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Procédé pour assurer le maintien du fonctionnement synchrone d'une machine électrique synchrone La présente invention a pour objet un procédé pour assurer le maintien du fonctionnement synchrone d'une machine électrique synchrone lors de l'apparition d'une perturbation susceptible d'en provoquer le décrochage, caractérisé en ce que l'on modifie, pendant le fonctionnement, la direction de l'axe magnétique du champ inducteur par rapport à la partie de la machine portant les enroulements d'excitation, lors de l'apparition d'une telle perturbation,
de manière à limiter l'accroissement de l'angle de puissance qui en résulte et maintenir cet angle à des valeurs telles que le fonctionnement synchrone normal puisse être repris après la disparition de la perturbation.
Si l'on considère une machine synchrone fonctionnant en alternateur, connectée à un réseau de grande puissance par une ligne de transmission, et si V est la tension au point de connexion de cette ligne au réseau connectant les autres machines avec lesquelles la machine considérée fonctionne en synchronisme, il est connu notamment qu'en régime perturbé le synchronisme est perdu si l'angle de déphasage entre la tension V et la force électromotrice E de la machine dépasse une certaine valeur.
Le déplacement, pendant le fonctionnement, de l'axe magnétique du champ inducteur, sur la partie de la machine portant les enroulements inducteurs, dans un sens qui correspond à la diminution de l'angle de déphasage entre V et E, en réduisant la valeur de cet angle, permet de maintenir la machine électriquement dans des conditions permettant la reprise du fonctionnement synchrone normal après la disparition des conditions créées par la perturbation.
Des mises en oeuvre du procédé suivant l'invention sont décrites, à titre d'exemple, ci- après, en regard du dessin annexé.
Soit une machine synchrone pourvue de deux circuits d'excitation distincts et identiques, en quadrature l'un avec l'autre, c'est-à-dire ayant des axes magnétiques décalés de 90 degrés électriques. En fonctionnement normal, le circuit d'excitation principal dont l'axe correspond à l'axe direct, est seul excité, l'axe direct étant l'axe magnétique de ce circuit inducteur principal. Le circuit d'excitation auxiliaire, dont l'axe magnétique est dirigé suivant l'axe transversal, est court-circuité et agit comme amortisseur, l'axe transversal étant décalé de 90 degrés électriques par rapport à l'axe direct.
La fig. 1 représente le diagramme vectoriel d'une telle machine en régime établi, pour le cas du fonctionnement en générateur. Le cas
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du fonctionnement en moteur est similaire avec la différence du signe de la puissance et de l'angle de puissance, l'angle de puissance étant l'angle de déphasage entre la tension V telle que définie plus haut, et la force électromotrice E. Le courant d'excitation il dans le circuit d'excitation principal 1 produit un flux suivant l'axe direct de la machine, et auquel correspond la force électromotrice El. 8 est l'angle de puissance. Le circuit d'excitation auxiliaire 2 est court-circuité.
Dans le cas du fonctionnement en générateur, si un défaut, tel qu'un court-circuit, se produit entre l'alternateur et le point où la tension est V, telle que défini plus haut, la puissance électrique fournie par la machine et le couple correspondant diminuent ; par suite de l'excès du couple moteur qui en résulte, l'angle 8 croît. Dans des conditions de fonctionnement capables de causer finalement la perte de synchronisme, si le défaut n'est pas éliminé avant que l'angle de puissance atteigne une certaine valeur déterminée, la machine décrochera et le synchronisme sera perdu.
Si au moment où les directions des différents vecteurs se trouvent dans des positions telles que représentées à la fig. 2, par exemple, le circuit d'excitation auxiliaire 2 est excité et ensuite le circuit d'excitation principal 1 est ouvert, le vecteur de la force électromotrice El de la fig. 2 prendra la direction Ez indiquée en fig. 3. La machine se trouve ramenée dans les mêmes conditions électriques que celles représentées en fig. 1.
