Installation électrique pour corriger les oscillations de la tension aux bornes d'un circuit à courant continu alimenté par l'intermédiaire d'un redresseur de courant alternatif. La présente invention se rapporte à une installation électrique pour corriger les oscil lations de la tension aux bornes d'un circuit à courant continu alimenté par l'intermédiaire d'un redresseur de courant alternatif.
On sait que la tension fournie par un redresseur de courants alternatifs présente des oscillations périodiques autour de sa valeur moyenne.
En fait, on peut considérer que cette ten sion se compose d'une tension rigoureusement continue, égale à cette valeur moyenne, et d'une tension alternative égale à la diffé rence entre la tension totale du redresseur et la tension de valeur moyenne. C'est la composante alternative de la tension du redresseur qui détermine des oscillations pé riodiques du courant débité et entraîne une gêne pour l'application du redresseur. Par exemple, ces oscillations induisent des cou- rants parasites et perturbateurs dans les lignes téléphoniques qui avoisinent les lignes du réseau à courant continu; elles échauffent la masse magnétique des moteurs à courant continu et elles peuvent troubler la commu tation de ces moteurs.
On s'est naturellement efforcé par divers moyens d'amortir la composante alternative de la tension des redresseurs. On intercale, par exemple, à cet effet, une bobine de self- induction de grande réactance et de faible résistance dans le circuit alimenté par le redresseur. Cette bobine, parcourue par le courant total débité, développe sous l'effet des oscillations du courant une force contre- électromotrice de self-induction qui s'oppose à la composante alternative de la tension du redresseur.
Toutefois, on ne réussit pas à amortir cette dernière complètement de cette façon, parce que la bobine ne développe la force électromotrice d'amortissement que s'il subsiste une oscillation du courant qui la parcourt. Pour obtenir un amortissement par fait, il faudrait une bobine de dimensions infinies.
On a aussi, dans le même but, installé une batterie d'accumulateurs en dérivation du circuit alimenté par le redresseur. La force électromotrice de la batterie forme toutefois un barrage pour la composante continue de la tension du redresseur, tandis que la com posante alternative fait circuler un courant alternatif dans la batterie. Le rôle de la batterie revient donc à court-circuiter le redresseur au point de vue de la composante alternative de- sa tension. Or, pour que l'amortissement soit suffisant, la résistance intérieure de la batterie tampon doit être négligeable par rapport à la résistance du circuit alimenté par le redresseur et la bat terie doit présenter de très grandes dimen sions, ce qui est peu pratique.
On a aussi essayé de remplacer la bat terie d'accumulateurs par un moteur à cou rant continu présentant une faible impédance intérieure, mais cela s'est prouvé encore moins pratique, en raison de la difficulté de construire un moteur qui ait une impédance négligeable par rapport à celle du circuit alimenté par le redresseur.
Il a aussi déjà été proposé d'utiliser des combinaisons de self-induction et de capacités pour court-circuiter le redresseur par rapport à la composante alternative de sa tension. Ces circuits d'amortissement sont montés en dérivation aux bornes du circuit d'utilisation, directement ou par l'intermédiaire d'un trans formateur; leur fréquence de résonance élec trique est celle de la composante alternative de la tension du redresseur ou de ses harmo niques, de sorte qu'ils offrent un chemin facile au courant qu'y fait circuler ladite composante. L'amortissement des oscillations qui en résulte est cependant imparfait parce que l'énergie perdue dans les circuits dérivés est fournie aux dépens d'une oscillation rési duelle de la tension du redresseur.
On a aussi eu recours à un transforma teur auxiliaire, dont l'enroulement secondaire est inséré dans le circuit d'utilisation, tandis que l'enroulement primaire est inséré dans un circuit comprenant un condensateur et dérivé aux bornes du circuit d'utilisation. Il se développe dans l'enroulement secondaire du transformateur une force électromotrice opposée à la composante alternative de la tension du redresseur, qui équilibre plus ou moins bien celle-ci. -Le condensateur du cir cuit primaire empêche le passage du courant continu dans ce circuit. Ainsi,- on obtient un résultat imparfait, parce que l'énergie corres pondant aux pertes doit être fournie par une oscillation résiduelle de la tension appliquée au circuit d'utilisation.
