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SYSTEME DE REGULATION A AMPLIFICATION MAGNETIQUE.
La présente invention est relative aux systèmes de régulation et plus particulièrement à ceux qui utilisent un amplificateur magnétique pour contrôler la caractéristique électrique d'une machine dynamoélectrique.
Elle présente une construction simple, peu coûteuse et de fonction- nement stable, réalisant la régulation automatique sans utiliser de parties mobiles.
Le dispositif décrit dans la présente invention, qui sert à la ré- gtllation de la tension débitée par une génératrice à courant alternatif., uti- lise un pont redresseur des deux alternances contenant un amplificateur ma- gnétique pour fournir du courant au circuit d'excitation de la génératrice.
Ce redresseur contrôle l'énergie qu'il reçoit d'une source alternative de courant. L'amplificateur magnétique comprend deux réactances à noyau satura- ble, les enroulements de charge étant connectés respectivement dans deux branches parallèles- du pont redresseur. Les enroulements de contrôle des ré- actanees sont reliées à une source de tension de contrôle dépendant de la tension débitée par la¯ génératrice à courant .alternatif. Lorsque cette ten- sion varie, le courant parcourant les.
enroulements de contrôle des réactan- ces à noyau saturable change, ce qui correspond à une variation du courant d'excitation fourni à la génératrice par le redresseur, cette variation ten- dant à maintenir à la valeur désirée la tension débitée par la génératrice
On comprendra mieux les caractéristiques nouvelles et les avanta- ges de l'invention en se référant à la description suivante et aux dessins qui l'accompagnent, donnés simplement à titre d'exemple non limitatifs et dans lesquels-.
- la fig. 1 représente schématiquement un circuit électrique con- forme à la présente invention, - la fige 2 en représente schématiquement une forme modifiée
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A la figure 1, on a représenté en 10 une génératrice à courant alternatif dont la tension débitée doit être maintenue constante à la valeur désirée. Cette génératrice 10 peut être entraînée par tous moyens' convenables, non indiqués. Elle est représentée comme étant une machine monophasée munie de deux bornes de sortie auxquelles sont'reliés les conducteurs 11 & 12.
Un redresseur des deux alternances,désigné dans son ensemble par le numéro 13 de référence, est connecté entre les conducteurs 11 & 12 de ma- nière à dériver une tension signal dépendant de la tension débitée par la génératrice 10. Le pont redresseur 13, qui est du type conventionnel, com- prend une paire de redresseurs 14 & 17 connectés en série dans une direction, et une paire de redresseurs 15 & 16 connectés en série dans la direction in- verse, les points communs respectivement aux appareils 14 & 15 et 16 & 17, constituant les bornes de sortie courant continu du redresseur. Les appareils 14 à 17 inclusivement sont, de préférence, des redresseurs du type sec à oxyde de cuivre ou au sélénium, et sont supposés être tous identiques.
La tension continue débitée par le redresseur 13 est appliquée aux bornes d'une résistance 18. Une capacité 19 connectée en parallèle sur la résistance 18, filtre le courant continu débité par le redresseur 13. Un po- tentiomètre 20 aux bornes duquel est appliquée une tension continue constante, constitue une source réglable de tension servant de tension de référence. Une capacité 21, connectée en shunt sur lui, filtre les impulsions de tension qui sont réfléchies par le système de régulation vers la source de tension con- stante. La chute de tension entre la borne positive de la résistance 20 et une prise glissante 20a constitue la tension de référence.
Les enroulements de contrôle des deux réactances 22 & 23 à noyeu saturable, sont connectés dans le circuit comprenant la résistance 18 et le potentiomètre 20, de telle manière que la différence des tensions*existant aux bornes de la résistance 18 et de la partie active du potentiomètre 20, provoque la circulation d'un courant dans ces enroulements de contrôle. Cette différence de tension est la tension de contrôle dépendant de la tension débitée par la génératrice 10, uti- lisée par l'amplificateur magnétique pour la régulation de la tension de la génératrice.
