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Appareil indicateur de déphasages.
La présente invention concerne les appareils indica- teurs de déphasages entre des quantités électriques en courant alternatif et peut être utilisée, par exemple, pour indiquer l'angle de phase d'une charge électrique. Elle peut cependant s'appliquer à d'autres dispositifs dans lesquels on désire indi- quer le déphasage de deux quantités électriques, par exemple deux tensions alternatives de la même fréquence.
La présente invention a pour but de procurer un appa- reil indicateur de déphasages entre deux quantités électriques, de grande précision et répondant rapidement aux variations du déphasage entre les deux quantités. L'invention a aussi pour but de procurer un appareil de ce genre, qui peut transmettre l'indication en un ou plusieurs points éloignés, sans devoir transmettre, en chacun de ces points éloignés, les quantités électriques considérées mêmes.
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Suivant un aspect de la présente invention, l'appareil indicateur de déphasages entre deux quantités électriques en courant alternatif comprend un discriminateur de phases, des chemins par ou appliquer chacune de ces quantités au discrimi- nateur de phases, un de ces chemins comprenant un déphaseur ré- glable, un moyen actionné en fonction de la réponse du discri- minateur de phases pour régler le déphaseur de manière à obte- nir une réponse déterninée du discriminateur et un moyen pour indiquer le réglage du déphaseur et, par le fait même, le dé- phasage mesuré.
Afin d'éviter des indications fausses, il est bon, si les quantités électriques contiennent des harmoniques, d'inclure un filtre dans au moins un des chemins par où les quantités électriques sont appliquées au discriminateur de phases, de manière à empêcher l'application d'harmoniques indésirables au discriminateur de phases.
Suivant un autre aspect de l'invention, l'appareil indicateur des déphasages entre une tension et un courant alter- natifs dans un circuit, : comprend un discriminateur de phases, des chemins par où appliquer les quantités électriques dépendant des phases de la tension et du courant séparément au discrimina- teur de phases, un de ces chemins comprenant un déphaseur ré- gable, un moyen actionné en réponse au discriminateur de phases pour régler le déphaseur de manière à obtenir du discriminateur une réponse déterminée, et un moyen pour indiquer le réglage du déphaseur.
Suivant un autre aspect encore de l'invention, l'ap- pareil indicateur de déphasages entre tension et courant d'un circuit polyphasé, comprend un discriminateur de phases, un chemin par où appliquer, au discriminateur de phases, une quan- tité électrique dépendante, en phase, du déphasage du courant dans une phase du circuit polyphasé, un second chemin par où appliquer, au discriminateur de phases, une seconde quantité électrique dérivée des tensions polyphasées à travers un dépha- seur réglable, un moyen actionné en réponse au discriminateur de @
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phases, pour régler le déphaseur de manière à obtenir une réponse déterminée du discriminateur, et un moyen pour indiquer le ré- gle,ge du déphaseur.
Le discriminateur de phases peut donner soit une sortie zéro soit deux tensions de sortie égales, quand les deux quanti- tés incidentes sont à 90 . Un discriminateur de ce genre peut contenir un moyen pour dériver deux tensions ou courants égaux et opposés d'une des quantités électriques incidentes et un moyen pour comparer les tensions ou courants résultants obtenus en combinant chacun de ces voltages ou courants égaux avec un autre voltage ou courant dérivé de l'autre quantité incidente électrique. Dans un arrangement de ce genre, quand cet autre voltage ou courant est déphasé de 90 par rapport aux deux voltages ou courants égaux et opposés, les deux voltages ou courants résultants sont égaux et la sortie du discriminateur de phases, obtenue en comparant les amplitudes de ces deux résultantes, est nulle.
Le discriminateur de phases peut comprendre un trans- formateur avec un enroulement à prise médiane, dont chaque moitié alimente un redresseur. Une des quantités électriques inci- dentes est appliquée au transformateur, de manière que des ten- sions égales et opposées soient appliquées aux deux redresseurs.
Une tension dérivée de l'autre quantité électrique incidente, qui peut d'ailleurs être aussi un courant, est appliquée à la prise médiane du transformateur, de façon que chaque redresseur reçoive la résultante obtenue par la combinaison d'une des ten- sions égales et opposées avec l'autre tension dérivée de la se- conde quantité électrique incidente. Quand cette dernière est déphasée de 90 par rapport à la première quantité électrique incidente, les sorties redressées venant des redresseurs sont égales en amplitude, et aucune tension n'est produite dans un circuit connecté entre les sorties des deux redresseurs.
Si, au contraire, la seconde quantité électrique incidente n'est pas en
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quadrature avec la première quantité électrique incidente, les tensions de sortie ne sont plus équilibrées et des voltages différents sont obtenus dans les circuits de sortie des redres- seurs. La différence entre les tensions de sortie est utilisée pour influencer le déphaseur de manière que celui-ci introduise un déphasage dans le chemin par où une des quantités électriques incidentes est appliquée au discriminateur, déphasage d'un sens tel que les deux tensions de sortie des redresseurs s'égalisent.