Enfin, on a aussi proposé d'employer un transformateur auxiliaire dont l'enroulement secondaire est inséré dans le circuit d'uti lisation, mais dont l'enroulement primaire est excité par un courant alternatif, débité par des lampes à trois électrodes. L'émis sion électronique de ces lampes dépend de la tension instantanée du redresseur. La force électromotrice développée dans l'enrou lement secondaire du transformateur auxiliaire équilibre la composante alternative de la. tension du redresseur. On peut pousser très loin l'amortissement des oscillations; parce que l'excitation des grilles des lampes triodes n'absorbe qu'une énergie insignifiante.
Cepen dant, l'emploi des lampes triodes n'est pra tique que si la puissance qu'on leur demande est relativement fsible comme, par exemple, lorsqu'il s'agit d'amortir les harmoniques qui troublent les communications téléphoniques dans le voisinage d'un réseau alimenté par des redresseurs hexaphasés; par contre, dans le cas d'un redresseur à deux anodes, l'em ploi des lampes triodes n'est plus pratique, parce que la puissance déwattée qu'elles doivent fournir au transformateur est trop importante.
L'installation faisant l'objet de la présente invention ne présente pas les inconvénients précités. Elle se caractérise par un transfor mateur dont l'enroulement secondaire est destiné à être parcouru par la totalité du courant débité par le redresseur, tandis que l'enroulement primaire de celui-ci est disposé pour être excité par un alternateur destiné à faire passer dans ledit enroulement primaire un courant capable d'induire dans l'enroule- rnent secondaire une force électromotrice très sensiblement égale et opposée à la composante alternative de la tension du redresseur, qui se trouve donc équilibrée à chaque instant,
cet alternateur comportant tant sur un même rotor que sur un même stator un groupe d'enroulements superposés établis pour être capable d'engendrer des forces électromotrices de fréquences différentes composant la force électromotrice développée par l'alternateur.
Le redresseur peut être d'un genre quel conque, par exemple du genre d'un redresseur à vapeur de mercure, d'une soupape électro lytique, d'un tube à décharge électronique, d'un commutateur mécanique ou il peut même être une combinaison quelconque des redres seurs précités, le redresseur pouvant être ali menté par du courant monophasé ou par des courants polyphasés.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 montre le schéma d'une instal lation électrique pour corriger les oscillations de la tension aux bornes d'un circuit à cou rant continu alimenté par un redresseur de courant alternatif ; La fig. 2 montre schématiquement les têtes d'enroulement du rotor et du stator d'un alternateur spécial employé dans l'ins tallation représentée à la fig. 1.
Dans cette installation, R désigne un redresseur à vapeur de mercure, comportant deux anodes alimentées par un transforma teur de courant monophasé. Un transforma teur auxiliaire T a son enroulement secon daire a2, b2 inséré dans le circuit d'utilisa tion de sorte qu'il est parcouru par le cou rant total débité par le redresseur R. L'en roulement primaire ai, bi de T est excité par un alternateur monophasé A, dont la cons truction particulière sera exposée par la suite; de telle sorte qu'il se développe dans l'en roulement a2; b2 une force électromotrice très sensiblement égale et opposée à la com posante alternative de la tension du redres seur R.
Ainsi, cette composante se trouve équilibrée à chaque instant et elle est, par suite, sans effet sur la tension aux bornes du circuit d'utilisation.
