal value, the devolving action of the machine 6 increases, which lowers the voltage of the exciter, and consequently decreases the excitation of the capacitor; the latter therefore operates underexcited and absorbs a lagging dewatted current on the line, so as to lower the voltage across the capacitor.
This action continues and the step-down voltage continues to increase up to a value of the voltage and of the excitation current corresponding approximately to the vertical line in broken lines between them. two curves of figure 4. It represents the maximum value of the tension
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devolving. Beyond this point, and towards the lower values of the exciter voltage, the devolving voltage decreases, because the exciter voltage decreases more rapidly than the voltage drop in the resistance of the excitation.
The normal operation of the regulator is excessively fast, because very small absolute values of the control excitation of the machine 6, in either direction cause the machine to produce its maximum voltage value, so that the action of the regulator is almost a dynamic action, by which the value of voltage and current, maintained by the regulator, varies excessively rapidly, and in extremely small quantities, above and below the desired value. In other words, the regulator is always balanced, so that it acts almost instantaneously to prevent any deviation from the desired values.
If the voltage of the capacitor always remains above normal, the voltage of the exciter can be lowered to zero, at which point the step-down voltage of machine 6 will also be zero, which is quite correct, since There is no longer any tension for her to lower. The above is not entirely true, as the residual voltage of the exciter must be reduced to zero before the voltage of the exciter can drop to zero, and therefore it is necessary to It is necessary to supply a little negative excitation current, this current being of course produced by the step-down voltage of the machine 6.
However, the combination of the devolving voltage of the machine 6 and a zero voltage of the exciter 4 reverses the polarity of the machine 4, so that these two polarities will be in the same direction. This tends to increase the negative excitation of the synchronous capacitor very rapidly, but, as soon as the voltage of the capacitor tends to fall below the normal value, as a result of the increasing amounts of back-wattage current which the capacitor absorbs, the polarity of the machine 6 is reversed, so that it becomes step-up in the direction of the initial polarity, and, therefore, the machine 6 actually devolves the negative voltage of the exciter, so
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that one obtains a stable fonticnnement, even for negative values of the excitation.
The reason why the synchronous capacitor can continue to operate with negative excitation is that its synchronizing torque is the result of two couples, one of which comes from its reluctance and the other of which is proportional to its excitation. The torque due to the reluctance TR is proportional to the square e2 of the capacitor voltage, to the difference between the direct and quadrature components of the synchronous reactance of the machine (Xd and Xq) respectively) and to the sine of the double of the offset angle of its rotor (Sin 2 #) We therefore have the relation
EMI12.1
TE ': e2 (Xd - Xq) Sin2A 2] Cd ¯
Forward and quadrature reactances are inversely proportional to the reluctance of the rotor magnetic circuits, along its forward and quadrature axes.
By direct axis is meant the axis which passes through the projecting blades of the rotor. It is thus, (figure 5) that, if the armature produces magnetic poles which coincide with the axes of the poles of the rotor, as indicated for example by the poles N, S, and N, the passing flux of a north pole to a south pole passes through an air gap, a salient pole, the main rotor body, the next salient pole, and its air gap, to return to the stator. This is the reluctance circuit corresponding to the direct synchronous reactance Xd of the machine. The distance between neighboring poles of the stator is 180 electrical degrees.
Assuming that the stator poles advance 90 electric, counterclockwise to the rotor poles, these poles will now be located between N ', S' and N'. This is the same as having moved the rotor of 90 electrics in reverse without having moved the poles of the stator. The reluctance of the magnetic circuit between adjacent poles of the stator is now noticeably higher, because it has a larger path in the air, this path starting from N ', to cross a larger air gap, then the pole shoes salient poles, to return to S 'by crossing a larger air space, the circuit is
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closing by the stator.
This is the corresponding reluctance circuit, to the synchronous reactance Xq in quadrature and, since this reluctance is higher than the direct reluctance, the direct reactance. is higher than the quadrature reactance, which wing is generally about 60% of the forward reactance. During actual operation, the rotor and stator poles are in any position between the two extreme positions, of coincidence or quadrature, so that the current in the armature is determined by both the forward and reverse reactances. in quadrature.
