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MONTAGE AUTOREGULATEUR POUR LA TRANSFORMATION DE L'ENERGIE ELECTRIQUE, D'
UNE ESPECE DE COURANT EN UNE AUTRE.
L'invention concerne un montage autorégulateur pour la transfor- mation d'énergie électrique, à savoir, d'une espèce de courant (tension, fré- quence, nombre de phases) en une autre; plus exactement;un montage autorégu- lateur constitué par un convertisseur, un changeur de fréquence, un onduleur, ou analogues, pour la transformation de courant continu en courant alterna- tif ou triphasé, éventuellement suivie d'une nouvelle transformation de ce courant alternatif ou triphasé en un courant continu d'une autre tension ou d'une tension réglée. On sait que de tels changeurs de fréquence ou onduleurs sont difficiles à stabiliser. On a déjà proposé divers moyens pour la stabi- lisation, notamment pour le réglage à la résonance, par exemple des circuits oscillants accordés à la fréquence du courant alternatif ou triphasé engendré.
Cependant, ces circuits sont encombrants et coûteux et donnent lieu à diverses difficultés que l'on n'examinera pas ici en détail.
Selon l'invention, le réglage à la résonance d'un tel 'montage est assuré par une machine électrique à champ tournant, de préférence une machine synchrone, alimentée par des organes de manipulation de courant fonctionnant en onduleurs-., Cette machine peut servir simultanément comme accumulateur d'énergie, par exemple dans le cas d'une variation pulsatoir de la charge, ain- si que pour fournir la puissance réactive nécessaire du système onduleur et des récepteurs., Les organes de manipulation de courant fonctionnant en ondu- leurs peuvent être des appareils à vibreur, des soupapes, des tubes, des ampou- les à décharge à arc à grille de commande, etc..
. Il est recommandé de câbler la machine pour une fréquence supé- rieure à la fréquence habituelle du courant alternatif et du courant triphasé, de façon que cette machine puisse tourner par exemple à la vitesse allant jus- que 3.000 à 30.000 t/m et que la fréquence de la machine puisse, le cas éché- ant, atteindre la valeur maximum- admissible. Ceci permet de réduire notable- ment l'encombrement et le poids de la machine, pour une puissance donnée.
Comme il sera encore exposé plus loin, cette machine peut être
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munie de plusieurs enroulements, lesquels peuvent comporter des nombres de pôles différents, ou bien, l'enroulement de la machine peut présenter des bornes intermédiaires.
Pour éliminer les bagues collectrices, les circuits d'excita- tion du groupe peuvent être raccordés, sans faire usage de bagues collec- trices, à des machines synchrones montées sur l'arbre du groupe et compor- tant des redresseurs 'encastrés, Pour augmenter l'aptitude de la machine à accumuler de l'énergie, on peut lui adjoindre une masse particulière faisant volant. L'invention se préoccupe particulièrement de la suppression d'har- moniques supérieurs gênants.
Les moyens pour réaliser cette suppression peuvent consister en un câblage particulier de l'enroulement amortisseur de la machine synchrone, une allure particulière de la.courbe du champs induc- teur des pôles de la roue polaire, un hétérodynage des.pôles feuilletés de la roue polaire avec une fréquence appropriée dans le circuit excitateur, des appareils à induction (réactances, transformateurs) raccordés à l'enrou- lement de la machine et comportant,avec une disposition appropriée du bobi- nage et du noyau de fer, un montage redresseur ou onduleur raccordé à la machine et présentant un câblage déterminé ainsi qu'une allure particulière de la courbe caractéristique, etc... En outre, il est recommandé, pour di- vers usages, d'intercaler, entre les organes électriques de manipulation de courant (soupapes, appareils à vibreur, etc.)
un dispositif transformateur de tension, notamment un transformateur régulateur. Il va de soi que des dispositifs transformateurs de tension peuvent aussi être intercalés entre la machine et le récepteur.
En ce qui concerne la coupure de puissance d'un tel montage, les disjoncteurs appropriés peuvent être prévus entre les organes de mani- pulation de courant (soupapes, appareils à vibreur, etc. ) et la machine élec- trique, en ne disposant en amont de ces organes de manipulation que des orga- nes de sectionnement, tels que sectionneurs, coupe-circuit ou dispositifs de protection contre les court-circuits, ces organes de sectionnement étant reliés de telle façon aux disjoncteurs de puissance qu'ils ne puissent être actionnés qu'après 1-'intervention.de:ceux..,ci.
Lorsque le courant alternatif ou triphasé produit par l'instal- lation est ensuite transformé en courant continu dans un groupe redresseur, il est recommandé d'influencer particulièrement l'allure de la courbe des tensions et des courants, comme il sera exposé plus loin.
Les multiples dispositions possibles de telles installations seront exposées plus amplement ci-après.
L'invention est susceptible de résoudre différents problèmes.
Un but essentiel de l'invention consiste à réaliser, avec des moyens simples, une autorégulation, d'un fonctionnement aussi sûr que possible, de tels ondu- leurs et de garantir une stabilité parfaite de la marche, même sous une char- ge variable ou pulsatoire. L'invention vise en outre à réaliser un réglage et un ajustement indépendants et commodes de la fréquence de sortie. Elle vise en outre à étendre également le contrôle aux puissances élevées, voire maxima,cela avec des moyens économiques et des tensions d'entrée élevées.
En outre, en ce qui concerne l'exploitation des chemins de fer, l'invention permet l'emploi, avec des moyens économiques, du courant continu à haute ten- sion dont la transformation en un courant de tension moins élevée nécessaire pour les moteurs de traction ne pouvait s'opérer à ce jour, sur les locomo- tives, qu'à l'aide de moyens très importants et donc non économiques.
Ainsi par exemple dans une exploitation de chemins de fer à courant continu de haute.tension, les moteurs de traction peuvent être raccordés en aval de la machine par l'intermédiaire d'un transformateur et d'un redresseur, ces moteurs pouvant ainsi être alimentés en un courant continu à la tension abais- sée voulue, même lorsque le fil de ligne,est alimenté en courant continu à tension élevée, ou bien, l'installation sus-indiquée peut être précédée d'un groupe redresseur, de façon à permettre aussi le prélèvement, à partir d'un réseau alternatif' ou triphasé, d'un courant alternatif ou triphasé, par exém- ple d'une autre fréquence ou d'une fréquence rigoureusement constante.
Lors- qu'il est fait usage de machines synchrones, et vu@ qu'aucune commutation par un collecteur mécanique n'est nécessaire dans ce cas, on peut pratiquement
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élever la puissance sans limite, si l'on augment l'intensité en conséquence par le montage parallèle de plusieurs soupapes électriques ou appareils à vibreuc. Lorsqu'on emploie une machine synchrone, et vu. l'absence du col- lecteur mécanique pour la commutation, on n'est limité quant à la puissance que par la tension réalisable avec ces types de machines..
Lorsqu'on inter- cale entre les soupapes, appareils à vibreur, etc. et la machine un trans- formateur ou un groupe transformateur, éventuellement réglable, comme-indi- qué plus haut,on a plus de liberté dans le choix de la tension de la machine.
En.réglant ce transformateur ou ce groupe transformateur, on peut régler le nombre de tours de la machine, et donc la fréquence du réseau à alimenter.
Afin que la tension du réseau à alimenter ne soit pas modifiée lors du ré- glage du transformateur, il est recommandé de raccorder ce réseau au côté non réglé du transformateur, c'est-à-dire au primaire.
Afin d'empêcher des réactions nuisibles, notamment des harmoni- ques supérieurs déterminés par la marche en onduleur, sur le réseau d'ali- mentation, on peut intercaler des dispositifs de filtrage dans le côté conti- nu, comme il est connu en soi.
Il va de soi que l'unique machine synchrone peut être remplacée par plusieurs machines en parallèle, qu'il est préférable de coupler méca- niquement, cette solution pouvant être adoptée lorsque les conditions de ser- vice particulières, par exemple, le passage d'une puissance à une autre, la font apparaître comme favorable.
Lorsque la nature de la fréquence de sortie est sans importance, par exemple dans les cas où la machine est suivie d'un redresseur, cette fré- quence peut être relativement élevée, c'est-à-dire, que la machine peut tour- ner à une vitesse élevée, de sorte que l'on peut maîtriser des puissances éle- vées avec une machine relativement petite. Ceci représente, notamment pour l'exploitation ferroviaire, un avantage considérable, vu l'économie de poids et d'encombrement. L'invention permet un r,églage particulièrement simple de la fréquence de sortie, vu qu'il suffit de régler convenablement la vitesse de rotation de la machine, par exemple moyennant une modification de l'exci- tation ou de la tension continue.