L'alternateur A est entraîné par un petit moteur synchrone M, alimenté par le même réseau que le redresseur R, qui remplit un double but. Il fournit l'énergie perdue dans le transformateur T et dans l'alternateur A et il constitue l'organe de liaison indispen sable entre l'alternateur A et le redresseur R qui maintient la force électromotrice induite dans l'enroulement secondaire a2, 62 de T rigoureusement en opposition de phase avec la composante alternative de la tension du redresseur R. Le moteur 11T est de faible puissance; la puissance qu'il fournit doit seu lement compenser les pertes qui se produisent dans l'alternateur A et dans le transforma teur T.
La puissance moyenne utile déve loppée par l'alternateur A est nulle parce qu'elle correspond au travail d'une force électromotrice alternative sur un courant continu.
Le transformateur T peut fonctionner avec une magnétisation préalable due au passage du courant du redresseur R dans l'enroule ment secondaire a2, 62.
L'alternateur À joue un rôle très impor tant dans l'installation représentée. Pour que sa force électromotrice induise dans le secon daire a2, b2 de T une force électromotrice qui équilibre parfaitement les oscillations de la tension du redresseur, elle doit varier sui vant une loi qui dépend des propriétés élec triques du transformateur T, de la réaction interne de l'alternateur A et de la fonction du temps définissant la tension du redres seur.
Si on repère la force électromotrice de A par rapport à la même origine des temps que la tension du réseau qui alimente le redresseur et si on désigne par eu, = cp <I>(t)</I> la valeur instantanée de la force électromo- trice qu'il faudrait faire produire à l'alterna teur A. pour obtenir un amortissement par fait des oscillations de la tension du redres seur, la fonction ro <I>(t)</I> est une fonction alternative du temps, dont la fréquence F est un multiple de la fréquence f du réseau.
Dans le cas d'un redresseur à deux anodes alimenté par un transformateur de courant monophasé, on a F = 2 f, dans le cas d'un redresseur triphasé, F <I>= 3 f,</I> dans le cas d'un redresseur hexaphasé, F <I>= 6 f,</I> etc.
La fonction ço <I>(t)</I> n'est pas une fonction sinusoïdale simple du temps. En faisant l'analyse harmonique de So <I>(t),</I> on peut la développer suivant la série Fourrier eQ=#9 (t)=el+es+es f- e4+... (1) où el, e2, es, e4 ... sont des fonctions sinusoï dales simples du temps, dont les fréquences sont respectivement F, <I>2 F, 3</I> F, <I>4</I> l'....
En considérant l'expression. (1), on peut envisager un moyen qui permettrait de pro duire la force électromotrice ea. On installe rait une série infinie d'alternateurs élémen taires Ai, A2, As,-A4- proportionnés pour produire respectivement et exactement les forces électromotrices el, e2, es, e4 ... quand ils seraient entraînés par le moteur syn chrone M:
Les rotors de ces alternateurs seraient tous calés sur un même arbre soli daire dudit moteur M et les angles de calage des rotors, mesurés par rapport à un axe polaire du moteur M, seraient ceux qui res pectent le décalage des harmoniques el, e2, es, e4.,. par rapport à l'origine des temps choisie:, ces angles dépendraient donc du décalage des harmoniques composant ea et aussi du retard angulaire présenté par le rotor du moteur M par rapport à la tension du réseau qui l'alimente. Les stators de tous les alter nateurs élémentaires seraient groupés en série.
On comprend aisément que la force électro motrice induite dans le circuit des stators serait exactement e,,.
La réalisation pratique de la solution expo sée ci-dessus serait trop compliquée; aussi est-il préférable de grouper les alternateurs élémen taires Al, Az... en un seul alternateur .A.. Ce groupement des alternateurs élémen taires en un seul est basé sur la propriété suivante: On considère un rotor d'alternateur à 2 p pôles tournant à une vitesse angulaire cons tante c) et créant un champ magnétique sinusoïdal dans l'entrefer d'un stator à<B>2p'</B> pôles. Les enroulements de ce stator sont disposés symétriquement par rapport à ses axes polaires et ses barres sont reliées entre elles en série.