Si on le désire, des dispositifs d'amplification ou d'isolement, comme, par exemple, des lampes à cathodes asservies, peuvent être intercalés entre les sorties des redresseurs et le dispositif influençant le déphaseur réglable. Ce dernier peut être influencé par un signal électrique ou, dans une forme d' exécution préférée de la présente invention, les sorties des redresseurs sont appli- quées, si on le désire à travers des dispositifs d'amplification ou d'isolement, à un moteur électrique pouvant modifier mécanique- ment le réglage du déphaseur réglable.
Si une des quantités électriques incidentes ou les deux peuvent subir de grandes variations d'amplitude, il peut être indiqué d'inclure, dans le chemin par où cette quantité est appli- quée, un moyen pour limiter ou réduire d'une autre manière les variations d'amplitude de l'entrée ou des entrées du discrimina- teur de phases.
Comme il a été dit, il est bon d'introduire un filtre dans un ou dans chacun des chemins d'entrée, pour éviter l'appli- cation, au discriminateur de phases, de tensions harmoniques éventuellement présentes dans les quantités électriques inci- dentes.
Quand une des quantités électriques incidentes est une tension dérivée d'un réseau électrique polyphasé, le déphaseur réglable peut prendre la forme d'un circuit à résistances alimenté par les phases du réseau et pourvu d'un curseur qui peut par- courir tout le circuit pour obtenir le déphasage voulu. Appliqué
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à un réseau électrique triphasé, le déphaseur réglable peut prendre la forme d'un circuit résistif de forme circulaire ou approximativement circulaire alimenté en six points également espacés par six phases de tension dérivées du réseau triphasé et pourvu d'un curseur pouvant balayer le circuit résistif de manière à prélever une tension ayant le déphasage voulu.
Deux formes d'exécution de l'invention servant à indi- quer le déphasage entre tension et courant dans un réseau tri- phasé équilibré seront maintenant décrites à titre d'exemple avec référence aux dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 est un schéma de circuit d'une forme d'ap- pareil utilisant des lampes à cathodes asservies comme dispositifs d'isolement.
La figure 2 et la figure 3 sont des diagrammes vectoriels de tensions en certains points du circuit de la figure 1. La figure 2 est un diagramme vectoriel donnant les tensions quand le discriminateur est équilibré et la figure 3 est un diagramme montrant les tensions quand le discriminateur est déséquilibré.
La figure 4 est un schéma de circuit d'une variante utilisant des amplificateurs magnétiques.
Le dispositif représenté à la figure 1 est destiné à indiquer le déphasage entre la tension et le courant dans un ré- seau électrique triphasé avec une charge équilibrée. L'enroule- ment primaire d'un transformateur de courant 10 est mis dans une phase 11 d'un réseau électrique triphasé à trois phases 11, 12, 13. Une résistance de charge 14 est mise aux bornes de l'enroulement secondaire du transformateur et une des quantités électriques incidentes est prise à un diviseur de tension con- sistant en une résistance 15 en série avec une résistance 16 et une résistance non linéaire 17.
Le rôle de cette dernière est de réduire les variations de tension entre le point de jonction des résistances 15 et 16 et le point de jonction de la résis- tance 14 et de la résistance non linéaire 17 dues aux variations
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de courant dans la phase 11. Le point de jonction des résis- tances 15 et 16 est relié, par un filtre 18, à la grille de com- mande d'une lampe 20 à cathode asservie. Le filtre 18 sert à empêcher l'appareil de donner des fausses indications dues aux harmoniques du courant alternatif du réseau.
L'anode de la lampe 20 est connectée à la borne positive 21 d'une alimentation haute tension, dont la borne négative 22 est reliée, à travers l'enrou- lement primaire d'un transformateur 23, à la cathode de la lampe 20 et au point de jonction de la résistance 14, de la résistance non linéaire 17 et d'une extrémité de l'enroulement secondaire du transformateur de courant 10. 'En fait, la lampe 20 isole le transformateur de courant 10 de la charge connectée au trans- formateur 23. L'enroulement secondaire du transformateur 23 a une prise médiane 24, de sorte que les deux moitiés délivrent des tensions égales et opposées. Le système doit être étudié de façon que la variation du déphasage entre le courant de l'en- roulement primaire du transformateur 10 et les tensi ons égales et opposées soit négligeable.
La seconde quantité électrique incidente appliquée au discriminateur de phases, est tirée des tensions triphasées du réseau à courant alternatif aux trois phases 11, 12, 13, par l'intermédiaire d'un transformateur 30 représenté, à titre d'exemple, avec des enroulements primaires connectés en triangle aux phases 11, 12, 13 et des enroulements secondaires hexaphasés connectés en étoile. Le point neutre 31 des enroulements secondaires est relié à la,-Prise médiane 24 de l'enroulement secondaire du transformateur 23.
Les extrémités des enroulements secondaires en étoile du transformateur 30 sont connectées à six points également espacés autour d'un circuit résistif circulaire ou de forme générale circulaire 32, de ma- nière à obtenir un vecteur de tension rotatif d'un curseur 33 pouvant balayer le circuit circulaire 32. En déplaçant le curseur 33, le déphasage entre la tension comprise entre le curseur 33 et le point neutre 31 et les tensions des phases @
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11, 12, 13, peut être varié. Le curseur 33 est connecté à la bprne négative 22 de l'alimentation haute tension, de sorte que la tension prélevée par le curseur est appliquée entre le point de prise médiane 24 de l'enroulement secondaire du transforma- teur 23 et la borne négative 22 de l'alimentation haute tension.
