Dispositif wattmétrique.
La présente invention concerne un dis positif wattmétrique de puissance active, réactive ou complexe, caractérisé par un enroulement de tension qui est monté dans un réseau de résistances, réactances et capacitances, de façon que, pour la fréquence nominale, le courant qui le traverse soit pratiquement indépendant de l'impédance de la branche qui contient cet enroulement.
Ce résultat peut tre obtenu à l'aide d'un dispositif capable de transformer une tension constante en un courant constant.
L'invention s'applique plus particulièrement aux varmètres ou wattmètres de puissance réactive du type électrodynamique et aux relais employant les mmes éléments, mais elle convient aussi aux appareils d'autres types. Dans ce qui suit, pour fixer les idées, on supposera d'abord qu'il s'agit de varmètres ou de relais varmétriques, du type électrodynamique, comportant un enroulement de courant et un enroulement de tension analogues à ceux d'un wattmètre (de puissance active). Dans ce cas, on sait qu'il suffit de faire en sorte que le courant dans la bobine de tension soit proportionnel à la tension aux bornes du circuit dont on mesure la puissance réactive et en quadrature avec cette tension, la bobine de courant+étant parcourue par le courant de ce circuit un courant proportionnel et en phase avec lui.
Ce résultat peut tre obtenu facilement par un ajustage convenable des résistances, des réactances et des capacitances.
Les fig. 1,2 et 3 du dessin schématique annexé indiquent, à titre d'exemples, trois montages pour varmètres ou dispositifs varmétriques conformes à l'invention, montages qui seront justifiés dans la suite.
Dans la fig. 1 de ce dessin, 1 représente un circuit dont on mesure la puissance réactive, 2 et 2'sont les bobines du varmètre alimentées par le courant du circuit 3 est la bobine du circuit de tension montée en série avec un condensateur 4, l'ensemble 3-4 étant monte en dérivation sur une bobine de réactance 5 ; les deux circuits ainsi dérives sont montés en série avec un condensateur 6 et une résistance peu inductive 7.
En ajustant convenablement la réactance de la bobine 5 (sa résistance effective étant supposée donnée), la capacité du condensateur 6 et la résistance 7, on obtiendra, pour une fréquence donnée, le courant dans la bobine 3 de valeur voulue et en quadrature avec la différence de potentiel entre les bornes A et B du circuit d'utilisation, ce courant étant indépendant de la résistance, de la réactance et de la capacitance du circuit 3,4. D'autre part, en donnant à la capacité 4 une valeur convenable, la fréquence influe peu sur la valeur efficace du courant et sur sa phase.
On démontre que, si pour la fréquence nominale f a, on désigne par ru et su les valeurs de la résistance effective et de la réactance de la bobine 5, par r la valeur de la résistance 7, par s la capacitance du condensateur 6, par su la capacitance du condensateur 4 et par fi la résistance de la bobine 3, dont on suppose la réactance négligeable, les conditions théoriques pour obtenir un courant dans la bobine 3 en quadrature avec la tension entre les bornes A et B sont :
s ro
so=s
so-st en supposant les résistances faibles par rapport aux réactances et aux capacitanoes (ce qui est réalisé normalement).
D'autre part, si s, est voisin de 0,5 so, l'influence de la fréquence sur la mesure de la puissance réactive dans le voisinage de la fréquence fo sera faible.
Pratiquement, on ajustera les valeurs des diverses grandeurs suivant les conditions particulières de 1'emploi du varmetre. Ainsi, par exemple, pour s, = 0.5 so, l'influence de la fréquence sera très faible sur la valeur efficace du courant dans la bobine 3 ; par contre, en donnant à Si des valeurs plus faibles, on réduit l'influence de la fréquence sur le déphasage entre ce courant et la tension entre les bornes A et B.
