Régulateur automatique pour les dispositifs servant à améliorer le facteur de puissance. La présente invention a pour objet un régulateur automatique pour les dispositifs servant à améliorer le facteur de puissance des réseaux de distribution de l'énergie élec trique. Les dispositifs visant à dispenser les générateurs de la production de la compo sante de magnétisation nécessitée par les moteurs asynchrones et à supprimer celle-ci dans les longues lignes et dans les postes de transformation peuvent être divisés en deux classes, savoir: a) Les dispositifs connectés en avant du stator des moteurs; b) Les dispositifs connectés en arrière du stator des moteurs.
Les dispositifs de la première classe peuvent fournir la composante de magnétisation pour tous les moteurs asynchrones- branchés en arrière du point oit le dispositif est inséré, quel que soit le nombre des moteurs. Ceux de la seconde classe servent, du moins ordi nairement, pour un seul moteur dont ils aug mentent, à une mesure arbitraire, la puissance.
La première classe comprend les condenseurs, les moteurs synchrones et les moteurs auto- synchrones; la seconde classe comprend les constructions connues sous les noms d'exci- tatrice Scherbius et de vibrateur Kapp. Pour les dispositifs de la première classe il faut encore distinguer si le moteur synchrone est exclusivement employé à augmenter le facteur de puissance ou s'il est appelé à fournir quelque autre travail.
Le régulateur formant l'objet de l'inven tion peut par exemple être employé 1 Pour régler l'excitation d'un ou plusieurs moteurs synchrones, ou à établir la connexion avec une batterie de condenseurs (qui pour ront être installés même très loin de la sta tion de distribution) pour maintenir constant le facteur de puissance aux barres omnibus de la station centrale sur une valeur quel conque de cos #o comprise entre -f- 0,5 et-0,5.
2 Pour régler l'excitation d'un moteur synchrone en maintenant constant le facteur de puissance quelles que soient les variations qui se produisent dans le circuit alimentant le moteur ou dans la charge appliquée au moteur; 3 Pour régler la vitesse de l'excitatrice Scherbius ou le courant d'excitation du vibra teur Kapp en faisant fonctionner le moteur asynchrone avec un facteur de puissance constant quelles que soient les variations du circuit alimentant le moteur ou celles de la charge y appliquées.
Une forme d'exécution de l'objet de l'in vention est représentée, à titre d'exemple, dans le dessin ci-joint, dans lequel: Fig. 1 est une vue d'un régulateur en perspective; Fig.2 est un schéma d'ensemble, avec les circuits de régulation; Fig. 3 montre un détail; Fig. 4 et 5 sont deux diagrammes pour expliquer la manière de mesurer la puissance et le facteur de puissance d'un système tri phasé; Fig. 6 et 7 sont deux diagrammes mon trant le fonctionnement du régulateur.
Le régulateur représenté comporte deux électrodynamomètres Hi et H.>, identiques comme construction et comme puissance. Les parties essentielles composant les deux élec trodynamomètres sont: a) deux circuits ampéremétriques, b) deux circuits voltmétriques, c) un relais de commande.
<I>a)</I> Circuits ampèreinétriques. Puisque les deux circuits ampèremétriques sont identiques comme construction et comme puissance, de même que les deux électrodynamomètres, toutes les indications données au sujet du circuit ampèremétrique <B>Hl</B> seront également valables pour le circuit Hz. Perpendiculaire ment par rapport au socle métallique 1, qui porte toutes les autres parties du régulateur, sont fixées les extrémités arrières des guides cylindriques 2 et 3, dont les extrémités avant sont reliées par la plaque 4.
Dans le socle 1 et dans la plaque 4 sont ménagés deux trous dans lesquels peut tourner l'arbre 5 muni à son extrémité d'un bouton moleté 6. La partie de l'arbre 5 comprise entre le socle 1 et la plaque 4 comporte un filet à droite sur une moitié de sa longueur et Lin filet à gauche sur l'autre moitié. Les supports métalliques 7 montés sur les guides 2 et 3 sont fixés aux boîtes isolantes 8 et 9 qui renferment les bobines ampèreinétriques 10 et 11. Au centre des boîtes 8 et 9 sont fixés des cylindres métalliques dans lesquels se vissent les deux extrémités filetées de l'arbre 5.