Les extrémités de l'enroulement secondaire du trans- formateur 23 sont connectées, par des redresseurs 34 et 35 et un circuit de filtrage composé des résistances 36, 37, 38, 39, 40, 41 et des condensateurs 42 et 43, aux grilles de commande de deux autres lampes 44et 45 à cathodes asservies. Les anodes des lam- pes 44 et 45 sont reliées à la borne positive 21 de la source haute tension, et leurs cathodes sont reliées, par des résis- tances de même valeur 46 et 47, à la borne négative 22 de la source haute tension.
Les cathodes des lampes 44 et 45 sont reliées aux bornes d'un moteur électrique à courant continu sensible 48 dont l'arbre est mécaniquement accouplé, comme indiqué en 49, à l'axe portant le curseur 33. Il faut remar- quer que le circuit de filtrage comprenant les résistances 36, 38 et 40 et le condensateur 42 est semblable à celui com- portant les résistances 37, 39 et 41 et le condensateur 43.
S'il faut transmettre à distance le réglage du curseur 33, un dispositif 50 pour produire et transmettre un signal approprié, comme un signal électrique, dépendant de la position du curseur 33, peut être couplé à la connexion 49 entre l'arbre du moteur 48 et le curseur 33.
Le fonctionnement de l'appareil ressort clairement des figures 2 et 3, où les vecteurs OA et OB représentent les ten- sions égales et opposées entre la prise médiane 24 et les extré- mités des enroulements secondaires du transformateur 23. Le vecteur OC représente la tension entre le point neutre 31 et le curseur 33. Les vecteurs CA et CB représentent les tensions appliquées respectivement aux redresseurs 34 et 35. Quand le vecteur OC est en quadrature avec les vecteurs OA et OB, les @
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tensions appliquées aux grilles de commande des lampes 44 et 45 et donc les tensions apparaissant aux bornes des résistances de charge de cathode 46 et 47, sont égales.
Aucune tension n'est appliquée au moteur 48. Si au contraire, comme le montre la fi- gure 3, le vecteur de tension OC' n'est pas en quadrature avec les vecteurs de tension OA' et OB', les vecteurs de tension ré- sultants C'A' et C'B' sont inégaux et des tensions différentes sont appliquées aux deux redresseurs 34 et 35 et aux grilles des lampes 44 et 45, de sorte que les tensions apparaissant aux bornes des résistances de charge de cathode 46 et 47 sont inégales. Il s'en suit qu'une tension est appliquée au moteur 48, qui a ten- dance à le faire tourner dans un sens tel que le vecteur OC' soit ramené en quadrature avec les vecteurs de tension OA' et OB'.
Le déplacement du curseur 33 peut être réglé de façon à entraîner un changement approprié dans le signal transmis par le dispositif 50.
Dans la forme d'exécution ci-dessus, il est souhaitable que les entrées électriques au discriminateur de phases soient maintenues sensiblement constantes et approximativement du même ordre pour éviter des variations excessives dans la sensibilité de l'appareil. Comme la tension, dans un réseau triphasé normal, est constante dans des limites de variation d'environ 10%, il sera habituellement inutile d'utiliser des dispositifs limiteurs ou égaliseurs pour des quantités électriques incidentes déri- vées de la tension du réseau, mais, comme le montre la figure 1, il faudra prévoir des dispositifs limiteurs ou égaliseurs, comme par exemple le dispositif comprenant la résistance non linéaire 17, pour maintenir, dans des limites par exemple de plus ou moins la%,
l'entrée au discriminateur de phases dé- rivée du courant circulant dans le circuit de charge.
Dans la forme d'exécution variante représentée à la figure 4, l' enroulement primaire d'un transformateur de courant 10 est placé dans la phase 11 d'un réseau triphasé, et son en-
A
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roulement secondaire est shunté)par une résistance 60 reliée en série avec une résistance nonlinéaire 61, servant à,maintenir une tension sensiblement constante aux bornes de l'enroulement secondaire du transformateur de courant, dans une gamme de cou- rants considérablement étendue. L'enroulement secondaire du transformateur de courant 10 est aussi connecté à l'enroulement primaire d'un transformateur 62 dont le secondaire a une prise médiane 63.
Les extrémités de l'enroulement secondaire du trans- formateur 62 sont reliées chacune à une borne à courant alternatif des redresseurs en pont 64 et 65 reliés entre eux et dont le point de jonction est connecté au curseur 33 d'un potentiomètre 32 à circuit circulaire ou de forme générale circulaire. L'alimenta- tion du potentiomètre 32 en six points également espacés sur son pourtour par du courant alternatif hexaphasé est la même qu'à la figure 1, l'alimentation hexaphasée étant tirée des phases 11, 12 et 13 par l'intermédiaire d'un transformateur 30 à enroule- ments primaires triphasés et enroulements secondaires hexaphasés.
Le point neutre 31 des enroulements secondaires est connecté à la prise médiane 63 du secondaire du transformateur 62. La tension appliquée aux bornes à courant alternatif du redresseur 64 est égale à la somme vectorielle des tensions aux bornes de la moitié supérieure du secondaire du transformateur 62 et de la tension entre le point neutre 31 et le curseur 33. Demême, la tension appliquée aux bornes à courant alternatif du redresseur 65 est égale à la somme vectorielle des tensions aux bornes de la moitié inférieure du secondaire du transformateur 62 et de la tension entre le point neutre 31 et le curseur 33.