La fig. 2 représente un montage analogue à celui de la fig. 1, dans lequel les mmes lettres et chiffres ont les mmes significations. La différence entre le montage de la fig. 2 et celui de la fig. 1 consiste dans le fait qu'à la place du condensateur 4 on monte en série avec la bobine 3 une bobine de réactance 4'et que l'ensemble est monte en parallèle avec le condensateur 6 et la résistance 7 en série.
Les conditions de quadrature sont :
SoSl
so==set==---H)
81 avec la mme signification des lettres que dans le montage précédent, sauf que s, est la valeur absolue de la réactance de la bobine 4'.
Les conditions de faible influence de la fréquence sur la valeur efficace du courant dans la bobine 3 et sur son déphasage par rapport à la tension entre les bornes A et B sont à peu près les mmes que dans le cas précédent.
La fig. 3 indique un montage en pont de
Wheatstone. Le circuit dont on mesure la puissance réactive est toujours désigné par 1 et il est monté en série avec la bobine de courant 2,2'du varmètret Entre les bornes
A et B du circuit 1 est disposé un pont de
Wheatstone fermée de deux réactances 5 et 5'et de deux ensembles condensateur-résis- tance 6,7 et 6', 7'. Sur la diagonale CD du pont est monté le cadre 3, comportant ici en série une résistance, réactance ou capacitance 8, ou une combinaison de ces éléments.
On démontre que, pour avoir la quadrature entre le courant dans le 3 et la différence de potentiel entre les bornes A et B, il suffit d'avoir les relations : s = s = go = Sto (So et s'O tant les réactances des bobines 5 et 5 ; s et s'les valeurs absolues des capacitanees des condensateurs 6 et 6') et r = rO = r'= r'o, ro et r'o étant les résistances des bobines 5 et 5', r et r' celles des résistances 7 et 7'.
D'autre part, on a une faible influence de la fréquence autour de la fréquence nominale en laissant seule dans sa diagonale la bobine 3, de réactance négligeable devant sa résistance.
Pourtant dans les conditions pratiques, si on monte en série avec la bobine 3 une ré sistance pratiquement non inductive 8, on peut la faire varier dans certaines limites sans influer sensiblement sur l'erreur de fré- quence.
Il est évident que les montages ci-dessus ne sont donnés qu'à titre d'exemple nullement limitatif et que tout varmétre ou dispositif varmétrique, dont le circuit de tension est monte de façon que le courant qui le traverse soit pratiquement indépendant de son impédance, entre dans le cadre de la présente invention.
De mme les relations ci-dessus entre les diverses grandeurs ne sont données qu'à titre de renseignements.
Les varmètres montés comme indiqué cidessus possèdent, comme on l'a vu sur les exemples, la propriété remarquable d'tre peu influencés par la fréquence dans le voisinage de la fréquence nominale. Ils possèdent une autre propriété, qui présente souvent un grand intért pratique et qui sera indiqué ciaprès avec quelques détails.
Dans les appareils électrodynamiques, le courant dans le circuit de courant produit, dans la bobine de tension, une force électromotrice en quadrature avec lui ; le courant dans le circuit de tension qui en résulte a une valeur et une phase qui dépendent de la nature de ce circuit.
L'action de l'un des courants sur l'autre produit un couple parasite qui gne le fonc tionnement de l'appareil. Ce couple parasite est surtout nuisible dans les relais électrodynamiques à fer.
Dans les appareils représentés, ce couple parasite est nul ou très faible, tandis qu'il peut tre très important dans les appareils de puissance réactive ou complexe, de construction courante. Si on examine, par exemple, le montage de la fig. 3, on constate que le circuit se comportant par rapport à la force électromotrice induite dans l'enroulement 3 comme une impédance négligeable, l'ensemble du pont A B C D se comporte par rapport à cette force électromotrioe comme deux circuits antirésonants (5,6', 7') et (5', 6,7) en série. Le courant produit dans 3 par la force électromotrice induite sera donc extrmement faible et pratiquement en phase avec elle, donc en quadrature avec le courant dans le circuit de courant, et le couple provenant de l'action du dernier courant sur le premier sera nul.
