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MONTAGE AUTOREGULATEUR POUR LA TRANSFORMATION DE L'ENERGIE ELECTRIQUE, D'
UNE ESPECE DE COURANT EN UNE AUTRE.
L'invention concerne un montage autorégulateur pour la transfor- mation d'énergie électrique, à savoir, d'une espèce de courant (tension, fré- quence, nombre de phases) en une autre; plus exactement;un montage autorégu- lateur constitué par un convertisseur, un changeur de fréquence, un onduleur, ou analogues, pour la transformation de courant continu en courant alterna- tif ou triphasé, éventuellement suivie d'une nouvelle transformation de ce courant alternatif ou triphasé en un courant continu d'une autre tension ou d'une tension réglée. On sait que de tels changeurs de fréquence ou onduleurs sont difficiles à stabiliser. On a déjà proposé divers moyens pour la stabi- lisation, notamment pour le réglage à la résonance, par exemple des circuits oscillants accordés à la fréquence du courant alternatif ou triphasé engendré.
Cependant, ces circuits sont encombrants et coûteux et donnent lieu à diverses difficultés que l'on n'examinera pas ici en détail.
Selon l'invention, le réglage à la résonance d'un tel 'montage est assuré par une machine électrique à champ tournant, de préférence une machine synchrone, alimentée par des organes de manipulation de courant fonctionnant en onduleurs-., Cette machine peut servir simultanément comme accumulateur d'énergie, par exemple dans le cas d'une variation pulsatoir de la charge, ain- si que pour fournir la puissance réactive nécessaire du système onduleur et des récepteurs., Les organes de manipulation de courant fonctionnant en ondu- leurs peuvent être des appareils à vibreur, des soupapes, des tubes, des ampou- les à décharge à arc à grille de commande, etc..
. Il est recommandé de câbler la machine pour une fréquence supé- rieure à la fréquence habituelle du courant alternatif et du courant triphasé, de façon que cette machine puisse tourner par exemple à la vitesse allant jus- que 3.000 à 30.000 t/m et que la fréquence de la machine puisse, le cas éché- ant, atteindre la valeur maximum- admissible. Ceci permet de réduire notable- ment l'encombrement et le poids de la machine, pour une puissance donnée.
Comme il sera encore exposé plus loin, cette machine peut être
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munie de plusieurs enroulements, lesquels peuvent comporter des nombres de pôles différents, ou bien, l'enroulement de la machine peut présenter des bornes intermédiaires.
Pour éliminer les bagues collectrices, les circuits d'excita- tion du groupe peuvent être raccordés, sans faire usage de bagues collec- trices, à des machines synchrones montées sur l'arbre du groupe et compor- tant des redresseurs 'encastrés, Pour augmenter l'aptitude de la machine à accumuler de l'énergie, on peut lui adjoindre une masse particulière faisant volant. L'invention se préoccupe particulièrement de la suppression d'har- moniques supérieurs gênants.
Les moyens pour réaliser cette suppression peuvent consister en un câblage particulier de l'enroulement amortisseur de la machine synchrone, une allure particulière de la.courbe du champs induc- teur des pôles de la roue polaire, un hétérodynage des.pôles feuilletés de la roue polaire avec une fréquence appropriée dans le circuit excitateur, des appareils à induction (réactances, transformateurs) raccordés à l'enrou- lement de la machine et comportant,avec une disposition appropriée du bobi- nage et du noyau de fer, un montage redresseur ou onduleur raccordé à la machine et présentant un câblage déterminé ainsi qu'une allure particulière de la courbe caractéristique, etc... En outre, il est recommandé, pour di- vers usages, d'intercaler, entre les organes électriques de manipulation de courant (soupapes, appareils à vibreur, etc.)
un dispositif transformateur de tension, notamment un transformateur régulateur. Il va de soi que des dispositifs transformateurs de tension peuvent aussi être intercalés entre la machine et le récepteur.
En ce qui concerne la coupure de puissance d'un tel montage, les disjoncteurs appropriés peuvent être prévus entre les organes de mani- pulation de courant (soupapes, appareils à vibreur, etc. ) et la machine élec- trique, en ne disposant en amont de ces organes de manipulation que des orga- nes de sectionnement, tels que sectionneurs, coupe-circuit ou dispositifs de protection contre les court-circuits, ces organes de sectionnement étant reliés de telle façon aux disjoncteurs de puissance qu'ils ne puissent être actionnés qu'après 1-'intervention.de:ceux..,ci.
Lorsque le courant alternatif ou triphasé produit par l'instal- lation est ensuite transformé en courant continu dans un groupe redresseur, il est recommandé d'influencer particulièrement l'allure de la courbe des tensions et des courants, comme il sera exposé plus loin.
Les multiples dispositions possibles de telles installations seront exposées plus amplement ci-après.
L'invention est susceptible de résoudre différents problèmes.