Un pont redresseur 24, dont deux branches comprennent les enroule-. ments de charge des réactances saturables 22 & 23, est utilisé pour fournir la tension d'excitation à la génératrice 10. Ce redresseur 24 est relié aux conducteurs 11 & 12 par les conducteurs respectifs 34 & 35 qui l'alimentent en courant alternatif. Il peut, cependant, si on le désire, être connecté à toute autre source alternative convenable.
Il est composé de quatre appareils redresseurs 25, 26, 27 & 28 connectés de manière à former un pont, l' enroulement de charge de la réactan- ce 22 à noyau saturable étant connecté en série avec le redresseur 25 et l'enroulement de charge de la réactance 23 étant connecté en série avec le redresseur 28. Les appareils 25 à 28 inclusivement sont de préférence des redresseurs au sélénium et sont supposés être tous identiques. Les bornes de sortie 29 & 30 de ce redresseur 24 sont reliées aux extrémités de la bobine de champ 31 qui constitue le circuit d'excitation de la génératrice 10.
Bien qu'on ait représenté l'amplificateur magnétique comme pos- sédant deux noyaux magnétiques séparés, il est également possible d'utili- ser un noyau unique sur lequel sont bobinés un seul enroulement de satura- tion et deux enroulements de charge. Cela ne change pas le principe de fonc- tionnement de l'amplificateur magnétique, puisque les enroulements de con- trôle ou de saturation des réactances 22 & 23 de la fig. l, sont connectés en série. De plus, le ou les noyaux magnétiques ne doivent pas être néces- sairement rectangulaires, comme représenté schématiquement à la fig.l, mais peuvent être torroïdaux ou'posséder toute autre forme convenable.
Pour comprendre le fonctionnement du système de régulation, on supposera d'abord que la génératrice 10 débite une tension constante. Dans ces conditions, le courant redressé par- le redresseur 13 est suffisant pour créer une tension signal qui maintienne à une valeur constante, correspon-
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dant à la tension de la génératrice, le courant traversant le circuit d'ex- citation 31. La chute de tension aux bornes de la résistance 18 est légère- ment inférieure à celle existant dans la partie active du potentiomètre 20 qui est connecté en parallèle sur la résistance 18. Il en résulte un courant circulant de la borne positive du potentiomètre 20, à travers les enroule- ments de contrôle des réactances 23 & 22 à noyau saturable et la résistance 18, vers la prise glissante 20a du potentiomètre 20.
Ce courant traversant les enroulements de contrôle des réactances 22 & 23 sature partiellement les noyaux de ces derniers. Cette saturation réduit suffisamment l'impédance des réactances pour permettre le passage d'un courant suffisant à travers le re- dresseur 24 pour maintenir le courant traversant le circuit d'excitation 31 à la valeur correspondant à la tension que l'on désire voir débiter par la génératrice.
Du courant circule dans l'enroulement de charge de la réactance 22 et dans l'appareil 25 durant la moitié de chaque période de la tension alter- native appliquée au redresseur 24, et dans l'appareil 28 et l'enroulement de charge de la réactance 23 durant l'autre moitié de chaque période.
Si l'on suppose que le potentiel du conducteur 12 est positif durant la première demi- période, du courant parcourera le circuit constitué par.le conducteur 35, l'enroulement de charge de la réactance 22, le redresseur 25, le conducteur 32, la bobine 31, le conducteur 33, le redresseur 27 et le conducteur 34, lequel ramène le-courant vers le conducteur 11. Lorsque, durant la seconde demi-période, c'est le potentiel du conducteur 11 qui devient positif, du courant parcourera le circuit constitué par le conducteur 34, le redresseur 26, le conducteur 32, la bobine 31, le conducteur 33, le redresseur 28, l'en- roulement de charge de la réactance 23 et le conducteur 35, lequel ramène le courant vers le conducteur 12.