Un examen analogue des montages des fig. 1 et 2 montre que le couple parasite en question ne sera pas nul, mais très petit, à cause du circuit antirésonant 5,6,7, qui se trouve en série avec la bobine 3 par rapport à la force électromotrice induite dans celle-ci par le courant principal.
L'invention s'applique naturellement aussi à tout appareil ou dispositif contenant des éléments réactifs, tels, par exemple, les relais de réactance.
Dans certains de ces relais on superpose dans la bobine de tension, au courant provenant de la source de tension, un courant proportionnel au courant principal et obtenu par un transformateur de courant ou par tout autre moyen convenable. Ce dispositif s'applique aussi aux montages suivant la pré- sente invention.
La fig. 4 donne un exemple d'application à un appareil (réatancemétre) monté suivant la fig. 3. Dans la fig. 4, les lettres et les chiffres communs ont la mme signification que dans la fig. 3 ; 9 est un transformateur de courant, dont le primaire 10 est parcouru par le courant du circuit 1, tandis que le secondaire 11 est fermé sur l'enroulement 3.
Un montage analogue s'applique aux autres dispositifs suivant la présente invention et permet d'obtenir par l'action de la bobine 2,2'sur la bobine 3 un couple de la forme e : aZTI sin cp-b12, a et b étant des constantes et ç le déphasage du courant I dans le circuit 1 par rapport à la tension U à ses bornes,
Les dispositifs de la présente invention s'appliquent aussi aux appareils de puissance complexe (wattmètres, relais, ou autres) ou aux appareils contenant des éléments de puissance complexe, par exemple certains relais d'impédance.
On peut obtenir des appareils de puissance complexe par un réglage approprié des éléments du réseau ou en s'arrangeant de fa çon que le courant dans la bobine 3 (ou le champ magnétique qu'elle produit) ne soit pas en phase avec le courant dans le condensateur 4 (par exemple, en shuntant l'enroulement 3 par une bobine de réactance), ou encore en donnant au réseau le réglage correspondant au varmètre et en s'arrangeant de fa çon que le courant dans le circuit 2,2' (ou le champ magnétique produit par ce circuit) ne soit pas en phase avec le courant dans le circuit 1.
La fig. 5 donne un montage d'un appareil de puissance complexe, dans lequel on a obtenu le déphasage entre le courant dans l'enroulement 2,2'et celui dans le circuit 1, en shuntant l'enroulement par une bobine de réactance 12. Les autres chiffres et lettres ont la mme signification que dans les figures précédentes. Par ce montage, on augmente l'influence de la fréquence, mais on garde la propriété d'un couple parasite d'induction mutuelle nul ou négligeable.
Dans la fig. 5, on a supposé l'artifice appliqué au montage de la fig. 1, mais il s'applique à n'importe quel montage suivant l'invention.
Les montages analogues à ceux de la fig. 4 s'appliquent aussi aux appareils de puissance complexe ou contenant des éléments de puissance complexe, comme par exemple certains relais d'impédance.
Wattmeter device.
The present invention relates to a wattmetric device of active, reactive or complex power, characterized by a voltage winding which is mounted in a network of resistors, reactances and capacitances, so that, for the nominal frequency, the current flowing through it is practically independent of the impedance of the branch which contains this winding.
This result can be obtained using a device capable of transforming a constant voltage into a constant current.
The invention applies more particularly to reactive power varmeters or wattmeters of the electrodynamic type and to relays using the same elements, but it is also suitable for devices of other types. In what follows, to fix ideas, we will first assume that these are varmeters or power factor relays, of the electrodynamic type, comprising a current winding and a voltage winding similar to those of a wattmeter ( active power). In this case, we know that it is sufficient to ensure that the current in the voltage coil is proportional to the voltage at the terminals of the circuit whose reactive power is measured and in quadrature with this voltage, the current coil + being traversed by the current of this circuit a current proportional and in phase with it.
