Equipement transformant de l'énergie mécanique<B>à</B> vitesse variable en énergie électrique<B>à</B> fréquence constante Cette invention a pour objet un équipement permettant la transformation d'une énergie mé canique fournie par un organe tournant<B>à</B> une vitesse variable en une énergie électrique<B>à</B> fré quence constante.
Cet équipement peut être utilisé, par exem ple, pour transformer la puissance mécanique que les marées peuvent fournir en actionnant des turbines hydrauliques tournant<B>à</B> une vi tesse continuellement variable et<B>-</B>telle que le rendement de la turbine soit maximum pour chaque valeur de la hauteur, essentiellement variable, de la marée.
Les dessins annexés représentent,<B>à</B> titre d'exemple, quelques formes d'exécution de l'objet de l'invention.
Les fig. <B>1</B> et 2 représentent schématique- nient deux formes d'exécution différentes.
Les fig. <B>3,</B> 4,<B>5</B> et<B>6</B> représentent schémati quement des détails de quelques-unes des ma chines de l'équipement.
Se référant<B>à</B> la fig. <B>1,</B> un réseau triphasé est indiqué par les trois lignes L-L et une tur bine hydraulique par<B>1.</B> Sur l'axe<B>26</B> de la tur bine sont accouplés un alternateur 2 et une métadyne génératrice<B>6.</B> L'alternateur débite des courants triphasés<B>à</B> fréquence essentielle ment variable, la métadyne <B>6</B> crée un courant continu Ib <B>à</B> intensité essentiellement constante quelle que soit la vitesse de la turbine.
L'intensité du courant Ib est contrôlée par les ampèresrtours d'un variateur secondaire<B>29</B> traversé par un courant réglé au moyen du rhéostat<B>30.</B> La tension des courants triphasés fournis par l'alternateur<B>à</B> fréquence variable 2 est contrôlée par le courant d'excitation de l'in ducteur au moyen du rhéostat<B>38.</B>
Le courant triphasé fourni par l'alternateur 2 est amené<B>à</B> un transformateur de fréquence <B>3,</B> l'interrupteur<B>32</B> étant fermé.
Le transformateur de fréquence comporte essentiellement trois organes tournant l'un par rapport<B>à</B> l'autre, c'est-à-dire un organe fixe, ou stator, et deux organes mobiles l'un dans l'au tre,<B>à</B> savoir un rotor et un organe intermé diaire. Le stator et le rotor, formés de tôles magnétiques minces empilées, comportent cha cun un enroulement triphasé, le stator ayant l'enroulement 20, le rotor ayant l'enroulement 22, et l'organe tournant intermédiaire compor tant une cage d'écureuil 21. Le rotor est calé sur l'arbre<B>28</B> d'une dynamo 4<B>;</B> nous appelle rons l'organe tournant intermédiaire<B> </B> cage folle<B> .</B> En effet, cet organe intermédiaire, libre de tourner dans n'importe quel sens, n'est relié <B>à</B> aucune autre partie.
Lorsque les courants triphasés circulent dans l'enroulement du sta tor, ils donnent naissance<B>à</B> un champ tournant qui joue le rôle d'inducteur vis-à-vis du rotor. Ce dernier, en se déplaçant dans ce champ, est le siège de courants induits dont la fréquence dépend<B>à</B> la fois de la vitesse de rotation du champ tournant et de celle du rotor. La cage folle a comme but d'assurer le fonctionnement stable de la machine.
La fig. <B>1</B> indique l'enroulement rotorique 22 connecté<B>à</B> lalternateur 2, au moyen des bagues<B>23</B> et l'enroulement statorique 20, con necté au réseau L-L, au moyen de l'interrup teur<B>10</B> par l'intermédiaire d'un transformateur étoile-triangle <B>-53.</B> Le mouvement relatif entre le stator et le rotor du transformateur de fré quence<B>3</B> est assuré par le moteur 4,
calé sur l'arbre<B>28</B> et inséré dans le circuit traversé par le courant Ib <B>à</B> intensité constante et excité par l'enroulement inducteur<B>8</B> traversé par un cou rant d'excitation réglé au moyen du rhéostat <B>31.</B> Un interrupteur<B>18,</B> connecté aux balais du moteur 4, permet d'arrêter le fonctionnement du moteur 4 en court-circuitant son induit.
Une métadyne transformatrice spéciale<B>7,</B> qu'on désignera sous le nom de métadyne trans formatrice, est insérée par ses balais<I>a,<B>b,</B></I> dans le circuit parcouru par le courant<B>à</B> intensité constante Ib et peut être mise hors fonction nement en fermant l'interrupteur<B>19</B> connecté entre ses balais<I>a,<B>b.</B></I> La transformatrice com porte deux membres<B>:</B> un stator sans enroule ment et un rotor muni d'un enroulement induit associé avec un collecteur sur lequel portent les balais<I>a,<B>b ;
</B></I> le même enroulement induit est connecté au réseau L-L par le système de ba gues et de balais 44 et l'interrupteur<B>11.</B> Sur l'arbre<B>27</B> de la métadyne transformatrice<B>7,</B> est calé un moteur synchrone spécial<B>5.</B> Ce moteur comporte un enroulement induit<B>37</B> qu'on peut connecter au réseau L-L, au moyen de l'interrupteur<B>11,</B> et deux enroulements in ducteurs<B>35</B> et<B>36</B> alimentés au moyen d'un système de bagues et de balais, par deux exci- tatrices 12 et<B>13,</B> dont les enroulements induc teurs respectifs 14 et<B>15</B> sont alimentés par des courants réglés par les rhéostats<B>16</B> et<B>17,</B> res pectivement.