Ce fait, ainsi que la possibilité de pou- voir assurer le service ferroviaire avec une fréquence de sortie élevée de la machine en question, permettent d'utiliser l'objet de l'invention comme com- mutatrice, pour l'interconnexion de réseaux, pour la transformation de fré- quence, par exemple, en vue de l'alimentation du circuit-ferroviaire depuis un réseau à 50 Hz que l'on transforme en 16 2/3 Hz; pour l'obtention de la moyenne fréquence à partir d'un réseau de 50 Hz, que l'on transforme par exemple en 30.000 Hz; pour les émetteurs à alternateur, entre autres dans la télégraphie et la téléphonie sans fil, la radiodiffusion, etc., ou encore pour génératrice d'étalonnage.
Des machines synchrones alimentées à travers des onduleurs sont connus en soi, en tant que moteurs synchrones sans collecteur, pour la comman- de de moteurs et servent de préférence à remplacer les moteurs à courant con- tinu, notamment ceux à vitesse de rotation, puissances, et tensions élevées, pour lesquels la construction et le fonctionnement d'un collecteur seraient à peine possible. Conformément à une proposion antérieure, de telles machi- nes peuvent être mises en marche, sans difficultés particulières par une superposition passagère, dans le circuit du stator, d'un courant alternatif ou triphasé. Ou bien, on peut les démarrer mécaniquement, par exemple à l'aide d'un démarreur, jusqu'à ce que la f.e.m. de la machine corresponde à la tension calculée.
Mais alors que, dans ces moteurs synchrones sans col- lecteur, il s'agit de transformer l'énergie électrique en énergie mécanique, l'invention vise à transformer l'énergie électrique d'une espèce en une énergie électrique d'une autre espèce, la machine électrique ne servant ici que pourrie réglage en résonnance et en tant qu'accumulateur d'énergie. L'énergie de cou- rant continu qui traverse l'onduleur est prélevé sous la forme d'énergie de cou- rant alternatif ou triphasé aux bornes de la machine.
Lorsqu'une telle installation est alimentée depuis un réseau à courant continu, notamment à haute tension, on éprouve des difficultés pour la déconnexion, notamment aux puissances élevées. Comme indiqué plus haut, ces
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difficultés peuvent être évitées si l'on prévoit les organes de déconnexion entre, d'une part, les soupapes, les appareils à vibreur, etc.,, et, d'autre part, la machine électrique, si, notamment dans une machine couplée par transformateur, on dispose les organes de coupure entre les soupapes, appa- reils à vibreur, etc., d'une part et un côté du transformateur d'autre part, de préférence en amont du point de connexion au réseau à alimenter, ainsi que, entre la machine et l'autre côté du transformateur, tandis que, en amont des soupapes, appareils à vibreur, etc., on prévoit uniquement des section- neurs,
des coupes.=circuits ou dispositifs de protection contre les court-èir- cuit, ces organes de sectionnement étant reliés aux organes dé coupure préci- tés de telle façon.qu'ils ne puissent intervenir ou être actionnés qu'après actionnement des organes de coupure. On réalise ainsi l'avantage de pouvoir utiliser, pour la déconnexion de la puissance, des organes de coupure parfai- tement mis au point et sûrs en ce qui concerne le courant alternatif, par exemple les disjoncteurs à expansion, etc., évitant ainsi la coupure diffi- cile de la puissance dans le circuit continu. L'invention sera exposée plus amplement en regard des dessins ci-joint.
La Fig. 1 est un exemple d'application du dispositif à l'exploi- tation ferrovière à réseau alimenté en courant continu à haute tension.
La Fig. 2 montre le montage d'organes de coupure (soupapes) pour une installation' à puissance élevée.
La Fig. 3 montre une variante de la disposition de la Fig. 1, avec machines accouplées.
Les Figs. 4 et 5 montrent des variantes pour la transformation du courant continu de la tension maxima en courant triphasé.
Les Figs. 6 à 9 concernent des variantes pour l'alimentation en courant d'installations électriques de chemins de fer.
Le courant continu à haute tension débité entre le fil de ligne 1 et le rail E est transformé, dans les soupapes 6 fonctionnant en onduleur et qui, dans le présent exemple sont disposées suivant le montage triphasé ' Graetz (montage-pont à 3 phases), en courant triphasé pour l'enroulement 9 d'une machine synchrone 10 excitée à l'aide de bagues collectrices 59. Pour supprimer ces bagues, on pourrait, conformément à une proposition antérieure, disposer sur l'arbre de la machine une machine synchrone à redresseur encas- tré.
Toutefois, on pourrait aussi employer des montages à douze phases ou plus, lesquelles impriment au courant continu un caractère moins ondulé et dé- terminent une réaction moins prononcée sur le réseau d'alimentation. Aux bornes de la machine se trouve connecté le côté haute tension d'un transfor- mateur 80 dont le côté basse tension alimente les moteurs de traction à cou- rant continu 51 de la motrice à travers un ensemble redresseur 50, de préfé- rence un redresseur sec.
Les organes nécessaires à la transformation, à sa- voir, 6, 9, 10, 50, 80 sont disposés de préférence dans la voiture des trans- formateurs de courant continu, commandée à distance et ne comportant pas de personnel, ou bien, dans les petits convois, sur la motrice même, vu que la machine synchrone 10 peut être relativementpetite et légère si elle est construite pour un nombre de tours élevé en conséquence. De préférence, tous les essieux de la motrice sont commandés par des moteurs, comme il est connu en soi. On obtient ainsi qu'il suffit d'une légère pression sur l'essieu pour réaliser des efforts de traction élevés. Il en résulte des-contraintes moins élevées sur l'infrastructure de la voie. 43 désigne la commande des ampoules de l'onduleur.
Comme déjà indiqué, le transformateur 80 peut être réglable, ce qui permet d'éliminer les dispositifs de réglage pour les moteurs de trac- tion 51. Lors d'un freinage par récupération, le redresseur 50 peut être rem- placé par un onduleur approprié, pour lequel la machine 10 assure le réglage de la fréquence, tout comme pour l'ensemble 6.
En ce qui concerne le réglage de la fréquence des onduleurs, la machine 10 fonctionne comme les moteurs synchrones sans collecteur, proposés antérieurement, de sorte qu'il est inutile de faire un exposé détaillé du fon- ctionnement. La. machine est alimentée comme un moteur à travers l'onduleur 6 et débite comme génératrice, sur le transformateur 80. Il se présente alors
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cette particularité que les différentes phases de la machine ne sont ali- mentées par les soupapes électriques ou appareils à vibreur, c'est-à-dire, ne se comportent comme dans un moteur, que dans la zone de crête de leur. tension alternative, ou au voisinage de cette zone, ces phases se compor- tant comme dans une génératrice sur le restant de leur courbe de tension.
Comme ce passage de moteur à génératrice, et inversement, s'opère dans les trois phases non pas simultanément mais successivement, conformément au décalage des phases, ces phénomènes se recouvrent mutuellement. Ce fait est avantageux, car il en résulte un équilibrage plus aisé des variations de la vitesse de rotation par la masse formant volant, de la machine. Un tel mode de fonctionnement aurait pour effet des harmoniques supérieurs, mais ceux-ci seraient filtrés dans une grande mesure par l'enroulement d'a- mortisseur de la machine synchrone. Toutefois, de tels harmoniques supé- rieurs ne seraient pratiquement pas gênants dans l'exemple considéré, vu. que le courant triphasé fournit par la machine est resdressé dans la suite.
En l'absence de redressement, et lorsqu'on désire obtenir à la sortie une courbe exempte d'harmoniques supérieurs on peut compenser ces harmoniques par des moyens connus, par exemple, des réactances, ou des trans- formateurs avec montage approprié des enroulements et une disposition conve- nable des circuits magnétiques; cela lorsque les inductances du réseau rac- cordé ne suffisent pas par elles-mêmes à la suppression des harmoniques su- périeurs .
Lorsque l'enroulement 9 de la machine 10 est établi d'une ma- nière appropriée, il peut être muni de bornes intermédiaires, de façon que cet enroulement agissé lui-même comme un transformateur connexté entre les côtés alimentant et alimentés et, avec un raccordement convenable, on peut faire en sorte qu'au moins une partie de cet enroulement fonctionne toujours exclusivement comme génératrice. Ceci permet d'économiser des transforma- teurs intermédiaires
De tels moyens permettent également de supprimer les harmoniques supérieurs.
