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MUTATEUR POUR CONVERTIR DU COURANT ALTERNATIF EN COURANT ALTERNATIF-DE 'FREQUENCE-DIFFERENTE..
Dans la conversion de courant polyphasé d'une fréquence en cou- rant alternatif monophasé de fréquence différente, le mutateur doit fournir des demi-ondes de courant alternativement dans un sens et dans le sens oppo- séo Ainsi donc, il faut que le mutateur comporte deux groupes, égaux entre- eux, de soupapes ou récipients de décharge. Le réseau consommateur compor- tant en général de la puissance réactive, le courant des appareils consomma teurs est déphasé par rapport à la tension, de sorte que le sens du courant en chaque point de la courbe de tension n'est pas bien déterminé.
Dès lors, suivant la grandeur et le signe du déphasage @, le courant et par suite la valeur instantanée de la puissance du mutateur peuvent, en chaque point de la courbe de tension, avoir un certain sens ou le sens opposée Mais comme, selon le sens de l'énergie, la commande des grilles du récipient de déchar- ge est à régler pour la marche en redresseur ou en onduleur,, il faut que cet- te commande des grilles soit rendue fonction du déphasage et du courant dé= livré au consommateur., Le sens de la tension débitée par le redresseur ou l'onduleur variant en rythme de la fréquence secondaire du-mutateur,
il faut que chaque groupe de récipients de décharge change périodiquement son mode de travailo
La présente invention a pour objet un mutateur pour convertir du courant alternatif d'une certaine fréquence en courant alternatif d'une fréquence différente en utilisant pour la production du courant alternatif destiné aux consommateurs au moins deux groupes de récipients de décharge à grilles commandées travaillant alternativement comme redresseurs et comme onduleurs.
Suivant l'invention, dans le but de rendre la commande des gril- les des récipients de décharge indépendante du facteur de puissance des appareils utilisateurs, mais dépendante du sens de la valeur instantanée de. la tension secondaire, 1-'un des groupes est actionné, à chaque instant, com- me redresseur et l'autre simultanément comme onduleur, et les groupes alter- nent leur fonction périodiquement au rythme de la fréquence secondaire.
De ,plus, les deux groupes sont reliés entre-eux par une self limitant le courant
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alternatif de circulation des harmoniques, self dont le point milieu forme l'un des pôles du circuit consommateur,et l'écart entre la tension de mar- che en redresseur et la tension de marche en onduleur des deux groupes est choisi de telle sorte que, au courant alternatif d'utilisation qui se parta- ge par moitié dans les deux groupes, il vienne se superposer un courant con- tinu porteur au moins égal à la moitié de l'amplitude du courant d'utilisa- tion, de façon qu'à chaque instant il y ait au moins un récipient de déchar- ge dans chaque groupe pour être traversé par du couranto
L'invention sera expliquée ci-après en référence au dessin an- nexé,
où la Figo 1 montre le schéma de principe du mutateur suivant l'in- vention et la Figo 4, un schéma de montage simplifié pour sa réalisation, Les Figso 2 et 3 sont des diagrammes de courant et de tension, et la Figo 5 montre la constitution de la tension alternative d'utilisation. La figo 6 représente un autre exemple de réalisation.
La Fig. 1 montre un mutateur destiné à convertir du courant tri- phasé à 50 périodes fourni par le réseau P en courant monophasé à 16 2/3 pé- riodes, pour alimenter l'appareil consommateur V du réseau d'utilisation So Le transformateur T du mutateur possède les enroulements secondaires tl, t2 qui par l'intermédiaire des deux groupes de récipients de décharge M1, M2 alimentent l'appareil consommateur V par an montage en ponto Les récipients de décharge des deux groupes sont montés en oppositiono Comme récipients de décharge, entrent en ligne de compte des récipients à décharge en atmos- phère de gaz ou de vapeur, avec grilles de commande montées en avant des anodes.
Pour faciliter la compréhension de l'explication qui va être don- née du fonctionnement du mutateur, on a représenté.séparément, à la Figo 1, les enroulements secondaires qui alimentent les groupes de récipients de dé- charge
Les deux récipients de décharge M1, M2 travaillent alternative- ment l'un comme redresseur et l'autre comme onduleur;
les tensions qu'ils fournissent ont bien leurs valeurs moyennes égales, mais non leurs valeurs instantanéeso Par suite du montage en opposition des demi-ondes de tension dans les circuits qui alimentent l'appareil consommateur V et contiennent les deux groupes de récipients de décharge M1, M2 il reste, dans le circuit extérieur qui se ferme sur ces derniers @ l'appareil consomma- teur, une force électromotrice d'harmoniques libres qui produit dans ce cir- cuit un courant alternatif de circulation.