L'inducteur du moteur synchrone<B>5</B> est cy lindrique et chacun des enroulements induc teurs<B>35</B> et<B>36</B> crée des ampùres-tours répartis le long de l'entrefer de manière<B>à</B> créer un flux sinusoïdal. Le flux sinusoïdal créé par<B>36</B> est décalé dans l'espace par rapport au flux sinu soïdal créé par<B>35,</B> de sorte que le flux induc teur résultant peut être déplacé angulairement par rapport<B>à</B> la partie mécanique de l'induc teur,<B>à</B> volonté, en réglant la position respective des rhéostats<B>16</B> et<B>17 ;
</B> donc, en réglant ceux- ci, on peut décaler<B>à</B> volonté l'axe du flux in ducteur du moteur synchrone<B>5</B> par rapport<B>à</B> un plan radial choisi sur l'arbre<B>27</B> et pris comme plan radial de référence.
Ayant décrit l'ensemble de l'équipement, on passera maintenant<B>à</B> son fonctionnement. Soit <I>h.</I> la hauteur maximum de la chute d'eau due <B>à</B> la marée et hl une hauteur faible choisie arbi trairement, par exemple, telle que h,,<B><I>=</I></B> 4<I>hl.</I> La vitesse v de la turbine, pour laquelle le ren dement est maximum pour une hauteur donnée <I>h</I> de la marée, sera appelée<B> </B> vitesse optimum<B> </B> pour la hauteur h, pour simplifier les écritu res<B>;</B> les vitesses optima relatives<B>à</B><I>h, et hl,</I> soit V. et vl, auront entre elles la relation <I>v.</I><B>=</B> 2 vl, car on peut admettre que la vitesse optimum varie pratiquement comme la racine carrée de la hauteur h.
On choisira, de préfé rence, pour l'alternateur 2, un nombre de pôles tel que la pulsation ü) du courant fourni par l'alternateur soit égale<B>à</B> celle de co,, du réseau L-L, pour une vitesse v,, de la turbine qui soit un peu supérieure<B>à</B> la valeur -L (v,,, <B><I>+</I></B> vI) et l'on construira la métadyne génératrice<B>6,</B> le moteur 4 et la métadyne transformatrice<B>7,</B> ca pables d'une puissance maximum sensiblement égale<B>à</B> un cinquième de la puissance maximum P ,
que la turbine I développe pour h<B><I>=</I></B> h,,,.
Le fonctionnement de l'ensemble est sub divisé en deux périodes<B>;</B> une première période pour laquelle h,,<B><I>></I></B><I> h<B>></B> hl,</I> et une deuxième période pour laquelle h<B><I> < </I></B> hl. Pendant la pre mière période, les interrupteurs<B>32, 10</B> et<B>19</B> sont fermés et les interrupteurs<B>18</B> et<B>11</B> sont ouverts<B>;</B> alors, l'alternateur 2 fournira un cou rant de pulsation w comprise entre la pulsation ù)., correspondant<B>à</B> v,,,, et la pulsation w, cor- respondant <B>à</B> vl, en passant par la valeur û). égale<B>à</B> celle du réseau.
La puissance de la turbine passera alors de la valeur maximum<B>p.<I>à</I></B> la puissance<B>p,</B> cor respondant<B>à</B> la vitesse vj, en passant par la puissance<B>p,</B> correspondant<B>à</B> la vitesse v, Soit le cas général où la fréquence de l'alternateur 2 est w<B>;
</B> les courants triphasés<B>à</B> fréquence co alimenteront le rotor du transformateur de fré quence<B>3,</B> l'interrupteur<B>32</B> étant fermé, et en gendreront un flux<B>0,</B> tournant par rapport au rotor avec une vitesse angulaire Ü) où<B>p</B> est le <B>p</B> nombre de paires de pôles de la machine<B>3.</B> Egalement, les courants triphasés du réseau L-L alimenteront le stator de<B>3,</B> l'interrupteur <B>10</B> étant fermé, et créeront un flux 0,, tournant par rapport au stator avec la vitesse<B>-</B> #. si le rotor tourne dans le sens convenable
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avec la vitesse angulaire<B>,
</B> les flux<B>0</B> et 0,, tourneront<B>à</B> la même
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vitesse<B>;</B> si alors<B>0</B> et 0,, coïncident<B>à</B> chaque instant dans l'espace et ont une amplitude égale, aucune puissance réelle ou réactive ne sera transmise de l'alternateur 2 au réseau L-L et le moteur d'entraînement 4 tournera alors<B>à</B> vide.
Mais si ce moteur exerce un couple<B>C</B> dans le sens correct, de manière<B>à</B> faire avancer le flux<B>0</B> d'un angle<B>a</B> dans le sens de rotation du flux<B>0,,</B> dans l'espace, une puissance réelle sera transmise au réseau L-L. La puissance fournie par le moteur 4 est
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<B>;</B> donc, si co,, <B>></B> w, la machine 4 fonctionne en motrice, et si w,,<B> < </B> w elle fonc tionne en génératrice.
<B>Il</B> est très facile d'obliger le moteur 4<B>à</B> fournir un couple constant, positif ou négatif, quelle que soit la vitesse<B>à</B> laquelle ce moteur tourne<B>;</B> il suffit pour cela de régler le courant d'excitation des inducteurs<B>8,</B> au moyen du rhéostat<B>31 ;</B> la métadyne génératrice<B>6</B> fournira de la puissance au moteur 4, ou en recevra de lui, en transformant une puissance équivalente prise sur l'arbre<B>26</B> de la turbine.
