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Procédé pour assurer le maintien du fonctionnement synchrone d'une machine électrique synchrone La présente invention a pour objet un procédé pour assurer le maintien du fonctionnement synchrone d'une machine électrique synchrone lors de l'apparition d'une perturbation susceptible d'en provoquer le décrochage, caractérisé en ce que l'on modifie, pendant le fonctionnement, la direction de l'axe magnétique du champ inducteur par rapport à la partie de la machine portant les enroulements d'excitation, lors de l'apparition d'une telle perturbation,
de manière à limiter l'accroissement de l'angle de puissance qui en résulte et maintenir cet angle à des valeurs telles que le fonctionnement synchrone normal puisse être repris après la disparition de la perturbation.
Si l'on considère une machine synchrone fonctionnant en alternateur, connectée à un réseau de grande puissance par une ligne de transmission, et si V est la tension au point de connexion de cette ligne au réseau connectant les autres machines avec lesquelles la machine considérée fonctionne en synchronisme, il est connu notamment qu'en régime perturbé le synchronisme est perdu si l'angle de déphasage entre la tension V et la force électromotrice E de la machine dépasse une certaine valeur.
Le déplacement, pendant le fonctionnement, de l'axe magnétique du champ inducteur, sur la partie de la machine portant les enroulements inducteurs, dans un sens qui correspond à la diminution de l'angle de déphasage entre V et E, en réduisant la valeur de cet angle, permet de maintenir la machine électriquement dans des conditions permettant la reprise du fonctionnement synchrone normal après la disparition des conditions créées par la perturbation.
Des mises en oeuvre du procédé suivant l'invention sont décrites, à titre d'exemple, ci- après, en regard du dessin annexé.
Soit une machine synchrone pourvue de deux circuits d'excitation distincts et identiques, en quadrature l'un avec l'autre, c'est-à-dire ayant des axes magnétiques décalés de 90 degrés électriques. En fonctionnement normal, le circuit d'excitation principal dont l'axe correspond à l'axe direct, est seul excité, l'axe direct étant l'axe magnétique de ce circuit inducteur principal. Le circuit d'excitation auxiliaire, dont l'axe magnétique est dirigé suivant l'axe transversal, est court-circuité et agit comme amortisseur, l'axe transversal étant décalé de 90 degrés électriques par rapport à l'axe direct.
La fig. 1 représente le diagramme vectoriel d'une telle machine en régime établi, pour le cas du fonctionnement en générateur. Le cas
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du fonctionnement en moteur est similaire avec la différence du signe de la puissance et de l'angle de puissance, l'angle de puissance étant l'angle de déphasage entre la tension V telle que définie plus haut, et la force électromotrice E. Le courant d'excitation il dans le circuit d'excitation principal 1 produit un flux suivant l'axe direct de la machine, et auquel correspond la force électromotrice El. 8 est l'angle de puissance. Le circuit d'excitation auxiliaire 2 est court-circuité.
Dans le cas du fonctionnement en générateur, si un défaut, tel qu'un court-circuit, se produit entre l'alternateur et le point où la tension est V, telle que défini plus haut, la puissance électrique fournie par la machine et le couple correspondant diminuent ; par suite de l'excès du couple moteur qui en résulte, l'angle 8 croît. Dans des conditions de fonctionnement capables de causer finalement la perte de synchronisme, si le défaut n'est pas éliminé avant que l'angle de puissance atteigne une certaine valeur déterminée, la machine décrochera et le synchronisme sera perdu.
Si au moment où les directions des différents vecteurs se trouvent dans des positions telles que représentées à la fig. 2, par exemple, le circuit d'excitation auxiliaire 2 est excité et ensuite le circuit d'excitation principal 1 est ouvert, le vecteur de la force électromotrice El de la fig. 2 prendra la direction Ez indiquée en fig. 3. La machine se trouve ramenée dans les mêmes conditions électriques que celles représentées en fig. 1.
Sur les caractéristiques de puissance en fonction de l'angle 8, la succession des opérations réalisées conformément à ce procédé est représentée comme suit Soit en fig. 4, a la caractéristique de puissance en fonctionnement en régime établi ; supposons que la valeur de l'angle de puissance avant l'apparition d'un défaut soit Sa. Soit b la caractéristique correspondant aux conditions de défaut. Dans les machines de construction normale, si le défaut n'est pas éliminé avant que l'angle dépasse une certaine valeur déter- minée telle que 8, par exemple, la machine décrochera.