Un but essentiel de l'invention consiste à réaliser, avec des moyens simples, une autorégulation, d'un fonctionnement aussi sûr que possible, de tels ondu- leurs et de garantir une stabilité parfaite de la marche, même sous une char- ge variable ou pulsatoire. L'invention vise en outre à réaliser un réglage et un ajustement indépendants et commodes de la fréquence de sortie. Elle vise en outre à étendre également le contrôle aux puissances élevées, voire maxima,cela avec des moyens économiques et des tensions d'entrée élevées.
En outre, en ce qui concerne l'exploitation des chemins de fer, l'invention permet l'emploi, avec des moyens économiques, du courant continu à haute ten- sion dont la transformation en un courant de tension moins élevée nécessaire pour les moteurs de traction ne pouvait s'opérer à ce jour, sur les locomo- tives, qu'à l'aide de moyens très importants et donc non économiques.
Ainsi par exemple dans une exploitation de chemins de fer à courant continu de haute.tension, les moteurs de traction peuvent être raccordés en aval de la machine par l'intermédiaire d'un transformateur et d'un redresseur, ces moteurs pouvant ainsi être alimentés en un courant continu à la tension abais- sée voulue, même lorsque le fil de ligne,est alimenté en courant continu à tension élevée, ou bien, l'installation sus-indiquée peut être précédée d'un groupe redresseur, de façon à permettre aussi le prélèvement, à partir d'un réseau alternatif' ou triphasé, d'un courant alternatif ou triphasé, par exém- ple d'une autre fréquence ou d'une fréquence rigoureusement constante.
Lors- qu'il est fait usage de machines synchrones, et vu@ qu'aucune commutation par un collecteur mécanique n'est nécessaire dans ce cas, on peut pratiquement
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élever la puissance sans limite, si l'on augment l'intensité en conséquence par le montage parallèle de plusieurs soupapes électriques ou appareils à vibreuc. Lorsqu'on emploie une machine synchrone, et vu. l'absence du col- lecteur mécanique pour la commutation, on n'est limité quant à la puissance que par la tension réalisable avec ces types de machines..
Lorsqu'on inter- cale entre les soupapes, appareils à vibreur, etc. et la machine un trans- formateur ou un groupe transformateur, éventuellement réglable, comme-indi- qué plus haut,on a plus de liberté dans le choix de la tension de la machine.
En.réglant ce transformateur ou ce groupe transformateur, on peut régler le nombre de tours de la machine, et donc la fréquence du réseau à alimenter.
Afin que la tension du réseau à alimenter ne soit pas modifiée lors du ré- glage du transformateur, il est recommandé de raccorder ce réseau au côté non réglé du transformateur, c'est-à-dire au primaire.
Afin d'empêcher des réactions nuisibles, notamment des harmoni- ques supérieurs déterminés par la marche en onduleur, sur le réseau d'ali- mentation, on peut intercaler des dispositifs de filtrage dans le côté conti- nu, comme il est connu en soi.
Il va de soi que l'unique machine synchrone peut être remplacée par plusieurs machines en parallèle, qu'il est préférable de coupler méca- niquement, cette solution pouvant être adoptée lorsque les conditions de ser- vice particulières, par exemple, le passage d'une puissance à une autre, la font apparaître comme favorable.
Lorsque la nature de la fréquence de sortie est sans importance, par exemple dans les cas où la machine est suivie d'un redresseur, cette fré- quence peut être relativement élevée, c'est-à-dire, que la machine peut tour- ner à une vitesse élevée, de sorte que l'on peut maîtriser des puissances éle- vées avec une machine relativement petite. Ceci représente, notamment pour l'exploitation ferroviaire, un avantage considérable, vu l'économie de poids et d'encombrement. L'invention permet un r,églage particulièrement simple de la fréquence de sortie, vu qu'il suffit de régler convenablement la vitesse de rotation de la machine, par exemple moyennant une modification de l'exci- tation ou de la tension continue.
Ce fait, ainsi que la possibilité de pou- voir assurer le service ferroviaire avec une fréquence de sortie élevée de la machine en question, permettent d'utiliser l'objet de l'invention comme com- mutatrice, pour l'interconnexion de réseaux, pour la transformation de fré- quence, par exemple, en vue de l'alimentation du circuit-ferroviaire depuis un réseau à 50 Hz que l'on transforme en 16 2/3 Hz; pour l'obtention de la moyenne fréquence à partir d'un réseau de 50 Hz, que l'on transforme par exemple en 30.000 Hz; pour les émetteurs à alternateur, entre autres dans la télégraphie et la téléphonie sans fil, la radiodiffusion, etc., ou encore pour génératrice d'étalonnage.
Des machines synchrones alimentées à travers des onduleurs sont connus en soi, en tant que moteurs synchrones sans collecteur, pour la comman- de de moteurs et servent de préférence à remplacer les moteurs à courant con- tinu, notamment ceux à vitesse de rotation, puissances, et tensions élevées, pour lesquels la construction et le fonctionnement d'un collecteur seraient à peine possible. Conformément à une proposion antérieure, de telles machi- nes peuvent être mises en marche, sans difficultés particulières par une superposition passagère, dans le circuit du stator, d'un courant alternatif ou triphasé. Ou bien, on peut les démarrer mécaniquement, par exemple à l'aide d'un démarreur, jusqu'à ce que la f.e.m. de la machine corresponde à la tension calculée.