Les extré mités de l'enroulement des bobines ampère- métriques 10 et 11 sont raccordées moyennant des plaques en cuivre rouge 12 aux supports 7 sur lesquels sont fixés des ressorts 13 qui les maintiennent en contact avec les guides 2 et 3 pendant le déplacement des bobines.
Lorsqu'on tourne le bouton moleté 6, les bobines ampèreniétriques 10 et 11 se dé phicent cri directions opposées, en augmentant ou diminuant la distance qui sépare leurs faces internes, entre lesquelles se déplace la bobine voltmétrique 14. Ladite distance est indiquée par une aiguille fixée sur l'axe de la roue dentée 15 commandée par le pignon 16 calé sur l'arbre 5.
Les guides 2 et 3 représentés en détail <B>'</B> a la fis. 3 comportent deux moitiés en métal de longueur égale, isolées l'une de l'autre de même que du socle 1 et de la plaque 4.
L) Czy,ciiits ilofnétrigues. Dans les supports métalliques 17 et 18 fixées au socle 1 sont vissées deux vis réglables munies de pivots d'agate sur lesquels s'appuient les extrémités d'acier trempé de l'arbre 19 de l'équipage mobile. Les bobines voltinétriques 14 et 141 sont fixées sur la tige métallique 20 pourvue au milieu de sa longueur d'un cylindre percé, fixé sur l'arbre 19 à l'aide d'une vis de pression; sur l'arbre 19 sont enroulés deux ressorts 21 et 22 agissant en sens opposés pour ramener l'équipage mobile sur zéro; sur le même arbre 19 est calé le bras de levier 23 servant à transmettre les mouvements de l'équipage mobile à la tige 24 du relais.
<I>c)</I> Relais <I>de</I> commande. Au support supé rieur 17 est fixé le chassis métallique 25 pourvu en haut et en bas d'une vis réglable munie d'un pivot d'agate sur lequel s'appuie l'axe d'oscillation de la tige 24; le châssis est aussi muni de deux bras mobiles auxquels sont attachées les extrémités de deux ressorts en spirale servant à ramener la tige 24 sur zéro.
A la tige 24 est fixé un arbrd dont les extrémités s'appuient sur des supports en agate, de même que sur une plaque de pla tine<B>26</B> qui peut faire contact avec l'un ou l'autre de deux petits cylindres de platine supportés par des vis 27 et 28 montées dans les supports 29 et 30 fixés sur la tige 31 dont la construction est identique à celle des guides 2 et 3 (fig. 3).
Le schéma de couplage fig. 2 représente le régulateur branché sur les barres princi pales d'une station de distribution pourvue d'unités de réserve thermiques, alimentée par une centrale génératrice et munie d'un moteur synchrone pour augmenter le facteur de puissance.
Dans le circuit à courant continu du rotor .R est inséré le rhéostat gradué c qui peut être manoeuvré à la main à l'aide du volant d, ou bien par une petite commuta- trice e commandée automatiquement par le régulateur.
L'extrémité de l'arbre de commu tatrice c est munie d'une vis sans fin f en prise avec les roues hélicoïdales g et h. La commutatrice marche à vitesse constante et toujours dans le même sens; elle transmet son mouvement aux roues hélicoïdales y et h qui tournent librement sur leur arbre respectif aussi longtemps que les bobines<I>i</I> et<I>k</I> des embrayages électromagnétiques ne sont pas parcourues par le courant;
dès que le courant circule dans l'une ou l'autre des bobines i et k, la roue hélicoïdale correspondante g ou h transmet sa rotation au pignon<I>l</I> respecti vement 7u. Le sens de rotation des pignons, indiqué par les flèches, est transmis à la roue dentée rc calée sur une extrémité de l'arbre<I>p,</I> tandis qu'à l'autre extrémité dudit arbre sont fixés le contact mobile o et le volant d du rhéostat.
La petite commutatrice e fournit la puissance nécessaire à manoeuvrer le contact mobile o du rhéostat et en outre transforme le courant alternatif en continu, comme il est demandé pour l'alimentation des bobines des embrayages électromagnétiques et des bobines du relais.