Les sorties en courant continu, aux bornes continues des redresseurs en pont 64 et 65, sont filtrées par des condensateurs respectifs 66 et 67 et appliquées à deux groupes d'enroulements de commande de quatre amplificateurs magnétiques 71, 72, 73 et 74, les enroulements de commande 71a, 72a, 73a et 74a étant connectés au redresseur 64 et agissant en opposition avec les enroulements de commande 71b, A
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72b, 73b et 74b connectés à l'autre redresseur 65.
Chaque ampli- ficateur a un enroulement à courant alternatif dont l'impédance est réglée par les enroulements de commande associés. L'enroulemen' à courant alternatif 71c de l'amplificateur magnétique 71 est con- necté entre une extrémité d'un enroulement secondaire 75 d'un transformateur 76, dont l'enroulement primaire reçoit du cou- rant alternatif d'une source 77. L'enroulement à courant al- ternatif 72c du second amplificateur magnétique 72 a une extré- mité connectée à l'autre extrémité de l'enroulement secondaire 75. Les extrémités des enroulements à courant alternatif 71c et 72c non connectées à l'enroulement secondaire 75 sont con- nectées aux bornes à courant alternatif d'un redresseur en pont 79, dont les bornes continues sont reliées à une résistance de charge 80.
Les enroulements à courant alternatif 73c et 74c des amplificateurs magnétiques 73 et 74 sont connectés de même à un autre enroulement secondaire 81 du transformateur 76, sem- blable à l'enroulement 75. Les extrémités des enroulements à courant alternatif 73c et 74c non connectées à l'enroulement secondaire 81 sont connectées aux bornes à courant alternatif d'un redresseur en pont 82 dont les bornes continues sont reliées à une résistance de charge 83. Un moteur électrique à courant continu sensible 48 est connecté aux bornes des résistances de charge 80 et 83 reliées en série. L'arbre du moteur 48 est couplé, comme indiqué en 49, au curseur 33 du potentiomètre 32.
Le fonctionnement du circuit de la figure 4 est généra- lement semblable à celui de la figure 1. Quand la tension déri- vée du curseur 33 du potentiomètre 32 est en quadrature avec la tension dérivée du courant et obtenue de l'enroulement secon- daire du transformateur 62, les sorties en courant continu des redresseurs en pont 64 et 65 sont égales de sorte que lesenroule- ments de commande 71a, 72a, 73a et 74a équilibrent en substance les enroulements de commande 71b, 72h, 73b et 74b respectivement et les impédances des enroulements à courant alternatif 71c, 72c,
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73c et 74c sont toutes égales.
Dans ces conditions, les tensions de sortie des redresseurs en pont 79 et 82 sont égales et oppo- sées, et aucune tension n'est appliquée au moteur 48. Si, au con- traire, la tension dérivée du curseur 33 n'est pas en)quadrature @ avec la tension dérivée du courant, les tensions de sortie des redresseurs en pont 64 et 65 sont inégales d sorte que des enroulements de commande, comme 71a et 71b, ne s'équilibrent pas et, par conséquent, les tensions de sortie des redresseurs en pont 79 et 82 sont inégales. Dans ces conditions, le moteur 48 tend à tourner de façon à ramener le curseur 33 du potentio- mètre 32 dans la position où la tension dérivée du curseur 33 est en quadrature avec la tension dérivée du courant.
Des engrenages peuvent être prévus dans le couplage entre le moteur électrique 48 et le curseur 33 du déphaseur. Avec des dispositifs comme décrits ci-dessus, il y aura en fait deux positions de déphasage dans lesquelles la tension appliquée au moteur 48 est nulle, l'une constituant la position correcte du déphaseur, et l'autre une position instable déphasée, par rapport à la vraie, d'envi- ron 180 degrés électriques. L'expérience montre que, si l'ap- pareil est sensible, il prendra en pratique toujours la position correcte, puisque tout déplacement d'une position incorrecte fera tourner le moteur électrique 48 de façon à amener le curseur du déphaseur dans sa position correcte, mouvement aidé par les constantes de temps du circuit.
Le curseur 33 du déphaseur peut porter une flèche qui se déplace devant une échelle étalonnée et indique le déphasage entre la tension et le courant. Si le déphaseur a un circuit à résistances circulaire uniforme, l'échelle peut être graduée de façon non uniforme pour tenir compte de ce qu'en certaines positions la position angulaire du curseur n'indique pas exacte- ment le déphasage. Ou bien, un dispositif mécanique peut être prévu pour compenser les erreurs entre la position angulaire de la flèche et le déphasage réel, de manière à avoir une échelle
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uniforme. On peut utiliser, par exemple, le mécanisme décrit dans le brevet anglais N 632.007.
Une autre variante consiste à donner au circuit une résistance non uniformément répartie de façon que la position angulaire de la flèche indique exactement le déphasage.
