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SYSTEME DE CONTROLE DE LA CHARGE D'UN GROUPE TURBINE-GENERATRICE.
La présente invention est relative à un système de contrôle de généra- trice électrique et plus particulièrement à un système de régulation de la puis- sance débitée par une génératrice entraînge par turbine, faisant partie d'un système d'interconnexion à courant alternatif.
Lorsque plusieurs génératrices à courant alternatif sont interconnectées de manière à constituer un système de distribution et de transmission de puissance il est souvent désirable de prévoir des moyens de contrôle évitant la transmission à tout le système de puissance, des variations de charge ou de puissance ayant lieu dans une unité particulière. En particulier, un tel système de contrôle est utile lorsqu'une ou plusieurs des utilisations de la charge sont du type indus- @
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-triel lourd, tel que les laminoirs ou machines similaires, où les demandes de puissance sont relativement élevées et habituellement de courte durée.
Dans ces cas, il est désirable d'éviter la transmission, aux systèmes interconnectés, de ces fortes variations de puissance de courte durée et de prévoir un équipement de contrôle obli- geant une génératrice particulière à supporter l'excès de puissance demandé. On peut utiliser, à cette fin, un système responsable de la @uissance fonctionnant rapidement lors d'un accroissement de la puissance demandée par l'utilisation, le laminoir par exemple, pour ajuster la graduation du régulateur de vitesse d'un groupe particulier turbine-génératrice, de telle manière que ce groupe supporte seul l'augmentation de charge demandée par l'utilisation.
Par conséquent, par suite de l'ajustement du ré- gulateur par le circuit responsable de la puissance de l'utilisation, la quantité de combustible ou de vapeur fournie à la machine d'entraînement de la génératrice, est augmentée de manière à accroître sa puissance débitée et, par conséquent, à fournir la charge supplémentaire demandée par le laminoir, empêchant ainsi la transmission de la demande supplémentaire de puissance à tout le système avec les fluctuaions ré- sultantes de tension et, dans certains cas même, la perte possible du synchronisme entre certaines machines interconnectées du système.
Dans un sens, le système agit comme un appareil anticipatif à un changement de fréquence, car le réglage du régulateur de la turbine se fait rapidement en réponse à une demande croissante de puissance par le laminoir. Il n'est donc pas question d'at- tendre jusqu'à ce que l'augmentation de la charge donne lieu à une réduetion correspon- dante de vitesse et de fréquence des groupes turbines-génératrice connectés, qui amène- rait normalement une action correctrice sur chaque régulateur de vitesse des différents groupes.
Comme le système opère par ajustement de la graduation du régulateur de vi- tesse, et non en dehors de ce dernier, l'action de régulation normale du régulateur n'interfère avec lui en aucun cas et on est libre da maintenir le contrôle des groupes turbine-génératrice daps le cas où la charge du système change d'une autre manière que celle décrite à propos du cas particulier du laminoir.
Un objet de la présente invention est de présenter un appareil perfectionné de contrôle de la charge d'une génératrice électrique entraînée par turbine.
¯ Un autre objet de l'invention est de présenter un appareil perfectionné de régulation de l'équilibre de la charge d'une génératrice entraînée par turbine, cette génératrice étant interconnectée avec un système de puissance à courant alternatif.
Un autre objet de l'invention est de présenter un système de contrôle perfec- tionné d'un groupe turbine-génératrice et du système de puissance interconnecté pour maintenir la stabilité du système malgré les variations de la puissance demandée par
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une utilisation connectée.
Un autre objet de l'invention est de présenter un système de contrôle perfec- tionné de la vitesse et de la charge d'un groupe turbine-génératrice qui règle la puissance débitée par la génératrice sans mettre hors de service le contrôle normal du régulateur de vitesse de ce groupe.
On comprendra mieux les avantages et les caractéristiques nouvelles de l'in- vention en se référant à la description suivante et au dessin qui l'accompagne, donné simplement à titre d'exemple non limitatif, illustrant schématiquement un dispositif utilisant les principes de l'invention.