Mais alors que, dans ces moteurs synchrones sans col- lecteur, il s'agit de transformer l'énergie électrique en énergie mécanique, l'invention vise à transformer l'énergie électrique d'une espèce en une énergie électrique d'une autre espèce, la machine électrique ne servant ici que pourrie réglage en résonnance et en tant qu'accumulateur d'énergie. L'énergie de cou- rant continu qui traverse l'onduleur est prélevé sous la forme d'énergie de cou- rant alternatif ou triphasé aux bornes de la machine.
Lorsqu'une telle installation est alimentée depuis un réseau à courant continu, notamment à haute tension, on éprouve des difficultés pour la déconnexion, notamment aux puissances élevées. Comme indiqué plus haut, ces
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difficultés peuvent être évitées si l'on prévoit les organes de déconnexion entre, d'une part, les soupapes, les appareils à vibreur, etc.,, et, d'autre part, la machine électrique, si, notamment dans une machine couplée par transformateur, on dispose les organes de coupure entre les soupapes, appa- reils à vibreur, etc., d'une part et un côté du transformateur d'autre part, de préférence en amont du point de connexion au réseau à alimenter, ainsi que, entre la machine et l'autre côté du transformateur, tandis que, en amont des soupapes, appareils à vibreur, etc., on prévoit uniquement des section- neurs,
des coupes.=circuits ou dispositifs de protection contre les court-èir- cuit, ces organes de sectionnement étant reliés aux organes dé coupure préci- tés de telle façon.qu'ils ne puissent intervenir ou être actionnés qu'après actionnement des organes de coupure. On réalise ainsi l'avantage de pouvoir utiliser, pour la déconnexion de la puissance, des organes de coupure parfai- tement mis au point et sûrs en ce qui concerne le courant alternatif, par exemple les disjoncteurs à expansion, etc., évitant ainsi la coupure diffi- cile de la puissance dans le circuit continu. L'invention sera exposée plus amplement en regard des dessins ci-joint.
La Fig. 1 est un exemple d'application du dispositif à l'exploi- tation ferrovière à réseau alimenté en courant continu à haute tension.
La Fig. 2 montre le montage d'organes de coupure (soupapes) pour une installation' à puissance élevée.
La Fig. 3 montre une variante de la disposition de la Fig. 1, avec machines accouplées.
Les Figs. 4 et 5 montrent des variantes pour la transformation du courant continu de la tension maxima en courant triphasé.
Les Figs. 6 à 9 concernent des variantes pour l'alimentation en courant d'installations électriques de chemins de fer.
Le courant continu à haute tension débité entre le fil de ligne 1 et le rail E est transformé, dans les soupapes 6 fonctionnant en onduleur et qui, dans le présent exemple sont disposées suivant le montage triphasé ' Graetz (montage-pont à 3 phases), en courant triphasé pour l'enroulement 9 d'une machine synchrone 10 excitée à l'aide de bagues collectrices 59. Pour supprimer ces bagues, on pourrait, conformément à une proposition antérieure, disposer sur l'arbre de la machine une machine synchrone à redresseur encas- tré.
Toutefois, on pourrait aussi employer des montages à douze phases ou plus, lesquelles impriment au courant continu un caractère moins ondulé et dé- terminent une réaction moins prononcée sur le réseau d'alimentation. Aux bornes de la machine se trouve connecté le côté haute tension d'un transfor- mateur 80 dont le côté basse tension alimente les moteurs de traction à cou- rant continu 51 de la motrice à travers un ensemble redresseur 50, de préfé- rence un redresseur sec.
Les organes nécessaires à la transformation, à sa- voir, 6, 9, 10, 50, 80 sont disposés de préférence dans la voiture des trans- formateurs de courant continu, commandée à distance et ne comportant pas de personnel, ou bien, dans les petits convois, sur la motrice même, vu que la machine synchrone 10 peut être relativementpetite et légère si elle est construite pour un nombre de tours élevé en conséquence. De préférence, tous les essieux de la motrice sont commandés par des moteurs, comme il est connu en soi. On obtient ainsi qu'il suffit d'une légère pression sur l'essieu pour réaliser des efforts de traction élevés. Il en résulte des-contraintes moins élevées sur l'infrastructure de la voie. 43 désigne la commande des ampoules de l'onduleur.
Comme déjà indiqué, le transformateur 80 peut être réglable, ce qui permet d'éliminer les dispositifs de réglage pour les moteurs de trac- tion 51. Lors d'un freinage par récupération, le redresseur 50 peut être rem- placé par un onduleur approprié, pour lequel la machine 10 assure le réglage de la fréquence, tout comme pour l'ensemble 6.