Si donc, w,,<B>></B> w la puissance fournie par la turbine sera transformée en puissance électrique en grande partie par l'alternateur 2, et en faible partie par la métadyne génératrice<B>6.</B> Si o),> <B> < </B> w la puissance mécanique fournie par la turbine<B>1</B> sera égale<B>à</B> la différence de la puissance élec trique fournie par l'alternateur 2 et de la puis sance électrique absorbée par la métadyne génératrice<B>6.</B> Par conséquent, la puissance maximum fournie par l'alternateur 2 est égale<B>à</B> la puissance maximum fournie par la turbine P., plus la puissance absorbée par la métadyne génératrice<B>6</B> quand la hauteur h a sa valeur maximum h..
La puissance nominale de la métadyne <B>gé-</B> nératrice<B>6</B> sera choisie égale<B>à</B> une fraction de la puissance maximum de la turbine obtenue<B>à</B> marée haute (h<B><I>=</I></B><I> h.).</I>
Si l'on considère maintenant la deuxième période de fonctionnement pendant laquelle <I>h<B> < </B></I> hi, on doit d'abord observer que la puis sance que la turbine hydraulique pourra fournir pendant cette période variera d'une valeur égale<B>à</B> une fraction de la puissance maximum <B>à</B> zéro.
Pendant cette période, les interrupteurs<B>32,</B> <B>10, 19</B> sont ouverts et les interrupteurs<B>18</B> et <B>11</B> sont fermés<B>;</B> alors la métadyne génératrice <B>6</B> absorbe toute la puissance fournie par la tur bine et délivre du courant<B>à</B> intensité constante <B>Il,.</B> Ce courant, alimentant la métadyne trans formatrice<B>7, y</B> crée un flux<B>0,</B> dans l'axe de commutation des balais<I>a,<B>b.</B></I> D'autre part, les courants polyphasés qui partent du réseau L-L pénètrent dans l'induit de la métadyne trans formatrice, créent un flux<B>0.,
</B> qui est fixe lui aussi dans l'espace puisque le moteur synchrone spécial<B>5</B> entraîne la métadyne au synchro nisme<B>;</B> la position angulaire de 0,, par rapport <B>à 0,</B> dépend donc du calage de l'axe magnéti que de l'inducteur du moteur<B>5</B> par rapport<B>à</B> l'arbre<B>27 ;</B> donc, en réglant les rhéostats<B>16</B> et<B>17,</B> on pourra donner au flux 0. n'importe quelle position angulaire par rapport<B>à 0,</B> Pour un réglage déterminé des rhéostats<B>16</B> et <B>17,</B> le flux 0,, aura donc, en général, une com posante<B>0.,,</B> normale<B>à</B> l'axe de commutation des balais<I>a,<B>b,</B></I> et une composante 0,,. dans l'axe de commutation en question.
La compo sante 0., induit une force électromotrice<B>E</B> entre les balais<I>a,<B>b,</B></I> qui, multipliée par le cou rant constant Ib, détermine la puissance Eb transmise de la turbine I au réseau L-L <B>;</B> la composante 0,,. correspond<B>à</B> la puissance ré active transmise. Par conséquent, le réglage de l'angle de calage de l'axe magnétique des in ducteurs du moteur synchrone<B>5</B> par rapport <B>à</B> l'arbre<B>27,</B> et le réglage de l'intensité du cou rant Ib déterminent la valeur de la puissance réelle et de la puissance réactive transmise au réseau.
Ce réglage se fait au moyen des rhéostats<B>16, 17</B> et<B>30.</B> Il est important de noter que la métadyne transformatrice<B>7</B> étant<B>dé-</B> pourvue d'enroulements statoriques ne crée au cun couple et, par conséquent, le moteur syn chrone<B>5</B> n'a<B>à</B> développer que<B>le</B> couple cor respondant aux frictions<B>;
</B> le moteur synchrone <B>5</B> est donc un moteur de faibles dimensions par rapport<B>à</B> la métadyne <B>7</B> et, ce qui est impor tant, le décalage de l'axe magnétique du flux inducteur du moteur par rapport<B>à</B> l'axe qu'au rait<B>dû</B> avoir un flux résultant pour qu'il in duise des forces électromotrices exactement égales et en phase avec les forces électromotri ces du réseau L-L, axe qu'on appellera briève ment<B> </B> axe de référence<B> ,</B> reste indépendant de la puissance réelle et réactive transmise et simplifie le réglage.
<B>Il</B> faut noter, d'une part, que la transmis sion de la puissance réactive au réseau L-L constitue un élément précieux de la stabilité de ce réseau et, d'autre part, que la puissance ré active transmise par la métadyne transforma trice<B>7</B> n'exige aucune puissance réelle de la part de la métadyne génératrice<B>6 ;</B> on pourra donc, même pendant la première période de fonctionnement pour laquelle h<B><I>></I></B> hj, laisser en fonction la métadyne transformatrice<B>7,</B> en tenant ouvert l'interrupteur<B>19.</B>
Le transformateur<B>53</B> intercalé entre la ligne L-L et le transformateur de fréquence<B>3</B> permet de déterminer<B>à</B> volonté la quantité de puis sance réactive transmise du transformateur de fréquence<B>3 à</B> la ligne L-L dans un sens ou dans l'autre, en modifiant le rapport de trans formation du transformateur étoile-triangle <B>53.</B> La fig. 2 représente une variante relative seulement<B>à</B> des éléments qui sont en fonction nement pendant la seconde période de fonc tionnement.
Pendant cette période, la métadyne transformatrice<B>7</B> est connectée, d'une part,<B>à</B> la métadyne génératrice<B>6</B> et, d'autre part, au réseau L-L, par l'intermédiaire d'un transfor mateur 40,<B>à</B> prises variables.