En se référant au dessin, on voit qu'une génératrice synchrone 1 à courant alternatif, est reliée à un système polyphasé 2 pouvant ou non être interconnecté à d'autres génératrices pour former un système complet de distribution de puissance électrique. Au système 2 est reliée une utilisation extérieure 3, un train de lami- noir par exemple, et le but de la présente invention est de régler la puissance prise à la génératrice 1 par l'utilisation 3. La génératrice 1 est entraînée mécaniquement par une turbine 4, contenant un fluide dilatable, possédant une valve à papillon 5 contrôlée par le régulateur de vitesse 6.
Ce dernieur peut être du type régulateur à boules par exemple, et est entraîné par l'arbre de la turbine par des liaisons mé- caniques convenables ; ilfonctionne de manière à maintenir à une valeur sensiblement constante, la vitesse de la turbine; la valeur désirée étant obtenue par réglage de la valve à papillons. Un mécanisme de réglage du régulateur est prévu, dont le fonction- nement dépend de la puissance demandée par l'utilisation 3; ce mécanisme consiste es- sentiellement en une vis 7 agissant par rotation dans l'une ou l'autre direction pour éle-ver ou abaisser le dispositif régulateur au moyen d'une liaison flottante 8.
La vis 7 est mue par un moteur réversible 9 à courant continu, dont l'armature porte un pignon 10 s'engageant dans l'engrenage 11 d'entraînement qui est fixé à la vis de réglage. Un champ continu constant 12 est prévu pour le moteur 9 et l'inversion de rotation du moteur est accomplie ep inversant la direction du courant fourni à l'ar- mature au moyen des conducteurs 13.
De ce qui précède on voit que la rotation de la vis 7, dans une direction qui élève l'extrémité droite du levier 8, va déplacer ce dernier dans le sens inverse des aiguilles d'une montre autour de son point milieu, agissant comme pivot- ce qui fait se déplacer la valve à papillon 5 vers sa position de fermeture, réduisant ainsi le ' débit de la turbine 4. Inversement, l'abaissement de l'extrémité droite du levier 8
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va donner lieu à upe augmentation de la quantité de fluide introduite dans la turbine- ce qui permet à cette dernière d'assurer une augmentation de la charge fournie par la génératrice synchrone 1.
Comme le levier 8 est du type flottant et qu'il est libre de se mouvoir dans un plan vertical sur toute sa longueur, l'action normale de ,contrôle du régulateur de vitesse à boules n'est pas restreinte par le mouvement du mécanisme 7 de réglage. Le ler est donc libre de pivoter autour de son centre lorsqu'il est mû par le mécanisme de réglage 7, au lieu de pivoter autour de son extrémité droite lors- qu'il est contrôlé par l'action du régulateur de vitesse 6. Ces deux réglages peuVept être séparés ou simultanés, avec le résultat que le contrôle de vitesse de la turbine se fait toujours par le régulateur 6.
Pour faire fonctionner le moteur 9 de réglage du régulateur, un système de contrôle est prévu sensible à la quantité de puissance prise par l'utilisation 3 et à la position du régulateur. Ce système de contrôle consiste en un pont ou circuit com- prenant le transformateur à prises variables 14 alimenté en courant alternatif constant par le système principal 2 au moyen du transformateur 15 de potentiel. Les bornes d'amenée courant alternatif des ponts redresseurs 16 & 17 sont reliées en série l'une avec l'autre et avec chaque extrémité du transformateur 14, et leurs bornes de débit courant continu sont reliées à une paire d'enroulements de champ de contrôle 18 & 19 respectivement, de polarité opposée comme indiqué par les flèches tracées le long de tes enroulements.
La machine dynamoélectrique 20 fournit du courant continu réversi- ble pour faire fonctionner le moteur de contrôle 9 du régulateur ; machine dynamo électrique est ,de préférence, du type amplidyne, dont les qualités principales sont une grande sensibilité et une vitesse de réponse élevée. L'amplidyne 20 est entraînée par toute source de puissance convenable, un moteur d'induction triphasé 21 par exemple.
Le courant débité par l'amplidyne est, par conséquent, fonction directe, à la fois en valeur et en direction, du flux net créé par ses enroulements de champ opposés 18 & 19.
Par exemple, si le courant traversant l'enroulement de champ 18 est supérieur à celui traversant l'enroulement de champ 19, le courant débité par l'amplidyne aura/une direc- tion telle qu'il fera fonctionner le moteur 9 de contrôle du régulateur dans une direc- tion, tandis que, si le courant traversant l'enroulement 19 est supérieur à celui tra- versant ltenroulement 18, le courant fourni par l'amplidyne fera fonctionner le moteur 9 dans la direction inverse .