En se rapportant aux fig. 4 et 5, la me sure de la puissance et du facteur de puis- sauce d'un système triphasé se fait, coinnie 011 sait, de la manière suivante: La puissance instantané Pi d'un réseau triphasé avec couplage en étoile est donnée par:
<I>Pi =</I> ii e2 -\- i2e2 -f- is es où<I>il, i2,</I> i3 sont les courants dans les fils de la ligne, et e1, e2, es, sont les tensions en étoile du réseau. Étant donné que i3 =' - (i2 + il) la formule devient <I>Pi = il</I> (e2 - es) -j- i2 (e2 - e3); la puissance moyenne est donnée par:
EMI0003.0039
et elle est mesurée par l'indication de deux wattmètres.
Si l'on désigne les deux watt- mètres par Wi et W2 et leurs indications par al et a2, on aura al >G a2 = Pm. La valeur du facteur de puissance est donnée par
EMI0003.0045
Si le circuit considéré est à haute tension, on se servira de transformateur de courant et - de tension TIi <I>- T12</I> et<B><I>T E1</I></B><I> -<B>T E2</B></I> (figure schématique 2).
En représentant les courants et les ten sions en jeu par des vecteurs, on appellera (fig. 5) El, E2, Es les tensions en étoile efficaces et Ii, 12, Is les courants dans chacun des trois fils de ligne. La bobine ampèremé- trique de Wi sera parcourue par un courant proportionnel à 1 et en phase avec celui-ci, tandis que la bobine voltmétrique correspon dante sera parcourue par une tension propor tionnelle à El-3, (c'est-à-dire la tension résultant des tensions El, E3) et en phase avec cette tension.
La puissance indiquée par Wi est directement proportionnelle à hEi-3 cos IiEi_3 =IlEl_3 cos (30 + @C) Dans le même instant la puissance indiquée par W2 sera donnée par I2E?-3 <B>COS</B> I2E2_3 = I2F2_3 cos<B>(300</B> - @O) où E2_3 est la tension résultant des tensions <B>E2,</B> Es.
Si le réseau considéré est équilibré, nous pouvons écrire: El=.E2=E3z- <I>E, ri</I> ---12=Is=I, p1= c12 = #13 = çI, et par conséquent
EMI0003.0074
EMI0003.0075
La puissance de Wi devient
EMI0004.0001
alors <SEP> proportionnelle <SEP> <I>à <SEP> IE-V-3</I> <SEP> cos <SEP> (30 <SEP> - <SEP> y^)
<tb> et <SEP> celle <SEP> de <SEP> 1T%2 <SEP> à <SEP> ZE<I>#1</I>3 <SEP> cos <SEP> (30 <SEP> + <SEP> c?) <SEP> ; <SEP> la puissance résultante totale sera donc propor tionnelle à:
EMI0004.0002
Si nous remplaçons les expressions watt mètres, indications et puissances par celles de électrodynamomètres, couples moteurs compo sants et couple moteur résultant, nous avons 1 Couple moteur composant de Hi
EMI0004.0006
qui tend à faire dévier la bobine voltmétrique 14; 2 Couple moteur composant de H2:
EMI0004.0010
qui tend à faire dévier la bobine voltiné- trique 14, ; 3 Couple moteur résultant:
EMI0004.0013
qui tend à faire dévier l'équipage mobile du régulateur. .
La régulation effectuée par le régulateur est basée sur les variations de l'angle résultant aux barres principales de la centrale (le distribution dues aux variations de fré quence et de tension dans la centrale de production, à la chute ohmique et inductive de la ligne, et aux conditions de fonctionne ment des appareils consommateurs situés en arrière des barres de la centrale de distribu tion. Pour maintenir constante la valeur de l'angle @^ aux barres principales de la cen trale de distribution il faudrait, pour chacune desdites variations, effectuer une régulation correspondante du courant d'excitation du champ inducteur rotatif (R) du moteur syn chrone.
Il suffit de penser à la rapidité et à la simultanéité avec lesquels peuvent s'effec tuer les variations de l'angle #: pour se, rendre compte de l'impossibilité absolue, dans une installation industrielle, de régler l'excitation par la simple manceuvre à la main du rhéostat c, malgré toute l'expérience et la bonne volonté du personnel affecté au service.
Pour le but que nous poursuivons il suffira de démontrer que la manoeuvre du rhéostat et la régulation de la valeur de l'excitation pour maintenir constante la valeur de l'angle aux barres sont obtenues d'une manière rapide et sûre avec le régulateur automatique décrit.