Ceux-ci peuvent encoreêtre supprimés par d'autres moyens, 'par exemple en imprimant aux pôles de la roue polaire un champ inducteur d'une caractéristique appropriée ou, dans le cas de pôles feuilletés, en superpo- sant de tels harmoniques supérieurs au courant d'excitation, que les harmo- niques supérieurs dus au passage de la marche en moteur à celle en généra- trice, et vice.versa, se trouvent compensés.,
Le débit de courant continu fourni par l'ensemble redresseur 80 et 50 représente une courbe non sinusoïdale, généralement rectiligne, en ce qui concerne le courant fournit par la machine 10.
Lorsque la tension de cette machine est sinusoïdale,il se présente dans ce mode de fonctionnement, du fait de la différence entre les courbes de tension et de courant, un be- soin, variable périodiquement en puissance réactive, -lequel diminue le coef- ficient d'utilisation de la machine 10. Toutefois, l'allure, en fonction du temps, de la tension et du courant de cette machine pour une consommation donnée de courant continu, peuvent être accordés mutuellement de telle façon que la puissance réactive de la machine se réduit au minimum.
Si, pour des raisons particulières on préfère que la machine 10 fournisse une tension.sinusoidale, mais que le besoin en puissance réactive soit toujours réduit au minimum en vue d'une utilisation optima de la puissan- ce de cette machine, on dispose des circuits bouchons (circuits résonnants en parallèle) en amont de l'ensemble redresseur 80, 50, du côté primaire du transformateur 80. Ces circuits bouchons déterminent un courant de char- ge sensiblement sinusoïdal de la génératrice. Le fonctionnement avec double durée d'allumage des anodes réalisé par cette disposition représente un nou- vel avantage pour la marche des soupapes électriques.
Suivant le nombre des phases de l'enroulement 9 de la. machine 10 et la tension disruptive des sou- papes électriques 6, ces dernières peuvent faire l'objet de n'importe quel montage, par exemple le montage Graetz ou le montage à point neutre. Le choix est déterminé en premier lieu par les dimensions des soupapes et le ca- ractère ondulatoire requis du côté continu du réseau alimenté.
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Danp le cas de puissances élevées, on branche en parallèle plu- sieurs ampoules 111, Fig. 2. Afin que le courant se répartisse uniformément sur toutes les ampoules, et que toutes les ampoules participent au fonction- nement, on prévoit des transformateurs 112 dont un côté est intercalé dans les conducteurs d'amenée des ampoules. Les autres côtés des transformateurs sont branchés en série pour toutes les ampoules.
Cette disposition fonctionne de telle façon que lors du passage du courant dans une ampoule, et par suite du branchement en série de l'autre côté du transformateur, les transformateurs des autres ampoules deviennent également le,siège d'impulsions de tension induites qui déterminent le pas- sage du courant, de sorte que, lorsque le courant commence à parcourir une ampoule, les autres ampoules reçoivent forcément aussi des courants en -con- séquence. En outre, de tels montages en parallèle des ampoules permettent de maîtriser facilement des puissances très élevées.
Ceci permet de réaliser le montage onduleur également pour des réseaux importants, de construire des émetteurs à longues ondes de grande puissance, etc.,
Dans la Fig. 3, une locomotive électrique ou une voiture à trans- formateurs indépendante de celle-ci, reçoit du courant du fil de ligne 1, ali- menté en courant continu à haute tension, par l'intermédiaire d'un archet 2, d'un sectionneur 3 et d'une self de filtrage 4. Le filtrage est en outre as- suré par un circuit filtrant intercalé entre 3 et 4 d'une part et la terre E d'autre part.
Le courant continu d'alimentation est transformé par un système onduleur 6 à soupapes commandées, à grilles 44 et à dispositif de commande 40, en un courant triphasé qui alimente l'enroulement de stator 9 d'un moteur synchrone 10 par l'intermédiaire d'un disjoncteur de puissance 7, par exemple un groupe disjoncteur à expansion, et un transformateur réglable 8. 11 désig- ne l'enroulement d'excitation du rotor 12; 13 - son enroulement d'amortisseur 20 - une génératrice synchrone à courant triphasé à enroulemnt de stator 21, à rotor 22, à enroulement d'excitation 23 et à enroulement d'amortisseur 24.
Les rotors 12 et 22 sont montés sur un arbre commun 30 et sont accouplés ri- gidement entre eux.
Sur l'arbre 30 est montée la partie rotative 14 d'une excitatrice 15 établie comme alternateur synchrone. Sa partie fixe 16 porte un enroule- ment d'excitation 17, tandis que sa partie rotative 14 porte un enroulement triphasé 18 à redresseurs encastrés 19. La génératroce 20 est munie d'une excitatrice identique 25. 31 désigne un moteur de démarrage pour le groupe 10, 20. L'ensemble de l'installation est disposé dans une enveloppe commune 32 et est refroidit d'une manière connue quelconque. Par exemple, l'envelop- pe 32 peut être remplie d'oxygène et être refroidie indirectement, comme les machines blindées.
330, 331 désignent des rhéostats pour les enroulements excitateurs des machines 15, 25. Ces enroulements sont connectés d'une part à une batte- .rie 34 et d'autre part à un circuit de courant de charge 35 alimenté en courant continu par le dispositif de commande 40. 360 désigne une résistance de char- ge réglable. Le circuit 35 alimente en outre une batterie de démarrage 37 pour le moteur de démarrage 31 par l'intermédiaire d'une résistance de charge 361.
Par l'intermédiaire de l'enroulement secondaire 81 du transforma- teur 8 et à partir du redresseur 41, on obtient du courant continu pour la - charge des batteries et pour l'alimentation d'un dispositif de commande d'on- duleur 43 raecordé aux bornes de courant triphasé du moteur 10 par l'intermé- diaire d'un.' transformateur à isolement 42. Le moteur 10 travaille comme mo- teur synchrone sans collecteur.
La génératrice 20 alimente, à travers un système redresseur 50, des moteurs à courant continu 51, par exemple les moteurs de traction d'une locomotive. La tension de ces moteurs peut être réglée d'une façon simple, comme dans le cas du montage Leonard, par le réglage de la résistance 330.
Le groupe 10,20 tourne à vitesse élevée, par exemple 10 à 30.000
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tours. Sa vitesse de rotation peut être modifiée, notamment lors du démarra- ge, par le réglage de la résistance 331 ou du transformateur 8.
Comme le fonctionnement de moteurs synchrones sans collecteur est connu en soi, de même que celui des soupapes commandées 6 et de leur système de commande, un exposé détaillé est superflu. Lors du démarrage du groupe, ce- lui-ci est amené à l'aide du démarreur 31 à un nombre de tours tel qu'une même tension se présente de part et d'autre du disjoncteur 7. Lors de la déconnexion, on ouvre d'abord le disjoncteur 7 et ensuite le sectionneur 3, désormais hors courante De cette façon, on peut contourner les difficultés que présente la déconnexion d'un courant continu à haute tension sous charge.
Lorsque les moteurs de traction 51 fonctionnent en freinage par récupération, le groupe rédresseur 50, lequel comporte par exemple des soupa- pes à grille de commande, doit être commandé d'une façon appropriée. Pour cette commande, on dispose de la tension de la génératrice 20. On peut uti- liser à cet effet n'importe quel dispositif de commande connu. Les soupapes 6,50 peuvent être remplacées par n'importe quels appareils mécaniques à contacts mobiles, (vibreurs), etc..
Des avantages essentiels de ce mode d'exécution réside dans la faible consommation de matière et l'encombrement réduit du groupe 10, 20, ain- si que dans la grande sécurité de fonctionnement et la commodité du réglage.
Dans la disposition selon la Figo 4, on obtient une tension conti- nue maxima entre + et-, par exemple de 200 kV. Entre ces deux points se trou- vent trois groupes d'ampoules en série 61, 62,63 (ampoules à décharge à arc à commande par grille) agissant comme onduleurs en montage triphasé Graetz.
Sur le côté triphasé de ces dispositifs sont prévues les machines synchrones 65, 66 et 67 qui fonctionnent comme moteur etagissent comme transformateur d'énergie, qui constituent le régulateur de fréquence. et couvrent le besoin en puissance réactive du circuit récepteur. Ce dernier est raccordé par des transformateurs -68, 69, 70 au côté alternatif des onduleurs.