Sur les caractéristiques de puissance en fonction de l'angle 8, la succession des opérations réalisées conformément à ce procédé est représentée comme suit Soit en fig. 4, a la caractéristique de puissance en fonctionnement en régime établi ; supposons que la valeur de l'angle de puissance avant l'apparition d'un défaut soit Sa. Soit b la caractéristique correspondant aux conditions de défaut. Dans les machines de construction normale, si le défaut n'est pas éliminé avant que l'angle dépasse une certaine valeur déter- minée telle que 8, par exemple, la machine décrochera.
Dans la machine synchrone décrite pourvue de deux circuits d'excitation en quadrature, supposons que le circuit d'excitation auxiliaire dont l'axe correspond à l'axe transversal est excité quand l'angle de puissance atteint une valeur Ôv par exemple, et que le circuit d'excitation principal dont l'axe correspondait à l'axe direct est ensuite ouvert. Le point représentant les conditions de fonctionnement de la machine se trouvera alors sur la caractéristique c (fig. 4). La machine se trouve ramenée aux conditions électriques existant au moment de l'apparition du défaut.
Ce changement de caractéristiques obtenu par alimentation et ouverture successives des deux circuits d'excitation continue jusqu'à ce que le défaut soit éliminé par les disjoncteurs ou ait disparu de lui-même. Si cela a lieu au moment où l'angle de puissance est 8d, et la caractéristique est d (conditions de défaut), la caractéristique devient e (défaut éliminé).
Par suite de l'énergie cinétique des masses en mouvement, l'angle de puissance augmentera encore ; à la valeur b, (fig. 4), l'excitation du circuit d'excitation auxiliaire ayant son axe dans la direction de l'axe transversal ramènera le point de fonctionnement sur la caractéristique f, le circuit d'excitation principal ayant son axe dans la direction de l'axe direct étant ouvert. Cette suite d'opérations continue jusqu'à la dissipation de l'énergie cinétique des masses en mouvement ; cette énergie est représentée par les surfaces hachurées dans les figures.
Si cette énergie est dissipée au moment où la valeur de l'angle est b,, et la caractéristique est g, le rotor de la machine oscillera autour du point B situé sur cette caractéristique, point de fonctionnement en régime établi.
En réalité, entre les caractéristiques b et c, c et d, e et f, ainsi que f et g, il existe des caractéristiques intermédiaires, indiquées en trait interrompu, correspondant aux instants où les deux circuits d'excitation se trouvent en même temps excités.
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Dans les machines dans lesquelles la fermeture et l'ouverture des circuits d'excitation, comme il vient d'être exposé, ne pourraient pas être réalisées, le changement de direction de l'axe magnétique du champ inducteur dans la machine peut être obtenu d'une manière continue 'de la façon suivante Les bornes des deux circuits d'excitation sont connectées à la source de courant continu par l'intermédiaire d'un dispositif potentiomé- trique indiqué en fig. 6.
Les bornes 3 et 4 du circuit d'excitation principal 1 sont directement connectées à l'alimentation en courant continu. Les bornes 5 et 6 du circuit d'excitation auxiliaire 2 étant reliées à des points équipotentiels du potentiomètre, aucun courant ne traverse ce circuit.
En fonctionnement normal, les bornes 5 et 6 peuvent être court-circuitées dans cette position, par un shunt non indiqué sur la fig. 6.
Une pièce 7 portant les contacts auxquels les bornes des circuits d'excitation sont reliées, peut être entraînée autour de son axe, au moyen d'un moteur à courant continu 8. Le fonctionnement de ce moteur est commandé par un dispositif de mesure 9, donnant la différence entre la tension V, telle que définie plus haut, et la tension Va d'un alternateur auxiliaire pilote 10 monté sur l'arbre de la machine synchrone, et possédant le même nombre de pôles. La différence vectorielle V-Va qui est une fonction de l'angle de puissance, devra être nulle quand la machine est à vide, c'est-à-dire quand l'angle entre les directions des vecteurs E et V est nul. Ce réglage s'obtient par décalage du stator de l'alternateur auxiliaire.