En raison de l'avance à l'allu- mage liée à la réserve de commutation nécessaire à 1-'onduleur, ce courant de circulation prendrait des valeurs inadmissibles, de sorte qu'il est né- cessaire de le limiter par une bobine de self Dro Cette dernière s'oppose à toute variation des ampères-tours qui la magnétisento Dans le cas pré- sent, cela signifie-que le courant alternatif, venant du circuit d'utilisa- tion et se dirigeant vers le point milieu de la bobine de self Dr, voudrait passer à raison de moitié dans chacune des deux branches* d'enroulement de cette bobine Dro Si cette possibilité manque, la self représente un gros porteur indésiré de puissance réactive,
De là résulte la nécessité de créer au courant alternatif du circuit consommateur le libre passage dans les deux- branches malgré l'effet de soupape des récipients de déchargée On y arrive en superposant au courant'de consommation qui traverse les récipients de. dé- charge un courant continu porteur d'intensité au moins égaleà la moitié de l'amplitude dudit courant alternatif de consommationo De cette manière on obtient que le libre passage par la bobine de self est assuré aux cou- rants alternatifs des deux groupes de récipients de décharge et que cette bobine ne forme pas un porteur indésirable de puissance réactive.
Le cou- rant continu porteur est indiqué dans le schéma Figo 1 par les flèches a, b,, c, do Le courant qui, dans le circuit consommateur, se superpose au courant continu porteur, est indiqué pour l'un des groupes de récipients de déchar- ge par les flèches e, f, g, et pour l'autre groupe, par les flèches h, i, c. Il en résulte les conditions de tension et de courant représentées à la Fig. 2.
La courbe [alpha] montre la forme de la tension alternative dans les deux circuits comprenant les récipients de décharge et dans le circuit d'uti- lisation; la courbe /$montre la tension dans le circuit utilisateur, et les courbes ' et 5 montrent respectivement les courants dans les circuits ali-
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mentés par les deux groupes de récipients de déchargeo La représentation est faite en admettant comme sens positif, le sens choisi pour la demi-on- de du courant d'utilisation suivant les flèches e, f et h, io On a suppo- sé en outre que le courant continu porteur est égal à la moitié de l'ampli- tude du courant alternatif d'utilisation.
Par rapport au courant continu porteur, à l'instant considéré où la tens-ion indiquée agit de haut en bas sur l'appareil utilisateur, le groupe du récipient de décharge M1 travaille en onduleur et le groupe de M2 en redresseuro Mais relativement au courant de consommation débité, les deux groupes travaillent dans le temps en re- dresseurs, et dans le temps y en onduleurs,, Mais comme le courant résultant dans les récipients de décharge a toujours le sens du courant continu, à l'ins- tant considéré, le groupe de Ml travaille en onduleur, le groupe de M2 en re- dresseur, et cela pendant toute la durée de la demi-onde de tension considé- rée, indépendamment du déphasagef du courant d'utilisation,, Pendant la de- mi-onde de tension suivante, où la tension alternative débitée est en sens inverse,
le sens du courant continu porteur reste inchangé, de sorte que les deux groupes échangent leurs fonctionso Ces deux groupes conduisent alors non seulement alternativement, mais en permanence, du courante De cette ma- nière on réussit à éviter la magnétisation de la bobine de self Dr par le courant de charge, à maintenir en même temps dans des limites admissibles le courant alternatif de circulation occasionné dans le système par l'iné- galité des valeurs momentanées des tensions des redresseurs et des onduleurs allumés, et par suite aussi à laisser une certaine latitude pour 1 instant d'allumage de ces deux tensionso
Le courant alternatif de circulation est d'autant plus intense que l'avance ou le retard à l'allumage du groupe onduleur ou du groupe re- dresseur est plus grande,
pour l'avance à l'allumage il y a lieu de ménager une certaine réserve de commutation pour les fluctuations de la tension ar- rivant du réseau à 50 périodes lorsque plusieurs mutateurs travaillent en parallèle, et -pour.la déionisation des grilles. Cette réserve donne un excédent de la tension de redresseur allumée par rapport à la tension d'on=. duleur allumée Cet excédent agissant toujours dans le même sens dans les deux groupes, savoir dans lessens du courant continu porteur, il est le bienvenu et convient pour le maintien de ce dernier.