Pour assurer la marche synchrone des machines 65, 66, 67, on pré- voit des transformateurs d'intensité 211, 212, 213 dans une phase du circuit secondaire de chacun des transformateurs 68, 69, 70, les enroulements secon- daires de ces transformateurs d'intensité étant branchés en série et formant un conducteur de compensation. Leur action consiste en ce qu'une élévation de courant qui se produirait dans un transformateur serait aussitôt transmise aux deux autres transformateurs, agissant ainsi dans le sens de la compensa- tion.
La Figo 5 montre un exemple d'exécution qui diffère de celui de la Fig. 4 en ce que les transformateurs 68, 69, 70 sont branchés entre les on- duleurs et la machine sans collecteur à puissance réactive (machine à champ tournant). Les machines à puissance réactive 65, 66, 67 sont donc raccordées ici directement à la barre omnibus à courant triphasé. En outre, dans ce cas, il suffit de prévoir une seule machine à puissance réactive au. lieu de plu- sieurs machines.
L'ensemble du dispositif fonctionne également comme une machine synchrone, c'est-à-dire qu'il ne dépend pas d'autres réseaux en ce qui concer- ne le réglage à la résonance (fréquence ) et la fourniture de sa propre puis- sance réactive. D'autre part, dans la marche en parallèle, le dispositif est réglable comme chaque machine synchrone. Ceci est important par exemple pour les postes de transformation des installations de transport de courant continu. à haute tension.
En appliquant le montage en série - qui constitue une nou- veauté dans le cas envisagé - d'éléments redresseurs individuels ou de groupe d'éléments redresseurs, ou encore de montages Graets, dont par exemple chaque unité ou chaque groupe peut être relié à l'aide d'un transformateur à une ma- chine auxiliaire sans collecteur, on a la possibilité d'employer des éléments redresseurs même pour la tension maxima. D'autre part, plusieurs éléments redresseurs dans chaque groupe de tels éléments peuvent être branchés en sé- rie. Conformément 'au même principe on peut aussi établir ce dispositif pour la transformation de la tension maxima de courant continu en courant alterna- tif d'un nombre de phase voulu ou en courant continu de tension moins élevée.
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Dans l'exploitation de chemins de fer électriques à voie normale, on emploie actuellement d'une façon générale une énergie électrique d'une fré- quence inférieure à la fréquence industrielle habituelle de 50 Hz afin de main- tenir dans des limites tolérables là tension engendrée lors de la commutation dans 1'enroulement d'induit en court-circuit des moteurs de traction calculés pour des puissances élevées. Pour fournir l'énergie à la fréquence réduite certains pays emploient, comme on le sait 16 2/3 Hz - qui sert à l'alimenta- tion des lignes, on prévoyait à ce jour des postes transformateurs utilisant des moteurs synchrones avec alternateur mono ou triphasées, accouplées direc- tement,le réglage exact du nombre de tours étant assuré à l'aide de machines dites d'aval (machines à collecteur).
La puissance nominale pour laquelle de telles installations peuvent être établies est toutefois limitée. Pour les grandes puissances, on est donc obligé de brancher plusieurs unités en paral- lèle. On a aussi proposé l'emploi de changeurs de fréquence pour cet usage; toutefois, dans ce cas, l'apparition de surtensions et la présence d'autre pro- blèmes techniques créent des conditions assez difficiles à contrôler.
Selon une autre caractéristique de l'invention il est possible d'é- tablir dans des conditions favorables, un système convertisseur tel que celui qui sert à convertir d'importantes énergies électriques à fréquence technique ordinaire en énergies d'une autré fréquence, notamment de la fréquence moins élevée, requise pour les exploitations ferroviaires, cela en actionnant, de- puis le réseau à la fréquence normale, et en passant par un circuit informé- - diaire de courant continu, une machine électrique, de préférence une machine synchrone (machine à champ tournant), alimentée par 1-*intermédiaire de soupa- pes électriques et/ou d'appareils à vibreur fonctionnant en onduleur, machine dont la vitesse de rotation est réglable de préférence conformément à la fré- quence requise,
et qui sert comme accumulateur d'énergie pour le réglage à la résonance et, éventuellement pour fournir la puissance réactive ou pour la commande directe d'une génératrice à courant alternatif à fréquence convenable ou d'une génératrice de courant continu pour l'alimentation des moteurs de , traction. Cette disposition selon l'invention présente l'avantage de ne pas être limitée quant à la puissance pour laquelle elle est câblée. L'ensemble convertisseur peut être établi suivant des dimensions qui correspondent aux dimensions maxima de la machine, vu que cette dernière ne nécessite ni collec- teur ni bagues collectrices. Un autre avantage réside en ce que les pertes dans l'installation sont également très réduites.
Une telle installation peut être montée soit fixe, dans un poste transformateur, pour l'alimentation de la.ligne en énergie de basse fréquence, soit sur un véhicule, éventuellement dans un wagon spécial à convertisseurs, cette installation 'fournissant l'énergie de basse fréquence ou l'énergie de de courant continu pour la commande du véhicule ou du convoi, cependant que la. ligne est alimentée en courant de 50 périodes.
Les Figso 6 et 7 montrent des exécutions de principe de telles installations de convertisseurs.
En partant du réseau N I, f I (fige 6) alimenté avec la puissance .
N I et la fréquence fI, on produit, par l'intermédiaire du transformateur 79 et des ampoules représentées en pont triphasé, avec interposition d'un dis- joncteur de puissance, un courant continu à haute tension qui alimente direc- tement, par l'intermédiaire d'un dispositif de filtrage 78, les ampoules et / ou les appareils à vibreur, fonctionnant en onduleur. On raccorde à cette combinaison la: machine synchrone 82 représentée dans cet exemple, par l'in- termédiaire du dispositif de commutation (transformateur de réglage 85).
La machine synchrone 82 fonctionne d'après le principe-connu en soi du mo- teur synchrone sans collecteur et son comportement correpsond à celui d'une machine normale à courant continue La vitesse de rotation de cette machine est proportionnelle à la tension continue appliquée et peut en outre: être influencée de la manière connue en soi au moyen du champ magnétique tournant.
A cette machine est accouplée directement l'alternateur triphasé 83, qui trans- forme l'énergie mécanique reçue en énergie électrique, dans l'exemple présent en courant triphasé de la fréquence requise. A l'aide de la dynamo tachymétri- que 84 montée sur l'arbre du groupe, ainsi que du régulateur 86, la commande
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des ampoules 9o est influencée de telle façon par l'intermédiaire du groupe de commande 87, qu'il en résulte le réglage de la vitesse de rotation re- quise et donc de la fréquence du courant alternatif fourni.
La puissance réactive de la machine 83 est influencée de la ma- nière connue par une modification de l'excitation. Ainsi, on peut régler la puissance réactive et la puissance active fournies par l'alternateur 83 indé- pendamment l'une de l'autre, ce qui permet de mettre au point n'importe quelle combinaison de puissance réalisée avec la puissance réactive et la puissance active
Le groupe de commande 88 assure une commande, de préférence in- variable, des soupapes et/ou appareils à vibreur 91, fonctionnant en ondu- leur.
L'installation décrite ici permet un transfert de puissance depuis le réseau triphasé d'alimentation NI, f I au réseau triphasé de départ N II, f II. ,Pour le sens inverse de l'énergie, il suffit que les ampoules et/ou les appareils à vibreur 91 travaillent en redresseur au lieu de tra- vailler en onduleur, et que les ampoules et/ou les appareils à vibreur 90 fonctionnent en onduleur au lieu de fonctionner en redresseur, les disposi= tifs de commande et de réglage devant dans ce cas être inversés.en conséquen- ceo
Un autre exemple d'exécution est montré dans la Figa 7.
Ici également, NI, f I désignent le réseau triphasé d'alimentation qui alimente, par l'intermédiaire du transformateur 92 et du disjoncteur de puissance inter- posé, les ampoules et/ou les appareils à vibreur, fonctionnant en redresseur, et qui fournissent le courant continu à haute tension. Ce dernier-est ap- pliqué directement, par l'intermédiaire de la self de filtrage 13, aux ampou- les et/ou dispositifs à vibreur 91, fonctionnant en onduleux. Dans cet exemple, les ampoules sont représentées dans un montage à pont triphasé.