Dans la machine synchrone décrite pourvue de deux circuits d'excitation en quadrature, supposons que le circuit d'excitation auxiliaire dont l'axe correspond à l'axe transversal est excité quand l'angle de puissance atteint une valeur Ôv par exemple, et que le circuit d'excitation principal dont l'axe correspondait à l'axe direct est ensuite ouvert. Le point représentant les conditions de fonctionnement de la machine se trouvera alors sur la caractéristique c (fig. 4). La machine se trouve ramenée aux conditions électriques existant au moment de l'apparition du défaut.
Ce changement de caractéristiques obtenu par alimentation et ouverture successives des deux circuits d'excitation continue jusqu'à ce que le défaut soit éliminé par les disjoncteurs ou ait disparu de lui-même. Si cela a lieu au moment où l'angle de puissance est 8d, et la caractéristique est d (conditions de défaut), la caractéristique devient e (défaut éliminé).
Par suite de l'énergie cinétique des masses en mouvement, l'angle de puissance augmentera encore ; à la valeur b, (fig. 4), l'excitation du circuit d'excitation auxiliaire ayant son axe dans la direction de l'axe transversal ramènera le point de fonctionnement sur la caractéristique f, le circuit d'excitation principal ayant son axe dans la direction de l'axe direct étant ouvert. Cette suite d'opérations continue jusqu'à la dissipation de l'énergie cinétique des masses en mouvement ; cette énergie est représentée par les surfaces hachurées dans les figures.
Si cette énergie est dissipée au moment où la valeur de l'angle est b,, et la caractéristique est g, le rotor de la machine oscillera autour du point B situé sur cette caractéristique, point de fonctionnement en régime établi.
En réalité, entre les caractéristiques b et c, c et d, e et f, ainsi que f et g, il existe des caractéristiques intermédiaires, indiquées en trait interrompu, correspondant aux instants où les deux circuits d'excitation se trouvent en même temps excités.
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Dans les machines dans lesquelles la fermeture et l'ouverture des circuits d'excitation, comme il vient d'être exposé, ne pourraient pas être réalisées, le changement de direction de l'axe magnétique du champ inducteur dans la machine peut être obtenu d'une manière continue 'de la façon suivante Les bornes des deux circuits d'excitation sont connectées à la source de courant continu par l'intermédiaire d'un dispositif potentiomé- trique indiqué en fig. 6.
Les bornes 3 et 4 du circuit d'excitation principal 1 sont directement connectées à l'alimentation en courant continu. Les bornes 5 et 6 du circuit d'excitation auxiliaire 2 étant reliées à des points équipotentiels du potentiomètre, aucun courant ne traverse ce circuit.
En fonctionnement normal, les bornes 5 et 6 peuvent être court-circuitées dans cette position, par un shunt non indiqué sur la fig. 6.
Une pièce 7 portant les contacts auxquels les bornes des circuits d'excitation sont reliées, peut être entraînée autour de son axe, au moyen d'un moteur à courant continu 8. Le fonctionnement de ce moteur est commandé par un dispositif de mesure 9, donnant la différence entre la tension V, telle que définie plus haut, et la tension Va d'un alternateur auxiliaire pilote 10 monté sur l'arbre de la machine synchrone, et possédant le même nombre de pôles. La différence vectorielle V-Va qui est une fonction de l'angle de puissance, devra être nulle quand la machine est à vide, c'est-à-dire quand l'angle entre les directions des vecteurs E et V est nul. Ce réglage s'obtient par décalage du stator de l'alternateur auxiliaire.
Un relais comprenant un contact 11 est agencé pour fermer l'alimentation du moteur 8 pour des valeurs de la différence (V-V,) au- dessus d'un minimum, correspondant à une valeur de l'angle de puissance telle que, par exemple, ô, sur la fig. 5.