Une variante pour tirer des tensions hexaphasées d'un réseau triphasé, consiste à obtenir ces tensions hexaphsées d'une génératrice spéciale commandée à partir du réseau alternatif et conçue de façon à produire des tensions de sortie hexaphasées sinusoïdales symétriques alimentant un déphaseur comme déjà dé- crit. Si on adopte cette solution, il est bon que la charge appliquée à la génératrice spéciale soit sensiblement constante, de façon à éviter des erreurs dues aux déphasages des tensions produites par la génératrice spéciale, par rapport aux tensions du réseau.
Si, on ne dispose que d'une source de courant alternatif monophasé, des tensions hexaphasées à appliquer à un déphaseur du type décrit peuvent être dérivées en obtenant de la source mono- phasée deux tensions égales déphasées de 90 qu'on applique à un autre transformateur de phases pour obtenir les tensions hexa- phasées. Par exemple, deux tensions déphasées entre elles de 90 peuvent être tirées d'une source monophasée, en connectant, aux bornes de la source, l'enroulement primaire d'un transformateur à enroulement secondaire à prise médiane et en connectant aux extrémités du secondaire deux combinaisons séparées de condensa- teurs et de résistances connectées en série.
En choisissant bien les valeurs des résistances et capacités dans chaque combi- naison,on peut obtenir, entre,la prise médiane du secondaire et le point de jonction de la résistance et du condensateur d'une combinaison, une tension déphasée de 90 par rapport à la tension entre cette prise médiane et le point de jonction de la résis- tance et ducondensateur de l'autre combinaison. Si les tensions obtenues des combinaisons de résistances et de condensateurs sont
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déphasées par rapport à la tension du réseau d'environ 45 et 1350 respectivement, la condition de quadrature sera respectée avec très grande précision malgré de petites variations de fré- quence en fonctionnement, alors que le déphasage par rapport au réseau monophasé variera.
Commela solution envisagée ci-dessus pour obtenir deux tensions en quadrature d'un réseau monophasé provoque un déphasage de chacune de ces tensions par rapport au réseau, il peut être intéressant d'inclure un circuit de dépha- sage semblable dans le chemin par où l'autre quantité électrique incidente est appliquée au discriminateur de phases.
Une autre variante consiste à utiliser un multiplicateur de phases comme décrit dans le Brevet anglais N 642.855.
REVENDICATIONS
1.- Appareil indicateur de déphasages entre deux quantités électriques en courant alternatif comprenant un.dis- criminateur de phases, des chemins par où appliquer chacunede ces quantités au discriminateur de phases, un de ces chemins comprenant un déphaseur réglable, un moyen actionné en fonction de la réponse du discriminateur de phases pour régler le dépha- seur de manière à obtenir une réponse déterminée du discrimina- teur et un moyen pour indiquer le réglage du déphaseur et, par le fait même, le dit déphasage.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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Phase shift indicator device.
The present invention relates to apparatus for indicating phase shifts between electrical quantities in alternating current and can be used, for example, to indicate the phase angle of an electrical load. It can however be applied to other devices in which it is desired to indicate the phase shift of two electrical quantities, for example two alternating voltages of the same frequency.
The object of the present invention is to provide a device for indicating phase shifts between two electrical quantities, with high precision and which responds rapidly to variations in the phase shift between the two quantities. Another object of the invention is to provide an apparatus of this type, which can transmit the indication to one or more distant points, without having to transmit, at each of these distant points, the electrical quantities considered themselves.
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According to one aspect of the present invention, the apparatus indicating phase shifts between two electrical quantities in alternating current comprises a phase discriminator, paths by or applying each of these quantities to the phase discriminator, one of these paths comprising a phase shifter. adjustable, means operated in accordance with the response of the phase discriminator to adjust the phase shifter to obtain a determined response from the discriminator and means for indicating the adjustment of the phase shifter and thereby the phase shifter. measured phase shift.
In order to avoid false indications, it is good, if the electric quantities contain harmonics, to include a filter in at least one of the paths by which the electric quantities are applied to the phase discriminator, so as to prevent the application. unwanted harmonics at the phase discriminator.
According to another aspect of the invention, the apparatus indicating the phase shifts between an alternating voltage and an alternating current in a circuit,: comprises a phase discriminator, paths by which to apply the electrical quantities depending on the phases of the voltage and current separately to the phase discriminator, one of these paths comprising an adjustable phase shifter, means actuated in response to the phase discriminator to adjust the phase shifter so as to obtain from the discriminator a determined response, and means for indicating the phase shifter. phase shifter adjustment.
According to yet another aspect of the invention, the apparatus indicating phase shifts between voltage and current of a polyphase circuit, comprises a phase discriminator, a path through which to apply, to the phase discriminator, an electrical quantity. dependent, in phase, on the phase shift of the current in a phase of the polyphase circuit, a second path by which to apply, to the phase discriminator, a second electrical quantity derived from the polyphase voltages through an adjustable phase shifter, a means actuated in response to the discriminator of @
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phases, to adjust the phase shifter so as to obtain a determined response from the discriminator, and a means for indicating the adjustment of the phase shifter.
