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"Dispositif pour rendre la puissance de moteurs-générateurs, fonctionnant comme transformateurs de fréquence, indépendante des fluctuations de la fréquence de deux réseauxqu'ils rendent solidaires"
Lorsque deux réseaux de même fréquence, ou de fréquences différentes, sont rendus solidaires au moyen de moteurs-généra- teurs fonctionnant comme transformateurs de fréquence, la puis- sance cédée par le transformateur de fréquence dépend des fré- quences des deux réseaux ainsi couplés. Chaque variation de l'une de ces deux fréquences détermine une variation correspon- dante de la puissance du transformateur de fréquence, à moins que des mesures ne soient prises pour y parer.
On pourrait par @
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exemple régler, soit à la main soit au moyen de régulateurs de puissance, le courant, la tension ou la phase de ces grandeurs, ou bien, au cas où l'on utiliserait des machines à collecteur, la position des balais, en dépendance de la fréquence de réseau et de manière telle que la puissance absorbée ou débitée par le transformateur de fréquence reste constante. Mais tous les réglages de ce genre sont compliqués et exigent des dispositifs particuliers, qui nuisent à la simplicité de l'installation et compliquent le service.
Toutefois, dans les transformateurs de fréquence dont une partie est constituée par une machine d'induction branchée sur le réseau, le maintien de la cons- tance du débit peut se faire de manière très avantageuse par l'emploi d'un mode de montage convenable, et l'objet de la présente invention est un dispositif destiné à rendre la puissance de moteurs-générateurs, fonctionnant comme trans- formateurs de fréquence, indépendante des fluctuations de-la fréquence de deux réseaux qu'ils rendent solidaires.
Elle consiste à constituer l'une des parties du transformateur de fréquence au moyen d'une machine d'induction connectée à l'un des réseaux et dont la partie secondaire est excitée par un changeur de fréquence alimenté sous une tension variable qui résulte à chaque instant de la composition d'une tension constante et d'une tension dépendant de la charge de la machine d'induction.
La fig. 1 des dessins ci-joints représente un exemple d'exécution de ce dispositif. Dans cette figure, 1 désigne la machine d'induction constitua* l'une des par- ties du transformateur de fréquence ; 2désigne son excita- trice construite comme machine triphasée à collecteur à excitation indépendante; 3 désigne un changeur de fréquence alimentant l'enroulement d'excitation de la machine excita- trice; 4 un transformateur qui débite une tension constante et dont l'enroulement primaire est relié au réseau alimentant
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la machine 1;
5 désigne un transformateur dont le primaire est monté en série avec la partie primaire de la machine 1, et dont le circuit magnétique est doté d'une réluctance re- lativement élevée (par exemple un entrefer), afin qu'il absorbe un courant magnétisant relativement fort et que la tension secondaire soit aussi exactement proportionnelle que possible au courant parcourant l'enroulement primaire.
Les enroulements secondaires des transformateurs 4 et 5 sont montés en série, mais de manière telle que ce soit la différence de leurs tensions qui soit appliquée aux bagues collectrices du changeur de fréquence 3. Lorsque les deux tensions sont exactement en opposition de phase et égales l'une à l'autre, la tension résultant aux bagues collectri- ces est égale à zéro. Mais en général, suivant le courant de la machine 1, la tension agissant aux bagues collectrices se- ra différente de zéro. La deuxième machine du transformateur de fréquence, accouplée directement à la machine d'induction représentée, et reliée électriquement au deuxième réseau, n'est pas représentée sur la fig.l.
Lorsqu'on cherche comment il faut faire varier le courant d'excitation de la machine d'induction pour que la puissance de cette machine reste constante lorsque la fréquence varie, donc lorsque le glissement varie, on trouve que le vecteur du courant d'excitation doit se mouvoir sur une droite y y' parallèle à l'axe des ordonnées (fig. 2) si cet axe représente la tension de glissement ou le glissement lui-même. A chaque valeur du glissement correspond alors un courant d'excitation o a, o b, o c, et les points a, b, c, se trouvent sur la droite y y', qui est parallèle à o a.
Mais comme l'enroulement d'excitation de la machine excita- triée possède une certaine résistance ohmique et une certaine self-induction, la valeur de la tension d'excitation qui doit être amenée à l'enroulement d'excitation est, elle aussi,
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fonction de la fréquence du courant d'excitation. A chaque valeur du courant d'excitation J e (= o a, o b, o c), il #r2+#2 L2 faut donc assigner une impédance dans ltexpression de laquelle il faut substituer à la fréquencewla valeur qui convient à chaque instant au glissement correspondant.