Il est cependant encore trop fort pour cet usage et doit être corrigé en retardant l'instant d'al- lumage du système qui travaille en redresseuro La chute de tension ohmi- que et la chute inductive dans le circuit du courant continu porteur sont proportionnels à la somme des courants dans le redresseur et l'onduleur' donc au courant continu porteur lui-même, et dès lors indépendants du cou- rant d'utilisation. Par suite, un réglage à point fixe de l'instant d'allu- mage du.redresseur et de l'onduleur donnera pour le courant continu porteur une valeur déterminée, .
Il est loisible, soit de maintenir invariable, pour des motifs de simplicité, le point d'allumage des deux tensions, soit, pour réduire les pertes fonction du courant dans le mutateur, de régler, pour un minimum de pertes les points d'allumage et par suite le courant continu¯ porteur en fonc- tion de la charge c'est-à-dire de faire ainsi le courant porteur égal en per- manence à la moitié de l'amplitude du courant alternatif variable d'utilisa- tiono A la Fig. 3, ces phénomènes sont représentés au moment de la commuta- tiono Les courbes a1, b1, c1 représentent trois courbes consécutives de la tension à 50 périodes arrivant des deux groupes identiques de récipients de décharge Ml, M2.
Soit C le point où s'allume l'anode de la tension bl du système onduleur, après quoi la tension résultante des onduleurs prend par suite du recouvrement la forme ABFED, l'aire de tension CBFEG étant propor- tionnelle à la valeur de crête du courant commutée Lorsque les enroulements relatifs aux deux groupes de récipients de décharge sont complètement sépa- rés, la tension continue évolue, après comme avant, selon l'allure correspon- dant à la courbe AGD, de sorte qu'il reste une aire de tension en excédent ABFEDGA qui agit dans le sens du courant continu porteur et maintient ce der- nier. A cet effet, il suffirait toutefois d'une faible réserve GFD', atten- du que celle-ci n'a plus à couvrir que la chute ohmique et la chute dans l'arc du courant continu porteur dans le circuit des récipients de décharge.
Mais
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en outre, il faut que la réserve de commutation FD soit au moins égale à la durée maximum de déionisation des grilles de commande. Il s'avère que l'excédent de tension dans le groupe des redresseurs est trop grand pour le maintien du courant continu porteur. Pour y remédier, le point d'allu= mage L pour la commutation du groupe redresseur peut être un peu retardé, de sorte que l'aire DLKNOJD qui fait défaut à l'aire de tension des redresseurs compense l'excédent indésiré. Un accroissement du courant des onduleurs dé- place le point F vers la droite, l'accroissement du courant des redresseurs déplace le point N vers la droite également.
Si le point D de la Fig. 3 coin- cide avec les points-.arbitrairement choisis DI, DII de la Figo 2, la Fig. 2 fait voir que la somme des courants dans les branches contenant les onduleurs et les redresseurs est constante et égale au double du courant continu por- teur. Cela signifie qu'à un accroissement du courant dans l'un des groupes correspond une diminution dans l'autre groupe, ou que si, dans la Figo 3, le point F se déplace dans un sens, le point N se déplace dans le sens oppo- séo On en conclut que l'excédent de tension qui maintient le courant conti- nu porteur est indépendant du courant alternatif d'utilisation et ne dépend que de la position des points d'allumage de la tension des redresseurs et des onduleurs. Le dispositif suivant Fig.
1 permet indifféremment l'em- ploi de récipients de décharge mono-anodiques et de récipients à plusieurs anodes. Les enroulements secondaires f1, f2 du transformateur sont traver- sés tant par le courant d'utilisation que par le courant porteur,, Pour ré- duire la puissance apparente spécifique et les pertes de l'installation, il faut essayer de donner au circuit du courant d'utilisation comme aussi au circuit du c-ourant porteur la plus faible longueur possible, et d'utiliser le mieux possible les enroulements du transformateur. C'est en faisant ap- pel à des mutateurs monoanodiques que ce résultait s'atteint le mieux.
Si en employant des mutateurs monoanodiques on permute l'ordre de succession de l'enroulement du transformateur et du mutateur, on peut réunir les deux enroulements t1, t2 du transformateur en un seul, comme représenté à la Fig.4.
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MUUTATOR TO CONVERT ALTERNATIVE CURRENT INTO ALTERNATIVE CURRENT-OF 'FREQUENCY-DIFFERENT.
In the conversion of polyphase current of one frequency into single-phase alternating current of different frequency, the mutator must supply half-waves of current alternately in one direction and in the opposite direction Thus, it is necessary that the mutator has two groups, equal to each other, of relief valves or receptacles. Since the consumer network generally comprises reactive power, the current of the consuming devices is out of phase with the voltage, so that the direction of the current at each point of the voltage curve is not well determined.