Chaque barre de stator est, dans ces conditions, le siège d'une force électromotrice qui est une fonction sinusoïdale du temps de fréquence <B>f</B> = M et les forces électromotrices ainsi induites s'ajoutent entre elles, pour donner la force électromotrice induite dans l'ensemble du stator. Deux cas peuvent alors se présenter: 1 Si 2 P, + 1 est un nombre pair, la force électromotrice résultante est différente de zéro.
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n'est pas un nombre pair (c'est-à-dire est un nombre impair ou frac tionnaire), la force électromotrice résultante est constamment nulle, parce que les forces électromotrices élémentaires s'équilibrent à chaque instant.
Cette propriété est appliquée de la fagon suivante, les parties magnétiques de l'alter- nat6ur A étant proportionnées pour dévelop per la puissance apparente absorbée par le transformateur T et la section des enroule ments du stator de l'alternateur A étant choisie pour admettre le courant qui doit être envoyé dans le primaire ai; bi de T:
1 Le stator et le rotor de l'alternateur A portent chacun un enroulement à 2pi pôles, enroulements proportionnés et répartis pour créer par leur action combinée la force électromotrice el qui est le premier harmo nique de es,, de fréauenoe F_ On choisit
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désignant la vitesse angulaire à laquelle le moteur syn chrone M entraîne le rotor A. @ Ledit stator et ledit rotor portent, en outre; chacun un enroulement à 2 X 2 pi pôles.
Ces enroulements sont proportionnés et répartis pour induire par leur action com binée la force électromotrice e2, de fréquence 2 F, qui est le second harmonique de ea. En vertu de la propriété qui a été énoncée, l'en roulement de rotor à 2 pi pôles est sans action sur l'enroulement de stator à 2 X 2 pi pôles et l'enroulement de rotor à 2 X 2 pi pôles est sans action sur l'enroulement de stator à 2pi pôles.
3 Le rotor porte enfin un enroulement à 3 X 2pi pôles qui est proportionné pour induire dans l'enroulement de stator à 2pi pôles la force électromotrice es, de fréquence 3 F, qui est le troisième harmonique de e,,.
L'enroulement de rotor à 3 X 2 pi pôles est sans action sur l'enroulement de stator à 2 X 2pi pôles, en vertu de la propriété énoncée précédemment.
A la fig. 2, on a représenté schématique ment les têtes d'enroulement du rotor et du stator de l'alternateur 9. établi suivant les indi cations précédentes, en supposant que pi = 2.
D'une faon générale, quand on se pro pose d'engendrer la composante harmonique ei; de la force électromotrice ea, deux cas peu vent se présenter: 1 Il peut arriver que le rotor à 1c X 2p, pôles soit sans action sur tous les stators ayant un nombre de pôles g X 2pi, inférieur à k X 2 pi, c'est-à-dire qu'il peut arriver que
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ne soit jamais un nombre pair. Dans ce cas, on installe le rotor et le stator avec des enrou lements comportant chacun k X 2 pi pôles et proportionnés pour développer la force électromotrice el;.
2 IL peut aussi arriver que le rotor à <I>7c X</I> 2 pi pôles soit capable d'induire une force électromotrice de fréquence k F dans un ou plusieurs enroulements de stator, dont le nombre de pôles est inférieur<I>à</I> 1c <I>X 2 pi,</I> c'est-à-dire qu'il peut arriver que
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soit un nombre pair pour une ou plusieurs valeurs de g. Dans ce cas, on se contente d'installer le rotor avec un enroulement à k X 2pi pôles.
Il est proportionné pour que la somme des forces électromotrices induites dans les enroulements de stator sur lesquels il a une action, soit précisément égale à l'harmonique d'ordre k de la force électromotrice ea.
Les angles des axes des enroulements de l'alternateur A avec les axes polaires du rotor du moteur .11 sont choisis pour donner le décalage voulu aux harmoniques ei, e2 ... e,,. Bien entendu, le choix de ces angles se fait en tenant compte du retard que le moteur synchrone d'entraînement 111 présente sur la tension du réseau qui alimente le redres seur .R.