Ce transformateur, qui comporte un se condaire en triangle et un primaire en étoile<B>à</B> prises variables, permet de contrôler la valeur <B>de</B> la puissance réactive transmise de la méta- dyne transformatrice<B>7</B> au réseau L-L. Ainsi, le contrôle de la puissance réactive peut se faire, dans le cas de cette figure, soit par<B>le</B> rhéostat<B>30</B> contrôlant la valeur de l'intensité du courant 'b, soit par les prises du transforma teur 40, soit par les deux moyens simultané ment. La métadyne génératrice<B>6</B> est indiquée, sur la fig. 2, comme étant accouplée<B>à</B> l'arbre <B>26</B> de la turbine.
Le moteur synchrone<B>55</B> qui entraîne la métadyne transformatrice<B>7</B> n'est, dans le cas de la fi-. 2, qu'un moteur synchrone normal<B>à</B> pôles saillants et, par conséquent, qu'à un seul enroulement inducteur<B>;</B> par contre, ce moteur synchrone est connecté au réseau L-L par l'intermédiaire d'un déphaseur 41, ce qui permet de déplacer angulairement <B>à</B> vo lonté l'axe du flux pour régler la puissance transmise au réseau.
Dans le cas de la fig. 2, on pourra contrôler la puissance réelle trans mise au réseau, soit par le décalage du dépha- seur 41, soit par l'intensité du courant I, réglée <B>à</B> son tour par le rhéostat<B>30,</B> soit par ces deux moyens simultanément.
<B>Il</B> est clair qu'on arriverait<B>à</B> un résultat analogue en connectant le moteur synchrone <B>55</B> directement au réseau et en interposant un déphaseur entre le réseau L-L et la métadyne transformatrice<B>7,</B> mais alors, ce déphaseur de vrait être bien plus puissant. Les fig. <B>3,</B> 4 et<B>5</B> se réfèrent<B>à</B> des détails de construction de la métadyne transformatrice et la fig. <B>6</B> se réfère <B>à</B> des détails de construction de la métadyne génératrice<B>6.</B>
La fig. <B>3</B> représente schématiquement la métadyne transformatrice dans sa forme la plus simple<B>;</B> elle comporte un stator<B>70</B> dépourvu de tout enroulement principal, et un rotor<B>71,</B> muni d'un enroulement<B>72</B> associé<B>à</B> un col lecteur comme dans les dynamos. Sur le col lecteur portent deux balais diamétralement op posés,<I>a,<B>b,</B></I> le pas de l'enroulement étant dia métral. Sur le stator, le long de l'axe de com mutation xx', sont pratiquées des encoches où logent les pôles de commutation<B>55</B> et<B>56.</B> La fig. <B>3</B> montre aussi les enroulements relatifs<B>à</B> ces pôles de commutation.
Uenroulement <B>72</B> est relié au réseau<B>à</B> cou rant alternatif au moyen de bagues et de balais et, sur la fig. <B>3</B> on a montré six bagues 54, le système hexaphasé donnant moins de pertes que le système triphasé. Le système hexaphasé exige naturellement l'emploi d'un transforma teur hexaphasé-triphasé, interposé entre la métadyne et le réseau.
Cette machine se comporte d'une manière qui rappelle une commutatrice, le flux induc teur étant remplacé par le flux magnétique<B>dé-</B> veloppé dans le stator par l'induit.
La fig. 4 représente schématiquement une variante de la fig. <B>3.</B> Le pas de l'enroulement d'induit est diamétral, mais les balais<I>a,<B>b</B></I> ne sont pas diamétralement opposés<B>;</B> dans ce cas, il<B>y</B> a deux axes de commutation, xx' relatif au balai a,<I>et</I> yy' relatif au balai<B>b,</B> et quatre pôles de commutation<B>57, 58, 59</B> et<B>60.</B> Dans le cas de balais disposés suivant deux diamètres dif férents, les pôles de commutation sont répartis <B>à</B> la périphérie de l'induit.
Cette disposition comporte deux avantages<B>:</B> elle rend la distribu tion des ampùres-tours dus au courant continu plus proche d'une distribution sinusoïdale et, par conséquent, elle améliore le fonctionne ment et augmente le rendement; elle permet aussi une commutation noire pour un courant beaucoup plus intense que ne le permet le cas <B>de</B> la fig. <B>' 3.</B>
Le même résultat est obtenu en adoptant un pas fortement réduit pour l'enroulement continu et des balais diamétralement opposés comme le montre la fig. <B>5.</B> Dans ce cas, au balai a correspondent deux demi-axes de com mutation x et x' inclinés l'un par rapport<B>à</B> l'au tre<B>;</B> également, au balai<B>b</B> correspondent les deux demi-axes <B>y</B><I>et</I><B>y'.</B> Bien entendu, il<B>y</B> a quatre pôles de commutation.
Plus haut, on a mis en relief l'importance du décalage de l'axe de commutation xx' de la fig. <B>3</B> par rapport<B>à</B> l'axe de référence pour le contrôle de la puis sance réelle et réactive<B>;</B> dans le cas de la dis position suivant la fig. 4, cet angle de décalage doit être mesuré en partant de la bissectrice interne des axes de commutation xx' <I>et</I> yy' pour le cas de la fig. <B>5,
</B> on partira de la bis sectrice interne des deux demi-axes de commu tation x<I>et<B>y'</B></I> et des deux axes de commutation x' <I>et<B>y.</B></I> La fig. <B>6</B> est relative<B>à</B> la métadyne généra trice<B>6.</B> Le fonctionnement de cette dernière est amélioré par l'adoption d'enroulements stato- riques spéciaux.