Nous savons que, en réglant convena blement l'excitation du champ inducteur ro tatif R du moteur synchrone on peut obtenir que la charge sur les barres à la centrale productrice se comporte par rapport à la ten sion à son arrivée dans la centrale de dis tribution 1 Comme une charge ohmique, lorsque les courants aux barres sont en phase avec les tensions d'arrivée.
L'angle c de d6phase- ment s'annule et les vecteurs 11, <I>12,</I> Is <I>re-</I> présentant les courants aux barres se super posent aux vecteurs<B>El,</B> E2, E3 représentant les tensions d'arrivée (fig. 7); 2 Comme une charge inductive, lorsque les courants sont déphasés en retard par rap port aux tensions.
L'angle (p augmente et les vecteurs Ii, <I>12,</I> 1:z sont déphasés en retard par rapport aux vecteurs<B><I>El,</I></B> L'2, E3 (fig. 6); 3 Comme une charge à capacité, lorsque les courants sont déphasés par avancement par rapport aux tensions. L'angle ç7 augmente et les vecteurs Il, fi,,<I>L</I> sont déphasés par avancement par rapport aux vecteurs<B><I>El,</I></B> L2, .E3 (fig. 5).
Supposons pour les conditions 2 et 3 que la valeur des angles soit par exemple So - 26 en retard et cc = 26 en avance. En substituant dans les formules 1 et II les valeurs (p - 0 , ya = 26 en retard et (O 26 en avance nous obtenons: Pour la condition 1-
EMI0004.0056
Pour la condition 2
EMI0004.0057
Si nous renversons les raccordements dans l'une des paires de bobines ampèremétriques, par exemple dans les bobines 10 et 11 de Ri, nous avons: Pour la condition 1
EMI0005.0002
Pour la condition 2 :
EMI0005.0003
Pour la condition 3 ;
EMI0005.0005
Lorsque pour la condition 1 l'angle cp <I>=</I> 0", les couples composants Ci et C2 deviennent égaux et de directions opposées. Le couple total s'annule et l'équipage mobile, soumis à la seule action des ressorts antagonistes, reste sur sa position de repos (zéro).
Lorsqu'au contraire, par suite de la seconde condition, l'angle de déphasement en retard est 26 , le couple composant Ci augmente, le couple composant C2 diminue et le couple total est
EMI0005.0012
L'équi page mobile tourne dans un sens tel qu'elle amène la plaque de platine 26 (fig. 2) en contact avec la vis 27.
Lorsqu'enfin, par suite de la condition 3 , l'angle de déphasement par avancement est 26 , c'est le couple composant Ci qui diminue, tandis que C2 augmente et le couple total est donc proportionnel à
EMI0005.0016
Alors l'équipage mobile tourne dans le sens Opposé au précédent et porte la plaque de platine 26 en contact avec la vis 28.
Commençons maintenant par examiner comment se fait pratiquement la régulation automatique dans le cas de la condition 1 .
En manoeuvrant à la main le volant d du rhéostat c (fig. 2) on règle l'excitation jusqu'à ce qu'on obtienne aux barres cosy = 1 (sur la graduation indiquant le facteur de puis sance que nous supposerons disposée sur les barres). Si l'on observe ensuite le régulateur, on verra que l'équipage mobile se trouve dans la position de repos avec la plaque 26 écartée des vis 27 et 28. Lorsque la condition 2 survient, l'équipage se déplace dans le sens d'amener la plaque 26 en contact avec la vis 27.
Le bras mobile du rhéostat c, comme nous l'avons exposé, se déplace de manière à réduire la résistance du champ inducteur R et d'aug menter la valeur de l'excitation jusqu'à ce que l'équipage mobile est ramené dans sa position de repos. Lorsqu'au contraire c'est la condition 3 qui s'accomplit, l'équipage mobile se déplace de manière à amener la plaque 26 en éontact avec la vis 28. Le bras mobile o se déplace alors dans le sens d'aug menter la résistance dans le circuit du champ inducteur R et diminue la valeur de l'exci tation jusqu'à ce que l'équipage mobile retourne dans la position de repos.
Un régulateur dont la régulation automa tique est limitée à la valeur cos ip <I>= 1 ne</I> trouverait aucune application pratique, car le facteur de puissance total, même des meil leures installations et dans les meilleures conditions de fonctionnement, dépasse rare ment la valeur cos #9 = 0,8.
