<Desc/Clms Page number 1>
"PROCEDE POUR LE DEMARRAGE DE MOTEURS SYNCHRONES PAR CHAMP TRANSVERSAL A L'ENROULEMENT D'EXCITATION A COURANT CONTINU"
Le nouveau procédé pour le démarrage se rapporte à des moteurs synchrones à courants alternatifs, polyphasés ou mono- phasés, et soit moteurs à pôles lisses, soit à pôles saillants.
La Fig. 1 sert à expliquer un effet connu, et les Fig. 2-8 se rapportent au nouveau procédé de démarrage. Les Fig. 1-5 sont des schémas bipolaires, les Fig. 6-8, multipolaires.
Par suite des difficultés de démarrage du moteur synchro- ne normal à pôles saillants, les moteurs dits asynchrones syn- chronisés démarrant comme moteurs asynchrones normaux à bagues, d'après le procédé introduit par M. Danielson, ont trouvé de très nombreuses applications dans la pratique. Un inconvénient de ces moteurs est, parmi d'autres, que le nombre de spires de l'enroulement secondaire du rotor, est limité par la ten- sion admissible de démarrage et que, pour cette raison, le
<Desc/Clms Page number 2>
courant continu d'excitation devient toujours relativement grand pour ces moteurs.
Le nouveau procédé de démarrage se sert pour le rotor du moteur d'une exécution où le champ tournant du stator peut produire en principe aussi un champ tournant ou an schéma bipalaire, un champ en deux axes. Toutefois, il évite que des tensions plus élevées ne peuvent se produire au rotor, en diminuant d'abord au démarrage, à une valeur relativement faible, la composante du champ dans l'axe du circuit, qui for- me en marche le circuit d'excitation à courant continu, tan- dis que le couple essentiel de démarrage est produit par l'au- tre composante du champ tournant de sens transversal à ce circuit, et la partie des ampères-tours au stator qui se trou- vent en sens transversal à cette composante du champ.
Le procédé utilise en un certain et nouveau sens un effet, trouvé il y a déjà longtemps par M. Knauth et qui a été décrit par M. Görges en 1896, selon lequel un moteur asynchrone nor- mal triphasé à bagues, dont on court-circuite le secondaire suivant un seul axe par deux bagues, peut marcher à différentes vitesses. On a employé l'effet, pour obtenir un moteur pouvant marcher à deux vitesses, dont l'une est sa vitesse normale près du synchronisme, en le faisant démarrer de façon narmale par une résistance raccordée à ses trois bagues, et l'autre, una vitesse près de la moitié du synchronisme, à laquelle le mo- teur arrive d'abord et sans la dépasser quand on le fait dé- marrer en court-circuit de deux bagues.
Dans la caractéristique d'un moteur avec ce court-circuit uniaxial de son secondaire qu'on obtient par lassai, on peut constater que, excepté pour ces vitesses intermédiaires aux environs de la moitié du synchronisme, c'est-à-dire que pour petites vitesses et pour vitesses plus près du synchronisme, cette caractéristique ressemble à celle d'un moteur à courant
<Desc/Clms Page number 3>
continu à excitation compound. Mais en même temps, par suite d'un second effet simultané de ce court-circuit uniaxial du secondaire, le couple du moteur disparaît et devient même lé- gèrement négatif, quand la vitesse arrive près de la moitié du synchronisme et surtout un peu au-dessus de cette valeur.
Pour pouvoir utiliser cette caractéristique également pour un régime plus près du synchronisme, on est obligé d'employer un moyen quelconque qui fait passer la vitesse du moteur d'abord par ces valeurs critiques aux environs de la moitié du synchronisme.
La Fig. 1, par exemple, présente pour le rotor d'un tel moteur, les trois phases secondaires raccordées par leurs bornes à trois bagues 1, 2, 3. Supposons que les balais des deux bagues 1 et 2 soient court-circuités entre eux par la connexion c. Pour la position choisie du rotor, les courants de court-circuit produits par le champ tournant du primaire au stator auront pour effet de diminuer à une faible valeur la composante de ce champ tournant suivant l'axe horizontal x.