Par conséquent un courant continu pulsatoire traverse continuellement la bobine d'excitation 31 dont l'amplitude est dé- terminée par le degré de présaturation magnétique du noyau des réactanèes 22 & 23, lequel, à son tour, dépend de la valeur du courant traversant les en- roulements de contrôle de ces' réactances.
Avec le pont redresseur 24, tel qu'utilisé à la fig. 1, des ten- sions harmoniques de fréquences supérieures à la fréquence fondamentale du courant alternatif,, peuvent être présentes. De telles tensions.harmoniques sont dues à l'interaction des flux pulsés dans les noyaux des deux réactan- ces saturables, à travers les enroulements de contrôle interconnectés. Aus- si, une résistance non linéaire 36 est connectée en parallèle sur la 'bobine 31, cette résistance étant constituée en une substance sensiblement isolante à des tensions normales mais devenant relativement bonne conductrice du cou- rant à des tensions légèrement plus élevées que la tension normale. A cause de cette propriété, l'appareil 36 élimine les impulsions haute tension ré- sultant des composantes harmoniques de tension produites par le redresseur 24.
Les tensions débitées par le redresseur 24 sont pulsées et s'an- nulent deux fois durant chaque cycle. Comme la bobine d'excitation 31 est in- ductive, cette inductivité étant encore accrue par la présence d'un noyau magnétisable (non représenté) à l'intérieur de la bobine 31, il apparaît une tension négative aux bornes de cette bobine durant la partie du cycle de la tension débitée par le redresseur, correspondant à une valeur nulle ou pres- que nulle de 'cette dernière. Cette tension négative tend à faire circuler un courant dans le circuit composé des redresseurs 27 & 26 ou dans celui, en pa- rallèle sur le premier, constitué du redresseur 28, de la réactance 23, de la réactance 22 et du redresseur 25.
Mais les appareils 27 & 26, 28 & 25 offrent une résistance au passage du courant qui est élevée par rapport à l'impédance des enroulements dé charge des réactances 23 & 22, cette résis- tance étant environ égale à 0,6 volts par plaque lorsqu'on utilise des re- dresseurs au sélénium. Par suite de cette différence entre les valeurs des impédances, une assez forte partie du courant inductif en retour de la bobi- ne 31 a tendance à emprunter le chemin comprenant les enroulements de charge des deux réactances, ce qui donne au. redresseur 24 une certaine instabilité de fonctionnement. Pour éviter cet -inconvénient,un redresseur supplémentai- re 37 est connecté entre les bornes 30 & 29, dont la résistance offerte au
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passage du courant vaut sensiblement la moitié de celle offerte par les re- dresseurs 25 à 28 inclusivement.
Ce redresseur 37 support la majeure partie du courant inductif en retour de la bobine 31, assurant ainsi la stabilité de fonctionnement de l'amplificateur magnétique.
Lorsque la tension débitée par la génératrice 10 tombe en-dessous de la valeur désirée,le système de régulation conforme à la présente inven- tion fonctionne immédiatement pour ramener cette tension à sa valeur anté- rieure. Une telle diminution de la tension débitée fait diminuer la tension entre les conducteurs 11 & 12 et réduit la tension-appliquée au redresseur 13.La tension débitée par ce redresseur est donc diminuée, ce qui donne lieu à une réduction de la chute de tension aux bornes de la résistance 18. Ceci accroît la différence entre la tension signal aux bornes de la résistance 18 et la tension de référence aux bornes du potentiomètre 20, ce qui augmente le courant traversant les enroulements de contrôle des réactances 22 & 23.
La saturation des noyaux des réactances est ainsi augmentée, ce qui permet un accroissement du courant traversant les enroulements de charge des réactances.
Par conséquent, le courant débité par le redresseur 24 grandit, donnant lieu ainsi à une augmentation du courant traversant la bobine d'excitation 31 de la génératrice 10 dont la tension débitée est ainsi ramenée automatiquement à la valeur désirée.