La fermeture du contact 11 (fig. 6) a pour effet de changer la position des bornes des circuits d'excitation sur le potentiomètre. La tension appliquée au circuit d'excitation principal 1 diminue, tandis que la tension appliquée aux bornes du circuit d'excitation auxiliaire 2 aug- mente, et la direction de l'axe magnétique du champ inducteur dans la machine est modifiée. Le sens de rotation du moteur 8 et de la pièce 7 portant les bornes connectées aux enroulements d'excitation, aura lieu dans un sens correspondant à la diminution de l'angle de puissance.
Chaque fois que le contact 11 se ferme ou lorsqu'il reste fermé, la caractéristique de puissance en fonction de l'angle 8 se déplace vers la droite comme indiqué en fig. 5.
Pour que l'alternateur pilote garde sa tension en phase avec la nouvelle direction de la force électromotrice de l'alternateur principal, il est nécessaire que la phase de Va tourne du même angle électrique que celui dont a tourné la force électromotrice E.
Ceci peut être obtenu par l'un des procédés suivants, et aussi par le choix convenable des constantes de temps des circuits de l'alternateur pilote a) On fait tourner le stator de l'alternateur pilote d'un angle électrique égal à l'angle dont a tourné la pièce portant les contacts du potentiomètre commandé par le moteur 8 (fig. 6), soit en rendant solidaires les deux organes, soit par l'emploi d'un servomécanisme de position reliant deux organes. Cette correspondance de position entre les deux organes est schématiquement indiquée dans les fig. 6 et 7, par un trait mixte.
b) Ou bien, l'inducteur de l'alternateur auxiliaire est réalisé et alimenté d'une façon identique à celui de l'alternateur principal. La tension Vd est initialement réglée pour être nulle quand l'alternateur principal est à vide, par décalage du stator qui reste fixé dans cette position. Le déphasage de Va est obtenu par changement de la direction de l'axe du champ inducteur, comme dans l'alternateur principal.
Les paramètres dont dépend le mouvement du dispositif de commande de la pièce mobile du potentiomètre par le moteur 8 (fig. 6) doi-
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vent être choisis pour que le contact 11 ne reste pas fermé ; à cet effet, la rotation du moteur 8 peut, par exemple, être limitée par un dispositif agissant en fonction du déplacement réel de l'axe magnétique du champ inducteur sur le rotor de la machine principale. A chaque fermeture du contact 11, la caractéristique de puissance en fonction de l'angle de puissance fera un déplacement à droite comme indiqué en fig. 5.
Après que le défaut se trouve éliminé, la caractéristique continuera à se déplacer vers la droite, jusqu'à ce que l'énergie cinétique des masses tournantes se soit dissipée. A ce moment, le contact 11 (fig. 6) restant ouvert, la caractéristique gardera sa dernière position. Le point B sur la caractéristique p (fig. 5) est le point de fonctionnement en régime établi.
Pour les machines dans lesquelles la connexion directe des circuits d'excitation à la source de courant continu, comme il vient d'être décrit et représenté en fig. 6, n'est pas facilement réalisable, un dispositif analogue agira sur les circuits d'excitation des excita- trices, ou bien sur les circuits d'excitation de groupes d'excitation 12 et 13 (fig. 7) comprenant plus d'une machine et alimentant les circuits d'excitation 1 et 2 de la machine synchrone. Le fonctionnement reste le même comme exposé.plus haut.
Le régulateur de tension de la machine synchrone peut agir sur la tension appliquée aux bornes du potentiomètre.
Dans ce qui précède, on n'a pas considéré, dans un but de simplification, les phénomènes transitoires dans les circuits, l'influence du régulateur de la machine motrice actionnant la machine synchrone dans le cas d'un alternateur, mais il est bien entendu que le principe du procédé décrit n'est pas affecté par ces différents facteurs.
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Method for ensuring the maintenance of the synchronous operation of a synchronous electric machine The present invention relates to a method for ensuring the maintenance of the synchronous operation of a synchronous electric machine during the appearance of a disturbance liable to cause it to occur. stall, characterized in that during operation, the direction of the magnetic axis of the inductive field is changed with respect to the part of the machine carrying the excitation windings, when such a disturbance occurs ,
so as to limit the increase in the power angle which results therefrom and to maintain this angle at values such that normal synchronous operation can be resumed after the disappearance of the disturbance.
