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" Dispositif d'excitation pour la stabilisation de la tension alternative engendrée par les génératrices synchrones**
La présente invention concerne un dispositif d'exci- tation pour la stabilisation de la tension alternative engendrée par les génératrices synchrones,
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Dans des dispositifs d'excitation connus, le courant d'excitation variable avec la tension (excitation à vide) et le courant d'excitation variable avec le courant (excitation en charge) sont additionnas vectoriellament respectivement par l'intermédiaire de selfs à entrefer et de transformateurs, et fournissent, par l'entremise d'un redresseur, un courant d'ex- citation surimposa au bobinage d'excitationde la génératrice;
Dans ces dispositifs d'excitation connus, l'exci- tation est généralement réglée pour les conditions de service nominales, c'est-à-dire pour les valeurs nominales, telles que la tension, l'intensité de courant, le nombre de tours , la fréquence et le degré de réchauffement des bobinages. Il est, dans ce cas, tenu compte de l'excitation requise pour la satura tion magnétique en service nominal.
On sait toutefois que dans les machines à haut degré de saturation magnétique, cette dernière varie fortement avec le facteur de puissance en cas de charge, d'où l'inconvénient que ces dispositifs d'excitation connus accusent une inconstance relativement forte de la tension dans les cas où le facteur de puissance diffère de sa valeur nominale. L'excitation préréglée n'est pas capable de s'adapter aux variations de la saturation magnétique de la machine et, par conséquent, de produire avec une précision suffisante l'excitation requise pour la stabili- sation de la tension alternative engendrée par la génératrice.
D'autre part, les écarts de la tension peuvent avoir, : des conséquences nuisibles en cas de charge partielle, en rai- son du fait que l'excitation partielle requise pour la satura- tion magnétique de la machine n'est pas rigoureusement propor- tionnelle au courant de charge.
De plus, les dispositifs d'excitation du genre précé- dent ne sont pas en mesure de tenir compte d'autres facteurs
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perturbateurs, tels que les écarts du nombre de tours ou de la température du bobinage d'excitation des wleurs nominale. ;: correspondantes, C'est pour cela qu'on s'est vu obligé de munir les dispositifs d'excitation en question de plusieurs systèmes de réglage fin auxiliaires en vue du réglage du cou- rant d'excitation à l'entrée du système de redressement (côté alternatif).
Un des inconvénients de ce réglage du côté alterna-* tif consiste toutefois en ce qu'il exige une mise en oeuvre relativement importante de matériaux. C'est ainsi que, par exemple, le réglage habituel de la réactance dans le circuit' . d'excitation vide exige une puissance de réglage relativement importante pour maintenir la capacité de réglage du coté de la résultante vectorielle, c'est-à-dire dans le bobinage d'excitation.
Dans les cas de charge purement ohmique, l'excitation vide et celle en charge sont déphasées de 90 l'une par rap- port l'autre. La composante 4 vide doit alors, dans de nom.. breux cas, être fortement modifiée et l'influence exercée sur le courant d'excitation (courant dans le rotor 4 pièces polai. res) est faible.
Il s'ensuit que, dans les cas où l'excitation sous charge est relativement importante par rapport Celle % vide et la charge est purement ohmique, les réglages supplémen- taires de ce genre exigent une mise en oeuvre relativement im- portante de matériaux pour pouvoir effectuer la stabilisation de la tension alternative avec la précision voulue,
Or, la présente invention a pour objet une stabilisa- tion particulièrement efficace de la tension alternative engen- drée par les génératrices synchrones, et cela indépendamment de la température du bobinage d'excitation, des petites varia.';
. lions de nombre de tours par rapport sa valeur nominale et du rapport défavorable entre l'excitation variable en fonction .
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de la tension et celle variable en fonction du courant. L'inven- tion vise, d'autre part, cet effet, l'emploi d'un dispositif d'excitation perfectionné non moins efficace que les dispositifs d'excitation habituels,et cela avec une mise en oeuvre sensi- blement moindre de matériaux.