The phase discriminator can give either zero output or two equal output voltages, when both incident quantities are 90. Such a discriminator may contain a means for deriving two equal and opposite voltages or currents from one of the incident electrical quantities and a means for comparing the resulting voltages or currents obtained by combining each of these equal voltages or currents with another voltage or current derived from the other electrical incident quantity. In such an arrangement, when that other voltage or current is 90 out of phase with the two equal and opposite voltages or currents, the two resulting voltages or currents are equal and the output of the phase discriminator, obtained by comparing the amplitudes of these two resultants, is zero.
The phase discriminator may include a transformer with a mid-tap winding, each half of which feeds a rectifier. One of the incident electrical quantities is applied to the transformer, so that equal and opposite voltages are applied to both rectifiers.
A voltage derived from the other incident electric quantity, which can moreover also be a current, is applied to the center tap of the transformer, so that each rectifier receives the resultant obtained by the combination of one of the equal voltages and opposite with the other voltage derived from the second incident electrical quantity. When the latter is 90 out of phase with the first incident electrical quantity, the rectified outputs from the rectifiers are equal in amplitude, and no voltage is produced in a circuit connected between the outputs of the two rectifiers.
If, on the contrary, the second incident electric quantity is not in
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quadrature with the first incident electric quantity, the output voltages are no longer balanced and different voltages are obtained in the output circuits of the rectifiers. The difference between the output voltages is used to influence the phase shifter so that the latter introduces a phase shift in the path through which one of the incident electrical quantities is applied to the discriminator, phase shift in one direction such that the two output voltages of the rectifiers equalize.
If desired, amplification or isolation devices, such as, for example, slave cathode lamps, can be interposed between the outputs of the rectifiers and the device influencing the adjustable phase shifter. The latter can be influenced by an electrical signal or, in a preferred embodiment of the present invention, the outputs of the rectifiers are applied, if desired through amplifying or isolating devices, to a device. electric motor capable of mechanically modifying the setting of the adjustable phase shifter.
If one or both of the incident electric quantities can undergo large variations in amplitude, it may be advisable to include, in the path by which this quantity is applied, a means for limiting or otherwise reducing the quantities. variations in amplitude of the input or inputs of the phase discriminator.
As has been said, it is good to introduce a filter in one or each of the input paths, to avoid the application, to the phase discriminator, of harmonic voltages possibly present in the incident electrical quantities. .
When one of the incident electrical quantities is a voltage derived from a polyphase electrical network, the adjustable phase shifter can take the form of a resistance circuit supplied by the phases of the network and provided with a cursor which can run through the entire circuit. to obtain the desired phase shift. Applied
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in a three-phase electrical network, the adjustable phase shifter can take the form of a resistive circuit of circular or approximately circular shape supplied at six points equally spaced by six voltage phases derived from the three-phase network and provided with a cursor which can sweep the resistive circuit so as to take a voltage having the desired phase shift.
Two embodiments of the invention serving to indicate the phase shift between voltage and current in a balanced three-phase network will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings, in which:
Figure 1 is a circuit diagram of one form of apparatus using slave cathode lamps as isolation devices.
Figure 2 and Figure 3 are vector diagrams of voltages at certain points of the circuit of Figure 1. Figure 2 is a vector diagram giving the voltages when the discriminator is balanced and Figure 3 is a diagram showing the voltages when the discriminator is unbalanced.
Figure 4 is a circuit diagram of an alternative using magnetic amplifiers.
The device shown in FIG. 1 is intended to indicate the phase shift between voltage and current in a three-phase electrical network with a balanced load. The primary winding of a current transformer 10 is placed in a phase 11 of a three-phase electrical network with three phases 11, 12, 13. A load resistor 14 is placed across the secondary winding of the transformer. and one of the incident electrical quantities is taken from a voltage divider consisting of a resistor 15 in series with a resistor 16 and a non-linear resistor 17.
The role of the latter is to reduce the voltage variations between the junction point of resistors 15 and 16 and the junction point of resistor 14 and nonlinear resistor 17 due to the variations.
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current in phase 11. The junction point of resistors 15 and 16 is connected, by a filter 18, to the control grid of a lamp 20 with a slave cathode. The filter 18 serves to prevent the apparatus from giving false indications due to the harmonics of the alternating current of the network.
The anode of the lamp 20 is connected to the positive terminal 21 of a high voltage power supply, the negative terminal 22 of which is connected, through the primary winding of a transformer 23, to the cathode of the lamp 20. and at the junction point of resistor 14, non-linear resistor 17, and one end of the secondary winding of current transformer 10. In fact, lamp 20 isolates current transformer 10 from the load connected to the current transformer. transformer 23. The secondary winding of transformer 23 has a center tap 24, so that the two halves deliver equal and opposite voltages. The system must be designed so that the variation of the phase shift between the current of the primary winding of the transformer 10 and the equal and opposite voltages is negligible.
The second incident electrical quantity applied to the phase discriminator, is drawn from the three-phase voltages of the AC network at the three phases 11, 12, 13, through a transformer 30 shown, by way of example, with windings primary connected in delta to phases 11, 12, 13 and hexaphase secondary windings connected in star. The neutral point 31 of the secondary windings is connected to the, -Middle tap 24 of the secondary winding of transformer 23.