Lorsque le courant parcourant l'enroulement 18 est égal à celui parcourant l'enroulement 19, le fluxnet résultant est évidemment nul et aucun courant n'est fournit par l'amplidyne au moteur 9, Pour régler le système de manière
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à ce que la génératrice 1 supporte une charge prédéterminée, le transformateur 14 est muni d'une prise de tension réglable 22 qui, comme représenté, est placée en dessous du point milieu du transformateur 14. En série avec la prise 22 et le point commun des redresseurs 16 & 17, un circuit est prévu qui comprend des éléments sensibles au courant pris par l'utilisation 3 et aussi à la position relative de la vis 7 de réglage du régulateur de vitesse.
L'élément sensible à la puissance est une résistance varia- ble 23 placée en parallèle aec le transformateur de courant 24, et la tension apparais- sant aux bornes de la résistance 23 est, par conséquent, directement proportionnelle au courant traversant le transformateur de courant, d'où proportionnelle au courant pris par l'utilisation extérieure 3. Un signal est introduit en série avec la résistance 23, dont l'amplitude varie avec la position de la vis 7 de réglage du mécanisme de con- trôle du régulateur de vitesse. Ce signal est obtenu au moyen d'un selsyn 25 qui est entraîné mécaniquement par l'intermédiaire du système rochet-pignon 26 à l'extrémité inférieure de la vis de réglage et qui est alimenté en potentiel statorique par les $ondu-eteurs 27 ,comme représenté.
La tension débitée par le rotor du selsyn 25 est variable,d'une valeur minimum à une valeur maximum, d'après la position angulaire du rotor qui, à son tour, est réglée pour chaque mouvement de la vis de réglage 7 du régu- lateur. La tension débitée par le rotor du selsyn ou signal, est amenée en opposition à la tension aux bornes de la résistance 23,par les conducteurs 28 en série.
Dans le cas où un selsyn est utilisé, comme représenté, il est désirable de choisir la relation convenable de fonctionnement du rotor au stator, de manière à ce que la tension rotorique varie à peu près linéairement dans toute la gamme de fonction- nement allant de la position de charge nulle à celle de charge maximum du mécanisme de réglage du régulateur. D'autres appareils peuvent être utilisés pour produire un signal proportionnel à la position du mécanisme de réglage du régulateur, par exemple un potentiomètre un rhéostat ou un transformateur variable de tension du type tour- nant.
Le fonctionnement du système sera mieux compris en supposant que le circuit pont est équilibré et que la prise 22 du transformateur ait été déplacée jusqu'à la position désirée, comme représenté, permettant à la génératrice 1 de supporter une certaine valeur définie de charge continue.
Dans ces conditions, la tension aux bor- nes de la partie inférieure de l'enroulement 14 du transformateur, augmentée de la somme de la tension aux bornes de la résistance 23 et de la tension débitée par le selsyn, est égale à/la tension aux bornes de la partie supérieure de l'enroulement 14
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du transformateur, diminuée de la somme des tensions aux bornes de la résistance 23 et du selsyn 25, et le pont est équilibré ; courants égaux et opposés circulent alors, dans les ponts redresseurs 16 & 17, avec des courants égaux correspondant circulant dans les enroulements de champ opposés 18 & 19 de l'amplidyne.
Si une quantité élevée de puissance est brusquement demandée par l'utilisation 3, il est désirable que la génératrice 1 supporte cette charge, dans ses possibilités de puissance maximum évidemment, plutôt que de laisser ces variations de charge se transmettre au système extérieur, avec les variations résultantes de tension et la perte possible de synchronisme entre les machines interconnectées.
La présence d'un appel de puissance par l'utilisation 3 développe une tension aux bornes de la résis- tance 23 qui déséquilibre le pont dans une direction correspondant à une augmentation du courant parcourant l'enroulement 18 de l'amplidyne. Il s'ensuit qu'un courant parcourt le circuit d'armature du moteur 9 dans une direction convenable pour faire tourner la vis de réglage de telle manière que l'extrémité droite du levier 8 soit abaissée, ce qui correspond à un accroissement de l'alimentation en vapeur de la turbine, obligeant ainsi la génératrice 1 à fournir l'accroissement de charge signalé par le transformateur de courant 24.