Les réactances 22 & 23 à noyau saturable sont évidemment, en par- tie, auto-saturantes, les enroulements de contrôle produisant dans chacune d'elles une composante de flux qui sature partiellement le noyau de la réac- tance et commande ainsi la partie de chaque période durant laquelle il y a saturation complète, le flux de saturation étant équilibré par l'enroule- ment de charge. Pour mieux comprendre ce phénomène, on supposera qu'aucun flux ne traverse le noyau de la réactance au moment où la tension fournie par la source alternative s'annule après avoir été négative. Lorsque cette tension croit et devient positive, le courant traversant l'un des enroule- ments de charge, celui de la réactance 22 par exemple, produit un flux dans le noyau de la réactance.
Ce flux croit lorsque la tension augmente de ma- nière similaire à ce qui se passe dans un transformateur ou tout autre ap- pareil identique, Pendant que ce flux croit,.avant que le point de satura- tion du noyau ne soit atteint, presque toute la chute de tension entre les conducteurs 11 & 12 apparat! aux bornes de l'enroulement de charge de la ré- actance 22. Mais, lorsque la saturation est atteinte, le courant fourni au circuit de charge est seulement limité par l'inductance qu'aurait l'enroule- ment sans fer et l'impédance du circuit sur lequel débite le redresseur. Le noyau étant saturé, il n'y a plus aucune variation de flux et, par consé- quent, la présence du noyau n'affecte plus la réactance de l'enroulement de charge.
La présence du noyau durant une telle demi-période du flux dû à l'enroulement de contrôle, sert simplement à fournir une magnétisation ini- tiale pour le flux dû à l' enroulement de charge, de manière à contrôler l'in- stant de la demi-période auquel se produit la saturation. Lorsque la tension retourne à. zéro, le redresseur placé en série avec l'enroulement de charge, cesse de conduire et durant la demi-période suivante, le flux redevient nul.
Durant cette demi-période suivante, le même processus se reproduit pour l'au tre réactance, de sorte que du courant circule dans un enroulement de charge ou dans l'autre durant une partie de chaque demi-période. Les noyaux des ré- actances 22 & 23 sont constitués en une substance magnétique possédant une courbe de magnétisation à coude brusque de telle manière que le courant de charge s'élève d'une valeur faible à une valeur maximum en un temps approxi- matif de 5 degrés électriques de la période de tension alternative, lorsque le point de saturation est atteint. Pour la partie restante de chaque demi- période après saturation, le courant de charge décrit approximativement une sinusoïde.
Par conséquent, l'amplificateur magnétique composé des réactances 22 & 23 possède des caractéristiques de courant très similaires à celles d'un appareil à décharge électronique du type tbyratron, ce qui produit un courant continu pulsatoire dans la bobine 31, à la sortie du redresseur 24.
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Lorsque la tension débitée par la génératrice 10 dépasse la va- leur désirée,le système de régulation fonctionne d'une manière inverse de celle qui vient d'être décrite, pour réduire l'excitation de la génératrice etramener la tension débitée à sa valeur antérieure. Dans ce cas, le re- dresseur 13 provoque un accroissement de la chute de tension aux bornes de la résistance 18, ce qui diminue la tension de contrôle, cette dernière étant la différence entre la tension signal existant aux bornes de la résistance 18 et la tension de référence aux bornes'de la partie active du potentiomè- tre 20.
Cette réduction de la tension de contrôle provoque une diminution du courant parcourant les enroulements de contrôle des réactances 22 & 23, ce qui augmente l'impédance de ces réactances et diminue le courant fourni par le redresseur 24 au circuit d'excitation 31. La valeur à laquelle le système de régulation maintient la tension fournie par la génératrice est réglable dans un sens ou dans l'autre par déplacement de la prise mobile 20a sur le potentiomètre 20, ce qui fait varier, la tension de référence à partir de laquelle la tension de contrôle est dérivée.