Parmi ces enroulements, les suivants conviennent tout particulièrement<B>:</B> l'enroulement amplificateur primaire<B>61</B> qui, traversé par le courant primaire I,,, crée un flux dans la même direction que les ampères- tours rotoriques dus au même courant 1,, <B>;</B> l'en roulement stabilisateur primaire 64 qui, tra versé par le courant primaire I, induit une force électromotrice entre les balais primaires <I>a,</I> c, s'opposant au courant 1,, <B>;
</B> l'enroulement compensateur secondaire<B>62</B> qui, parcouru par le courant secondaire, crée un flux opposé<B>à</B> celui<B>dû</B> aux ampères-tours rotoriques créés par le courant secondaire Ibl ce qui permet de ré duire les ampères-tours de l'enroulement de contrôle<B>29 ;</B> l'enroulement stabilisateur secon daire<B>66</B> qui, traversé par le courant secon daire lb, induit entre les balais secondaires<B>b,</B> <B>d,</B> une force électromotrice s'opposant au cou rant secondaire Ib <B>;
</B> l'enroulement secondaire shunt<B>65</B> qui, connecté entre les balais secon daires<B><I>b, d,</I></B> crée des ampères-tours correcteurs dans le même sens que ceux de l'enroulement de contrôle<B>29</B> et permet de maintenir sensible ment constante l'intensité du courant secon daire 14 indépendamment de la charge de la métadyne génératrice. En variante, on pourrait utiliser une métadyne ne comportant qu'une partie des enroulements indiqués. On a supposé jusqu'ici que le réseau L-L est lui-même assez puissant pour dicter la fré- quence <B>de</B> l'ensemble.
Si, au contraire, le réseau L-L ne contient pas d'alternateurs puissants, la fréquence de l'ensemble sera déteiminée par la vitesse du moteur 4 pendant la première<B>pé-</B> riode de fonctionnement et par la vitesse du moteur<B>5</B> pendant la seconde période de fonc tionnement<B>;</B> dans ce cas, la vitesse de ces mo teurs sera stabilisée par l'emploi des mêmes moyens qui permettent de stabiliser la fré quence des grands alternateurs d'un réseau<B>à</B> une valeur déterminée<B>à</B> l'avance.
Equipment transforming mechanical energy <B> at </B> variable speed into electrical energy <B> at </B> constant frequency This invention relates to an equipment allowing the transformation of mechanical energy supplied by an organ rotating <B> at </B> variable speed into electrical energy <B> at </B> constant frequency.
This equipment can be used, for example, to transform the mechanical power that the tides can provide by operating hydraulic turbines rotating <B> at </B> a continuously variable speed and <B> - </B> such as the efficiency of the turbine is maximum for each value of the height, essentially variable, of the tide.
The accompanying drawings represent, <B> to </B> by way of example, some embodiments of the object of the invention.
Figs. <B> 1 </B> and 2 represent schematically two different embodiments.
Figs. <B> 3, </B> 4, <B> 5 </B> and <B> 6 </B> schematically represent details of some of the machines in the equipment.
Referring <B> to </B> in fig. <B> 1, </B> a three-phase network is indicated by the three lines LL and a hydraulic turbine by <B> 1. </B> On the axis <B> 26 </B> of the turbine are coupled an alternator 2 and a generator metadyne <B> 6. </B> The alternator delivers three-phase currents <B> at </B> essentially variable frequency, the metadyne <B> 6 </B> creates a direct current Ib <B> at </B> essentially constant intensity whatever the speed of the turbine.
The intensity of the current Ib is controlled by the ampere-turns of a secondary variator <B> 29 </B> through which a current set by means of the rheostat <B> 30. </B> passes through the three-phase currents supplied by the The variable frequency alternator <B> </B> 2 is controlled by the excitation current of the inductor by means of the rheostat <B> 38. </B>
The three-phase current supplied by the alternator 2 is brought <B> to </B> a frequency transformer <B> 3, </B> the switch <B> 32 </B> being closed.
The frequency transformer essentially comprises three members rotating relative to each other, that is to say a fixed member, or stator, and two moving members one in the on the other hand, <B> namely </B> namely a rotor and an intermediate organ. The stator and the rotor, formed of stacked thin magnetic sheets, each have a three-phase winding, the stator having the winding 20, the rotor having the winding 22, and the intermediate rotating member comprising a squirrel cage 21. . The rotor is wedged on the shaft <B> 28 </B> of a dynamo 4 <B>; </B> we will call the intermediate rotating member <B> </B> idler cage <B> . </B> In fact, this intermediate organ, free to turn in any direction, is not connected <B> to </B> any other part.
When the three-phase currents circulate in the winding of the stator, they give rise to <B> to </B> a rotating field which acts as an inductor with respect to the rotor. The latter, while moving in this field, is the seat of induced currents, the frequency of which depends <B> à </B> both on the speed of rotation of the rotating field and that of the rotor. The purpose of the crazy cage is to ensure the stable operation of the machine.
Fig. <B> 1 </B> indicates the rotor winding 22 connected <B> to </B> the alternator 2, by means of the rings <B> 23 </B> and the stator winding 20, connected to the LL network , by means of the switch <B> 10 </B> via a star-delta transformer <B> -53. </B> The relative movement between the stator and the rotor of the fre quence <B> 3 </B> is provided by motor 4,
wedged on the shaft <B> 28 </B> and inserted in the circuit traversed by the current Ib <B> at </B> constant intensity and excited by the inductor winding <B> 8 </B> crossed by an excitation current set by means of the rheostat <B> 31. </B> A switch <B> 18, </B> connected to the brushes of the motor 4, makes it possible to stop the operation of the motor 4 in short- circuiting its armature.
