Installation génératrice de courant alternatif de fréquence constante, comprenant un alternateur susceptible d'être entraîné à différentes vitesses. Dans la technique, il est souvent désira ble de disposer d'un alternateur susceptible d'être entraîné à différentes vitesses, mais dé livrant cependant un courant de fréquence constante. C'est ainsi que dans certaines ins tallations hydroélectriques, la. hauteur de la chute agissant sur les turbines varie parfois dans de grandes proportions.
Pour une vitesse de rotation donnée, une turbine ne peut. fonctionner avec un rende ment satisfaisant. que pour une chute sensi blement constante et bien définie. Lorsque la chute subit- des variations importantes par rapport à la chute prévue, le rendement de la turbine baisse rapidement, la cavitation peut apparaître et pour des variations trop importantes de la chute, la réalisation de la turbine devient impossible pour des raisons < l'ordre physique.
Pour remédier à cet inconvénient, on a proposé de construire une turbine à vitesse constante, susceptible d'être équipée de deux ou trois roues, chacune de ces roues étang calculée pour un domaine de chute bien dé fini.
On peut cependant obtenir un rendement satisfaisant de la turbine en faisant varier sa vitesse de rotation en fonction de la hauteur < le chute. En prévoyant plusieurs alternateurs de vitesses différentes, susceptibles d'être en traînés à choix par la turbine, on aurait pour cette dernière autant de vitesses de rotation différentes, permettant donc d'obtenir un bon rendement pour autant de domaines de la variation totale de la chute. On pourrait aussi remplacer les alternateurs par un seul alternateur capable de tourner à des vitesses synchrones différentes.
Ces diverses possibilités nécessitent un appareillage électrique ou hydraulique com pliqué et coûteux, et., de plus, on ne prévoit que deux ou éventuellement. trois régimes<B>de</B> fonctionnement optimum pour toute la gamme des chutes possibles. En outre, les opérations nécessaires au changement du régime de fonc tionnement provoquent nécessairement un arrêt plus ou moins prolongé de l'installation.
Le but de la présente invention est d'as surer une meilleure utilisation des forces hy drauliques en permettant de faire tourner la turbine à sa vitesse de rendement maximum pour autant de régimes que l'on veut de la gamme des chutes possibles.
L'invention a pour objet une installation génératrice de courant alternatif de fréquence constante comprenant un alternateur suscep tible d'être entraîné à différentes vitesses. Ce résultat est atteint par le fait que l'induc teur de l'alternateur comprend un enroule ment polyphasé destiné à être parcouru par des courants alternatifs déphasés, capable de produire un champ magnétique tournant pa rapport audit inducteur, une source de ten sion alternative de fréquence ajustable étant prévue pour alimenter ledit inducteur,
la fré- quenee de cette tension étant ajustée pour que la somme algébrique de la vitesse de rotation de l'alternateur et de la vitesse de rotation du champ tournant par rapport. à l'inducteur soit une constante.
Le dessin annexé, donné à titre d'exem ple, représente schématiquement deux formes d'exécution d'une installation objet de l'in- @ ention. La fig. 1 montre le schéma de la première forme d'exécution et la fig. 2, celui de la deuxième forme d'exécution.
Une turbine hydraulique 1, soumise à une chute variable, entraîne le rotor 3 d'un alter nateur 2. Ce dernier présente un induit 4 tri phasé qui est relié au réseau par les barres 5. Le rotor 3 est. muni d'un enroulement tri phasé, qui est alimenté par un générateur 6 d'excitation, entraîné par un moteur à cou dant continu 7. Ce moteur 7 est alimenté par une génératrice 8 à courant continu, qui est. entraînée par un moteur synchrone 9, dont l'alimentation est. prise sur les barres 5.
Un deuxième moteur asynchrone 10 est également alimenté à partir des barres 5 et entraîne une génératrice à courant continu 11, qui fournit le courant. d'excitation pôur le générateur d'exeitation 6, le moteur 7 et la génératrice 8. L'enroulement 12 d'excitation du générateur 6 est relié par une résistance 13 variable à la génératrice 11. Les enroulements d'excitation 14 et 1.5 du moteur 7 et respectivement de la génératrice 8 sont reliés par des résistances variables 7.6 et 17 à la même génératrice 11.