The torque 'due to reluctance, in a given machine operating at a given voltage, is represented in figure 6 by the sinusoidal curve
A. The ordinates of this curve are torque C and its abscissas represent the relative angle of the rotor. As can be seen, the torque rises to a maximum for 'Il' and vanishes for # / 2, then is reversed and performs two complete cycles in 3600 C electric (2 #). The torque due to the excitation of the TF machine is equal to the terminal voltage e, multiplied by the excitation current If, multiplied by the sine of the angle of displacement of the rotor, and divided by the direct reactance Xd.
This couple is represented by another sinusoidal curve in
B, Figure 6, 'of frequency half that of the torque due to reluctance.
The normal synchronizing torque of the machine is consequently the sum of these two torques, and this resultant is also represented in figure 6, in D. When the excitation of the machine becomes negative, its torque due to the excitation s 'inverse and is represented by the curve E.
The resulting synchronizing torque, with negative excitation, is again the sum of the two corresponding torques, and this resultant is represented in figure 6, following curve F. The horizontal line H in broken lines, slightly above the origin, represents the mechanical torque of the machine and the point where this horizontal torque intersects the resulting torque curves, indicates the relative angle of the rotor with which the machine is operating.
In the case of normal positive excitation, the angle is very small, because the machine has a much higher maximum synchronizing torque. than the mechanical torque on the shaft.
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-However, when the negative excitation increases, the maximum value of the resulting torque, under these conditions, decreases, so that a point is reached, as shown in the drawing, for which the maximum torque is, under these conditions , less than the torque on the machine shaft, which causes the machine to slide off one pole. This is the operating limit point with negative excitation.
To prevent the machine from slipping from one pole, following too negative an excitation, the resistance 22 is calculated such that as soon as either the voltage of the negative excitation (figure 1) or the negative excitation current (Figure 2), reach their safe limit, the resistance of 22 decreases rapidly, to allow rapidly increasing amounts of current to flow through the winding 20 controlling the limitation of the current. negative excitement. The polarity of this winding is such that it increases the voltage of the generator 6, in its initially booster direction, that is to say in the direction in which it then acts although, of course, it is. acts of a devolving voltage compared to the negative polarity of the exciter.
As a result, the regulator is effectively protected against increasing negative excitation above a predetermined limit.
This action is represented in FIG. 7, with reference to certain curves, called V, of the synchronous capacitor. These curves neglect, saturation and are shown as straight lines; they also neglect the losses, so that they arrive at a zero current of the armature for normal values of the excitation. For higher than normal excitations, the armature current is ahead, and for below normal excitations, the armature current is late, as shown in this figure.
The current in the armature of the synchronous capacitor is plotted on the ordinate and the excitation current of this capacitor on the abscissa. Three curves have been shown, one for the normal voltage n, the other for a voltage n1 higher, for example by 10%, than the normal voltage and a third curve n2 corresponding to a lower voltage, for example by the%,
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at normal voltage. If we consider the curve n corresponding to the normal voltage, we will support that point 25 is the limit value of negative excitation, beyond which the machine stalls.
This corresponds to a lagging current value represented by point 26, which is significantly higher than the lagging current value for zero excitation, at this same voltage, as represented by point '27. Aven une negative excitation beyond point 25, the machine slips from a blade, as explained in connection with figure 6.
!
If the machine slips from a pole, there is an effective reversal of the excitation, because, as can be seen in figure 6, beyond the angle 7T corresponding to 180 electrics, the curve of the resulting torque, with negative excitation, intersects the mechanical torque line on the shaft, at point 28, corresponding to a very small angle beyond # and the operation will be stable, because the negative excitation is cooperating hand- holding with the torque due to reluctance. This would amount, figure 7, to descending on the V-curve to point 29, but since limiting the current would prevent the negative excitation from increasing any further, the system would fix itself at this point 29, which is a perfectly stable point, and would not lead to the production of too high currents or other harmful effects.
The value of the excitation current at point 29 is the same as at point 25.