Toutefois, on peut adopter en principe tout autre montage pour 90 et 91, éventuellement aussi des montages à nombre.de phases plus élevé, en vue de réduire l'influence des harmoniques supérieurso Au fur et à mesure qu'elle est rendue disponible par les différentes soupapes, l'énergie est désormais fournie aux différentes phases de la machine par l'intermédiaire du disjon- cteur 94, du transformateur 95 et, éventuelllement, du disjoncteur de puissan- ce 96. Cette machine correspond par sa construction à une machine synchrone normale, l'enroulement d'exeitation étant disposé dans le rotor. L'enroule- ment d'amortisseur doit être renforcé, en considérant le fonctionnement en moteur synchrone sans collecteur.
La machine 97 sert essentiellement au ré- glage à la résonance et à la production du courant réactif pour le récepteur y connecté, (puissance N II, fréquence f II)o
La valeur de la fréquence f II est imposée par le câblage de la machine,la tension d'induit y présente et la vitesse de rotation. Dans le cas présent, la puissance est fournie par un réseau à courant triphasé.
Conformément à la Figo 9, et après modification convenable du montage en vue d'une marche en monophasé, on peut prélever du courant alternatif à la puis- sance N II et à la fréquence f II. Dans l'exemple représenté selon les Figs. 7 et 8, on prévoit un sens d'écoulement de l'énergie, tel que le cou- rant triphasé selon N I, f I fournit de la puissance au réseau N II f II.
Une fourniture en retour de l'énergie depuis le réseau N II f II est rendue possible, toutes autres conditions restant égales, si l'on fait fonctionner les appareils à vibreur et/ou les soupapes 91 en redresseur et non plus en onduleur, et les ampoules 90 en onduleur et non plus en redresseur.
Dans ces exemples, on a omis les circuits de commande et de ré- glage.
Le transformateur 95 permet, grâce à un choix approprié des bor- nes intermédiaires, d'adapter la tension de la machine 17, dans des limites étendues, à celle fournie par les ampoules 91.
L'objet de l'invention peut en outre être réalisé en installant par exemple en un centre important d'un réseau ferroviaire un redresseur cen- tral de construction connue par exemple, prévu pour une puissance appropriée, du courant continu étant distribué à partir de ce redresseur en quelque sor- te par rayonnement le long des voies. Avantages : le transport d'énergie
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de courant continu à haute tension est sensiblement plus avantageux du point de vue.économique que celui du courant triphasé. Dans ce cas, on prévoit, en des points appropriés, des installations de convertisseurs, notamment pour une puissance-réduite, lesquelles comprennent donc (en se reportant aux exem- ples exposés ici) les éléments 95, 96, 97 pour le courant triphasé ou les éléments correspondant dans le cas d'un courant monophasé.
Il en résulte en outre cet avantage particulier que l'on peut supprimer l'élévation et l'abais- sement, par transformateurs, du courant monophasé, ce qui était généralement en usage à ce jour, de sorte que la tension continue intermédiaire, nécessaire en soit pour la marche du système selon l'invention, peut être utilisée aussi pour la distribution.,
Une autre solution consiste en ce que le circuit intermédiaire de courant continu sert de ligne collectrice pour une région de distribution importante. Ce conducteur est alimenté en un ou éventuellement en plusieurs endroits en fréquence normale, par l'intermédiaire de transformateurs et de redresseurs, depuis un ou plusieurs réseaux de courant triphasé..
Le long de la ligne collectrice, on prévoit en plusieurs points des sous-stations com- prenant des onduleurs, et éventuellement des transformateurs, qui alimentent 'le fil de ligne en la fréquence voulue (16 2/3 Hz) Le réseau des fils de li- gne alimente une ou quelques machines à champ tournant prévues,dans un petit nombre de postes et fonctionnant comme machine à puissance réactive, marchant comme moteur et sans commande extérieure.
Grâce à la prévision d'une telle ligne collectrice à courant con- tinu alimentant une région importante, on réalise l'avantage de chutes de ten- sion relativement réduites dans le conducteur d'alimentation, cependant que ' le fil de ligne peut recevoir la fréquence et la tension habituelles. Le fil de ligne peut encore être alimenté en supplément par les centrales électriques des chemins de fer, qui fournissent de l'énergie à 16 2/3 Hz, de sorte que l'on peut établir une marche en parallèle voulue.
Ceci sera expliqué ci-après à l'aide d'un autre exemple d'exé- cution.
Dans la Figo 9, les références 101, 102 désignent des réseaux ou barres omnibus des centrales du réseau de distribution général, fonction- nant à 50 Hz. Ces barres alimentent chacune,à travers les transformateurs res- pectifs 113, 114 et un système redresseur 115 ou 116, une ligne collectrice à haute tension continue 117, sous 20 kV par exemple, qui s'étend sur une ré- gion de distribution importanteo Des sous-stations de transformateurs pour chemins de fer, comprenant chacune un système onduleur 108, des transforma- teurs 109 et un système de filtrage 124, sont raccordées en divers points au conducteur collecteur et alimentent le fil de ligne 110, directement ou par l'intermédiaire de transformateurs,en la tension et la fréquence voulues, par exemple, courant monophasé sous 16, 5 kV et à 16 2/4 Hz.
La distance d'une sous-station à l'autre est par exemple de 60 à 70 km. Une sous-station ou plusieurs sous-stations sont munies d'une machine'monophasée à puissance réactive 121 fonctionnant en moteur sans commande extérieure, machine qui im- prime la fréquence au fil de ligne. En outre, le réseau des fils de ligne peut encore être alimenté en supplément par des centrales électriques de che- mon de fer 122 à 12 2/3 Hz, lesquelles permettent une marche en parallèle.
Vu le circuit intermédiaire de courant continu, ce système fonctionne d'une façon parfaitement élastique. Il en résulte l'avantage que les harmoniques supérieurs dans le réseau triphasé sont insignifiants ou nuls.
REVENDICATIONS.
1.- Système autorégulateur pour la: transformation de l'énergie é- lectrique d'une espèce (tension, fréquence, nombre de phases) en une autre, caractérisé en ce qu'une machine électrique à champ tournant alimentée à tra- vers des organes électriques de manipulation de courant fonctionnant en ondu- leur sert pour le réglage en résonance.
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SELF-REGULATING ASSEMBLY FOR THE TRANSFORMATION OF ELECTRIC ENERGY,
ONE SPECIES OF CURRENT INTO ANOTHER.
The invention relates to a self-regulating circuit for the transformation of electrical energy, namely, from one kind of current (voltage, frequency, number of phases) into another; more precisely; a self-regulating assembly consisting of a converter, a frequency changer, an inverter, or the like, for the transformation of direct current into alternating or three-phase current, possibly followed by a new transformation of this alternating current or three-phase in direct current of another voltage or a regulated voltage. It is known that such frequency changers or inverters are difficult to stabilize. Various means have already been proposed for stabilization, in particular for adjustment to resonance, for example oscillating circuits tuned to the frequency of the alternating or three-phase current generated.
However, these circuits are bulky and expensive and give rise to various difficulties which will not be discussed here in detail.
According to the invention, the resonance adjustment of such an assembly is ensured by an electric machine with a rotating field, preferably a synchronous machine, supplied by current handling members operating as inverters., This machine can be used simultaneously as an energy accumulator, for example in the case of a pulsatile variation of the load, as well as to supply the necessary reactive power of the inverter system and of the receivers., The current handling units operating as inverters may be vibrating devices, valves, tubes, control grid arc discharge bulbs, etc.
. It is recommended to wire the machine for a frequency higher than the usual frequency of the alternating current and the three-phase current, so that this machine can turn for example at the speed going up to 3,000 to 30,000 rpm and that the frequency of the machine can, if necessary, reach the maximum admissible value. This makes it possible to significantly reduce the size and weight of the machine, for a given power.
As will be further explained later, this machine can be
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provided with several windings, which may have different numbers of poles, or else the winding of the machine may have intermediate terminals.
To eliminate the slip rings, the excitation circuits of the group can be connected, without the use of slip rings, to synchronous machines mounted on the group shaft and comprising recessed rectifiers. the ability of the machine to accumulate energy, we can add a particular mass making a flywheel. The invention is particularly concerned with the elimination of troublesome higher harmonics.
The means for achieving this elimination may consist of a particular wiring of the damping winding of the synchronous machine, a particular shape of the curve of the inductive field of the poles of the pole wheel, a heterodyne of the laminated poles of the wheel. pole with an appropriate frequency in the exciter circuit, induction devices (reactors, transformers) connected to the winding of the machine and comprising, with an appropriate arrangement of the winding and the iron core, a rectifier assembly or inverter connected to the machine and presenting a determined wiring as well as a particular shape of the characteristic curve, etc ... In addition, it is recommended, for various uses, to insert between the electrical current handling devices (valves, vibrating devices, etc.)
a voltage transformer device, in particular a regulator transformer. It goes without saying that voltage transformer devices can also be interposed between the machine and the receiver.