Pendant que la vis de réglage 7 fonctionne, le selsyn 25 tourne également d'une quantité correspondante, de sorte que le signal pro- duit par le rotor du selsyn croît en amplitude et cette action de réglage continuera jusqu'à o eque, lorsque'à la somme des tensions produites par la résistance 23 et le rotor du selsyn, on additionne la tension aux bornes de la partie inférieure de l'enroulement 14 du transformateur et lorsqu'on soustrait cette somme de la tension aux bornes de la partie supérieure de l'enroulement du transformateur, les valeurs obtenues stégalent de nouveau de manière à ce que le pont voit de nouveau équilibré avec l'arrêt de fonctionnement résultant du moteur 9 de réglage du régulateur de vitesse.
Aussi longtemps que la puissance accrue continue à être demandée par l'uti- lisation 3, le pont restera équilibré et le groupe turbine-génératrice fonctionnera dans les conditions les plus élevées de charge, bien que ne fournissant que la charge au système interconnecté. Lorsque l'utilisation 3 cesse sa demande de puissance, le fonctionnement inverse aura lieu, c'est-à-dire que la tension aux bornes de la résis- tance 23 disparaîtra et que la tension rotorique du selsyn sera prédominante mais dans la direction opposée, déséquilibrant ainsi le pont dans la direction inverse et don- nant lieu à un courant parcourant l'enroulement de champ 19 supérieur à celui parcou- rant l'enroulement de champ 18.
Le courant continu débité par l'amplidyne 20 possède alors la direction opposée et fera fonctionner le moteur 9 de réglage du régulateur
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dans la direction inverse pour élever l'extrémité droite du levier 8, faisant ainsi retourner la valve à papillon à sa position première et ramenant à son état initial la condition de charge de la génératrice synchrone 1.
Puisque l'invention a été illustrée comme possédant une vitesse de réponse extrêmement élevée, par suite des caractéristiques inhérentes au contrôle par pont et amplidyne, un réglage convenable de la valve à papillon 5, avant que l'accroissement de charge ne soit effectif, va donner lieu à une action normale de régulation de la vitesse du régulateur 6 à travers son mécanisme centrifuge. Cette caractéristique d'action rapide évite aussi la transmission des variations de charge aux autres géné- ratrices interconneetées au système, puisque ces génératrices devraient d'abord pren- dre une partie de l'accroissement de charge avant que leurs régulateurs ne répondent pour ramener la vitesse et la fréquence en ouvrant les valves à papillon.
Dans un sens, le système de contrôle fonctionne comme un dispositif anticipatif à un change- ment de fréquence puisque l'action de réglage du régulateur commence aussitôt que la puissance prise par l'utilisation extérieure 3 croît, sans attendre que l'accroisse- ment de charge de la génératrice prinsipale 1 ne ralentisse la turbine et ne fasse agir son régulateur de vitesse mécanique. Un avantage important est l'aptitude du système à contrôler le débit du groupe turbine-génératrice, durant les variations de puissance, en laissant ce groupe sous le contrôle de son propre régulateur de vitesse 6 pour le cas d'une variation importante de charge demandée par le système extérieur.
Par exemple, un accroissement de la charge du système accroît la charge fournie par la génératrice 1 et le régulateur de vitesse 6 va fonctionner normalement pour ouvrir la valve à papillon 5 et augmenter la puissance débitée par la turbine 4, de manière à ramener la vitesse de cette dernière à la valeur prédéterminée sans troubler tout réglage fait par le mécanisme 7 de réglage du régulateur, en réponse aux Variations de la puissance prise par l'utilisation 3. Par conséquent, l'aptitude normale de régulation du régulateur 6 de la turbine n'est pas troublée par les variations du mécanisme de réglage du régulateur.
Bien qu'on n'ait décrit et représenté qu'une seule forme de réalisation de l'invention, il est évident qu'on ne désire pas se limiter à cette forme particulière donnée à titre d'exemple et sans aucun caractère restrictif et que, par conséquent, toutes les variantes ayant même principe et même objet que la disposition indiquée rentreraient comme elle dans le cadre de la présente invention.