Si l'on porte la valeur J e.r de manière que les vecteurs o a, o b, o c, re- présentent en même temps la chute ohmique dans l'enroulement d'excitation, la valeur de la chute inductive Je # L devra chaque fois être portée sur la perpendiculaire à la chute ohmique pour obtenir le vecteur de tension résultant o b', o c', qui donne les tensions amenées à l'enroulement d'exci- tation.
Les extrémités de ces vecteurs se meuvent sur une courbe d'allure parabolique b' a c', que l'on obtient en dé- terminant la fréquence de glissement correspondant à chaque valeur du courant d'excitation et en 'menant aux extrémités des vecteurs o a, o b, o c, des perpendiculaires a a', b b' et o c', dont la longueur s'obtient en'multipliant respecti- vement o a, o b, o c, par la valeur instantanée correspondan- te de #.L./r Si le vecteur o a correspond au glissement zéro, donc à la marche synchrone de la machine d'induction, la longueur du vecteur inductif a a' est égale à zéro. Le point a' coïncide avec a. La courbe parabolique construite pour une droite déterminée y y' correspond en conséquence à une puis- sance déterminée de la machine.
Pour un autre débit, il faudrait déplacer parallèlement la droite y y', et on obtien- drait alors une autre courbe parabolique comme lieu géométri- que de l'extrémité du vecteur de la tension d'excitation.
En conséquence, pour maintenir constante la puis- sance de la machine 1, le dispositif doit posséder les pro- priétés nécessaires pour, lorsque la fréquence du réseau varie ( ou lorsque le glissement varie), régler automatiquement la tension d'excitation de l'enroulement excitateur de l'excita-
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trice 2 de manière telle que l'extrémité de son vecteur reste sur la courbe parabolique ou, ce qui revient au même, que l'extrémité du vecteur de courant reste sur la droite y y'.
Tel est effectivement lie cas avec la disposition décrite et représentée.
Dans la fig. 2, 0 A désigne le courant principal de la machine 1, courant qui se présenterait dans le cas idéal (avec cos # = 1), et qui se compose géométriquement du courant secondaire 0 A" et du courant à vide 0 0'. Ainsi que déjà indiqué, la tension secondaire du transformateur 5 est proportionnelle au courant principal de la machine d'induc- tion, et la tension apparaissant aux bagues collectrices et aux balais du collecteur du changeur de fréquence 3 est égale à la différence des tensions des deux transformateurs 4 et 5, donc à la différence d'une tension constante et d'une tension variant avec le courant principal.
Or la tension 0 A5 (fig.2), apparaissant à l'enroulement secondaire du transformateur 5, est proportionnelle au courant principal J, qui pour cos # = 1, doit coïncider avec 0 A et sera représen- té par 0 A. Mais en phase, le vecteur 0 A5 est perpendiculai- re au vecteur 0 A. Si donc on choisit la tension secondaire du transformateur telle, en grandeur et en direction, que lorsque le vecteur de courant principal tombe dans la direc- tion 0 A, la différence des tensions secondaires du trans- formateur soit égale à zéro, on obtient au transformateur 4 une tension secondaire égale à @ O A5.
En réalité, en raison de la chute ohmique existante, la différence des tensions ne doit jamais se trouver égale à zéro, mais cette différence doit toujours donner en dépendance du glissement des vecteurs de tension résultants A5, A'5, A5, B'5, A5 C'5 qui correspon- dent aux valeurs de la tension o a', o b', o c' nécessaires pour l'excitation. Or comme le vecteur 0 A5 correspond à la tension constante du transformateur 4, seule la variation du vecteur de la tension variable du transformateur 5 entre en
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ligne de compte pour la variation de la différence. Cette tension variable devrait changer de position et de grandeur de manière telle que l'extrémité :de son vecteur se déplaçât sur une courbe B'5 A'5 C'5 semblable à la courbe parabolique b' a' c'.
Mais comme les vecteurs 0 A'5, 0 B'5, 0 C'5.sont perpendiculaires au courant principal J et sont proportionnels à J, l'extrémité des vecteurs de courant 0 A' 0 B', 0 C' = J devra se déplacer sur une courbe semblable à la courbe para- bolique a' b' c'. Ce mouvement sur des courbes paraboliques est en conséquence la condition pour que la machine d'induc- tion possède un débit constant.
Il reste encore à examiner si le courant principal peut s'écarter de la courbe parabolique A' B' C'. Dans ce but, on part d'une valeur quelconque du glissement, par exem- ple du glissement zéro, donc de la marche synchrone, et l'on- recherche si le vecteur 0 A' peut adopter une autre position quelconque, par exemple 0 D. Au vecteur de courant 0 D cor- respondrait une tension secondaire 0 D (au transformateur 5).