With regard to the power cut of such an assembly, appropriate circuit breakers can be provided between the current handling members (valves, vibrator devices, etc.) and the electric machine, without having any upstream of these handling devices as disconnecting devices, such as disconnectors, circuit breakers or short-circuit protection devices, these disconnecting devices being connected in such a way to the power circuit breakers that they cannot be actuated only after 1-'intervention.de: those .., ci.
When the alternating or three-phase current produced by the installation is then transformed into direct current in a rectifier group, it is recommended to influence particularly the shape of the curve of voltages and currents, as will be explained later.
The multiple possible arrangements of such installations will be explained in more detail below.
The invention is capable of solving various problems.
An essential aim of the invention consists in achieving, with simple means, self-regulation, as safe as possible in operation, of such inverters and to guarantee perfect stability of the rate, even under variable load. or pulsating. The invention further aims to achieve independent and convenient adjustment and adjustment of the output frequency. It further aims to also extend the control to high powers, or even maximum, this with economical means and high input voltages.
In addition, with regard to the operation of railways, the invention allows the use, with economic means, of high voltage direct current, the transformation of which into a lower voltage current necessary for the motors. To date, traction could only be carried out on locomotives with the help of very large and therefore uneconomical means.
Thus, for example in an operation of high voltage direct current railways, the traction motors can be connected downstream of the machine by means of a transformer and a rectifier, these motors thus being able to be supplied with power. in direct current at the desired lowered voltage, even when the line wire is supplied with direct current at high voltage, or else the above-mentioned installation can be preceded by a rectifier group, so as to allow also the taking, from an alternating or three-phase network, of an alternating or three-phase current, for example of another frequency or of a strictly constant frequency.
When synchronous machines are used, and since no switching by a mechanical collector is necessary in this case, it is practically possible
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increase the power without limit, if the intensity is increased accordingly by the parallel assembly of several electric valves or vibrating devices. When using a synchronous machine, and seen. the absence of a mechanical collector for switching, the power is only limited by the voltage achievable with these types of machines.
When interposing between valves, vibrating devices, etc. and the machine a transformer or a transformer group, possibly adjustable, as indicated above, there is more freedom in the choice of the voltage of the machine.
By adjusting this transformer or this transformer group, it is possible to adjust the number of revolutions of the machine, and therefore the frequency of the network to be supplied.
In order that the voltage of the network to be supplied is not modified when adjusting the transformer, it is recommended to connect this network to the unregulated side of the transformer, ie to the primary.
In order to prevent harmful reactions, in particular higher harmonics determined by inverter operation, on the power supply network, filtering devices can be inserted in the DC side, as is known per se. .
It goes without saying that the single synchronous machine can be replaced by several machines in parallel, which it is preferable to couple mechanically, this solution being able to be adopted when the particular operating conditions, for example, the passage of 'one power to another, make it appear favorable.
When the nature of the output frequency is irrelevant, for example in cases where the machine is followed by a rectifier, this frequency may be relatively high, that is, the machine may turn. run at a high speed, so that high powers can be mastered with a relatively small machine. This represents, in particular for railway operation, a considerable advantage, in view of the saving in weight and bulk. The invention allows particularly simple adjustment of the output frequency, since it suffices to adjust the rotational speed of the machine suitably, for example by modifying the excitation or the DC voltage.
This fact, as well as the possibility of being able to ensure the rail service with a high output frequency of the machine in question, make it possible to use the object of the invention as a switch, for the interconnection of networks, for frequency transformation, for example, with a view to supplying the railway circuit from a 50 Hz network which is transformed into 16 2/3 Hz; for obtaining the medium frequency from a 50 Hz network, which is transformed for example into 30,000 Hz; for alternator transmitters, among others in telegraphy and cordless telephony, broadcasting, etc., or for calibration generator.
Synchronous machines supplied through inverters are known per se, as synchronous motors without a commutator, for controlling motors and are preferably used to replace direct current motors, in particular those with rotational speed, power. , and high voltages, for which the construction and operation of a collector would hardly be possible. According to a previous proposal, such machines can be started, without particular difficulties by a temporary superposition, in the circuit of the stator, of an alternating or three-phase current. Or they can be started mechanically, for example using a starter, until the f.e.m. of the machine corresponds to the calculated voltage.
But whereas, in these synchronous motors without collector, it is a question of transforming the electrical energy into mechanical energy, the invention aims to transform the electrical energy of one species into the electrical energy of another species. , the electric machine serving here only rotten adjustment in resonance and as energy accumulator. The direct current energy which passes through the inverter is taken in the form of alternating or three-phase current energy at the machine terminals.
When such an installation is supplied from a direct current network, in particular at high voltage, difficulties are experienced for disconnection, in particular at high powers. As indicated above, these
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difficulties can be avoided if the disconnection members are provided between, on the one hand, the valves, vibrating devices, etc., and, on the other hand, the electric machine, if, in particular in a coupled machine by transformer, the cut-off members are placed between the valves, vibrator devices, etc., on the one hand and one side of the transformer on the other hand, preferably upstream of the point of connection to the network to be supplied, thus that, between the machine and the other side of the transformer, while, upstream of the valves, vibrator devices, etc., only disconnectors are provided,
cuts. = circuits or protection devices against short-circuiting, these disconnecting devices being connected to the aforementioned cut-off devices in such a way that they cannot intervene or be actuated until after actuation of the switching devices. cut. This achieves the advantage of being able to use, for the disconnection of power, perfectly developed and safe switching devices with regard to the alternating current, for example expansion circuit breakers, etc., thus avoiding the difficult power cut in the DC circuit. The invention will be explained more fully with reference to the accompanying drawings.
Fig. 1 is an example of application of the device to railway operation with a network supplied with high voltage direct current.
Fig. 2 shows the assembly of cut-off devices (valves) for a high power installation.
Fig. 3 shows a variant of the arrangement of FIG. 1, with coupled machines.
Figs. 4 and 5 show variants for the transformation of the direct current from the maximum voltage into three-phase current.
Figs. 6 to 9 relate to variants for the supply of current to electrical railway installations.
The high-voltage direct current delivered between the line wire 1 and the rail E is transformed, in the valves 6 operating as an inverter and which, in this example are arranged according to the three-phase assembly 'Graetz (3-phase bridge assembly) , in three-phase current for the winding 9 of a synchronous machine 10 excited by means of slip rings 59. To eliminate these rings, one could, in accordance with a previous proposal, place a synchronous machine on the shaft of the machine with built-in rectifier.
However, one could also employ arrangements with twelve or more phases, which impart to the direct current a less wavy character and determine a less pronounced reaction on the supply network. To the terminals of the machine is connected the high voltage side of a transformer 80, the low voltage side of which supplies the direct current traction motors 51 of the motor through a rectifier assembly 50, preferably a dry straightener.
The parts necessary for the transformation, namely, 6, 9, 10, 50, 80 are preferably arranged in the car of the direct current transformers, controlled remotely and not comprising any personnel, or else, in small convoys, on the motor itself, since the synchronous machine 10 can be relatively small and light if it is built for a high number of revolutions accordingly. Preferably, all the axles of the motor are driven by motors, as is known per se. It is thus obtained that a slight pressure on the axle is sufficient to achieve high tensile forces. This results in lower stresses on the track infrastructure. 43 indicates the control of the bulbs of the inverter.
As already indicated, the transformer 80 can be adjustable, thereby eliminating the need for adjustment devices for the traction motors 51. During regenerative braking, the rectifier 50 can be replaced by a suitable inverter. , for which the machine 10 ensures the frequency adjustment, as for the assembly 6.
With regard to the frequency adjustment of the inverters, the machine 10 operates like the synchronous commutatorless motors previously proposed, so that it is unnecessary to give a detailed description of the operation. The machine is supplied as a motor through the inverter 6 and debits as a generator, on the transformer 80. It is then presented.
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this peculiarity that the different phases of the machine are not fed by the electric valves or vibrator devices, that is to say, only behave as in a motor, in the peak zone of them. alternating voltage, or in the vicinity of this zone, these phases behaving as in a generator on the remainder of their voltage curve.