A cet effet, le dispositif d'excitation selon l'inven- tion fournit, d'une part, une puissance d'excitation supérieure celle requise pour la seule stabilisation de la tension alter- native engendrée par la génératrice synchrone et est, d'autre part, muni la sortie du redresseur, c'est--dire du coté con- tinu, d'un circuit shunt connecté en parallèle avec le bobinage d'excitation par l'entremise d'un commutateur électronique, et c'ela de telle manière que l'excès de puissance fourni par le dispositif d'excitation et variable avec la charge est dérivé dans ledit circuit shunt, et que la puissance d'excitation, re- quise pour la stabilisation de la tension alternative engendrée par la génératrice,
se trouve intégralement à la disposition du ' bobinage d'excitation.
Ledit circuit shunt peut, suivant un autre mode d'exécution de l'invention, également être connecté en parallè- le avec une partie du bobinage d'excitation de la génératrice, ce.qui s'avère particulièrement utile, par exemple, lorsque la demi-tension excitatrice crée de meilleures conditions de aer- vice pour le commutateur électronique.
Le circuit shunt contient, selon l'invention, des résistances ohmiques, inductives et capacitives et/ou des com- binaisons de ces différentes résistances, et peut également se - composer de plusieurs circuits connectés en parallèle.
La tension de la génératrice ou une tension ropor- tionnelle celle-ci est appliquée au dit circuit shunt au moyen de commutateurs électroniques appropriés, tels que des transis-
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tors de commande et/ou des redresseurs. Les circuits de Meure et d'amplification sont du type habituel et la fréquence de
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commutation dos coEMuthteurs électroniques est de préférence choisie de telle manière que la tension d'excitation contient le moins possible d'harmoniques et qu'on évite les oscilla- '
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%iono périodiques de la tenaion ongendrde par la gdnératrico,,"4" La puissance d'excitation fournie par le dispositif r,, en que3tiun doit être calculée de mniere % er4er l'excitation",
requise h la puissance maximua , la tension maximum et au / 1<>, nombre de tours minimum et, de plus, indépendamment du facteur, de puissance, afin de garantir qu'une énergie d'excitation
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suffisante soit disponible à toutes les charges, ¯(
La résistance du ou des circuits shunt et la puissance du ou des commutateurs électroniques sont choisies de telle
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manière qu'à la tension minimum et au nombre de tours tsexir , ' et, de plus, indépendamment du facteur de puissance dans tout le domaine partir de la marche à vide jusqu'% la puissance maximum engendr6e par la génératrice, une partie suffisante de la puissance d'excitation fournie en excès est introduite dans
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le circuit shunt,
pour que seule la puisabee d'excitation nuecessaire à la stabilisation de la tension alternative engendrée par la génératrice se trouve à la disposition du bobinage d'excitation.
Suivant un mode d'exécution ultérieur de l'invention, un ou plusieurs redresseurs auxiliaires sont, du côté alterna- tif, connectes en parallèle avec le redresseur principal, de
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manière 4 alimenter le circuit shunt du c6té continu. Ce nyotb- me permet, dans certains cas, de choisir un redresseur princi- pal d'un type plus réduit.
Les caractéristiques et avantages du dispositif d'ex- citation perfectionné selon la présente invention ressortiront
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plus clairement de la description détaillée suivante, Illustrés par le dessin annexa,
La figura 1 du dessin annexé représente, de asaniâre schématique, un mode d'exécution du dispositif d'excitation selon l'invention. Une tension alternative est engendrée par une génératrice synchrone 1 et un dispositif d'excitation 2 fournit une puissance d'excitation composée d'une partie invaria- ble et d'une partie variable avec la charge.
Cette puissance d'excitation est fournie,par l'entremise d'un redresseur 3, à un bobinée d'excitation et une résistance 5 connectée en parallèle avec ce dernier; un commutateur électronique 6 étant connecta en série avec cette résistance 5. Ledit commutateur électronique 6 est connecté, en fonction de la tension alter- native engendrée, par la génératrice, au moyen d'un circuit de mesure et d'un amplificateur 8.