If we consider a synchronous machine operating as an alternator, connected to a high power network by a transmission line, and if V is the voltage at the point of connection of this line to the network connecting the other machines with which the considered machine operates in synchronism, it is known in particular that in disturbed conditions, synchronism is lost if the phase shift angle between the voltage V and the electromotive force E of the machine exceeds a certain value.
The displacement, during operation, of the magnetic axis of the inductive field, on the part of the machine carrying the inductor windings, in a direction which corresponds to the reduction of the phase angle between V and E, reducing the value from this angle, keeps the machine electrically in conditions allowing the resumption of normal synchronous operation after the disappearance of the conditions created by the disturbance.
Implementations of the process according to the invention are described, by way of example, below, with reference to the appended drawing.
Or a synchronous machine provided with two separate and identical excitation circuits, in quadrature with one another, that is to say having magnetic axes offset by 90 electrical degrees. In normal operation, the main excitation circuit, the axis of which corresponds to the direct axis, is alone excited, the direct axis being the magnetic axis of this main inductor circuit. The auxiliary excitation circuit, the magnetic axis of which is directed along the transverse axis, is short-circuited and acts as a damper, the transverse axis being offset by 90 electrical degrees with respect to the direct axis.
Fig. 1 represents the vector diagram of such a machine in steady state, for the case of operation as a generator. The case
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of operation as a motor is similar with the difference of the sign of the power and of the power angle, the power angle being the phase shift angle between the voltage V as defined above, and the electromotive force E. The excitation current il in the main excitation circuit 1 produces a flux along the direct axis of the machine, and to which corresponds the electromotive force E1. 8 is the power angle. Auxiliary excitation circuit 2 is short-circuited.
In the case of operation as a generator, if a fault, such as a short-circuit, occurs between the alternator and the point where the voltage is V, as defined above, the electrical power supplied by the machine and the corresponding torque decrease; as a result of the resulting excess engine torque, the angle 8 increases. Under operating conditions capable of ultimately causing loss of synchronism, if the fault is not eliminated before the power angle reaches a certain determined value, the machine will stall and synchronism will be lost.
If at the moment when the directions of the various vectors are in positions as shown in FIG. 2, for example, the auxiliary excitation circuit 2 is energized and then the main excitation circuit 1 is opened, the vector of the electromotive force E1 of FIG. 2 will take the direction Ez indicated in fig. 3. The machine is brought back to the same electrical conditions as those shown in fig. 1.
On the power characteristics as a function of angle 8, the succession of operations carried out in accordance with this method is represented as follows: Either in fig. 4, has the power characteristic in steady state operation; suppose that the value of the power angle before the appearance of a fault is Sa. Let b be the characteristic corresponding to the fault conditions. In machines of normal construction, if the fault is not rectified before the angle exceeds a certain fixed value such as 8, for example, the machine will stall.
In the described synchronous machine provided with two excitation circuits in quadrature, suppose that the auxiliary excitation circuit whose axis corresponds to the transverse axis is excited when the power angle reaches a value Ôv for example, and that the main excitation circuit whose axis corresponds to the direct axis is then opened. The point representing the operating conditions of the machine will then be on characteristic c (fig. 4). The machine is brought back to the electrical conditions existing when the fault appeared.
This change in characteristics obtained by successively supplying and opening the two excitation circuits continues until the fault is eliminated by the circuit breakers or has disappeared on its own. If this occurs when the power angle is 8d, and the characteristic is d (fault conditions), the characteristic becomes e (fault cleared).
As a result of the kinetic energy of the moving masses, the power angle will increase further; at value b, (fig. 4), the excitation of the auxiliary excitation circuit having its axis in the direction of the transverse axis will bring the operating point back to the characteristic f, the main excitation circuit having its axis in the direction of the direct axis being open. This series of operations continues until the kinetic energy of the moving masses is dissipated; this energy is represented by the hatched surfaces in the figures.
If this energy is dissipated when the value of the angle is b ,, and the characteristic is g, the rotor of the machine will oscillate around the point B situated on this characteristic, point of operation in steady state.
In reality, between the characteristics b and c, c and d, e and f, as well as f and g, there are intermediate characteristics, indicated in broken lines, corresponding to the times when the two excitation circuits are at the same time. excited.