En ce qui concerne le réglage de la fréquence des onduleurs, la machine 10 fonctionne comme les moteurs synchrones sans collecteur, proposés antérieurement, de sorte qu'il est inutile de faire un exposé détaillé du fon- ctionnement. La. machine est alimentée comme un moteur à travers l'onduleur 6 et débite comme génératrice, sur le transformateur 80. Il se présente alors
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cette particularité que les différentes phases de la machine ne sont ali- mentées par les soupapes électriques ou appareils à vibreur, c'est-à-dire, ne se comportent comme dans un moteur, que dans la zone de crête de leur. tension alternative, ou au voisinage de cette zone, ces phases se compor- tant comme dans une génératrice sur le restant de leur courbe de tension.
Comme ce passage de moteur à génératrice, et inversement, s'opère dans les trois phases non pas simultanément mais successivement, conformément au décalage des phases, ces phénomènes se recouvrent mutuellement. Ce fait est avantageux, car il en résulte un équilibrage plus aisé des variations de la vitesse de rotation par la masse formant volant, de la machine. Un tel mode de fonctionnement aurait pour effet des harmoniques supérieurs, mais ceux-ci seraient filtrés dans une grande mesure par l'enroulement d'a- mortisseur de la machine synchrone. Toutefois, de tels harmoniques supé- rieurs ne seraient pratiquement pas gênants dans l'exemple considéré, vu. que le courant triphasé fournit par la machine est resdressé dans la suite.
En l'absence de redressement, et lorsqu'on désire obtenir à la sortie une courbe exempte d'harmoniques supérieurs on peut compenser ces harmoniques par des moyens connus, par exemple, des réactances, ou des trans- formateurs avec montage approprié des enroulements et une disposition conve- nable des circuits magnétiques; cela lorsque les inductances du réseau rac- cordé ne suffisent pas par elles-mêmes à la suppression des harmoniques su- périeurs .
Lorsque l'enroulement 9 de la machine 10 est établi d'une ma- nière appropriée, il peut être muni de bornes intermédiaires, de façon que cet enroulement agissé lui-même comme un transformateur connexté entre les côtés alimentant et alimentés et, avec un raccordement convenable, on peut faire en sorte qu'au moins une partie de cet enroulement fonctionne toujours exclusivement comme génératrice. Ceci permet d'économiser des transforma- teurs intermédiaires
De tels moyens permettent également de supprimer les harmoniques supérieurs.
Ceux-ci peuvent encoreêtre supprimés par d'autres moyens, 'par exemple en imprimant aux pôles de la roue polaire un champ inducteur d'une caractéristique appropriée ou, dans le cas de pôles feuilletés, en superpo- sant de tels harmoniques supérieurs au courant d'excitation, que les harmo- niques supérieurs dus au passage de la marche en moteur à celle en généra- trice, et vice.versa, se trouvent compensés.,
Le débit de courant continu fourni par l'ensemble redresseur 80 et 50 représente une courbe non sinusoïdale, généralement rectiligne, en ce qui concerne le courant fournit par la machine 10.
Lorsque la tension de cette machine est sinusoïdale,il se présente dans ce mode de fonctionnement, du fait de la différence entre les courbes de tension et de courant, un be- soin, variable périodiquement en puissance réactive, -lequel diminue le coef- ficient d'utilisation de la machine 10. Toutefois, l'allure, en fonction du temps, de la tension et du courant de cette machine pour une consommation donnée de courant continu, peuvent être accordés mutuellement de telle façon que la puissance réactive de la machine se réduit au minimum.
Si, pour des raisons particulières on préfère que la machine 10 fournisse une tension.sinusoidale, mais que le besoin en puissance réactive soit toujours réduit au minimum en vue d'une utilisation optima de la puissan- ce de cette machine, on dispose des circuits bouchons (circuits résonnants en parallèle) en amont de l'ensemble redresseur 80, 50, du côté primaire du transformateur 80. Ces circuits bouchons déterminent un courant de char- ge sensiblement sinusoïdal de la génératrice. Le fonctionnement avec double durée d'allumage des anodes réalisé par cette disposition représente un nou- vel avantage pour la marche des soupapes électriques.
Suivant le nombre des phases de l'enroulement 9 de la. machine 10 et la tension disruptive des sou- papes électriques 6, ces dernières peuvent faire l'objet de n'importe quel montage, par exemple le montage Graetz ou le montage à point neutre. Le choix est déterminé en premier lieu par les dimensions des soupapes et le ca- ractère ondulatoire requis du côté continu du réseau alimenté.
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Danp le cas de puissances élevées, on branche en parallèle plu- sieurs ampoules 111, Fig. 2. Afin que le courant se répartisse uniformément sur toutes les ampoules, et que toutes les ampoules participent au fonction- nement, on prévoit des transformateurs 112 dont un côté est intercalé dans les conducteurs d'amenée des ampoules. Les autres côtés des transformateurs sont branchés en série pour toutes les ampoules.
Cette disposition fonctionne de telle façon que lors du passage du courant dans une ampoule, et par suite du branchement en série de l'autre côté du transformateur, les transformateurs des autres ampoules deviennent également le,siège d'impulsions de tension induites qui déterminent le pas- sage du courant, de sorte que, lorsque le courant commence à parcourir une ampoule, les autres ampoules reçoivent forcément aussi des courants en -con- séquence. En outre, de tels montages en parallèle des ampoules permettent de maîtriser facilement des puissances très élevées.