Les enroulements superposés du stator de l'alternateur étant tous réunis en série, les forces électromotrices induites dans ces enrou lements se composent en une résultante unique.
Théoriquement, la méthode exposée per met de réduire autant qu'on veut la diffé rence résiduelle entre la force électromotrice créée par l'alternateur A. et la force électro motrice qu'il aurait dû créer pour produire un amortissement parfait des oscillations de la tension appliquée au circuit d'utilisation.
En réalité, la force électromotrice résul tante qui est induite dans le stator de l'al ternateur A n'est pas rigoureusement égale à en: En effet, si on a poussé la superposi tion des enroulements jusqu'à créer l'harmo nique d'ordre n, la force électromotrice résul tante est limitée à la somme des n premiers harmoniques de e.. En fait, l'erreur résiduelle n'a pas d'importance, parce que l'amplitude des harmoniques de e,, diminue rapidement quand l'ordre de l'harmonique considéré croît et parce que la self-induction naturelle des circuits empêcherait efficacement la propaga tion des harmoniques de fréquence élevée.
Ainsi qu'il a été dit précédemment, on a représenté schématiquement sur la fig. 2, la tête des bobinages d'un alternateur conçu dans un cas particulier pour créer les trois premiers harmoniques qui composent la force électromotrice ea, on a fait 2 pi = 4. Il est naturellement loisible, sans sortir du cadre de l'invention tracé par la reven dication, de modifier la construction de l'al ternateur A de manière à réaliser d'autres propriétés que celles sus-indiquées, en regard de l'installation à laquelle il est appliqué.
.Ainsi, dans l'exposé qui précède, on a supposé que les forces électromotrices ei, e2 <I>...</I> induites dans les enroulements du stator variaient, en fonction du temps, suivant une loi sinusoïdale simple. Des circonstances spé ciales peuvent empêcher de répartir et de disposer les enroulements pour que cette hypothèse soit suffisamment réalisée.
L'alter nateur g peut être appliqué encore de la façon suivante: les enroulements d'ordre k de l'alternateur A sont conçus pour dévelop per une force électromotrice de fréquence k F, dont l'harmonique fondamental est égal à l'harmonique el; de en, diminué de tous les harmoniques de fréquence k F que peuvent présenter les forces électromotrices induites dans les enroulements dont l'ordre est infé rieur à k. De cette façon, l'installation des enroulements d'ordre k corrige tous les écarts qui sont chiffrés par une fonction de fré quence k F et qui pourraient avoir été intro duits par l'installation .des enroulements d'or dre inférieur à k.
L'erreur résiduelle présentée par la force électromotrice résultante est alors de même fréquence que dans le cas qui a été exposé en premier.lieu.
A la place de l'alternateur unique A, on peut prévoir plusieurs alternateurs, dont les stators et rotors seraient conçus pour pro duire le même effet que A, quand les stators sont réunis en série.
Au lieu d'obtenir tous les harmoniques de e,, à l'aide de superposition d'enroulements, on peut créer certains d'entre eux partielle ment ou totalement par une répartition con venable des enroulements de stator et de rotor et par des proportions déterminées don nées aux parties magnétiques de l'alterna teur A.
On peut aussi remplacer le moteur syn chrone 1Y1 du type ordinaire par tout moteur, électrique ou autre, jouissant de la propriété de tourner rigoureusement en synchronisme avec la pulsation du réseau qui alimente le redresseur R.
Si on pouvait se contenter d'un amortis sement très grossier des oscillations de la tension du redresseur, on pourrait même sup primer le moteur M; dans ce cas, les oscil lations résiduelles du courant qui traverse l'enroulement secondaire a2, b2 du transfor mateur T seraient capables de maintenir la rotation synchrone de A et de fournir au dispositif l'énergie absorbée par les pertes.