La tension e entre les deux bagues 1-2 devient nulle. Par x contre, pour l'autre axe y, dans la verticale, la tension ey induite par l'autre composante du champ n'est pas diminuée, et cette composante produiran surtout une tension élevée dans la troisième phase raccordée à la bague 3. La composante du champ tournant du primaire suivant cet axe vertical V, pro- duit alors, suivant cet axe, et en sens traversai par rapport au circuit 1-2, un champ élevé au rotor, et ce dernier pro- duit, avec la partie des ampères-tours au stator suivant l'au- tre axe horizontal X, un couple élevé de démarrage.
Le nouveau procédé pour le démarrage de moteurs synchrones utilise dans l'effet obtenu ainsi, enppemière ligne, l'avantage de pouvoir employer, pour l'excitation à courant continu d'un moteur synchrone qn circuit à grand nombre de spires, sans produire dans ce circuit au démarrage des tensions qui
<Desc/Clms Page number 4>
se trouvent en rapport direct avec ce nombre de spires, comme il est le cas par exemple pour les moteurs dits asynchrones synchronisés, démarrant comme des moteurs normaux asynchrones à bagues.
La Fig. 2 montre en principe d'abord un mode d'exécution du procédé. Le moteur démarrant de la même manière, en court- circuitant au rotor les balais- des deux bagues 1-2 entre eux, ce circuit sert en marche comme circuit d'excitation, en y intercalant l'excitatrice à courant continu E. La troisième phase 3 du rotor est supprimée ici, de sorte que la tension maximum qui peut encore se produire dans l'enroulement au rotor diminue à ey , la composante seule des deux autres phases suivant cet axe y. Pour faire passer le moteur par les vites- ses intermédiaires aux environs de la moitié du synchronisme, on peut par exemple raccorder le point neutre 0 à une troisië- me bague, et raccorder ainsi les deux phases séparément à des résistances R, R.
Cette exécution selon Fig. 2 présente toutefois encore différents défauts, parmi d'autres ausstoun inconvénient, pour lequel d'ailleurs on a abandonné plus tard les moteurs préci- tés marchant à la moitié du synchronisme, et qui eat que la composante déwattée du courant absorbé par le moteur devient très grande. Le but de ce nouveau procédé n'est pas d'obtenir un moteur marchant à la moitié de son synchronisme, mais au contraire démarrant jusqu'à sa pleine vitesse. Il semblait donc préférable de trouver des moyens, aussi bien pour éviter ce dernier inconvénient que pour supprimer autant que possi- ble les causes du second effet simultané du court-circuit uniaxial du secondaire, qui sont suisioles au but envisagé, et pour obtenir un couple du moteur qui, pour aucune vites- se intermédiaire, ne tombe en-dessous d'une certaine valeur.
L'examen théorique démontre que, par l'effet du court- circuit uniaxial du secondaire, le champ tournant, produit par
<Desc/Clms Page number 5>
le primaire, devient pulsatoire. On peut décomposer un tel champ en deux champs tournants, dont l'unreprésente le champ tournant normal du primaire. Dans ce cas, l'autre composante est un champ qui tourne au rotor, en sens inverse. Dans les moteurs précités marchant à la moitié du synchronisme, d'abord le grand'courant déwatté était causé uniquement par l'ampli- tude du champ total, qui devient la somme de ces deux composan- tes de champs tournants, nécessitant ainsi, par suite de la saturation des tôles, un courant magnétisant élevé au primaire.
Pour ramener ce courant magnétisant à une valeur normale, il faut diminuer la tension appliquée au primaire, soit par an transformateur, ou par un changement de raccordement entre phases au primaire, ou'par une résistance, soit résistance inductive, une self inductance, ou bien par une résistance ohmique au primaire.