As this change from motor to generator, and vice versa, takes place in the three phases not simultaneously but successively, in accordance with the phase shift, these phenomena overlap each other. This fact is advantageous, since it results in an easier balancing of the variations in the speed of rotation by the mass forming the flywheel of the machine. Such a mode of operation would result in higher harmonics, but these would be filtered to a large extent by the deadener winding of the synchronous machine. However, such higher harmonics would hardly be disturbing in the example considered, seen. that the three-phase current supplied by the machine is resdressed below.
In the absence of rectification, and when it is desired to obtain at the output a curve free from higher harmonics, these harmonics can be compensated by known means, for example, reactors, or transformers with appropriate mounting of the windings and a suitable arrangement of the magnetic circuits; this when the inductances of the connected network are not sufficient by themselves to suppress the upper harmonics.
When the winding 9 of the machine 10 is properly established, it can be provided with intermediate terminals, so that this winding itself acts as a transformer connected between the feeding and feeding sides and, with a suitable connection, it is possible to ensure that at least part of this winding always operates exclusively as a generator. This saves intermediate processors
Such means also make it possible to suppress the higher harmonics.
These can also be suppressed by other means, for example by imparting to the poles of the pole wheel an inductive field of an appropriate characteristic or, in the case of laminated poles, by superposing such harmonics higher than the current. excitation, that the higher harmonics due to the passage from the step in motor to that in generator, and vice versa, are compensated.,
The direct current flow supplied by the rectifier assembly 80 and 50 represents a non-sinusoidal, generally rectilinear, curve with respect to the current supplied by the machine 10.
When the voltage of this machine is sinusoidal, there arises in this operating mode, due to the difference between the voltage and current curves, a need, periodically variable in reactive power, which decreases the coefficient. use of the machine 10. However, the rate, as a function of time, voltage and current of this machine for a given consumption of direct current, can be mutually tuned in such a way that the reactive power of the machine is reduced to a minimum.
If for special reasons it is preferred that the machine 10 provide a sinusoidal voltage, but the reactive power requirement is always minimized for optimum use of the power of this machine, the circuitry is provided. plugs (resonant circuits in parallel) upstream of the rectifier assembly 80, 50, on the primary side of the transformer 80. These plug circuits determine a substantially sinusoidal charging current of the generator. The operation with double ignition duration of the anodes achieved by this arrangement represents a new advantage for the operation of the electric valves.
Depending on the number of phases of the winding 9 of the. machine 10 and the breakdown voltage of the electric valves 6, the latter can be the object of any assembly, for example the Graetz assembly or the neutral point assembly. The choice is primarily determined by the dimensions of the valves and the required waveform on the DC side of the supplied network.
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In the case of high powers, several bulbs 111 are connected in parallel, Fig. 2. So that the current is distributed uniformly over all the bulbs, and that all the bulbs participate in the operation, transformers 112 are provided, one side of which is interposed in the supply conductors of the bulbs. The other sides of the transformers are wired in series for all bulbs.
This arrangement works in such a way that when the current flows through a bulb, and as a result of the series connection on the other side of the transformer, the transformers of the other bulbs also become the seat of induced voltage pulses which determine the current flow, so that when current starts to flow through one bulb, the other bulbs necessarily also receive currents in sequence. In addition, such parallel arrangements of the bulbs make it possible to easily control very high powers.
This makes it possible to carry out the inverter assembly also for large networks, to build high power long wave transmitters, etc.,
In Fig. 3, an electric locomotive or a transformer car independent thereof, receives current from line wire 1, supplied with high voltage direct current, through a bow 2, a disconnector 3 and a filter inductor 4. The filtering is also ensured by a filter circuit interposed between 3 and 4 on the one hand and earth E on the other hand.
The direct current of supply is transformed by an inverter system 6 with controlled valves, with grids 44 and with a control device 40, into a three-phase current which supplies the stator winding 9 of a synchronous motor 10 by means of a power circuit breaker 7, for example an expansion circuit breaker group, and an adjustable transformer 8. 11 designates the excitation winding of the rotor 12; 13 - its damper winding 20 - a three-phase synchronous generator with stator winding 21, rotor 22, excitation winding 23 and damper winding 24.
The rotors 12 and 22 are mounted on a common shaft 30 and are rigidly coupled to each other.
On the shaft 30 is mounted the rotating part 14 of an exciter 15 established as a synchronous alternator. Its fixed part 16 carries an excitation winding 17, while its rotating part 14 carries a three-phase winding 18 with built-in rectifiers 19. The generator 20 is provided with an identical exciter 25. 31 designates a starting motor for the motor. group 10, 20. The entire installation is arranged in a common casing 32 and is cooled in any known manner. For example, the shell 32 can be filled with oxygen and be cooled indirectly, like armored machines.
330, 331 denote rheostats for the exciter windings of the machines 15, 25. These windings are connected on the one hand to a battery 34 and on the other hand to a load current circuit 35 supplied with direct current by the battery. controller 40. 360 denotes an adjustable load resistor. The circuit 35 further supplies a starter battery 37 for the starter motor 31 via a load resistor 361.
Via the secondary winding 81 of the transformer 8 and from the rectifier 41, direct current is obtained for charging the batteries and for powering an inverter control device 43. Connected to the three-phase current terminals of motor 10 by means of a. isolation transformer 42. The motor 10 operates as a synchronous motor without a collector.
The generator 20 supplies, through a rectifier system 50, direct current motors 51, for example the traction motors of a locomotive. The voltage of these motors can be regulated in a simple way, as in the case of the Leonard assembly, by the adjustment of resistor 330.
Group 10.20 rotates at high speed, for example 10 to 30,000
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turns. Its speed of rotation can be modified, in particular during start-up, by adjusting resistor 331 or transformer 8.
Since the operation of synchronous motors without a manifold is known per se, as is that of the controlled valves 6 and their control system, a detailed account is superfluous. When the group is started up, it is brought by means of the starter 31 to a number of turns such that the same voltage is present on either side of the circuit breaker 7. When disconnected, it opens. first the circuit breaker 7 and then the disconnector 3, now off. In this way, the difficulties of disconnecting a high voltage direct current under load can be avoided.
When the traction motors 51 operate in regenerative braking, the reduction unit 50, which for example comprises control gate valves, must be controlled in an appropriate manner. For this control, the voltage of the generator 20 is available. Any known control device can be used for this purpose. The valves 6.50 can be replaced by any mechanical device with moving contacts, (vibrators), etc.
Essential advantages of this embodiment reside in the low material consumption and the small size of the group 10, 20, as well as in the great operational safety and the convenience of adjustment.
In the arrangement according to Fig. 4, a maximum continuous voltage between + and-, for example 200 kV, is obtained. Between these two points are three groups of bulbs in series 61, 62, 63 (grid-controlled arc discharge bulbs) acting as inverters in three-phase Graetz assembly.
On the three-phase side of these devices are provided the synchronous machines 65, 66 and 67 which work as a motor and act as an energy transformer, which constitute the frequency regulator. and cover the reactive power requirement of the receiver circuit. The latter is connected by transformers -68, 69, 70 to the AC side of the inverters.
To ensure the synchronous operation of the machines 65, 66, 67, current transformers 211, 212, 213 are provided in a phase of the secondary circuit of each of the transformers 68, 69, 70, the secondary windings of these current transformers being connected in series and forming a compensation conductor. Their action consists in that an increase in current which would occur in one transformer would immediately be transmitted to the other two transformers, thus acting in the direction of the compensation.
Figo 5 shows an example of execution which differs from that of Fig. 4 in that the transformers 68, 69, 70 are connected between the inverters and the machine without a reactive power collector (rotating field machine). The reactive power machines 65, 66, 67 are therefore connected here directly to the three-phase current bus bar. In addition, in this case, it suffices to provide a single reactive power machine. instead of several machines.
The whole device also functions as a synchronous machine, i.e. it does not depend on other networks for tuning to resonance (frequency) and providing its own then - reactive session. On the other hand, in parallel operation, the device is adjustable like each synchronous machine. This is important, for example, for transformer stations in direct current transmission installations. at high voltage.
By applying the series connection - which constitutes a novelty in the case considered - of individual rectifier elements or of groups of rectifier elements, or of Graets assemblies, of which for example each unit or each group can be connected to the By means of a transformer with an auxiliary machine without a collector, it is possible to use rectifying elements even for the maximum voltage. On the other hand, several rectifier elements in each group of such elements can be connected in series. In accordance with the same principle, this device can also be established for the transformation of the maximum voltage from direct current into alternating current of a desired number of phases or into direct current of lower voltage.