Le moteur 7 présente un enroulement com- pound 18 réglable, permettant de rendre sa vitesse de rotation sensiblement indépendante de la charge. En variant le compoundage de ce moteur, par exemple en shuntant plus ou moins l'enroulement compound et en va riant la tension d'alimentation du moteur 7 ou son excitation, on peut régler sa vitesse de rotation à la valeur désirée, cette vitesse étant pratiquement indépendante de la puissance fournie par ledit moteur.
En variante, on pourrait évidemment sup primer l'enroulement compound réglable et munir le moteur 7 d'un régulateur permet- tant, également de rendre sa vitesse de rota tion sensiblement indépendante de la charge.
Comme le rotor de l'alternateur 2 est. cons titué par un enroulement triphasé, le courant alternatif d'excitation va produire un champ magnétique tournant par rapport au rotor. Le champ d'excitation de l'alternateur tour rera donc à suie vitesse égale à la somme ou à la différence de la vitesse de rotation du champ magnétique par rapport au rotor et de la vitesse de rotation du rotor lui-même.
Pour fixer les idées, on peut dire qu'à la vitesse synchrone de 500 t/min. par exemple, l'alternateur est excité en courant continu et fonctionne comme une machine classique. fournissant une fréquence dite de rotation , par exemple de 50 périodes par seconde. Mais on peut aussi considérer qu'à l'arrêt, ce même alternateur soit excité par un courant alternatif de 50 p. p. s. et fonctionne comme un transformateur ordinaire fournissant alors une fréquence dite de transformation . , Pour toutes lés vitesses intermédiaires, la fréquence fournie, par exemple 50 p. p. s., se rait la somme des fréquences de rotation et de transformation .
Par analogie, on peut aussi parler de la puissance de rotation et de la puissance de transformation , la puissance totale aux bornes du stator étant. la. somme des deux pre mières. Ces puissances de rotation et de trans formation se répartissent en grandeur dans le rapport de leur fréquence.
En admettant par exemple que l'alterna teur fournisse 1000 kW en tournant à 400 t/min., la fréquence de rotation sera de 40 p. p. s. et celle de transformation sera de 10 p. p. s., la puissance de rotation sera de 800 kW et celle de transformation sera de 200 kW.
Il convient. de remarquer que l'on pourrait aussi faire tourner L'alternateur 2 au-dessus de sa vitesse synchrone, en faisant tourner le champ magnétique en sens contraire du rotor, la, vitesse angulaire du champ d'excitation étant alors égale à la différence de la vitesse du rotor et de la vitesse du champ magné tique. La source du courant alternatif d'excita tion à fréquence variable pourrait aussi être constituée par une machine à collecteur, dont l'excitation serait assurée par un courant, alternatif de fréquence correspondante.
Dans l'installation représentée à la fig. 1, on pourrait aussi supprimer le moteur 10 et la génératrice 11 et dériver le courant d'exci tation des machines 6 et 7 de la génératrice 8, qui serait alors à autoexcitation.
En variante, on pourrait aussi remplacer la --énératriee â et le moteur asynchrone 9 par un groupe redresseur.
La puissance nécessaire à l'alimentation du moteur 7 ne doit pas nécessairement être dérivée du réseau sur lequel débite l'alter nateur 2. Elle pourrait, par exemple, être fournie par une turbine auxiliaire, un groupe diesel ou, de faon générale, par une source indépendante quelconque.
On retrouve, dans l'installation représentée à la fig. ?, certaines parties de l'installation dv la fig. 1, soit la turbine 1, qui entraîne le rotor 3 de l'alternateur 2, dont l'induit 4 tri phasé est relié au réseau par les barres 5. Dans cette forme d'exécution, le générateur 6 d'excitation n'est phis entraîné par un mo teur à courant continu, mais par la turbine 1 liai, l'intermédiaire d'un dispositif 20 de transmission à rapport variable. L'enroule ment 12 d'excitation du générateur 6 est ali menté par une génératrice 11 à courant con tinu, entraînée par un moteur 1.0 relié au réseau.
