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Dispositifs de protection pour alternateurs, moteurs à courant alternatif synchrones et équivalents.
La présente invention concerne les dispositifs de protection pour alternateurs, moteurs à courant alternatif synchrones et équivalents, dénommés ci-après machines élec- triques synchrones, et plus spécialement les appareils du genre mentionné servant à mesurer l'angle de déphasage ou à être actionnés en réponse à l'angle de déphasage entre l'axe magnétique du système inducteur de l'alternateur ou moteur et l'axe du champ magnétique réel de celui-ci.
Il faut remarquer que, lorsqu'un alternateur est à vide, l'axe du champ magnétique coîncide avec celui du système inducteur dû à l'enroulement d' excitation, mais quand l'alter- nateur est en charge, à cause des flux transversaux de la réac- tion d'induite il peut y avoir un angle de déphasage entre eux.
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La réaction d'induit est particulièrement importante quand l'alternateur fournit un courant déphasé en avance, parce qu'elle a pour effet de renforcer la composante de flux prin- cipale produite par le système inducteur et, par conséquent, pour stabiliser la tension de sortie de l'alternateur, il faut réduire l'excitation produite par le système inducteur. Si l'alternateur débite dans un circuit d'alimentation qui doit avoir une tension sensiblement constante, et si son excitation est réglée par un régulateur de tension automatique, quand le courant de charge augmente, l'excitation est affaiblie par le régulateur de tension jusqu'au moment où l'alternateur décroche.
Des considérations semblables s'appliquent aux autres types de machines synchrones.
Une forme de dispositif de protection utilisable à cette fin comprend un redresseur mécanique ayant deux bornes électriques périodiquement pontées par la rotation du rotor de la machine, ces bornes étant placées dans un circuit alimenté par le courant alternatif allant ou venant de la machine, et un moyen répondant au débit du dit circuit pour donner une indica- tion ou exercer une commande, quand l'angle de déphasage entre l'axe magnétique du système inducteur de la machine et l'axe du champ magnétique réel dépasse ou s'écarte d'une valeur dé- terminée.
Dans une forme d'exécution spécifique, il a été pro- posé un moyen pour augmenter l'excitation inductrice d'une ma- chine électrique, quand l'angle de déphasage entre l'axe magné- tique du système inducteur et\l'axe magnétique réel dépasse une valeur déterminée. Il a été proposé d'utiliser à cet effet un relais polarisé actionné en fonction de la comparaison de la tension moyenne dans le circuit contenant le redresseur mécanique à la tension moyenne dans un circuit alimenté par la même source de courant alternatif.
Le relais polarisé fonctionne comme un régulateur Tirrill,ouvrant et fermant périodiquement le circuit en shunt d'un régulateur de tension de manière à
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maintenir le courant inducteur de la machine synchrone au niveau le plus faible compatible ave,c la stabilité, tout en évitant en même temps toute augmentation inutile de la tension aux bornes de la machine.
La présente invention procure un dispositif perfec- tionné de régulation de l'excitation d'une machine synchrone.
Suivant la présente invention, un dispositif de protection pour une machine électrique synchrone à courant al- ternatif comprend un redresseur mécanique à deux bornes élec- triques périodiquement pontées par la rotation du rotor de la machine, le redresseur mécanique commandant un circuit alimenté par une source de courant alternatif en synchronisme avec le courant venant ou allant à la machine, et un moyen répondant au débit dudit circuit pour actionner un dispositif de commande, quand l'angle de déphasage entre l'axe magnétique du système inducteur de la machine et le vecteur de tension du courant alternatif débité dépasse ou s'écarte d'une valeur détermi- née, le dit dispositif de commande variant une impédance dans le circuit de commande d'un régulateur de tension de manière à réguler l'excitation de la machine électrique synchrone.
Appliqué à un générateur synchrone, par exemple, le dispositif de commande peut agir sur le régulateur de ten- sion normalement prévu pour réguler l'excitation du généra- teur qui est réglée, au moins dans certaines conditions de fonctionnement, de manière à maintenir la tension de sortie du générateur sensiblement constante ou de manière à donner au générateur une caractéristique d'une certaine forme. A cet effet, le moyen répondant au débit du circuit contenant le re- dresseur mécanique peut varier une résistance, ou dans le cas de courant alternatif, une impédance dans le circuit de com- mande du régulateur de tension.