Le dispositif d'excitation selon l'invention, décrit ci-dessus, fonctionne de la manière suivante
L'intensité Jgl du courant d'excitation continu , four- ni par le dispositif d'excitation 2 par l'entremise du redrea- 'seul' 3, est réglée, une fois pour toutes, une valeur suffi- samment élevée pour pouvoir faire face toutes les charges et tous les cas de perturbation (variations du facteur de puis- sance; légères variations du nombre de tours et donc de la fréquence par rapport aux valeurs nominales correspondantes; variations du degré de réchauffement des bobinages) qui peuvent se présenter.
Le schéma de connexions de la figure 2 montre que le courant redressé Jgl est, pour les cas de charge normale, plus fort que le courant d'excitation Je requis pour la stabilisa- tion de la tension alternative engendrée par la génératrice.
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Un courant dérivé Jp ,d'intensité variablesuivant la charge, traverse, parallèlement au bobinage d'excitation 4, le circuit shunt, qui comprend une résistance chmique 5 et le commutateur.
.' électronique!. Ce courant Jp dans le circuit shunt est, de toutes façons, suffisamment fort pour qu'un courant d'excita- tion d'intensité appropriée Je soit mis la disposition de la génératrice en vue de la stabilisation de la tension engen- drée. La résistance 1 et la fréquence de commutation du com- mutat eur électrique 6 sont choisies de telle manière que le courant d'excitation Je est pratiqu eme nt dépourvu d'harmoniques, afin d'éviter les petites variations correspondantes de la tension engendrée par la génératrice.
Le commutateur électronique 6 est un appareil % tran- sistors ou % cellules au silicium réglables, Le mode de con- nexion a été choisi parmi ceux habituellement employés dans, la techinque des connexions.
Le commutateur électronique 6 est connecté, sous l'influence de la tension alternative engendrée par la géné- ratrice, par l'intermédiaire du circuit de mesure ? et de l'am- plificateur 8. Une comparaison entre la valeur nominale et la' valeur obtenue est établie dans le circuit de mesure 7. Lorsque la valeur nominale de la tension est dépassée, l'amplificateur
8 ferme le commutateur 6, ce qui donne lieu un affaiblisse- ment du courant d'excitation Je. Si, au contraire, la tension tombe sous la valeur nominale, l'amplificateur ouvre le com- mutat eur électronique 6, ce qui provoque un renforcement du courant d'excitation Je.
La conséquence en est une stabilisa- tion particulièrement efficace de la tension alternative engen- drée par la génératrice. la constance de la tension dépend uniquement du circuit de mesurer, muni d'un système de mesure
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habituel indépendant de la fréquence, de manière que la tension est maintenue constante indépendamment des petits écarta du nombre de tours par rapport la valeur nominale. Le réchauffe- ment des enroulements reste sans influence sur la constance de la tension.
.Les figures 3 et 4 représentent l'addition vectorielle courants respectivement en cas de charge purement ohmique et en cas.de charge purement active. Le courant d'excitation indépendant de la charge et celui dépendant de la charge sont respectivement représentes par les symboles Jo et J1. Ces schémas vectoriels montrent clairement que le dispositif d'exci- ' talion selon la présente invention fonctionne indépendamment du rapport Jo/J1 et présente le grand avantage que le courant d'excitation résultant 4 la sortie du redresseur (cote continu) peut influencer directement le courant d'excitation Je dans le rotor 4 pièces polaires, lequel, en fin de compte, décide de la constance de la tension alternative engendrée par la généra- trice.
Suivant un autre mode d'exécution de l'invention, le circuit shunt n'est branché en parallèle qu'avec une partie' du bobinage d'excitation. C'est ainsi que, par exemple, tous les pôles nord d'excitation et tous les pôles sud d'excitation de la machine peuvent être connectés en série. On obtient ainsi ,au moins trois bagues d'excitation et le circuit shunt est ,par exemple, connecté en parallèle avec les bagues d'excitation des pôles nord.
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"Excitation device for the stabilization of the alternating voltage generated by synchronous generators **
The present invention relates to an excitation device for stabilizing the alternating voltage generated by synchronous generators,
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In known excitation devices, the variable excitation current with the voltage (no-load excitation) and the variable excitation current with the current (on-load excitation) are vectorially added respectively via air-gap chokes and transformers, and supply, through a rectifier, an excitation current superimposed on the excitation winding of the generator;
In these known excitation devices, excitation is generally set for nominal operating conditions, that is to say for nominal values, such as voltage, current intensity, number of revolutions. , the frequency and the degree of heating of the windings. In this case, account is taken of the excitation required for magnetic saturation in nominal service.