Ceci permet de réaliser le montage onduleur également pour des réseaux importants, de construire des émetteurs à longues ondes de grande puissance, etc.,
Dans la Fig. 3, une locomotive électrique ou une voiture à trans- formateurs indépendante de celle-ci, reçoit du courant du fil de ligne 1, ali- menté en courant continu à haute tension, par l'intermédiaire d'un archet 2, d'un sectionneur 3 et d'une self de filtrage 4. Le filtrage est en outre as- suré par un circuit filtrant intercalé entre 3 et 4 d'une part et la terre E d'autre part.
Le courant continu d'alimentation est transformé par un système onduleur 6 à soupapes commandées, à grilles 44 et à dispositif de commande 40, en un courant triphasé qui alimente l'enroulement de stator 9 d'un moteur synchrone 10 par l'intermédiaire d'un disjoncteur de puissance 7, par exemple un groupe disjoncteur à expansion, et un transformateur réglable 8. 11 désig- ne l'enroulement d'excitation du rotor 12; 13 - son enroulement d'amortisseur 20 - une génératrice synchrone à courant triphasé à enroulemnt de stator 21, à rotor 22, à enroulement d'excitation 23 et à enroulement d'amortisseur 24.
Les rotors 12 et 22 sont montés sur un arbre commun 30 et sont accouplés ri- gidement entre eux.
Sur l'arbre 30 est montée la partie rotative 14 d'une excitatrice 15 établie comme alternateur synchrone. Sa partie fixe 16 porte un enroule- ment d'excitation 17, tandis que sa partie rotative 14 porte un enroulement triphasé 18 à redresseurs encastrés 19. La génératroce 20 est munie d'une excitatrice identique 25. 31 désigne un moteur de démarrage pour le groupe 10, 20. L'ensemble de l'installation est disposé dans une enveloppe commune 32 et est refroidit d'une manière connue quelconque. Par exemple, l'envelop- pe 32 peut être remplie d'oxygène et être refroidie indirectement, comme les machines blindées.
330, 331 désignent des rhéostats pour les enroulements excitateurs des machines 15, 25. Ces enroulements sont connectés d'une part à une batte- .rie 34 et d'autre part à un circuit de courant de charge 35 alimenté en courant continu par le dispositif de commande 40. 360 désigne une résistance de char- ge réglable. Le circuit 35 alimente en outre une batterie de démarrage 37 pour le moteur de démarrage 31 par l'intermédiaire d'une résistance de charge 361.
Par l'intermédiaire de l'enroulement secondaire 81 du transforma- teur 8 et à partir du redresseur 41, on obtient du courant continu pour la - charge des batteries et pour l'alimentation d'un dispositif de commande d'on- duleur 43 raecordé aux bornes de courant triphasé du moteur 10 par l'intermé- diaire d'un.' transformateur à isolement 42. Le moteur 10 travaille comme mo- teur synchrone sans collecteur.
La génératrice 20 alimente, à travers un système redresseur 50, des moteurs à courant continu 51, par exemple les moteurs de traction d'une locomotive. La tension de ces moteurs peut être réglée d'une façon simple, comme dans le cas du montage Leonard, par le réglage de la résistance 330.
Le groupe 10,20 tourne à vitesse élevée, par exemple 10 à 30.000
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tours. Sa vitesse de rotation peut être modifiée, notamment lors du démarra- ge, par le réglage de la résistance 331 ou du transformateur 8.
Comme le fonctionnement de moteurs synchrones sans collecteur est connu en soi, de même que celui des soupapes commandées 6 et de leur système de commande, un exposé détaillé est superflu. Lors du démarrage du groupe, ce- lui-ci est amené à l'aide du démarreur 31 à un nombre de tours tel qu'une même tension se présente de part et d'autre du disjoncteur 7. Lors de la déconnexion, on ouvre d'abord le disjoncteur 7 et ensuite le sectionneur 3, désormais hors courante De cette façon, on peut contourner les difficultés que présente la déconnexion d'un courant continu à haute tension sous charge.
Lorsque les moteurs de traction 51 fonctionnent en freinage par récupération, le groupe rédresseur 50, lequel comporte par exemple des soupa- pes à grille de commande, doit être commandé d'une façon appropriée. Pour cette commande, on dispose de la tension de la génératrice 20. On peut uti- liser à cet effet n'importe quel dispositif de commande connu. Les soupapes 6,50 peuvent être remplacées par n'importe quels appareils mécaniques à contacts mobiles, (vibreurs), etc..
Des avantages essentiels de ce mode d'exécution réside dans la faible consommation de matière et l'encombrement réduit du groupe 10, 20, ain- si que dans la grande sécurité de fonctionnement et la commodité du réglage.
Dans la disposition selon la Figo 4, on obtient une tension conti- nue maxima entre + et-, par exemple de 200 kV. Entre ces deux points se trou- vent trois groupes d'ampoules en série 61, 62,63 (ampoules à décharge à arc à commande par grille) agissant comme onduleurs en montage triphasé Graetz.