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In the operation of normal gauge electric railways, electrical energy at a frequency lower than the usual industrial frequency of 50 Hz is generally used at present in order to keep the voltage within tolerable limits. generated during switching in the short-circuited armature winding of traction motors calculated for high powers. To supply energy at the reduced frequency, some countries use 16 2/3 Hz - which is used for supplying lines - as we know, transformer stations using synchronous motors with mono alternator or three-phase, directly coupled, the exact adjustment of the number of revolutions being ensured using so-called downstream machines (manifold machines).
The nominal power for which such installations can be established is however limited. For large powers, we are therefore obliged to connect several units in parallel. It has also been proposed to use frequency changers for this purpose; however, in this case, the appearance of overvoltages and the presence of other technical problems create conditions which are rather difficult to control.
According to another characteristic of the invention, it is possible to set up under favorable conditions, a converter system such as that which is used to convert significant electrical energies at ordinary technical frequency into energies of another frequency, in particular of the lower frequency, required for railway operations, by activating, from the network at the normal frequency, and passing through a direct current computer circuit, an electric machine, preferably a synchronous machine (machine rotating field), supplied by 1- * electric valves and / or vibrating devices operating as an inverter, machine whose speed of rotation is preferably adjustable in accordance with the required frequency,
and which serves as an energy accumulator for the resonance adjustment and, optionally, to supply the reactive power or for the direct control of an alternating current generator of suitable frequency or of a direct current generator for the supply of traction motors. This arrangement according to the invention has the advantage of not being limited as to the power for which it is wired. The converter assembly can be made to dimensions which correspond to the maximum dimensions of the machine, since the latter does not require a manifold or slip rings. Another advantage lies in that the losses in the installation are also very low.
Such an installation can be mounted either fixed, in a transformer station, to supply the line with low-frequency energy, or on a vehicle, possibly in a special converter wagon, this installation providing low-frequency energy. frequency or energy of direct current for the control of the vehicle or convoy, while the. line is supplied with current for 50 periods.
Figs 6 and 7 show principle embodiments of such converter installations.
Starting from the network N I, f I (pin 6) supplied with power.
NI and the frequency fI, through the transformer 79 and the bulbs shown as a three-phase bridge, with the interposition of a power circuit-breaker, a high-voltage direct current is produced which supplies directly, by the intermediary of a filtering device 78, the bulbs and / or vibrator devices, operating as an inverter. The synchronous machine 82 shown in this example is connected to this combination by means of the switching device (regulating transformer 85).
The synchronous machine 82 operates according to the principle known per se of the synchronous motor without a collector and its behavior corresponds to that of a normal direct current machine The speed of rotation of this machine is proportional to the applied direct voltage and can further: be influenced in a manner known per se by means of the rotating magnetic field.
The three-phase alternator 83 is directly coupled to this machine, which converts the mechanical energy received into electrical energy, in the present example into three-phase current of the required frequency. Using the tachometric dynamo 84 mounted on the group shaft, as well as the regulator 86, the control
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of the bulbs 9o is influenced in such a way by the intermediary of the control group 87, that this results in the adjustment of the required speed of rotation and therefore of the frequency of the supplied alternating current.
The reactive power of the machine 83 is influenced in the known manner by a change in the excitation. Thus, the reactive power and the active power supplied by the alternator 83 can be adjusted independently of one another, which makes it possible to develop any combination of power produced with the reactive power and the active power
The control group 88 provides a control, preferably invariable, of the valves and / or vibrator 91, operating in inverter.
The installation described here enables power transfer from the three-phase supply network NI, f I to the three-phase starting network N II, f II. , For the opposite direction of energy, it suffices that the bulbs and / or the vibrating devices 91 work as a rectifier instead of working as an inverter, and that the bulbs and / or the vibrating devices 90 work as an inverter instead of operating as a rectifier, the control and adjustment devices must in this case be reversed.
Another example of execution is shown in Figa 7.
Here also, NI, f I denote the three-phase supply network which supplies, through the intermediary of the transformer 92 and the interposed power circuit breaker, the bulbs and / or vibrator devices, operating as rectifiers, and which supply high voltage direct current. The latter is applied directly, via the filtering choke 13, to the bulbs and / or vibrator devices 91, operating in corrugation. In this example, the bulbs are shown in a three-phase bridge arrangement.
However, in principle any other arrangement can be adopted for 90 and 91, possibly also arrangements with a higher number of phases, in order to reduce the influence of higher harmonics o As it is made available by the different valves, the energy is now supplied to the different phases of the machine by means of the circuit breaker 94, the transformer 95 and, possibly, the power circuit breaker 96. This machine corresponds by its construction to a synchronous machine normal, the exeitation winding being disposed in the rotor. The shock absorber winding must be reinforced, considering operation as a synchronous motor without a collector.
The machine 97 is used essentially for the resonance adjustment and for the production of the reactive current for the receiver connected to it, (power N II, frequency f II) o
The value of the frequency f II is imposed by the wiring of the machine, the armature voltage present there and the speed of rotation. In the present case, the power is supplied by a three-phase current network.
In accordance with FIG. 9, and after suitable modification of the assembly with a view to single-phase operation, alternating current can be taken at the power N II and at the frequency f II. In the example shown according to Figs. 7 and 8, a direction of energy flow is provided, such that the three-phase current along N I, f I supplies power to the network N II f II.
A return supply of energy from the network N II f II is made possible, all other conditions remaining equal, if the vibrator devices and / or the valves 91 are made to operate as a rectifier and no longer as an inverter, and bulbs 90 as an inverter and no longer as a rectifier.
In these examples, the control and adjustment circuits have been omitted.
The transformer 95 allows, by means of an appropriate choice of the intermediate terminals, to adapt the voltage of the machine 17, within extended limits, to that supplied by the bulbs 91.
The object of the invention can also be achieved by installing, for example, in a major center of a railway network a central rectifier of known construction, for example, provided for an appropriate power, direct current being distributed from this rectifier in a way by radiation along the tracks. Advantages: energy transport
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high voltage direct current is significantly more economically advantageous than that of three-phase current. In this case, converter installations are provided at appropriate points, in particular for reduced power, which therefore include (with reference to the examples presented here) the elements 95, 96, 97 for the three-phase current or the corresponding elements in the case of a single-phase current.
This further results in this particular advantage that it is possible to suppress the raising and lowering, by transformers, of the single-phase current, which was generally in use to date, so that the intermediate direct voltage, necessary either for the operation of the system according to the invention, can also be used for distribution.,
Another solution is that the DC intermediate circuit serves as a collector line for a large distribution region. This conductor is supplied in one or possibly in several places at normal frequency, via transformers and rectifiers, from one or more three-phase current networks.
Along the collector line, substations are provided at several points comprising inverters, and possibly transformers, which feed the line wire at the desired frequency (16 2/3 Hz). The line supplies one or a few rotating field machines provided, in a small number of stations and functioning as reactive power machine, operating as a motor and without external control.
By providing such a direct current collector line feeding a large region, the advantage of relatively small voltage drops in the supply conductor, while the line wire can receive the voltage, is realized. usual frequency and voltage. The line wire can still be supplied additionally by the railway power stations, which supply power at 16 2/3 Hz, so that a desired parallel operation can be established.
This will be explained below with the aid of another exemplary execution.
In Figo 9, the references 101, 102 designate networks or bus bars of the power plants of the general distribution network, operating at 50 Hz. These bars each supply, through the respective transformers 113, 114 and a rectifier system. 115 or 116, a high voltage direct current collector line 117, at 20 kV for example, which extends over a large distribution region o Transformer substations for railways, each comprising an inverter system 108, transformers 109 and a filtering system 124, are connected at various points to the collector conductor and feed the line wire 110, directly or through transformers, with the desired voltage and frequency, for example, single-phase current under 16.5 kV and at 16 2/4 Hz.
The distance from one substation to another is for example 60 to 70 km. A substation or several substations are provided with a single-phase reactive power machine 121 operating as a motor without external control, a machine which impresses the frequency on the line wire. In addition, the network of line wires can still be supplied additionally by 12 2/3 Hz railway power stations 122, which allow parallel operation.
Considering the DC intermediate circuit, this system works in a perfectly elastic way. This results in the advantage that the higher harmonics in the three-phase network are insignificant or zero.
CLAIMS.
1.- Self-regulating system for: transformation of electrical energy from one species (voltage, frequency, number of phases) into another, characterized in that an electrical machine with a rotating field supplied through Electric current handling devices operating as an inverter are used for resonance adjustment.