Consequently, depending on the magnitude and the sign of the phase shift @, the current and consequently the instantaneous value of the power of the mutator can, at each point of the voltage curve, have a certain direction or the opposite direction But as, according to the direction of energy, the control of the grids of the discharge container must be set for operation as a rectifier or as an inverter, this control of the grids must be made a function of the phase shift and of the current delivered to the consumer., The direction of the voltage supplied by the rectifier or the inverter varying in rhythm with the secondary frequency of the-mutator,
each group of discharge vessels must periodically change its working mode.
The present invention relates to a mutator for converting alternating current of a certain frequency into alternating current of a different frequency by using for the production of the alternating current intended for the consumers at least two groups of discharge vessels with controlled grids working alternately. as rectifiers and as inverters.
According to the invention, with the aim of making the control of the grills of the discharge vessels independent of the power factor of the user devices, but dependent on the direction of the instantaneous value of. the secondary voltage, one of the groups is actuated at all times as a rectifier and the other simultaneously as an inverter, and the groups alternate their function periodically at the rate of the secondary frequency.
In addition, the two groups are connected to each other by a choke limiting the current
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alternating circulation of harmonics, inductor whose midpoint forms one of the poles of the consumer circuit, and the difference between the operating voltage in rectifier and the operating voltage in inverter of the two groups is chosen so that , to the alternating current of use which is divided by half in the two groups, a direct current carrying at least equal to half the amplitude of the current of use is superimposed, so that 'at any time there is at least one discharge receptacle in each group to be traversed by current.
The invention will be explained below with reference to the appended drawing,
where Figo 1 shows the principle diagram of the mutator according to the invention and Figo 4 a simplified assembly diagram for its realization, Figs 2 and 3 are current and voltage diagrams, and Figo 5 shows the constitution of the alternating voltage of use. Figo 6 shows another embodiment.
Fig. 1 shows a mutator intended to convert three-phase current at 50 periods supplied by the network P into single-phase current at 16 2/3 periods, to supply the consuming device V from the user network So The transformer T of the mutator has the secondary windings tl, t2 which, via the two groups of discharge receptacles M1, M2 supply the consuming device V per year, mounting in ponto The discharge receptacles of the two groups are mounted in opposition o As discharge receptacles enter this includes discharge vessels in gas or vapor atmospheres, with control grids mounted in front of the anodes.
To facilitate the understanding of the explanation which will be given of the operation of the mutator, there is shown separately, in Figo 1, the secondary windings which supply the groups of discharge receptacles.
The two discharge receptacles M1, M2 work alternately, one as a rectifier and the other as an inverter;
the voltages which they supply do indeed have their equal mean values, but not their instantaneous values o As a result of the assembly in opposition of the voltage half-waves in the circuits which supply the consuming apparatus V and contain the two groups of discharge receptacles M1 , M2 there remains, in the external circuit which closes on them @ the consuming apparatus, an electromotive force of free harmonics which produces in this circuit an alternating current circulating.
Due to the ignition advance linked to the switching reserve required for the inverter, this circulating current would take on inadmissible values, so that it is necessary to limit it by a coil. self Dro The latter opposes any variation of the ampere-turns which magnetize it In the present case, this means that the alternating current, coming from the circuit of use and going towards the midpoint of the coil of choke Dr, would like to pass halfway in each of the two winding branches * of this Dro coil If this possibility is lacking, the choke represents an unwanted large carrier of reactive power,
From this results the need to create the alternating current of the consumer circuit free passage in the two branches despite the valve effect of the discharge containers. This is achieved by superimposing the consumption current which passes through the containers. discharges a carrying direct current of intensity at least equal to half of the amplitude of said alternating current of consumption o In this way we obtain that the free passage through the choke coil is ensured for the alternating currents of the two groups of receptacles discharge and that this coil does not form an undesirable carrier of reactive power.
The direct current carrier is indicated in the diagram Figo 1 by the arrows a, b ,, c, do The current which, in the consumer circuit, is superimposed on the direct current carrier, is indicated for one of the groups of receptacles of unloading by arrows e, f, g, and for the other group, by arrows h, i, c. This results in the voltage and current conditions shown in FIG. 2.
The curve [alpha] shows the shape of the alternating voltage in the two circuits comprising the discharge vessels and in the user circuit; the curve / $ shows the voltage in the user circuit, and the curves' and 5 respectively show the currents in the power circuits.
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mented by the two groups of discharge receptacles o The representation is made by admitting as a positive direction, the direction chosen for the half-wave of the current of use according to the arrows e, f and h, io We have assumed in besides that the direct current carrier is equal to half of the amplitude of the alternating current of use.