Pour expliquer la condition 2 supposons avoir éliminé provisoirement la régulation automatique du rhéostat c en coupant le courant aux bobines r et s du relais ou aux bobines<I>i</I> et<I>k</I> des embrayages électromagné tiques. En réglant à la main la valeur du courant d'excitation on réduit le facteur de puissance aux barres de cos (C = 1 à cos #o 0,9 en retard; l'angle correspondant à cos cp = 0,9 est 26 . En substituant cette valeur dans les formules I et II on obtient:.
EMI0005.0032
et la formule III devient:
EMI0005.0034
L'équipage mobile se trouvera déplacé de la position de repos et maintiendra la plaque 26 en contact avec la vis 27.
Si aucune cause n'intervient modifier ni la fréquence et la tension aux barres d'arrivée, ni la charge, l'équipage mobile (la régula- lation automatique du rhéostat c étant inter rompue) resterait constamment dans la nouvelle position.
Si l'on veut maintenant ramener l'équipage mobile dans sa position de repos en conser vant aux barres la valeur cr = - 26 , il faudrait rendre égaux et contraires les couples composants C<I>et</I> Ca, c'est-à-dire il faudrait annuler le couple total Cr.
II s'agit maintenant de voir comment on peut réaliser ce résultat sans altérer les caractéristiques électriques des deux électro dynamomètre et sans apporter aucune varia tion dans les valeurs de l'excitation, de la fréquence, de la tension et de la charge.
Nous avons déjà dit que les couples mo teurs composants<I>C et</I> Ca sont proportionnels aux courants principaux traversant les bobines ampèremétriques et aux courants dérivés tra versant les bobines voltmétriques; il a aussi été montré que lorsque les courants, les ten sions et les angles sont égaux et les courants principaux sont en phase avec les courants dérivés, les couples C <I>et</I> Ca résultant seront égaux et opposés et le couple total s'annule.
Nous ajoutons maintenant que toutes ces conditions sont nécessaires, mais toutefois elles ne suffisent point pour affirmer que les deux couples Ci et C. sont égaux et que le couple total est zéro.
En effet, si nous écartons graduellement les bobines ampèremétriques 10 et 11 de la. bobine voltmétrique 14 de Ri jusqu'à l'infini, le couple moteur composant Ci diminuera graduellement jusqu'à s'annuler.
La régulation effectuée par le régulateur <B>pour</B> toute la série des valeurs de l'angle y^ comprises entre + 60 et = 60 est basée sur la variation de la distance relative entre les bobines ampéremétriques et la bobine voltmétrique dans les deux électrodynamo mètres. Pratiquement la manoeuvre pour mo difier cette distance est effectuée à l'aide des boutons moletés 6 et<B>61</B> (fig. 1).
Lorsqu'on tourne le bouton 6 dans le sens des aiguilles d'une montre, les bobines ampèremétriques 10 et 11 s'écartent de la bobine voltmétrique 14 et l'équipage mobile susmentionné retourne dans sa position de repos.
Lorsqu'on ouvre le circuit des bobines 2 et s du relais ou celui des bobines i et le des embrayages électromagnétiques, le contact mobile o chi rhéostat c demeure dans la posi tion oii il se trouve. Si l'on continue de tourner le bouton 6 et d'éloigner davantage les bobines 10 et 11 de la bobine 14, l'équi page mobile se déplace et fait tourner le contact mobile o du rhéostat c dans le sens de réduire davantage la valeur de l'excitation en augmentant l'angle (,,g de déplacement aux barres.
Lorsqu'on tourne le bouton en sens opposé de celui (les aiguilles d'une montre les bo bines ampèremétriques s'approchent de la bobine voltmétrique, l'équipage mobile se dé place eu direction contraire à la précédente et fait tourner le bras mobile o dans le sens d'augmenter la valeur de l'excitation et de diminuer l'angle r de déphasement jusqu'à ramener la valeur du cos #o <I>à 1.</I>
La régulation du régulateur pour la con dition Ô s'obtient en tournant le bouton moleté<B>61,</B> écartant ou approchant ainsi les bobines ampèremétriques <B>10,</B> et 11, de la bobine volttnétrique 141 de H:: et faisant varier l'intensité du couple moteur Cr.