This result can easily be obtained by suitable adjustment of the resistances, reactances and capacitances.
Figs. 1, 2 and 3 of the appended schematic drawing indicate, by way of example, three assemblies for varmeters or varmetric devices in accordance with the invention, assemblies which will be explained below.
In fig. 1 of this drawing, 1 represents a circuit whose reactive power is measured, 2 and 2 ′ are the coils of the varmeter supplied by the current of circuit 3 is the coil of the voltage circuit mounted in series with a capacitor 4, the assembly 3-4 being mounted in shunt on a reactance coil 5; the two circuits thus drifts are connected in series with a capacitor 6 and a low inductive resistor 7.
By suitably adjusting the reactance of coil 5 (its effective resistance being assumed to be given), the capacitance of capacitor 6 and resistance 7, we will obtain, for a given frequency, the current in coil 3 of the desired value and in quadrature with the potential difference between the terminals A and B of the utilization circuit, this current being independent of the resistance, the reactance and the capacitance of the circuit 3,4. On the other hand, by giving the capacitor 4 a suitable value, the frequency has little influence on the rms value of the current and on its phase.
We prove that, if for the nominal frequency fa, we denote by ru and su the values of the effective resistance and the reactance of coil 5, by r the value of resistance 7, by s the capacitance of capacitor 6, by On the capacitance of capacitor 4 and on the resistance of coil 3, whose reactance is assumed to be negligible, the theoretical conditions for obtaining a current in coil 3 in quadrature with the voltage between terminals A and B are:
s ro
so = s
so-st by assuming the low resistances compared to the reactances and the capacitanoes (which is carried out normally).
On the other hand, if s i is close to 0.5 so, the influence of the frequency on the measurement of the reactive power in the vicinity of the frequency fo will be small.
In practice, the values of the various magnitudes will be adjusted according to the particular conditions of the use of the varmeter. Thus, for example, for s, = 0.5 so, the influence of the frequency will be very weak on the effective value of the current in the coil 3; on the other hand, by giving lower values to Si, the influence of the frequency on the phase shift between this current and the voltage between terminals A and B.
Fig. 2 shows an assembly similar to that of FIG. 1, in which the same letters and numbers have the same meanings. The difference between the assembly of fig. 2 and that of FIG. 1 consists in the fact that instead of the capacitor 4 a reactance coil 4 'is mounted in series with the coil 3 and that the assembly is mounted in parallel with the capacitor 6 and the resistor 7 in series.
The quadrature conditions are:
SoSl
so == set == --- H)
81 with the same meaning of the letters as in the previous assembly, except that s is the absolute value of the reactance of coil 4 ′.
The conditions of low influence of the frequency on the effective value of the current in the coil 3 and on its phase shift with respect to the voltage between the terminals A and B are approximately the same as in the previous case.
Fig. 3 indicates a bridge assembly of
Wheatstone. The circuit whose reactive power is measured is always designated by 1 and it is connected in series with the current coil 2,2 'of the varmeter and Between the terminals
A and B of circuit 1 is arranged a
Closed Wheatstone of two reactors 5 and 5 'and of two capacitor-resistor assemblies 6,7 and 6', 7 '. On the diagonal CD of the bridge is mounted the frame 3, comprising here in series a resistor, reactance or capacitance 8, or a combination of these elements.
We prove that, to have the quadrature between the current in the 3 and the potential difference between the terminals A and B, it suffices to have the relations: s = s = go = Sto (So and s'O both the reactances coils 5 and 5; s and s are the absolute values of the capacitances of capacitors 6 and 6 ') and r = rO = r' = r'o, ro and r'o being the resistances of coils 5 and 5 ', r and r 'those of resistors 7 and 7'.
On the other hand, there is a weak influence of the frequency around the nominal frequency by leaving alone in its diagonal the coil 3, of negligible reactance compared to its resistance.