However, there might come a time when the conditions in the main circuit would be such that the capacitor voltage tends to go down, instead of up. The automatic regulator would then act to reduce the negative excitation. However, since the machine has already slipped off a pole, the regulator would act in the wrong direction, so that the torque angle of the machine would increase, the resulting torque would decrease, and the armature current would increase. - would shift backward, instead of decreasing, in this direction of shifting backward.
As a result, the action would continue up the V-curve, starting at point 29, until a limit of stability is reached at the point where this V-curve intersects the curve.
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limit of the excitation current, point whose co-ordinates are 25 and 26.
A little beyond this point, the machine would slip one more pole, thus restoring the various polarities to their initial state. The excitation would now be positive and the current would drop sharply again to point 29, and from 12, to. its minimum value, then would increase as a forward wattage current, until the decreasing trend of the capacitor voltage is stopped, and in fact, until the capacitor voltage has returned almost exactly to the desired value , as determined by the regulator setting.
We can therefore see that the system can regain its own control and it does not remain indefinitely at point 29 when it has slipped from a pole. in practice, a fixed or arbitrary current limit must be adjusted, to prevent the machine from stalling, for the lowest operating voltage that can occur.
Such a current limit has been represented by the vertical line in broken lines of FIG. 7, which practically fixes the limit of the negative excitation current at point 25 '', $ corresponding to a current behind the armature. represented by pa = reference 30. Although this coint is greater than point 31, corresponding to the maximum value of the delay current, for zero excitation and low voltage, it nevertheless limits the current of the armature for the maximum degative excitation, for the normal tension, at point 32, instead of point 26, and it limits the back current of the armature,
for high voltage, point 33 instead of point 34.
The Social Applicant has found that the limiting negative excitation current is a linear function of the terminal voltage, for a given machine, according to the relation
Xq Thus for a zero terminal voltage, the negative excitation limit
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--tive would be zero. In a specific machine
Xd - Xa
Xq is equal to two-thirds, or 0.67, so that the limit of the negative excitation current is directly proportional to the voltage at the terminals, but has a value of about 50% of the excitation normal at this voltage, in order to take into account losses due to rotation.
This negative excitation limit is represented by the inclined straight line J, figure 7.
The automatic obtaining of such a negative excitation limit, depending on the voltage, is obtained by means of the resistor 23 and the rectifier 24 (figure 1), which produce in the current limiting circuit a voltage proportional to the terminal voltage, and which opposes the negative excitation voltage of the exciter. Consequently, the voltage of resistor 23 represents the threshold, which the voltage of the exciter must cross, for the devices for limiting the negative excitation to come into action.
As a result, the amount of lagging armature current which can be supplied by the machine under normal voltage increases from point 32 to point 26 and, in the event of high voltage across the terminals, from point 33. up to point 35. Consequently, the control, by the voltage, of the current limit, makes it possible to obtain from a given machine significant increases in reverse wattage current, under all operating voltage conditions. , above the voltage for which a limitation for the negative excitation current has been determined in advance.
The characteristic of this negative excitation limitation and the variation of this limit with the voltage at the terminals, are of course independent of any particular type of the excitation control system, provided only that such a control system can produce sufficiently high values of negative excitation to cause loss of synchronism, and therefore, it should be understood that the invention is not limited to boosters.
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de.volteurs or exciter systems with compensated armature reaction, and that one can equally well employ any other suitable control, of excitation which can provide a negative excitation.
Since the synchronous capacitor 1 can be a standard protruding blade machine, and since the exciter 4 can be a standard exciter having a usual excitation circuit, and retort the step-up-step-down 6 normally provides only a fraction of the power. excitation of the exciter, in order to keep the voltage at the terminals of the synchronous capacitor constant, the whole system is relatively inexpensive and it is in time possible to obtain, in a perfectly stable manner, the maximum possible quantity of reactive power behind the capacitor, without causing it to lose synchronism.
In other words, by means of relatively inexpensive control equipment composed of standard elements, the same synchronous capacitor can be made to provide, in a particularly stable and safe manner; 50 to 60% of back reactive power, in addition, than that which would have been obtained with a conventional system of control of the synchronous capacitor.