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In machines in which the closing and opening of the excitation circuits, as it has just been explained, could not be carried out, the change of direction of the magnetic axis of the inductive field in the machine can be obtained d 'continuously' as follows The terminals of the two excitation circuits are connected to the direct current source by means of a potentiometric device shown in fig. 6.
The terminals 3 and 4 of the main excitation circuit 1 are directly connected to the DC power supply. The terminals 5 and 6 of the auxiliary excitation circuit 2 being connected to equipotential points of the potentiometer, no current flows through this circuit.
In normal operation, terminals 5 and 6 can be short-circuited in this position, by a shunt not shown in fig. 6.
A part 7 carrying the contacts to which the terminals of the excitation circuits are connected, can be driven around its axis, by means of a direct current motor 8. The operation of this motor is controlled by a measuring device 9, giving the difference between the voltage V, as defined above, and the voltage Va of an auxiliary pilot alternator 10 mounted on the shaft of the synchronous machine, and having the same number of poles. The vector difference V-Va which is a function of the power angle, should be zero when the machine is empty, that is to say when the angle between the directions of the vectors E and V is zero. This adjustment is obtained by shifting the stator of the auxiliary alternator.
A relay comprising a contact 11 is arranged to close the power supply to the motor 8 for values of the difference (VV,) above a minimum, corresponding to a value of the power angle such as, for example, ô, in fig. 5.
Closing contact 11 (fig. 6) has the effect of changing the position of the terminals of the excitation circuits on the potentiometer. The voltage applied to the main excitation circuit 1 decreases, while the voltage applied to the terminals of the auxiliary excitation circuit 2 increases, and the direction of the magnetic axis of the inductive field in the machine is changed. The direction of rotation of the motor 8 and of the part 7 carrying the terminals connected to the excitation windings, will take place in a direction corresponding to the decrease in the power angle.
Each time the contact 11 closes or when it remains closed, the power characteristic according to the angle 8 moves to the right as shown in fig. 5.
In order for the pilot alternator to keep its voltage in phase with the new direction of the electromotive force of the main alternator, it is necessary that the phase of Va turns by the same electrical angle as that by which the electromotive force E.
This can be achieved by one of the following methods, and also by the suitable choice of the time constants of the circuits of the pilot alternator a) The stator of the pilot alternator is rotated by an electrical angle equal to the angle at which the part carrying the contacts of the potentiometer controlled by the motor 8 (FIG. 6) has turned, either by making the two members integral, or by the use of a position servomechanism connecting two members. This positional correspondence between the two members is schematically indicated in FIGS. 6 and 7, by a dashed line.
b) Or, the inductor of the auxiliary alternator is made and supplied in the same way as that of the main alternator. Voltage Vd is initially set to be zero when the main alternator is off-load, by shifting the stator which remains fixed in this position. The phase shift of Va is obtained by changing the direction of the axis of the inductive field, as in the main alternator.
The parameters on which the movement of the control device of the moving part of the potentiometer by the motor 8 (fig. 6) depends.
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be chosen so that contact 11 does not remain closed; to this end, the rotation of the motor 8 can, for example, be limited by a device acting according to the actual displacement of the magnetic axis of the inductive field on the rotor of the main machine. Each time contact 11 is closed, the power characteristic as a function of the power angle will move to the right as indicated in fig. 5.
After the fault is eliminated, the characteristic will continue to move to the right, until the kinetic energy of the rotating masses has dissipated. At this time, contact 11 (fig. 6) remaining open, the feature will keep its last position. Point B on characteristic p (fig. 5) is the operating point in steady state.
For machines in which the direct connection of the excitation circuits to the direct current source, as has just been described and shown in fig. 6, is not easily achievable, a similar device will act on the excitation circuits of the exciters, or else on the excitation circuits of excitation groups 12 and 13 (fig. 7) comprising more than one. machine and supplying excitation circuits 1 and 2 of the synchronous machine. The operation remains the same as explained above.
The voltage regulator of the synchronous machine can act on the voltage applied to the terminals of the potentiometer.
In the foregoing, for the sake of simplification, the transient phenomena in the circuits, the influence of the regulator of the prime mover actuating the synchronous machine in the case of an alternator, have not been considered, but it is understood that the principle of the method described is not affected by these different factors.