The ends of the star-shaped secondary windings of transformer 30 are connected to six equally spaced points around a circular or generally circular resistive circuit 32, so as to obtain a rotary voltage vector of a cursor 33 capable of scanning the circuit. circular circuit 32. By moving the cursor 33, the phase shift between the voltage between the cursor 33 and the neutral point 31 and the phase voltages @
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11, 12, 13, can be varied. The cursor 33 is connected to the negative terminal 22 of the high voltage power supply, so that the voltage taken by the cursor is applied between the midpoint 24 of the secondary winding of the transformer 23 and the negative terminal 22 high voltage power supply.
The ends of the secondary winding of transformer 23 are connected, by rectifiers 34 and 35 and a filter circuit composed of resistors 36, 37, 38, 39, 40, 41 and capacitors 42 and 43, to the grids of control of two other lamps 44 and 45 with slave cathodes. The anodes of lamps 44 and 45 are connected to the positive terminal 21 of the high voltage source, and their cathodes are connected, by resistors of the same value 46 and 47, to the negative terminal 22 of the high voltage source. .
The cathodes of the lamps 44 and 45 are connected to the terminals of a sensitive direct current electric motor 48 whose shaft is mechanically coupled, as indicated at 49, to the axis carrying the cursor 33. It should be noted that the filter circuit comprising resistors 36, 38 and 40 and capacitor 42 is similar to that comprising resistors 37, 39 and 41 and capacitor 43.
If the setting of the slider 33 is to be remotely transmitted, a device 50 for producing and transmitting an appropriate signal, such as an electrical signal, depending on the position of the slider 33, can be coupled to the connection 49 between the motor shaft. 48 and cursor 33.
The operation of the apparatus is clear from Figures 2 and 3, where the vectors OA and OB represent the equal and opposite voltages between the center tap 24 and the ends of the secondary windings of the transformer 23. The vector OC represents the voltage. voltage between the neutral point 31 and the cursor 33. The vectors CA and CB represent the voltages applied respectively to the rectifiers 34 and 35. When the vector OC is in quadrature with the vectors OA and OB, the @
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voltages applied to the control gates of the lamps 44 and 45 and therefore the voltages appearing at the terminals of the cathode load resistors 46 and 47, are equal.
No voltage is applied to the motor 48. If on the contrary, as shown in Figure 3, the voltage vector OC 'is not in quadrature with the voltage vectors OA' and OB ', the voltage vectors C'A 'and C'B' are unequal and different voltages are applied to the two rectifiers 34 and 35 and to the gates of the lamps 44 and 45, so that the voltages appearing across the cathode load resistors 46 and 47 are unequal. As a result, a voltage is applied to the motor 48 which tends to rotate it in such a way that the vector OC 'is quadrature with the voltage vectors OA' and OB '.
The movement of the cursor 33 can be adjusted so as to cause an appropriate change in the signal transmitted by the device 50.
In the above embodiment, it is desirable that the electrical inputs to the phase discriminator be held substantially constant and approximately of the same order to avoid excessive variations in the sensitivity of the apparatus. As the voltage in a normal three-phase network is constant within variation limits of about 10%, it will usually be unnecessary to use limiting or equalizing devices for incident electrical quantities derived from the network voltage, but , as shown in Figure 1, it will be necessary to provide limiting or equalizing devices, such as for example the device comprising the non-linear resistance 17, to maintain, within limits for example plus or minus the%,
the input to the phase discriminator derived from the current flowing in the load circuit.
In the variant embodiment shown in Figure 4, the primary winding of a current transformer 10 is placed in phase 11 of a three-phase network, and its end.
AT
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secondary bearing is shunted) by a resistor 60 connected in series with a nonlinear resistor 61, serving to maintain a substantially constant voltage across the secondary winding of the current transformer, over a considerably extended range of currents. The secondary winding of current transformer 10 is also connected to the primary winding of a transformer 62, the secondary of which has a center tap 63.
The ends of the secondary winding of transformer 62 are each connected to an AC terminal of bridge rectifiers 64 and 65 interconnected and whose junction point is connected to slider 33 of a potentiometer 32 with circular circuit. or generally circular in shape. The power supply to the potentiometer 32 at six points equally spaced around its periphery by six-phase alternating current is the same as in FIG. 1, the six-phase power supply being drawn from phases 11, 12 and 13 by means of a transformer 30 with three-phase primary windings and six-phase secondary windings.
The neutral point 31 of the secondary windings is connected to the middle tap 63 of the secondary of the transformer 62. The voltage applied to the AC terminals of the rectifier 64 is equal to the vector sum of the voltages at the terminals of the upper half of the secondary of the transformer 62 and the voltage between the neutral point 31 and the cursor 33. Likewise, the voltage applied to the AC terminals of the rectifier 65 is equal to the vector sum of the voltages at the terminals of the lower half of the secondary of the transformer 62 and of the voltage between neutral point 31 and cursor 33.
The direct current outputs, at the direct terminals of the bridge rectifiers 64 and 65, are filtered by respective capacitors 66 and 67 and applied to two groups of control windings of four magnetic amplifiers 71, 72, 73 and 74, the windings 71a, 72a, 73a and 74a being connected to the rectifier 64 and acting in opposition to the control windings 71b, A
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72b, 73b and 74b connected to the other rectifier 65.