Quand le moyen répondant au débit du circuit contenant le redresseur mécanique est en fonctionnement, l'excitation du générateur ne dépend plus
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simplement de la tension de sortie, mais aussi de l'angle de déphasage entre l'axe mécanique du générateur et le vec- teur de tension du courant alternatif débité. Un tel arrange- ment peut être utilisé pour renforcer l'excitation du généra- teur quand l'angle de déphasage entre l'axe magnétique du sys- tème inducteur de la machine et le vecteur de tension du cou- rant alternatif débité dépasse une valeur déterminée.
Deux formes d'exécution de la présente invention seront décrites, à titre d'exemple, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 représente une forme d'exécution où l'excitation d'une machine excitatrice est réglée par un régu- lateur Tirrill et une résistance peut être insérée, pas à pas, en série avec la bobine de commande du régulateur Tirrill ; etLa figure 2 est un schéma d'une seconde forme d'exé- cution avec un relais polarisé commandant le fonctionnement d'un moteur qui insère progressivement une résistance en série avec un régulateur de tension.
Dans la forme d'exécution de la présente invention représentée à la figure 1, un générateur synchrone 10 envoie du courant triphasé dans les lignes d'alimentation 11 et com- prend un inducteur 12 alimenté par uneexcitatrice 13. L'excita- tion de l'inducteur 14 de l'excitatrice 13 est réglée de façon à varier l'excitation du générateur 10, au moyen d'un régulateur Tirrill de type connu. Un redresseur mécanique 16, couplé méca- niquement au rotor du générateur 10, a deux bornes périodiquement pontées pendant la rotation du générateur. Dans le présent exem- ple, le redresseur mécanique 16 prend la forme d'un commutateur
17 qui établit un chemin électriquement conducteur entre deux balais 18 et 19 pendant environ 180 degrés électriques des 360 degrés électriques de chaque rotation complète du générateur.
Si le générateur est une mach ne à quatre pôles, le commutateur peut être disposé de façon à relier entre eux les deux balais, @
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pendant deux périodes de 90 degrés de rotation dans chaque rotation complète du moteur. Ou bien, on peut utiliser, au lieu du redresseur mécanique ci-dessus, tout autre dispositif, comme par exemple un interrupteur commandé par came qui se ferme pen- dant une partie déterminée de chaque cycle de courant alterna- tif, la partie du cycle pendant laquelle l'interrupteur se ferme dépendant de la relation angulaire entre les positions de l'axe magnétique du système inducteur et le vecteur de tension qui re- présente le champ magnétique réel.
Un relais polarisé 20 comprend une bobine d'excitation 21 recevant le courant du circuit contenant le redresseur méca- nique 16 par l'intermédiaire d'un circuit de filtrage compre- nant une résistance 22 et un condensateur 23 et aussi un poten- tiomètre 24 au moyen duquel on peut varier le courant envoyé au relais. Le circuit comprenant le redresseur mécanique 16 et le potentiomètre 24 reçoit du courant alternatif de l'enrou- lement secondaire d'un transformateur 25 alimenté par une phase du réseau alternatif 11. Le relais 20 a une armature 26 qui se déplace entre deux paires de contacts 27 et 28 et peut prendre une position d'équilibre entre les deux paires de contacts.
Quand l'armature du relais ferme une paire de contacts 27, elle excite la bobine d'excitation 30 d'un relais à deux contacts normalement ouverts 31 et 32. Les contacts 31 connectent une résistance shunt 33 aux bornes de l'enroulement d'excitation 34 du régulateur de tension 15 du type Tirrill à deux contacts vibratoires 35 et 36 commandés par une armature 37 dans le cir- cuit de l'enroulement inducteur 38 de l'excitatrice 13 du géné- rateur principal 10. L'inducteur 38 est alimenté par une source de courant continu 39 à travers les contacts 35 et 36 et une résistance variable 40.
L'enroulement d'excitation 34 du régu- lateur Tirrill 15 est alimenté par la sortie du générateur, à travers un transformateur 41, une résistance variable 42, un redresseur 43 et une résistance 44-. de manière à maintenir la
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tension aux bornes du générateur sensiblement constante, dans des conditions normales de fonctionnement. Une résistance à prise 45 est mise en série avec l'enroulement d'excitation 34 du régulateur Tirrill et un dispositif de commande suivant la présente invention est associé de manière à modifier la valeur de la résistance 45 insérée dans le circuit du régula- teur de tension et, par conséquent, l'excitation du généra- teur 10.