However, it is known that in machines with a high degree of magnetic saturation, the latter varies greatly with the power factor in the event of a load, hence the disadvantage that these known excitation devices show a relatively high volatility in the voltage in cases where the power factor differs from its nominal value. The pre-set excitation is not able to adapt to variations in the magnetic saturation of the machine and, therefore, to produce with sufficient precision the excitation required for the stabilization of the alternating voltage generated by the generator. .
On the other hand, voltage deviations can have harmful consequences in the event of partial load, due to the fact that the partial excitation required for the magnetic saturation of the machine is not strictly proportional. - related to the load current.
In addition, excitation devices of the above type are not able to take into account other factors.
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disturbing factors, such as deviations in the number of turns or in the temperature of the excitation winding of the nominal values. ;: corresponding, This is why we were obliged to provide the excitation devices in question with several auxiliary fine-adjustment systems for the purpose of adjusting the excitation current at the input of the system recovery (alternating side).
One of the drawbacks of this adjustment on the alternative side, however, is that it requires a relatively large use of materials. This is how, for example, the usual adjustment of the reactance in the circuit '. empty excitation requires a relatively large adjustment power to maintain the adjustment capacity on the side of the vector resultant, that is to say in the excitation winding.
In cases of purely ohmic load, the empty excitation and the load excitation are out of phase by 90 with respect to the other. The vacuum component 4 must then, in many cases, be greatly modified and the influence exerted on the excitation current (current in the 4 pole piece rotor) is small.
It follows that, in cases where the excitation under load is relatively large compared to that% vacuum and the load is purely ohmic, additional adjustments of this kind require a relatively large use of materials for be able to stabilize the alternating voltage with the desired precision,
Now, the object of the present invention is a particularly effective stabilization of the alternating voltage generated by the synchronous generators, and that independently of the temperature of the excitation winding, of small variations.
. lions of number of turns compared to its nominal value and of the unfavorable ratio between the variable excitation in function.
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voltage and the variable depending on the current. The invention aims, on the other hand, for this effect, the use of an improved excitation device no less effective than the usual excitation devices, and this with a significantly less use of materials. .
To this end, the excitation device according to the invention supplies, on the one hand, an excitation power greater than that required for the sole stabilization of the alternating voltage generated by the synchronous generator and is, of on the other hand, equipped with the output of the rectifier, that is to say on the DC side, with a shunt circuit connected in parallel with the excitation winding by means of an electronic switch, and that of such that the excess power supplied by the excitation device and variable with the load is derived in said shunt circuit, and that the excitation power required for stabilization of the alternating voltage generated by the generator,
is entirely at the disposal of the excitation winding.
Said shunt circuit can, according to another embodiment of the invention, also be connected in parallel with a part of the excitation coil of the generator, which proves to be particularly useful, for example, when the half-voltage exciter creates better operating conditions for the electronic switch.
The shunt circuit contains, according to the invention, ohmic, inductive and capacitive resistors and / or combinations of these different resistors, and can also consist of several circuits connected in parallel.
The generator voltage or a proportional voltage thereof is applied to said shunt circuit by means of suitable electronic switches, such as transistors.
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control tors and / or rectifiers. The Meure and amplification circuits are of the usual type and the frequency of
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switching of the electronic coEMuthteurs is preferably chosen such that the excitation voltage contains as few harmonics as possible and that oscillations are avoided.
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Periodic% iono of the tenaion ongendrde by the generator ,, "4" The excitation power supplied by the device r ,, in que3tiun must be calculated to miniere% er4er the excitation ",
required h the maximum power, the maximum voltage and at / 1 <>, the minimum number of revolutions and, moreover, independently of the factor, of power, in order to guarantee that an excitation energy
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sufficient is available at all loads, ¯ (
The resistance of the shunt circuit (s) and the power of the electronic switch (s) are chosen such
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so that at the minimum voltage and at the number of turns tsexir, 'and, moreover, independently of the power factor in the whole range from idling up to the maximum power generated by the generator, a sufficient part of the excitation power supplied in excess is introduced into
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the shunt circuit,
so that only the excitation well needed for stabilizing the alternating voltage generated by the generator is available to the excitation winding.