Each amplifier has an AC winding, the impedance of which is regulated by the associated control windings. The AC winding 71c of the magnetic amplifier 71 is connected between one end of a secondary winding 75 of a transformer 76, the primary winding of which receives ac current from a source 77. The AC winding 72c of the second magnetic amplifier 72 has one end connected to the other end of the secondary winding 75. The ends of the AC windings 71c and 72c not connected to the secondary winding 75 are connected to the AC terminals of a bridge rectifier 79, the DC terminals of which are connected to a load resistor 80.
The AC windings 73c and 74c of the magnetic amplifiers 73 and 74 are likewise connected to another secondary winding 81 of the transformer 76, similar to the winding 75. The ends of the AC windings 73c and 74c not connected to the secondary winding 81 are connected to the AC terminals of a bridge rectifier 82 whose DC terminals are connected to a load resistor 83. A sensitive DC electric motor 48 is connected to the terminals of the load resistors 80 and 83 connected in series. The motor shaft 48 is coupled, as indicated at 49, to the cursor 33 of the potentiometer 32.
The operation of the circuit of figure 4 is generally similar to that of figure 1. When the voltage derived from cursor 33 of potentiometer 32 is in quadrature with the voltage derived from current and obtained from the secondary winding of transformer 62, the DC outputs of bridge rectifiers 64 and 65 are equal so that control windings 71a, 72a, 73a and 74a substantially balance control windings 71b, 72h, 73b and 74b respectively and the impedances of the alternating current windings 71c, 72c,
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73c and 74c are all equal.
Under these conditions, the output voltages of the bridge rectifiers 79 and 82 are equal and opposite, and no voltage is applied to the motor 48. If, on the contrary, the voltage derived from the slider 33 is not in) quadrature @ with the voltage derived from the current, the output voltages of the bridge rectifiers 64 and 65 are unequal so that control windings, like 71a and 71b, do not balance each other and, therefore, the voltages of output of bridge rectifiers 79 and 82 are unequal. Under these conditions, the motor 48 tends to rotate so as to return the cursor 33 of the potentiometer 32 to the position where the voltage derived from the cursor 33 is in quadrature with the voltage derived from the current.
Gears may be provided in the coupling between the electric motor 48 and the slider 33 of the phase shifter. With devices as described above, there will in fact be two phase shift positions in which the voltage applied to the motor 48 is zero, one constituting the correct position of the phase shifter, and the other an unstable position out of phase, with respect to to true, about 180 electrical degrees. Experience shows that, if the apparatus is sensitive, it will in practice always take the correct position, since any movement from an incorrect position will turn the electric motor 48 so as to bring the cursor of the phase shifter to its correct position. , movement helped by the time constants of the circuit.
The cursor 33 of the phase shifter may carry an arrow which moves past a calibrated scale and indicates the phase shift between voltage and current. If the phase shifter has a uniform circular resistance circuit, the scale may be non-uniformly graduated to take into account that in certain positions the angular position of the cursor does not accurately indicate the phase shift. Or, a mechanical device can be provided to compensate for the errors between the angular position of the boom and the actual phase shift, so as to have a scale
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uniform. One can use, for example, the mechanism described in British Patent No. 632,007.
Another variant consists in giving the circuit a resistance that is not uniformly distributed so that the angular position of the arrow indicates exactly the phase shift.
A variant to derive six-phase voltages from a three-phase network, consists in obtaining these hexaphse voltages from a special generator controlled from the alternating network and designed to produce symmetrical sinusoidal six-phase output voltages feeding a phase shifter as already de- crit. If this solution is adopted, it is good that the load applied to the special generator is substantially constant, so as to avoid errors due to the phase shifts of the voltages produced by the special generator, with respect to the network voltages.
If only a single-phase alternating current source is available, six-phase voltages to be applied to a phase shifter of the type described can be derived by obtaining from the single-phase source two equal voltages phase-shifted by 90 that are applied to another. phase transformer to obtain the hexaphase voltages. For example, two voltages out of phase with each other by 90 can be drawn from a single-phase source, by connecting, across the source, the primary winding of a transformer with mid-tap secondary winding and connecting at the ends of the secondary two separate combinations of capacitors and resistors connected in series.
By choosing well the values of the resistances and capacitances in each combination, it is possible to obtain, between the middle tap of the secondary and the junction point of the resistance and the capacitor of a combination, a phase-shifted voltage of 90 with respect to the voltage between this center tap and the junction point of the resistor and the capacitor of the other combination. If the voltages obtained from combinations of resistors and capacitors are
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phase-shifted with respect to the network voltage by approximately 45 and 1350 respectively, the quadrature condition will be met with very high precision despite small variations in frequency in operation, while the phase-shift with respect to the single-phase network will vary.
As the solution considered above to obtain two quadrature voltages of a single-phase network causes a phase shift of each of these voltages with respect to the network, it may be interesting to include a similar phase-shifting circuit in the path through which l Another incident electrical quantity is applied to the phase discriminator.
Another variant consists in using a phase multiplier as described in British Patent No. 642,855.
CLAIMS
1.- Apparatus indicating phase shifts between two electrical quantities in alternating current comprising a phase discriminator, paths by which to apply each of these quantities to the phase discriminator, one of these paths comprising an adjustable phase shifter, a means actuated according to of the response of the phase discriminator to adjust the phase shifter so as to obtain a determined response from the discriminator and a means for indicating the adjustment of the phase shifter and, by the same token, said phase shift.
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