A special transforming metadyne <B> 7, </B> which will be designated under the name of trans-formative metadyne, is inserted by its brushes <I> a, <B> b, </B> </I> in the circuit through which the current <B> at </B> constant intensity Ib runs and can be disabled by closing the switch <B> 19 </B> connected between its brushes <I> a, <B> b. </B> </I> The transformer has two members <B>: </B> a stator without winding and a rotor provided with an armature winding associated with a collector on which the brushes <I> a, <B> b;
</B> </I> the same armature winding is connected to the LL network by the system of batons and brushes 44 and the switch <B> 11. </B> On the shaft <B> 27 </ B> of the transforming metadyne <B> 7, </B> a special synchronous motor <B> 5. </B> is fitted. This motor has an armature winding <B> 37 </B> that can be connected to the LL network, by means of switch <B> 11, </B> and two conductor windings <B> 35 </B> and <B> 36 </B> supplied by means of a system of rings and brushes, by two exciters 12 and <B> 13, </B> whose respective inductor windings 14 and <B> 15 </B> are supplied by currents regulated by the rheostats <B> 16 </ B> and <B> 17, </B> respectively.
The inductor of the synchronous motor <B> 5 </B> is cylindrical and each of the inductor windings <B> 35 </B> and <B> 36 </B> creates ampere-turns distributed along the length of the coil. 'air gap so <B> to </B> create a sinusoidal flow. The sinusoidal flux created by <B> 36 </B> is spatially offset from the sinusoidal flux created by <B> 35, </B> so that the resulting inductive flux can be displaced angularly with respect to <B> to </B> the mechanical part of the inductor, <B> at </B> will, by adjusting the respective position of the rheostats <B> 16 </B> and <B> 17;
</B> therefore, by adjusting these, it is possible to offset <B> at </B> will the axis of the inducing flux of the synchronous motor <B> 5 </B> with respect to <B> to </ B> a radial plane chosen on the shaft <B> 27 </B> and taken as radial reference plane.
Having described all the equipment, we will now move on <B> to </B> its operation. Let <I> h. </I> be the maximum height of the waterfall due <B> to </B> the tide and hl a low height chosen arbitrarily, for example, such as h ,, <B> <I>=</I> </B> 4 <I> hl. </I> The speed v of the turbine, for which the efficiency is maximum for a given height <I> h </I> of the tide, will be called <B> </B> optimum speed <B> </B> for the height h, to simplify the writing <B>; </B> the optimum relative speeds <B> to </B> <I> h, and hl, </I> that is V. and vl, will have between them the relation <I>v.</I> <B> = </B> 2 vl, because we can admit that the speed optimum varies practically as the square root of the height h.
We will preferably choose, for the alternator 2, a number of poles such that the pulsation ü) of the current supplied by the alternator is equal to <B> to </B> that of co ,, of the LL network, for a speed v ,, of the turbine which is a little greater <B> than </B> the value -L (v ,,, <B><I>+</I> </B> vI) and the the generator metadyne <B> 6, </B> the motor 4 and the transformer metadyne <B> 7, </B> capable of a maximum power substantially equal to <B> to </B> one fifth of the maximum power P,
that the turbine I develops for h <B> <I> = </I> </B> h ,,,.
The operation of the whole is subdivided into two periods <B>; </B> a first period for which h ,, <B> <I>> </I> </B> <I> h <B> > </B> hl, </I> and a second period for which h <B> <I> <</I> </B> hl. During the first period, switches <B> 32, 10 </B> and <B> 19 </B> are closed and switches <B> 18 </B> and <B> 11 </B> are open <B>; </B> then, the alternator 2 will supply a pulsation current w between the pulsation ù)., corresponding <B> to </B> v ,,,, and the pulsation w, cor - respondent <B> to </B> vl, passing by the value û). equal <B> to </B> that of the network.
The turbine power will then change from the maximum value <B> p. <I> to </I> </B> the power <B> p, </B> corresponding <B> to </B> the speed vj, passing through the power <B> p, </B> corresponding <B> to </B> the speed v, Let be the general case where the frequency of the alternator 2 is w <B>;
</B> the three-phase currents <B> at </B> frequency co will feed the rotor of the frequency transformer <B> 3, </B> the switch <B> 32 </B> being closed, and in will generate a flux <B> 0, </B> rotating with respect to the rotor with an angular speed Ü) where <B> p </B> is the <B> p </B> number of pole pairs of the machine <B> 3. </B> Also, the three-phase currents of the LL network will feed the stator of <B> 3, </B> the switch <B> 10 </B> being closed, and will create a 0 flux, , rotating relative to the stator with the speed <B> - </B> #. if the rotor turns in the correct direction
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with angular velocity <B>,
</B> streams <B> 0 </B> and 0 ,, will turn <B> to </B> the same
EMI0003.0013
speed <B>; </B> if then <B> 0 </B> and 0 ,, coincide <B> at </B> every instant in space and have an equal amplitude, no real or reactive power will be transmitted from the alternator 2 to the LL network and the drive motor 4 will then run <B> at </B> empty.
But if this motor exerts a torque <B> C </B> in the correct direction, so as <B> to </B> advance the flow <B> 0 </B> at an angle <B> a </B> in the direction of rotation of the flow <B> 0 ,, </B> in space, real power will be transmitted to the LL network. The power supplied by motor 4 is
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<B>; </B> therefore, if co ,, <B>> </B> w, machine 4 operates as a motor, and if w ,, <B> <</B> w it operates as a generator .
<B> It </B> is very easy to force motor 4 <B> to </B> deliver constant torque, positive or negative, regardless of the speed <B> at </B> which this motor rotates <B>; </B> it suffices to adjust the excitation current of the inductors <B> 8, </B> by means of the rheostat <B> 31; </B> the generator metadyne <B> 6 </B> will supply or receive power to engine 4 by transforming an equivalent power taken from the shaft <B> 26 </B> of the turbine.