Sur le côté triphasé de ces dispositifs sont prévues les machines synchrones 65, 66 et 67 qui fonctionnent comme moteur etagissent comme transformateur d'énergie, qui constituent le régulateur de fréquence. et couvrent le besoin en puissance réactive du circuit récepteur. Ce dernier est raccordé par des transformateurs -68, 69, 70 au côté alternatif des onduleurs.
Pour assurer la marche synchrone des machines 65, 66, 67, on pré- voit des transformateurs d'intensité 211, 212, 213 dans une phase du circuit secondaire de chacun des transformateurs 68, 69, 70, les enroulements secon- daires de ces transformateurs d'intensité étant branchés en série et formant un conducteur de compensation. Leur action consiste en ce qu'une élévation de courant qui se produirait dans un transformateur serait aussitôt transmise aux deux autres transformateurs, agissant ainsi dans le sens de la compensa- tion.
La Figo 5 montre un exemple d'exécution qui diffère de celui de la Fig. 4 en ce que les transformateurs 68, 69, 70 sont branchés entre les on- duleurs et la machine sans collecteur à puissance réactive (machine à champ tournant). Les machines à puissance réactive 65, 66, 67 sont donc raccordées ici directement à la barre omnibus à courant triphasé. En outre, dans ce cas, il suffit de prévoir une seule machine à puissance réactive au. lieu de plu- sieurs machines.
L'ensemble du dispositif fonctionne également comme une machine synchrone, c'est-à-dire qu'il ne dépend pas d'autres réseaux en ce qui concer- ne le réglage à la résonance (fréquence ) et la fourniture de sa propre puis- sance réactive. D'autre part, dans la marche en parallèle, le dispositif est réglable comme chaque machine synchrone. Ceci est important par exemple pour les postes de transformation des installations de transport de courant continu. à haute tension.
En appliquant le montage en série - qui constitue une nou- veauté dans le cas envisagé - d'éléments redresseurs individuels ou de groupe d'éléments redresseurs, ou encore de montages Graets, dont par exemple chaque unité ou chaque groupe peut être relié à l'aide d'un transformateur à une ma- chine auxiliaire sans collecteur, on a la possibilité d'employer des éléments redresseurs même pour la tension maxima. D'autre part, plusieurs éléments redresseurs dans chaque groupe de tels éléments peuvent être branchés en sé- rie. Conformément 'au même principe on peut aussi établir ce dispositif pour la transformation de la tension maxima de courant continu en courant alterna- tif d'un nombre de phase voulu ou en courant continu de tension moins élevée.
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Dans l'exploitation de chemins de fer électriques à voie normale, on emploie actuellement d'une façon générale une énergie électrique d'une fré- quence inférieure à la fréquence industrielle habituelle de 50 Hz afin de main- tenir dans des limites tolérables là tension engendrée lors de la commutation dans 1'enroulement d'induit en court-circuit des moteurs de traction calculés pour des puissances élevées. Pour fournir l'énergie à la fréquence réduite certains pays emploient, comme on le sait 16 2/3 Hz - qui sert à l'alimenta- tion des lignes, on prévoyait à ce jour des postes transformateurs utilisant des moteurs synchrones avec alternateur mono ou triphasées, accouplées direc- tement,le réglage exact du nombre de tours étant assuré à l'aide de machines dites d'aval (machines à collecteur).
La puissance nominale pour laquelle de telles installations peuvent être établies est toutefois limitée. Pour les grandes puissances, on est donc obligé de brancher plusieurs unités en paral- lèle. On a aussi proposé l'emploi de changeurs de fréquence pour cet usage; toutefois, dans ce cas, l'apparition de surtensions et la présence d'autre pro- blèmes techniques créent des conditions assez difficiles à contrôler.
Selon une autre caractéristique de l'invention il est possible d'é- tablir dans des conditions favorables, un système convertisseur tel que celui qui sert à convertir d'importantes énergies électriques à fréquence technique ordinaire en énergies d'une autré fréquence, notamment de la fréquence moins élevée, requise pour les exploitations ferroviaires, cela en actionnant, de- puis le réseau à la fréquence normale, et en passant par un circuit informé- - diaire de courant continu, une machine électrique, de préférence une machine synchrone (machine à champ tournant), alimentée par 1-*intermédiaire de soupa- pes électriques et/ou d'appareils à vibreur fonctionnant en onduleur, machine dont la vitesse de rotation est réglable de préférence conformément à la fré- quence requise,
et qui sert comme accumulateur d'énergie pour le réglage à la résonance et, éventuellement pour fournir la puissance réactive ou pour la commande directe d'une génératrice à courant alternatif à fréquence convenable ou d'une génératrice de courant continu pour l'alimentation des moteurs de , traction. Cette disposition selon l'invention présente l'avantage de ne pas être limitée quant à la puissance pour laquelle elle est câblée. L'ensemble convertisseur peut être établi suivant des dimensions qui correspondent aux dimensions maxima de la machine, vu que cette dernière ne nécessite ni collec- teur ni bagues collectrices. Un autre avantage réside en ce que les pertes dans l'installation sont également très réduites.