Dans des conditions de marche normales, quand l'angle de déphasage entre l'axe magnétique du système inducteur du générateur et le vecteur de tension du courant alternatif débité est petit, la résistance 34 est hors service, mais elle est introduite en cas de marche anormale avec un angle de dé- phasage excessif. La modification de la valeur de la résis- tance 34 insérée dans le circuit du régulateur peut se faire par un commutateur pas-à-pas pourvu d'une bobine d'excitation 46 recevant son courant continu d'une source 47 par la fermeture des contacts 32 au moment où la résistance shunt 33 est mise aux bornes de l'enroulement d'excitation 34 du régulateur de tension 15.
Quand l'angle de déphasage entre l'axe magnétique du système inducteur du générateur et le vecteur de tension du courant alternatif débité envoyé dans le circuit contenant le redresseur mécanique, dépasse une valeur déterminée, le relais 20 ferme la paire des contacts 27, qui mettent la bobine d'excitation 30 du second relais en liaison avec la source de courant continu 48 et appliquent le shunt à l'enroulement d'exci- tation du régulateur de tension tout en excitant simultanément la bobine d'excitation 46 du commutateur pas-à-pas de manière à introduire une section supplémentaire de la résistance 45 dans le circuit d'alimentation de l'enroulement d'excitation 34 du régulateur de tension.
La réduction de courant dans l'enroulement d'excitation 34 du régulateur force ce dernier à augmenter l'excitation de l'excitatrice 13 et, par conséquent, @
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l'excitation du générateur 10. Le renforcement du champ in- ducteur du générateur tend à réduire l'angle de déphasage entre l'axe magnétique du système inducteur du générateur et le vecteur de tension du courant alternatif débité. Quand cela se produit, le relais 20 ouvre la première paire de contacts 27.
Si l'angle de déphasage n'est pas assez réduit, le relais 20 ferme à nouveau la première paire de contacts 27, shuntant à nouveau l'enroulement d'excitation 34 du régulateur de ten- sion et actionnant le commutateur pas-à-pas de manière à introduire une autre section de la résistance 45 dans le circuit d'alimentation 34 du régulateur de tension. Cette suite d'o- pérations se répètera jusqu'à ce que l'excitation du générateur 10 aura été suffisamment renforcée pour empêcher que l'angle de déphasage entre l'axe magnétique du système inducteur du générateur et le vecteur de tension ne dépasse la valeur dé- terminée.
Quand l'angle de déphasage descend en-dessous d'une certaine valeur, le relais 20 ferme la seconde paire de con- tacts 28 de manière à mettre en service un dispositif de rappel 49 qui fait marcher le commutateur pas-à-pas en sens inverse afin de réduire la partie de résistance 45 en série avec l'en- roulement d'excitation 34 du régulateur de tension 15.
Dans une variante représentée à la figure 2, aussi dans son application à un générateur synchrone, l'arbre du générateur 10 porte un interrupteur rotatif 17 qui ferme un circuit électrique entre deux balais 18 et 19 pendant environ 180 degrés électriques des 360 degrés électriques d'une rota- tion complète. Cet interrupteur consiste en une bague collec- trice interrompue portée par l'arbre et associée à une paire de balais 18 et 19 montés sur un support (non représenté) mobile de manière à pouvoir régler la position de ce dernier par rap- port à l'axe du générateur.
Les contacts de l'interrupteur se trouvent dans un circuit d'alimentation de courant allant de l'enroulement secondaire d'un transformateur de tension 60 à
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la bobine d'excitation 61 d'un relais polarisé 62 ayant une armature 63 qui touche un contact 64 quand l'armature du relais se déplace dans un sens et touche un autre contact 65 qui se ferme quand l'armature se déplace dans l'autre sens. L'enroule- ment primaire du transformateur de tension 60 est alimenté par le débit du générateur. Une bobine de commande d'un régulateur de tension 66, qui peut être de tout type convenable, est ali- mentéepar l'enroulement secondaire du transformateur de tension 60, à travers une résistance variable 67 avec un curseur mobile 68 entraîné par un moteur électrique à courant continu, par l'intermédiaire d'une vis sans fin.
L'enroulement inducteur 70 du moteur électrique 69 est connecté à la source de courant continu 71 et un des balais 72 du moteur est relié au point de jonction de deux résistances 73 et 74 mises aux bornes de la source 71. L'autre balais 75 du moteur est relié à l'armature 63 et de là, soit par le contact 64 et une résistance 76 à une borne de la source de courant continu, soit par le contact 65 à l'autre borne de cette source.