With respect to the carrier direct current, at the moment considered when the indicated tension acts from top to bottom on the user device, the group of the discharge vessel M1 works as an inverter and the group of M2 as a rectifier But relatively to the current consumption, the two groups work in time as rectifiers, and in time y as inverters ,, But since the resulting current in the discharge receptacles always has the direction of direct current, at the moment considered , the M1 group works as an inverter, the M2 group as a rectifier, and this for the entire duration of the considered voltage half-wave, independently of the phase shift of the operating current, - following voltage wave, where the alternating voltage supplied is in the opposite direction,
the direction of the direct current carrier remains unchanged, so that the two groups exchange their functions o These two groups then conduct not only alternately, but permanently, of the current In this way we succeed in avoiding the magnetization of the coil of choke Dr by the load current, to maintain at the same time within admissible limits the alternating current of circulation caused in the system by the inequality of the momentary values of the voltages of the rectifiers and the inverters on, and consequently also to leave a certain latitude for 1 instant of ignition of these two voltages o
The alternating current circulating is all the more intense as the advance or delay in switching on the inverter group or rectifier group is greater,
for the ignition advance, a certain switching reserve should be made for the fluctuations of the voltage arriving from the network at 50 periods when several mutators are working in parallel, and -for the deionization of the gates. This reserve gives an excess of the voltage of the rectifier switched on over the voltage of on =. duleur on This excess always acting in the same direction in the two groups, namely in the direction of the direct current carrier, it is welcome and suitable for the maintenance of the latter.
It is however still too strong for this use and must be corrected by delaying the ignition instant of the system which works in rectifier o The ohmic voltage drop and the inductive drop in the carrier direct current circuit are proportional to the sum of the currents in the rectifier and the inverter 'therefore to the carrier direct current itself, and therefore independent of the current of use. Consequently, a fixed-point adjustment of the instant of ignition of the rectifier and the inverter will give a determined value for the direct current carrier,.
It is possible either to keep the ignition point of the two voltages invariable, for reasons of simplicity, or, to reduce the losses as a function of the current in the mutator, to adjust the ignition points to a minimum of losses. and consequently the direct current carrier as a function of the load, that is to say to thus make the carrier current equal permanently to half the amplitude of the variable alternating current of use. Fig. 3, these phenomena are represented at the time of switching. Curves a1, b1, c1 represent three consecutive curves of the voltage at 50 periods arriving from two identical groups of discharge vessels M1, M2.
Let C be the point where the anode of the voltage bl of the inverter system lights up, after which the resulting voltage of the inverters takes as a result of the overlap the form ABFED, the voltage area CBFEG being proportional to the peak value of the switched current When the windings relating to the two groups of discharge receptacles are completely separated, the direct voltage changes, afterwards as before, according to the shape corresponding to the AGD curve, so that an area of excess voltage ABFEDGA which acts in the direction of the carrier direct current and maintains it. For this purpose, however, a small reserve GFD 'would suffice, as long as this only has to cover the ohmic drop and the drop in the arc of the direct current carrier in the circuit of the discharge vessels. .
But
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in addition, the switching reserve FD must be at least equal to the maximum duration of deionization of the control gates. It turns out that the excess voltage in the rectifier group is too large to maintain the carrier direct current. To remedy this, the ignition point L for switching the rectifier group can be slightly delayed, so that the area DLKNOJD which is lacking in the voltage area of the rectifiers compensates for the unwanted excess. An increase in the current of the inverters shifts point F to the right, an increase in the current of the rectifiers moves point N to the right as well.
If point D in Fig. 3 coincides with the arbitrarily chosen points DI, DII of FIG. 2, FIG. 2 shows that the sum of the currents in the branches containing the inverters and rectifiers is constant and equal to twice the carrying direct current. This means that an increase in current in one of the groups corresponds to a decrease in the other group, or that if, in Figo 3, point F moves in one direction, point N moves in direction opposeo We conclude that the excess voltage which maintains the carrier direct current is independent of the alternating current of use and depends only on the position of the voltage ignition points of the rectifiers and inverters. The device according to Fig.
1 allows the use of mono-anode discharge vessels and of vessels with several anodes. The secondary windings f1, f2 of the transformer are crossed by both the operating current and the carrier current ,, To reduce the specific apparent power and the losses of the installation, it is necessary to try to give the circuit use current as also to the carrier current circuit the shortest possible length, and to use the transformer windings as best as possible. This is best achieved by using monoanodic mutators.
If, by using monoanode mutators, the order of succession of the winding of the transformer and of the mutator is swapped, the two windings t1, t2 of the transformer can be combined into one, as shown in Fig. 4.