If therefore, w ,, <B>> </B> w the power supplied by the turbine will be transformed into electric power largely by the alternator 2, and in small part by the generator metadyne <B> 6. </ B> If o),> <B> <</B> w the mechanical power supplied by the turbine <B> 1 </B> will be equal <B> to </B> the difference in the electric power supplied by alternator 2 and the electrical power absorbed by the generator metadyne <B> 6. </B> Consequently, the maximum power supplied by the alternator 2 is equal to <B> </B> the maximum power supplied by the turbine P., plus the power absorbed by the generator metadyne <B> 6 </B> when the height has its maximum value h ..
The nominal power of the <B> generator </B> metadyne <B> 6 </B> will be chosen equal <B> to </B> a fraction of the maximum power of the turbine obtained <B> at < / B> high tide (h <B> <I> = </I> </B> <I> h.). </I>
If we now consider the second period of operation during which <I> h <B> <</B> </I> hi, we must first observe that the power that the hydraulic turbine can provide during this period will vary by a value equal to <B> to </B> a fraction of the maximum power <B> to </B> zero.
During this period, switches <B> 32, </B> <B> 10, 19 </B> are open and switches <B> 18 </B> and <B> 11 </B> are closed < B>; </B> then the generator metadyne <B> 6 </B> absorbs all the power supplied by the turbine and delivers current <B> at </B> constant intensity <B> Il,. </ B> This current, supplying the transforming metadyne <B> 7, y </B> creates a flux <B> 0, </B> in the switching axis of the brushes <I> a, <B> b. </B> </I> On the other hand, the polyphase currents which leave the LL network enter the armature of the trans-formative metadyne, create a flux <B> 0.,
</B> which is also fixed in space since the special synchronous motor <B> 5 </B> drives the metadyne to the synchronization <B>; </B> the angular position of 0 ,, with respect to < B> to 0, </B> therefore depends on the setting of the magnetic axis of the inductor of the motor <B> 5 </B> with respect to <B> to </B> the shaft <B> 27 ; </B> therefore, by adjusting the rheostats <B> 16 </B> and <B> 17, </B> we can give the flow 0. any angular position with respect to <B> 0, </B> For a specific setting of the rheostats <B> 16 </B> and <B> 17, </B> the flow 0 ,, will therefore generally have a component <B> 0. ,, < / B> normal <B> to </B> the switching axis of the brushes <I> a, <B> b, </B> </I> and a component 0 ,,. in the switching axis in question.
The component 0., induces an electromotive force <B> E </B> between the brushes <I> a, <B> b, </B> </I> which, multiplied by the constant current Ib, determines the power Eb transmitted from the turbine I to the LL network <B>; </B> the component 0 ,,. corresponds <B> to </B> the reactive power transmitted. Therefore, the adjustment of the timing angle of the magnetic axis of the inductors of the synchronous motor <B> 5 </B> with respect to <B> to </B> the shaft <B> 27, </ B> and the current intensity setting Ib determine the value of the real power and of the reactive power transmitted to the network.
This adjustment is made by means of the rheostats <B> 16, 17 </B> and <B> 30. </B> It is important to note that the transforming metadyne <B> 7 </B> being <B> de - </B> provided with stator windings does not create any torque and, consequently, the synchronous motor <B> 5 </B> only has <B> to </B> develop <B> the < / B> torque corresponding to the frictions <B>;
</B> the synchronous motor <B> 5 </B> is therefore a small motor compared to <B> </B> the <B> 7 </B> metadyne and, what is important, the offset of the magnetic axis of the inducing flux of the motor with respect to <B> to </B> the axis which a resulting flux should <B> have </B> in order for it to induce electromotive forces exactly equal and in phase with the electromotive forces of the LL network, an axis that will be called briefly <B> </B> reference axis <B>, </B> remains independent of the real and reactive power transmitted and simplifies adjustment.
<B> It </B> should be noted, on the one hand, that the transmission of reactive power to the LL network constitutes a valuable element in the stability of this network and, on the other hand, that the reactive power transmitted by the transforming metadyne <B> 7 </B> does not require any real power from the generating metadyne <B> 6; </B> it is therefore possible, even during the first period of operation for which h < B> <I>> </I> </B> hj, leave the transforming metadyne <B> 7, </B> operating while keeping the switch <B> 19. </B> open
The transformer <B> 53 </B> interposed between the line LL and the frequency transformer <B> 3 </B> allows to determine <B> at </B> will the quantity of reactive power transmitted from the transformer of frequency <B> 3 to </B> line LL in one direction or the other, modifying the transformation ratio of the star-delta transformer <B> 53. </B> Fig. 2 shows a variant relating only <B> to </B> of the elements which are in operation during the second period of operation.
During this period, the transforming metadyne <B> 7 </B> is connected, on the one hand, <B> to </B> the generating metadyne <B> 6 </B> and, on the other hand, to the LL network, via a transformer 40, <B> with </B> variable outlets.
This transformer, which has a delta conductor and a star primary <B> with </B> variable taps, makes it possible to control the value <B> of </B> the reactive power transmitted from the transforming metadyne < B> 7 </B> to the LL network. Thus, the control of the reactive power can be done, in the case of this figure, either by <B> the </B> rheostat <B> 30 </B> controlling the value of the intensity of the current 'b, either by the taps of the transformer 40, or by both means simultaneously. The generating metadyne <B> 6 </B> is indicated in fig. 2, as being coupled <B> </B> to the shaft <B> 26 </B> of the turbine.