However, under practical conditions, if a practically non-inductive resistance 8 is mounted in series with coil 3, it can be varied within certain limits without appreciably influencing the frequency error.
It is obvious that the above assemblies are given only by way of non-limiting example and that any varmeter or varmetric device, the voltage circuit of which is mounted so that the current which passes through it is practically independent of its impedance. , falls within the scope of the present invention.
Likewise, the above relations between the various quantities are given for information only.
The varmeters mounted as indicated above have, as we have seen in the examples, the remarkable property of being little influenced by the frequency in the vicinity of the nominal frequency. They have another property, which is often of great practical interest and which will be indicated below with some details.
In electrodynamic devices, the current in the current circuit produces, in the voltage coil, an electromotive force in quadrature with it; the current in the resulting voltage circuit has a value and a phase which depend on the nature of this circuit.
The action of one of the currents on the other produces a parasitic torque which interferes with the operation of the device. This parasitic torque is especially harmful in electrodynamic iron relays.
In the devices shown, this parasitic torque is zero or very low, while it can be very high in reactive or complex power devices of current construction. If we examine, for example, the assembly of FIG. 3, it can be seen that the circuit behaving with respect to the electromotive force induced in the winding 3 as a negligible impedance, the whole of the ABCD bridge behaving with respect to this electromotive force like two antiresonant circuits (5.6 ', 7 ') and (5', 6,7) in series. The current produced in 3 by the induced electromotive force will therefore be extremely weak and practically in phase with it, therefore in quadrature with the current in the current circuit, and the torque resulting from the action of the last current on the first will be zero.
A similar examination of the assemblies of fig. 1 and 2 shows that the parasitic torque in question will not be zero, but very small, because of the antiresonant circuit 5,6,7, which is in series with the coil 3 with respect to the electromotive force induced in it by the main stream.
The invention naturally also applies to any apparatus or device containing reactive elements, such as, for example, reactance relays.
In some of these relays is superimposed in the voltage coil, on the current coming from the voltage source, a current proportional to the main current and obtained by a current transformer or by any other suitable means. This device also applies to the assemblies according to the present invention.
Fig. 4 gives an example of application to an apparatus (reattachment meter) mounted according to FIG. 3. In fig. 4, the common letters and numbers have the same meaning as in fig. 3; 9 is a current transformer, the primary 10 of which is traversed by the current of circuit 1, while the secondary 11 is closed on winding 3.
A similar assembly applies to the other devices according to the present invention and makes it possible to obtain, by the action of the coil 2,2 ′ on the coil 3, a torque of the form e: aZTI sin cp-b12, a and b being the constants and ç the phase shift of the current I in circuit 1 with respect to the voltage U at its terminals,
The devices of the present invention also apply to complex power devices (wattmeters, relays, or others) or to devices containing complex power elements, for example certain impedance relays.
One can obtain complex power devices by an appropriate adjustment of the elements of the network or by arranging so that the current in the coil 3 (or the magnetic field which it produces) is not in phase with the current in capacitor 4 (for example, by bypassing winding 3 by a reactance coil), or even by giving the network the setting corresponding to the varmeter and by arranging so that the current in the circuit 2.2 '( or the magnetic field produced by this circuit) is not in phase with the current in circuit 1.
Fig. 5 gives an assembly of a complex power apparatus, in which the phase shift between the current in winding 2,2 'and that in circuit 1 has been obtained, by shunting the winding by a reactance coil 12. other numbers and letters have the same meaning as in the previous figures. By this assembly, the influence of the frequency is increased, but the property of a parasitic couple of zero or negligible mutual induction is kept.
In fig. 5, we have assumed the artifice applied to the assembly of FIG. 1, but it applies to any assembly according to the invention.
Assemblies similar to those of FIG. 4 also apply to complex power devices or containing complex power elements, such as for example certain impedance relays.