Une telle installation peut être montée soit fixe, dans un poste transformateur, pour l'alimentation de la.ligne en énergie de basse fréquence, soit sur un véhicule, éventuellement dans un wagon spécial à convertisseurs, cette installation 'fournissant l'énergie de basse fréquence ou l'énergie de de courant continu pour la commande du véhicule ou du convoi, cependant que la. ligne est alimentée en courant de 50 périodes.
Les Figso 6 et 7 montrent des exécutions de principe de telles installations de convertisseurs.
En partant du réseau N I, f I (fige 6) alimenté avec la puissance .
N I et la fréquence fI, on produit, par l'intermédiaire du transformateur 79 et des ampoules représentées en pont triphasé, avec interposition d'un dis- joncteur de puissance, un courant continu à haute tension qui alimente direc- tement, par l'intermédiaire d'un dispositif de filtrage 78, les ampoules et / ou les appareils à vibreur, fonctionnant en onduleur. On raccorde à cette combinaison la: machine synchrone 82 représentée dans cet exemple, par l'in- termédiaire du dispositif de commutation (transformateur de réglage 85).
La machine synchrone 82 fonctionne d'après le principe-connu en soi du mo- teur synchrone sans collecteur et son comportement correpsond à celui d'une machine normale à courant continue La vitesse de rotation de cette machine est proportionnelle à la tension continue appliquée et peut en outre: être influencée de la manière connue en soi au moyen du champ magnétique tournant.
A cette machine est accouplée directement l'alternateur triphasé 83, qui trans- forme l'énergie mécanique reçue en énergie électrique, dans l'exemple présent en courant triphasé de la fréquence requise. A l'aide de la dynamo tachymétri- que 84 montée sur l'arbre du groupe, ainsi que du régulateur 86, la commande
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des ampoules 9o est influencée de telle façon par l'intermédiaire du groupe de commande 87, qu'il en résulte le réglage de la vitesse de rotation re- quise et donc de la fréquence du courant alternatif fourni.
La puissance réactive de la machine 83 est influencée de la ma- nière connue par une modification de l'excitation. Ainsi, on peut régler la puissance réactive et la puissance active fournies par l'alternateur 83 indé- pendamment l'une de l'autre, ce qui permet de mettre au point n'importe quelle combinaison de puissance réalisée avec la puissance réactive et la puissance active
Le groupe de commande 88 assure une commande, de préférence in- variable, des soupapes et/ou appareils à vibreur 91, fonctionnant en ondu- leur.
L'installation décrite ici permet un transfert de puissance depuis le réseau triphasé d'alimentation NI, f I au réseau triphasé de départ N II, f II. ,Pour le sens inverse de l'énergie, il suffit que les ampoules et/ou les appareils à vibreur 91 travaillent en redresseur au lieu de tra- vailler en onduleur, et que les ampoules et/ou les appareils à vibreur 90 fonctionnent en onduleur au lieu de fonctionner en redresseur, les disposi= tifs de commande et de réglage devant dans ce cas être inversés.en conséquen- ceo
Un autre exemple d'exécution est montré dans la Figa 7.
Ici également, NI, f I désignent le réseau triphasé d'alimentation qui alimente, par l'intermédiaire du transformateur 92 et du disjoncteur de puissance inter- posé, les ampoules et/ou les appareils à vibreur, fonctionnant en redresseur, et qui fournissent le courant continu à haute tension. Ce dernier-est ap- pliqué directement, par l'intermédiaire de la self de filtrage 13, aux ampou- les et/ou dispositifs à vibreur 91, fonctionnant en onduleux. Dans cet exemple, les ampoules sont représentées dans un montage à pont triphasé.
Toutefois, on peut adopter en principe tout autre montage pour 90 et 91, éventuellement aussi des montages à nombre.de phases plus élevé, en vue de réduire l'influence des harmoniques supérieurso Au fur et à mesure qu'elle est rendue disponible par les différentes soupapes, l'énergie est désormais fournie aux différentes phases de la machine par l'intermédiaire du disjon- cteur 94, du transformateur 95 et, éventuelllement, du disjoncteur de puissan- ce 96. Cette machine correspond par sa construction à une machine synchrone normale, l'enroulement d'exeitation étant disposé dans le rotor. L'enroule- ment d'amortisseur doit être renforcé, en considérant le fonctionnement en moteur synchrone sans collecteur.
La machine 97 sert essentiellement au ré- glage à la résonance et à la production du courant réactif pour le récepteur y connecté, (puissance N II, fréquence f II)o
La valeur de la fréquence f II est imposée par le câblage de la machine,la tension d'induit y présente et la vitesse de rotation. Dans le cas présent, la puissance est fournie par un réseau à courant triphasé.