Un circuit a été construit selon les principes de la présente in- vention, pour régler la tension d'une génératrice monophasée, 110 volts., 8kW, 60 cycles; la Société demanderesse a trouvé qu'il était possible de -régler la tension débitée à 1 % de 110 volts. On note encore que cette régula- tion est effectuée en n'utilisant aucun élément mobile.
Une modification du schéma de la figure 1 est représenté à la fi- gure 2 où l'invention est appliquée à la régulation d'un moteur à courant continu à excitation indépendante. Le moteur représenté en 38, entraîne-une génératrice 39 à courant alternatif qui peut être une petite dynamo tachy- métrique dans le cas d'un système de régulation de la vitesse,ou une géné- ratrice plusimportante fournissant de la puissance à un circuit de charge (non représenté). Dans ce dernier cas, le système de régulation de la vitesse sert également au contrôle de la fréquence puisque la fréquence de la géné- ratrice varie proportionnellement à la vitesse du moteur. Les éléments simi- laires des fig. 1 & 2 portent les mêmes numéros de référence.
Le redresseur 13 est alimenté par le courant alternatif pris aux conducteurs de sortie de la génératrice 39, à travers un transformateur 40 sensible aux variations de fréquence. La tension secondaire du transformateur croit lorsque la fréquence augmente et'décroît lorsque la fréquence diminue; par conséquent, la tension signal de sortie du redresseur 13 croît lorsque la fréquence de la génératrice 39 augmente et décroît lorsque la fréquence de la génératrice diminue.
La tension continue fournie ¯ par le redresseur 13 @ apparaît aux bornes de là résistance 18 connectée par rapport au potentiomè- tre 20, de la même manière que dans la figol. La différence des tensions exis- tant aux bornes de la résistance 18 et du potentiomètre 20 fait circuler un courant dans les enroulements de contrôle des réactances 22 & 23, lesquelles contrôlent la tension débitée par le redresseur 24 de la même manière qu'à la fig. 1. La tension continue débitée par le redresseur 24 est utilisée, dans ce cas, pour faire varier la chute de tension aux bornes de la résis- tance 41, laquelle est connectée en série avec la bobine d'excitation 42 du moteur 38.
Si la vitesse du moteur 38 diminue la fréquence de la génératrice 39 décroît, ce qui provoque une diminution de la tension secondaire du trans- formateur 40. La tension fournie par le redresseur 13 aux bornes de la résis- tance 18 diminue donc,, donnant lieu à une augmentation de la tension de con- trôle, laquelle est la différence entre les chutes de tension aux bornes de la résistance 18 et du potentiomètre 20. Le courant parcourant les enroule- ments de contrôle des réactances 22 & 23 croît donc, ce'qui augmente la ten- sion débitée par le redresseur 24 ainsi que la chute de tension-aux bornes de la résistance 41.
De ce fait, la chute de tension aux bornes de la bobine d'excitation 42 diminue, puisque la résistance 41 et la bobine 42 sont connec- tées en série aux bornes d'une source de tension constante, et le courant par- courant la bobine 42 décroît. Il en résulte une diminution de l'excitation du moteur 32, ce qui fait croître la vitesse de ce moteur jusqu'à ce que l'équi- libre soit rétabli. Dans le cas où la vitesse du moteur 38 dépasse la valeur
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désirée, le Externe de régulation fonctionne d'une manière inverse à celle qui vient d'être décrite pour faire croître l'excitation du moteur jusqu'à ce que la vitesse soit ramenée à la valeur désirée.
Bien que l'on ait représenté une forme de réalisation de l'inven- tion et une modification de cette forme, il est évident qu'on ne désire pas se limiter à ces formes particulières données à titre d'exemples et sans aucun caractère restrictif et que, par conséquent, toutes les variantes ayant même principe et même objet que les dispositions indiquées ci-dessus rentreraient comme elles dans le cadre de 1-'invention.