En fonctionnement normal du générateur, quand l'angle de déphasage entre l'axe du générateur et le vecteur de tension est compris dans les limites prévues, l'armature 63 touche le contact 64 et alimente l'induit du moteur de façon que celui- ci entraîne lentement le curseur 68 de la résistance variable 67 de manière à réduire la partie de la résistance mise en série avec l'enroulement d'excitation du régulateur de tension ou à maintenir cette partie à zéro. Un interrupteur de limite (non représenté) coupe le moteur d'entraînement quand on a at- teint la valeur minimum de la résistance variable.
Quand l'ar- mature 63 touche l'autre contact 65 à cause d'un déphasage angulaire de l'axe du générateur par rapport au vecteur de tension, qui dépasse une valeur déterminée, le moteur d'entraînement 69 tourne rapidement dans le sens qui amène le curseur 68 à intro- duire plus de résistance 67 en série avec l'enroulement d'exci- tation du régulateur de tension 66, de manière à augmenter @
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l'excitation du générateur et, par conséquent, à réduire l'angle de déphasage entre l'axe magnétique du système in- ducteur du générateur et le vecteur de tension. Le mouve- ment rapide du curseur augmentant la résistance lui fera dé- passer la limite de stabilité, de sorte que l'excitation est d'abord plus renforcée qu'il ne faut et l'armature 63 touche à nouveau le contact 64.
Le mouvement lent de réduction de la résistance en série avec l'enroulement d'excitation du régu- lateur de tension, évite les oscillations périodiques dues à l'interruption du circuit dès que la valeur optimum de résis- tance insérée est atteinte, la variation de résistance étant suffisamment lente pour empêcher un nouveau rappel de l'arma- ture 63 du relais polarisé contre le second contact 65. Quand l'angle de déphasage diminue à cause d'un changement dans les conditions de fonctionnement du générateur, le curseur 68 de la résistance 67 est ramené à sa position de valeur minimum et le moteur est coupé par l'interrupteur de limite. La dif- férence des vitesses du moteur d'entraînement 70 dans\les deux sens de mouvement est obtenue par la position non symé- trique de la prise sur le potentiomètre 71 représenté à la figure 2.
Cette variation de vitesse peut aussi être obtenue en alimentant le moteur par une batterie à prises, ou par deux sources séparées comme deux redresseurs, l'un pour la marche avant et l'autre pour la marche arrière, de manière à éviter la consommation inutile d'énergie inévitable avec un potentiomètre.
Quoique la présente invention ait été décrite dans son application à la commande de générateurs synchrones, il faut remarquer que des dispositifs semblables peuvent être appliqués à la commande de moteurs synchrones. En outre, au lieu d'utiliser la tension appliquée au moteur ou produite par le générateur pour alimenter le circuit contenant le re- dresseur mécanique, ce courant alternatif peut être obtenu
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de toute autre source convenable, comme par exemple une barre omnibus à laquelle le générateur ou le moteur est connecté.
Cette barre-omnibus peut être éloignée de la machine à comman- der mais il faut évidemment que cette source soit en synchro- nisme avec la sortie du générateur ou l'alimentation du moteur.
REVENDICATIONS.
1.- Dispositif de protection pour une machine élec- trique à courant alternatif synchrone comprenant un redres- seur mécanique avec deux bornes électriques périodiquement pontées par la rotation du rotor de la machine, ledit redres- seur mécanique commandant un circuit alimenté par une source de courant alternatif en synchronisme avec le courant fourni à la machine ou débité par elle, et un moyen répondant au débit dudit circuit pour actionner le dispositif de commande quand le déphasage angulaire entre l'axe magnétique du système inducteur de la machine et le vecteur de tension du courant alternatif dépasse ou s'écarte d'une valeur déterminée, ledit dispositif de commande faisant varier une impédance dans le circuit de commande d'un régulateur de tension servant à rég- ler l'excitation de la machine électrique synchrone.
2. - Dispositif de protection suivant la revendica- tion 1, appliqué à un générateur synchrone, caractérisé en ce que le dispositif de commande renforce l'excitation du géné- rateur quand l'angle de déphasage entre l'axe magnétique du système inducteur de la machine et le vecteur de tension du courant alternatif débité dépasse une valeur déterminée.
3. - Dispositif de protection suivant la revendica- tion 1 ou 2, caractérisé en ce que l'excitation de la machine électrique synchrone est commandée par un régulateur Tirrill et le dispositif de commande varie la valeur de la résistance insérée dans le circuit de commande du régulateur Tirrill.
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