Des interrupteurs 22 et. 23 permettent, d'une part, de brancher une batterie 21 en parallèle sur la génératrice 11 pour la char ger et, d'autre part., de déconnecter ladite génératrice 11 pour alimenter l'enroulement 12 d'excitation directement par la batterie 21, notamment. lors de la mise en marche de l'ins tallation lorsque cette dernière doit alimen ter un réseau indépendant.
La vitesse de rotation du générateur 6 est, réglée à l'aide du dispositif 20 pour obtenir la fréquence de transformation nécessaire. Dans cette forme d'exécution, la puissance dite de transformation est dérivée directe- nient de l'arbre de la turbine, tandis que dans l'installation de la fig. 1, elle était prise sur le réseau.
Le dispositif 20 de transmission à rapport variable peut avantageusement être consti tué par un convertisseur de couple hydrau lique. On pourrait alors prévoir, en outre, un régulateur très sensible permettant de fixer rigoureusement le rapport de transmis sion du convertisseur de couple.
Le dispositif pourrait aussi être constitué par des trains d'engrenages de rapports de transmission différents, enclenchables et dé- clenchables à volonté à l'aide d'embrayages, par exemple d'embrayages hydrauliques. On pourrait prévoir un dispositif de verrouillage pour supprimer le glissement qui a toujours lieu dans les embrayages hydrauliques.
Installation for generating alternating current of constant frequency, comprising an alternator capable of being driven at different speeds. In the art, it is often desirable to have an alternator capable of being driven at different speeds, but yet delivering a current of constant frequency. Thus, in certain hydroelectric installations, the. the height of the fall acting on the turbines sometimes varies greatly.
For a given speed of rotation, a turbine cannot. operate with satisfactory efficiency. than for a substantially constant and well-defined fall. When the drop undergoes large variations in relation to the expected drop, the efficiency of the turbine drops rapidly, cavitation can appear and for too large variations in the drop, the realization of the turbine becomes impossible for reasons <l ' physical order.
To remedy this drawback, it has been proposed to construct a constant speed turbine, capable of being fitted with two or three wheels, each of these pond wheels calculated for a well-defined drop range.
However, satisfactory performance of the turbine can be obtained by varying its speed of rotation as a function of the height <the drop. By providing several alternators of different speeds, capable of being dragged as desired by the turbine, there would be for the latter as many different rotational speeds, thus making it possible to obtain good efficiency for as many areas of the total variation of the turbine. fall. The alternators could also be replaced by a single alternator capable of rotating at different synchronous speeds.
These various possibilities require complicated and expensive electrical or hydraulic equipment, and, moreover, only two or possibly two are provided. three optimum operating speeds for the whole range of possible falls. In addition, the operations required to change the operating regime necessarily cause a more or less prolonged shutdown of the installation.
The object of the present invention is to ensure better use of the hydraulic forces by making it possible to rotate the turbine at its maximum efficiency speed for as many speeds as is desired from the range of possible drops.
The subject of the invention is an installation for generating alternating current of constant frequency comprising an alternator capable of being driven at different speeds. This result is achieved by the fact that the inductor of the alternator comprises a polyphase winding intended to be traversed by phase-shifted alternating currents, capable of producing a magnetic field rotating relative to said inductor, a source of alternating voltage of adjustable frequency being provided to power said inductor,
the frequency of this voltage being adjusted so that the algebraic sum of the speed of rotation of the alternator and of the speed of rotation of the relative rotating field. to the inductor is a constant.
The accompanying drawing, given by way of example, shows schematically two embodiments of an installation object of the invention. Fig. 1 shows the diagram of the first embodiment and FIG. 2, that of the second embodiment.
A hydraulic turbine 1, subjected to a variable drop, drives the rotor 3 of an alternator 2. The latter has a three-phase armature 4 which is connected to the network by the bars 5. The rotor 3 is. provided with a three-phase winding, which is powered by an excitation generator 6, driven by a DC motor 7. This motor 7 is powered by a DC generator 8, which is. driven by a synchronous motor 9, whose power supply is. grip on bars 5.