Un relais comprenant un contact 11 est agencé pour fermer l'alimentation du moteur 8 pour des valeurs de la différence (V-V,) au- dessus d'un minimum, correspondant à une valeur de l'angle de puissance telle que, par exemple, ô, sur la fig. 5.
La fermeture du contact 11 (fig. 6) a pour effet de changer la position des bornes des circuits d'excitation sur le potentiomètre. La tension appliquée au circuit d'excitation principal 1 diminue, tandis que la tension appliquée aux bornes du circuit d'excitation auxiliaire 2 aug- mente, et la direction de l'axe magnétique du champ inducteur dans la machine est modifiée. Le sens de rotation du moteur 8 et de la pièce 7 portant les bornes connectées aux enroulements d'excitation, aura lieu dans un sens correspondant à la diminution de l'angle de puissance.
Chaque fois que le contact 11 se ferme ou lorsqu'il reste fermé, la caractéristique de puissance en fonction de l'angle 8 se déplace vers la droite comme indiqué en fig. 5.
Pour que l'alternateur pilote garde sa tension en phase avec la nouvelle direction de la force électromotrice de l'alternateur principal, il est nécessaire que la phase de Va tourne du même angle électrique que celui dont a tourné la force électromotrice E.
Ceci peut être obtenu par l'un des procédés suivants, et aussi par le choix convenable des constantes de temps des circuits de l'alternateur pilote a) On fait tourner le stator de l'alternateur pilote d'un angle électrique égal à l'angle dont a tourné la pièce portant les contacts du potentiomètre commandé par le moteur 8 (fig. 6), soit en rendant solidaires les deux organes, soit par l'emploi d'un servomécanisme de position reliant deux organes. Cette correspondance de position entre les deux organes est schématiquement indiquée dans les fig. 6 et 7, par un trait mixte.
b) Ou bien, l'inducteur de l'alternateur auxiliaire est réalisé et alimenté d'une façon identique à celui de l'alternateur principal. La tension Vd est initialement réglée pour être nulle quand l'alternateur principal est à vide, par décalage du stator qui reste fixé dans cette position. Le déphasage de Va est obtenu par changement de la direction de l'axe du champ inducteur, comme dans l'alternateur principal.
Les paramètres dont dépend le mouvement du dispositif de commande de la pièce mobile du potentiomètre par le moteur 8 (fig. 6) doi-
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vent être choisis pour que le contact 11 ne reste pas fermé ; à cet effet, la rotation du moteur 8 peut, par exemple, être limitée par un dispositif agissant en fonction du déplacement réel de l'axe magnétique du champ inducteur sur le rotor de la machine principale. A chaque fermeture du contact 11, la caractéristique de puissance en fonction de l'angle de puissance fera un déplacement à droite comme indiqué en fig. 5.
Après que le défaut se trouve éliminé, la caractéristique continuera à se déplacer vers la droite, jusqu'à ce que l'énergie cinétique des masses tournantes se soit dissipée. A ce moment, le contact 11 (fig. 6) restant ouvert, la caractéristique gardera sa dernière position. Le point B sur la caractéristique p (fig. 5) est le point de fonctionnement en régime établi.
Pour les machines dans lesquelles la connexion directe des circuits d'excitation à la source de courant continu, comme il vient d'être décrit et représenté en fig. 6, n'est pas facilement réalisable, un dispositif analogue agira sur les circuits d'excitation des excita- trices, ou bien sur les circuits d'excitation de groupes d'excitation 12 et 13 (fig. 7) comprenant plus d'une machine et alimentant les circuits d'excitation 1 et 2 de la machine synchrone. Le fonctionnement reste le même comme exposé.plus haut.
Le régulateur de tension de la machine synchrone peut agir sur la tension appliquée aux bornes du potentiomètre.
Dans ce qui précède, on n'a pas considéré, dans un but de simplification, les phénomènes transitoires dans les circuits, l'influence du régulateur de la machine motrice actionnant la machine synchrone dans le cas d'un alternateur, mais il est bien entendu que le principe du procédé décrit n'est pas affecté par ces différents facteurs.