Conformément à la Figo 9, et après modification convenable du montage en vue d'une marche en monophasé, on peut prélever du courant alternatif à la puis- sance N II et à la fréquence f II. Dans l'exemple représenté selon les Figs. 7 et 8, on prévoit un sens d'écoulement de l'énergie, tel que le cou- rant triphasé selon N I, f I fournit de la puissance au réseau N II f II.
Une fourniture en retour de l'énergie depuis le réseau N II f II est rendue possible, toutes autres conditions restant égales, si l'on fait fonctionner les appareils à vibreur et/ou les soupapes 91 en redresseur et non plus en onduleur, et les ampoules 90 en onduleur et non plus en redresseur.
Dans ces exemples, on a omis les circuits de commande et de ré- glage.
Le transformateur 95 permet, grâce à un choix approprié des bor- nes intermédiaires, d'adapter la tension de la machine 17, dans des limites étendues, à celle fournie par les ampoules 91.
L'objet de l'invention peut en outre être réalisé en installant par exemple en un centre important d'un réseau ferroviaire un redresseur cen- tral de construction connue par exemple, prévu pour une puissance appropriée, du courant continu étant distribué à partir de ce redresseur en quelque sor- te par rayonnement le long des voies. Avantages : le transport d'énergie
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de courant continu à haute tension est sensiblement plus avantageux du point de vue.économique que celui du courant triphasé. Dans ce cas, on prévoit, en des points appropriés, des installations de convertisseurs, notamment pour une puissance-réduite, lesquelles comprennent donc (en se reportant aux exem- ples exposés ici) les éléments 95, 96, 97 pour le courant triphasé ou les éléments correspondant dans le cas d'un courant monophasé.
Il en résulte en outre cet avantage particulier que l'on peut supprimer l'élévation et l'abais- sement, par transformateurs, du courant monophasé, ce qui était généralement en usage à ce jour, de sorte que la tension continue intermédiaire, nécessaire en soit pour la marche du système selon l'invention, peut être utilisée aussi pour la distribution.,
Une autre solution consiste en ce que le circuit intermédiaire de courant continu sert de ligne collectrice pour une région de distribution importante. Ce conducteur est alimenté en un ou éventuellement en plusieurs endroits en fréquence normale, par l'intermédiaire de transformateurs et de redresseurs, depuis un ou plusieurs réseaux de courant triphasé..
Le long de la ligne collectrice, on prévoit en plusieurs points des sous-stations com- prenant des onduleurs, et éventuellement des transformateurs, qui alimentent 'le fil de ligne en la fréquence voulue (16 2/3 Hz) Le réseau des fils de li- gne alimente une ou quelques machines à champ tournant prévues,dans un petit nombre de postes et fonctionnant comme machine à puissance réactive, marchant comme moteur et sans commande extérieure.
Grâce à la prévision d'une telle ligne collectrice à courant con- tinu alimentant une région importante, on réalise l'avantage de chutes de ten- sion relativement réduites dans le conducteur d'alimentation, cependant que ' le fil de ligne peut recevoir la fréquence et la tension habituelles. Le fil de ligne peut encore être alimenté en supplément par les centrales électriques des chemins de fer, qui fournissent de l'énergie à 16 2/3 Hz, de sorte que l'on peut établir une marche en parallèle voulue.
Ceci sera expliqué ci-après à l'aide d'un autre exemple d'exé- cution.
Dans la Figo 9, les références 101, 102 désignent des réseaux ou barres omnibus des centrales du réseau de distribution général, fonction- nant à 50 Hz. Ces barres alimentent chacune,à travers les transformateurs res- pectifs 113, 114 et un système redresseur 115 ou 116, une ligne collectrice à haute tension continue 117, sous 20 kV par exemple, qui s'étend sur une ré- gion de distribution importanteo Des sous-stations de transformateurs pour chemins de fer, comprenant chacune un système onduleur 108, des transforma- teurs 109 et un système de filtrage 124, sont raccordées en divers points au conducteur collecteur et alimentent le fil de ligne 110, directement ou par l'intermédiaire de transformateurs,en la tension et la fréquence voulues, par exemple, courant monophasé sous 16, 5 kV et à 16 2/4 Hz.
La distance d'une sous-station à l'autre est par exemple de 60 à 70 km. Une sous-station ou plusieurs sous-stations sont munies d'une machine'monophasée à puissance réactive 121 fonctionnant en moteur sans commande extérieure, machine qui im- prime la fréquence au fil de ligne. En outre, le réseau des fils de ligne peut encore être alimenté en supplément par des centrales électriques de che- mon de fer 122 à 12 2/3 Hz, lesquelles permettent une marche en parallèle.
Vu le circuit intermédiaire de courant continu, ce système fonctionne d'une façon parfaitement élastique. Il en résulte l'avantage que les harmoniques supérieurs dans le réseau triphasé sont insignifiants ou nuls.
REVENDICATIONS.
1.- Système autorégulateur pour la: transformation de l'énergie é- lectrique d'une espèce (tension, fréquence, nombre de phases) en une autre, caractérisé en ce qu'une machine électrique à champ tournant alimentée à tra- vers des organes électriques de manipulation de courant fonctionnant en ondu- leur sert pour le réglage en résonance.