A second asynchronous motor 10 is also supplied from the bars 5 and drives a direct current generator 11, which supplies the current. excitation for the excitation generator 6, the motor 7 and the generator 8. The excitation winding 12 of the generator 6 is connected by a variable resistor 13 to the generator 11. The excitation windings 14 and 1.5 of the motor 7 and respectively of the generator 8 are connected by variable resistors 7.6 and 17 to the same generator 11.
The motor 7 has an adjustable compound winding 18, making it possible to make its speed of rotation substantially independent of the load. By varying the compounding of this motor, for example by shunting the compound winding more or less and by varying the supply voltage of the motor 7 or its excitation, its speed of rotation can be adjusted to the desired value, this speed being practically independent of the power supplied by said motor.
As a variant, it would obviously be possible to eliminate the adjustable compound winding and provide the motor 7 with a regulator which also makes it possible to make its speed of rotation substantially independent of the load.
As the rotor of the alternator 2 is. consisting of a three-phase winding, the excitation alternating current will produce a magnetic field rotating relative to the rotor. The excitation field of the alternator will therefore turn at a speed equal to the sum or the difference between the speed of rotation of the magnetic field relative to the rotor and the speed of rotation of the rotor itself.
To fix ideas, we can say that at the synchronous speed of 500 rpm. for example, the alternator is energized with direct current and operates like a conventional machine. providing a so-called rotation frequency, for example 50 periods per second. But we can also consider that when stopped, this same alternator is excited by an alternating current of 50 p. p. s. and operates like an ordinary transformer then providing a so-called transformation frequency. , For all intermediate speeds, the frequency supplied, for example 50 p. p. s., would be the sum of the rotation and transformation frequencies.
By analogy, we can also speak of the rotational power and the transformation power, the total power at the terminals of the stator being. the. sum of the first two. These powers of rotation and transformation are distributed in magnitude in the ratio of their frequency.
Assuming, for example, that the alternator supplies 1000 kW while rotating at 400 rpm, the rotation frequency will be 40 p. p. s. and that of transformation will be 10%. p. s., the rotation power will be 800 kW and the transformation power will be 200 kW.
It suits. to notice that one could also make the alternator 2 turn above its synchronous speed, by making the magnetic field rotate in the opposite direction of the rotor, the angular speed of the excitation field then being equal to the difference of the speed of the rotor and the speed of the magnetic field. The source of the alternating current for excitation at variable frequency could also be constituted by a collector machine, the excitation of which would be provided by an alternating current of corresponding frequency.
In the installation shown in fig. 1, it would also be possible to eliminate the motor 10 and the generator 11 and derive the excitation current of the machines 6 and 7 from the generator 8, which would then be self-excited.
As a variant, one could also replace the --enerator and the asynchronous motor 9 by a rectifier group.
The power required to supply the engine 7 does not necessarily have to be derived from the network on which the generator 2 delivers. It could, for example, be supplied by an auxiliary turbine, a diesel group or, in general, by any independent source.
In the installation shown in FIG. ?, some parts of the installation in fig. 1, or the turbine 1, which drives the rotor 3 of the alternator 2, the three-phase armature 4 of which is connected to the network by the bars 5. In this embodiment, the excitation generator 6 is not phis driven by a direct current motor, but by the turbine 11ai, through a variable-ratio transmission device 20. The generator 6 excitation winding 12 is supplied by a direct current generator 11, driven by a 1.0 motor connected to the network.
Switches 22 and. 23 make it possible, on the one hand, to connect a battery 21 in parallel to the generator 11 in order to charge it and, on the other hand, to disconnect said generator 11 to supply the excitation winding 12 directly by the battery 21 , especially. when the installation is put into operation when it must supply an independent network.
The speed of rotation of the generator 6 is adjusted using the device 20 to obtain the necessary transformation frequency. In this embodiment, the so-called transformation power is derived directly from the shaft of the turbine, while in the installation of FIG. 1, it was caught on the network.
The variable-ratio transmission device 20 can advantageously be constituted by a hydraulic torque converter. It would then be possible to provide, in addition, a very sensitive regulator making it possible to rigorously fix the transmission ratio of the torque converter.
The device could also consist of gear trains with different transmission ratios, which can be engaged and disengaged at will using clutches, for example hydraulic clutches. A locking device could be provided to eliminate the slippage which always takes place in hydraulic clutches.