La différence de tension 0 A5 - 0 D5 serait égale au vecteur A5 D5,et à cette tension d'excitation correspondrait le vecteur 0 d, porte à partir de 0. L'extrémité de ce vecteur ne se trouverait pas sur la droite y y', de sorte que la puissance de la machine d'induction serait autre. Or, il est facile de se rendre compte que la tension a d, s'ajoutant à o a, tend à augmenter la puissance de la machine, mais qu'- elle s'oppose ainsi à la réduction du courant principal de 0 A à 0 D, de sorte que lama.chine tend d'elle-même à l'état d'équilibre qui est donné par la condition que les extrémités des vecteurs se meuvent sur des courbes paraboliques.
Si l'on était parti d'une autre valeur du glissement, par exemple d'un glissement positif (+6b) on aurait obtenu une autre position du vecteur de courant 0 B', vecteur qui aurait précisément provoqué dans le circuit d'excitation la tension excitatrice o b' nécessaire pour ce cas de fonction-
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nement, et la machine aurait de nouveau tendu à l'état d'é- quilibre correspondant à la condition posée.
En conséquence, avec la compensation admise des tension secondaires des'transformateurs 4 et 5, la machine d'induction ne peut absorber du courant que dans une mesure telle que sa puissance possède une valeur déterminée, qui dépend de la position des balais du changeur de fréquence et de la valeur donnée à la tension d'excitation de la ma- chine excitatrice.
Si l'on désigne par P la courbe qui représente le lieu géométrique de l'extrémité du vecteur de courant de la ma- chine d'induction, on obtient pour chaque charge une courbe P.
Dans le cas représenté, la courbe P correspond au courant idéal O A, dans le stator, mais en réalité ce courant varie légèrement du fait que son vecteur occupe les positions OA', OB', OC'.Mais l'écart par rapport à la valeur idéale 0 A est pratiquement insignifiant et peut rester faible si l'on donne aux transfor- mateurs 4 et 5 des dimensions convenables; de sorte que la ma- chine principale marche pratiquement avec une puissance cons- tante (correspondant au vecteur OA).
Une autre forme d'exécution de l'invention est représentée sur la fig. 3. Dans cette figure on n'a repré- senté de l'ensemble du dispositif que les transformateurs 4 et 5, le changeur de fréquence 3 et urne nouvelle résistance 6. Dans le dispositif représenté, les deux transformateurs sont chargés par la résistance 6. Les nombres de spires des bobines des transformateurs sont choisis de manière que, pour une charge donnée de la machine d'induction, les deux transformateurs débitent séparément dans la résistance 6 des courants de même phase et de même grandeur. En marche le changeur de fréquence est alors alimenté par un courant qui correspond à la différence de deux'courants, savoir un cou- rant constant du transformateur 4 et un courant variable dé- pendant de la charge principale transformateur 5).
Le réglage
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sur la résistance 6 permet d'accorder plus facilement les transformateurs pour donner des tensions de même grandeur et de sens opposé.
La fig. 4 représente un autre exemple d'exécution qui tient compte du cas où la tension du réseau est elle- même soumise à des fluctuations. Pour faire que la puissance de la machine d'induction soit constante, même lorsque la tension du réseau varie, on ae sert de régulateurs à action rapide 9, qui influencent la tension d'excitation fournie par le changeur de fréquence à l'enroulement d'excitation de l'excitatrice. Dans la fig. 4, les enroulements secondaires des deux transformateurs 4 et 5 sont biphasés et montés en V.
Suivant que la tension du réseau tombe ou augmente, une cer- taine quantité de résistance est automatiquement intercalée dans le circuit primaire du changeur de fréquence ou retirée de ce circuit. Pour le surplus le montage et le fonctionne- ment du dispositif restent les mêmes que précédemment.
Une variante de la forme d'exécution de la fig. 4 est représentée sur la fig. 5 dans laquelle on se sert comme source de tension constante, au lieu du transformateur 4, d'une génératrice synchrone 7, actionné par le moteur syn- chrone 8, lorsque la fréquence du réseau varie on peut, dans ce cas, régler la tension constante au moyen d'un régulateur rapide 9 agissant sur l'excitation de la génératrice.
Ainsi que l'on s'en rend compte, les dispositions décrites font que les fluctuations de la fréquence du réseau n'ont pas d'influence sur la puissance transmise par le moteur générateur travaillant comme transformateur de fréquence et que ladite puissance se maintient automatiquement constante.
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