The synchronous motor <B> 55 </B> which drives the transforming metadyne <B> 7 </B> is, in the case of fi. 2, that a normal synchronous motor <B> with </B> salient poles and, consequently, that only one inductor winding <B>; </B> on the other hand, this synchronous motor is connected to the LL network by by means of a phase shifter 41, which makes it possible to angularly move <B> to </B> your axis of the flow to adjust the power transmitted to the network.
In the case of fig. 2, it is possible to control the real power transmitted to the network, either by the offset of the phase shifter 41, or by the intensity of the current I, set <B> to </B> in turn by the rheostat <B> 30 , </B> or by these two means simultaneously.
<B> It </B> is clear that a similar result would be obtained <B> at </B> by connecting the synchronous motor <B> 55 </B> directly to the network and by interposing a phase shifter between the LL network and the transforming metadyne <B> 7, </B> but then this phase shifter should be much more powerful. Figs. <B> 3, </B> 4 and <B> 5 </B> refer <B> to </B> details of construction of the transformative metadyne and FIG. <B> 6 </B> refers <B> to </B> construction details of the generator metadyne <B> 6. </B>
Fig. <B> 3 </B> schematically represents the transforming metadyne in its simplest form <B>; </B> it comprises a stator <B> 70 </B> devoid of any main winding, and a rotor <B > 71, </B> provided with a winding <B> 72 </B> associated <B> with </B> a drive collar as in dynamos. On the drive neck carry two diametrically opposed brushes, <I> a, <B> b, </B> </I> the pitch of the winding being diametrically. On the stator, along the switching axis xx ', there are notches where the switching poles <B> 55 </B> and <B> 56. </B> are housed. <B> 3 </B> also shows the relative windings <B> to </B> these switching poles.
The <B> 72 </B> winding is connected to the alternating current <B> </B> network by means of rings and brushes and, in fig. <B> 3 </B> six rings 54 have been shown, the six-phase system giving less losses than the three-phase system. The six-phase system naturally requires the use of a six-phase-three-phase transformer, interposed between the metadyne and the network.
This machine behaves in a manner reminiscent of a commutator, the inductive flux being replaced by the magnetic flux <B> developed in the stator by the armature.
Fig. 4 schematically represents a variant of FIG. <B> 3. </B> The pitch of the armature winding is diametrical, but the brushes <I> a, <B> b </B> </I> are not diametrically opposed <B>; </B> in this case there <B> y </B> has two switching axes, xx 'relative to brush a, <I> and </I> yy' relative to brush <B> b, </ B> and four switching poles <B> 57, 58, 59 </B> and <B> 60. </B> In the case of brushes arranged in two different diameters, the switching poles are distributed <B> at </B> the periphery of the armature.
This arrangement has two advantages <B>: </B> it makes the distribution of the ampere-turns due to the direct current closer to a sinusoidal distribution and, consequently, it improves the operation and increases the efficiency; it also allows black switching for a much more intense current than the case of <B> of </B> fig. <B> '3. </B>
The same result is obtained by adopting a greatly reduced pitch for the continuous winding and diametrically opposed brushes as shown in fig. <B> 5. </B> In this case, to the brush a correspond two half-axes of com mutation x and x 'inclined relative to each other <B> to </B> the other <B>; </B> also, to the brush <B> b </B> correspond the two half-axes <B>y</B><I>et</I> <B> y '. </B> Of course , there <B> y </B> has four switching poles.
Above, the importance of the offset of the switching axis xx 'of FIG. <B> 3 </B> with respect to <B> to </B> the reference axis for the control of the real and reactive power <B>; </B> in the case of the arrangement according to the fig. 4, this offset angle must be measured starting from the internal bisector of the switching axes xx '<I> and </I> yy' for the case of fig. <B> 5,
</B> we will start from the internal bisector of the two switching half-axes x <I> and <B> y '</B> </I> and from the two switching axes x' <I> and < B> y. </B> </I> Fig. <B> 6 </B> is relative <B> to </B> the generator metadyne <B> 6. </B> The operation of the latter is improved by the adoption of special stator windings.
Among these windings, the following are particularly suitable <B>: </B> the primary amplifier winding <B> 61 </B> which, through which the primary current I ,,, creates a flow in the same direction as the rotor amperes-turns due to the same current 1 ,, <B>; </B> the primary stabilizer bearing 64 which, through the primary current I, induces an electromotive force between the primary brushes <I> a, < / I> c, opposing current 1 ,, <B>;
</B> the secondary compensating winding <B> 62 </B> which, traversed by the secondary current, creates a flow opposite <B> to </B> that <B> due </B> to the ampere-turns rotor created by the secondary current Ibl which makes it possible to reduce the ampere-turns of the control winding <B> 29; </B> the secondary stabilizing winding <B> 66 </B> which, crossed by the secondary current lb, induced between the secondary brushes <B> b, </B> <B> d, </B> an electromotive force opposing the secondary current Ib <B>;
</B> the secondary shunt winding <B> 65 </B> which, connected between the secondary brushes <B> <I> b, d, </I> </B> creates corrective ampere-turns in the same direction as those of the control winding <B> 29 </B> and makes it possible to maintain substantially constant the intensity of the secondary current 14 independently of the load of the generator metadyne. As a variant, one could use a metadyne comprising only part of the indicated windings. It has so far been assumed that the L-L network itself is powerful enough to dictate the <B> frequency of </B> the whole.
If, on the contrary, the LL network does not contain powerful alternators, the frequency of the assembly will be determined by the speed of motor 4 during the first <B> period- </B> of operation and by the speed of the motor. motor <B> 5 </B> during the second period of operation <B>; </B> in this case, the speed of these motors will be stabilized by the use of the same means which make it possible to stabilize the frequency large alternators of a network <B> at </B> a value determined <B> in </B> in advance.