According to a further embodiment of the invention, one or more auxiliary rectifiers are, on the AC side, connected in parallel with the main rectifier, from
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way 4 feed the shunt circuit from the DC side. This nyotbme allows, in certain cases, to choose a main rectifier of a smaller type.
The characteristics and advantages of the improved excitation device according to the present invention will emerge.
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more clearly from the following detailed description, illustrated by the accompanying drawing,
Figure 1 of the accompanying drawing shows, schematically asaniâre, an embodiment of the excitation device according to the invention. An alternating voltage is generated by a synchronous generator 1 and an excitation device 2 supplies an excitation power composed of an invariable part and a part which varies with the load.
This excitation power is supplied, through a rectifier 3, to an excitation coil and a resistor 5 connected in parallel with the latter; an electronic switch 6 being connected in series with this resistor 5. Said electronic switch 6 is connected, as a function of the alternating voltage generated, by the generator, by means of a measuring circuit and of an amplifier 8.
The excitation device according to the invention, described above, operates as follows
The intensity Jgl of the direct excitation current, supplied by the excitation device 2 via the redrea- 'alone' 3, is set, once and for all, to a sufficiently high value to be able to make face all loads and all disturbances (variations in the power factor; slight variations in the number of turns and therefore in the frequency compared to the corresponding nominal values; variations in the degree of heating of the windings) which may occur.
The circuit diagram of FIG. 2 shows that the rectified current Jgl is, for normal load cases, greater than the excitation current Je required for the stabilization of the alternating voltage generated by the generator.
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A derivative current Jp, of variable intensity following the load, crosses, parallel to the excitation coil 4, the shunt circuit, which comprises a chemical resistance 5 and the switch.
. ' electronic!. This current Jp in the shunt circuit is, in any case, sufficiently strong for an excitation current of suitable intensity I to be made available to the generator with a view to stabilizing the voltage generated. Resistance 1 and the switching frequency of electric switch 6 are chosen such that the excitation current I is practically devoid of harmonics, in order to avoid the corresponding small variations in the voltage generated by the generator.
The electronic switch 6 is an apparatus% transistors or% adjustable silicon cells. The connection mode has been chosen from those usually employed in connection technology.
The electronic switch 6 is connected, under the influence of the alternating voltage generated by the generator, through the measuring circuit? and amplifier 8. A comparison between the nominal value and the obtained value is made in the measuring circuit 7. When the nominal value of the voltage is exceeded, the amplifier
8 closes switch 6, resulting in a weakening of the excitation current I. If, on the contrary, the voltage falls below the nominal value, the amplifier opens the electronic switch 6, which causes a strengthening of the excitation current I.
The consequence is a particularly effective stabilization of the alternating voltage generated by the generator. the constancy of the voltage depends only on the measuring circuit, provided with a measuring system
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usual independent of the frequency, so that the voltage is kept constant regardless of the small deviations of the number of turns from the nominal value. The heating of the windings has no effect on the constancy of the voltage.
Figures 3 and 4 represent the vector addition currents respectively in the case of a purely ohmic load and in the case of a purely active load. The excitation current independent of the load and that depending on the load are respectively represented by the symbols Jo and J1. These vector diagrams clearly show that the excitation device according to the present invention operates independently of the Jo / J1 ratio and has the great advantage that the resulting excitation current at the output of the rectifier (DC rating) can directly influence the output. excitation current I in the 4 pole piece rotor, which ultimately decides the constancy of the alternating voltage generated by the generator.
According to another embodiment of the invention, the shunt circuit is only connected in parallel with part of the excitation winding. This is how, for example, all the north excitation poles and all the south excitation poles of the machine can be connected in series. At least three excitation rings are thus obtained and the shunt circuit is, for example, connected in parallel with the excitation rings of the north poles.
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