La théorie montre en outre que la dite seconde composante de champ tournant forme, vue en sens de l'axe du court-circuit uniaxial du rotor, l'image, plus ou ràoins affaiblie, du champ tournant normal du stator, c'est-à-dire que atte composante de champ tournant tourne, au rotor, en sens négatif, avec la vitesse de son glissement par rapport au stator. Par conséquent à la moitié du synchronisme, (glissement 50%) cette composante de champ tournant devient un champ fixe par rapport au stator.
Quand le rotor dépasse cette vitesse, ce champ commence à tourner au stator dans le sens de la rotation du rotor et, par suite de la très faible ,résistance des phases du stator et des courants de glissement induits dans ces cmrcuits, et qui se ferment sur'le réseau, cette composante de champ tour-¯
EMI5.1
nant produit alors, pour un eertai-a. ïr.égimë .d:e,,,i tesse, un effet de freinage, 'd,' ::;, c., t:,o ::..t
La cause pour laquelle, par suite de cette composante du champ produite par le court-circuit uniaxial du secondaire, le moteur se maintient avec une certaine ténacité à cette vi-
<Desc/Clms Page number 6>
tasse de la moitié du synchronisme, est en d'autres mots un effet de réflexion magnétique entre deux circuits de faibles résistances, le circuit du rotor et celui du stator.
Pour rompre cet équilibre, auisible au but envisagé par ce procédé de démarrage, il faut intercaler une résistance, soit inducti- ve, soit ohmique, dans le circuit du rotor ou du stator, ou dans les deux circuits en même temps.
En remplaçant le court-circuit uniaxial du secondaire au rotor par une résistance, la composante du charnp dans cet axe augmente, et également la tension aux bornes de cet enroule- ment. Mais comme il est suffisant que la valeur de cette résis- tance par rapport au carré du nombre de spires de cet enrou- lement reste faible, pour obtenir l'effet voulu, il est évi- dent qu'il'n'y à aucune importance-: que-;cetteliension soitnulle et que l'augmentation de cette tension en de certaines limites ne présente aucun inconvénient, pourvu qu'elle reste en-dessous d'une valeur admissible.
La Fig. 3 montre un tel mode d'exécution du procédé, où dans le circuit d'erditation à, est intercalée une résistance r faible par rapport au carré du nomore de'spires de ce ciret cuit/cette résistance peut être mise en court-circuit quand le moteur est en vitesse. Pour plus de simplicité, l'enroule- ment d'excitation a, à nombre de spires relativement grand est bobiné ici suivant un seul axe. Si on désire augmenter encore le couple pour une vitesse quelconque, on peut ajouter un second enroulement b bobné sur une autre'phase, dans le- quel alors, au premier moment du démarrage, la composante plus grande du champ suivant l'axe vertical y, produit une tension élevée par spire.
On bobinera doncocetuènroulement b à un nombre de spires relativement petit, de sorte que sa ten- sion totale ey produite dans cet enroulement ne dépassera pas une valeur admissible. Le circuit de cet enroulement b peut
<Desc/Clms Page number 7>
d'abord être ouvert, et on y intercalera ensuite, comme dans le démarrage normal de moteurs asynchrones, une résistance R dont la valeur sera, au commencement du démarrage, relativement grande par rapport au carré du nombre de spires de cet enrou- lement.
Dans la Fig. 4, la partie II montre pour l'enroulement d'excitation du rotor, la même disposition, avec une résis- tance qui sert à supprimer ou diminuer l'effet de réflexion magnétique ci-dessus. La partie I présente en outre les trois phases primaires au stator d'un moteur triphasé et, dans le même but, intercalée dans ce circuit, par exemple au point neutre, la résistance R1, qui peut être court-circutiée en mar- che normale du moteur. Cette résistance Rpeut servir en même temps, cornue il a été dit plus haut, à diminuer la tension primaire par phase au stator et à éviter des courants déwattés élevés au démarrage, en choisissant dans ce cas la valeur de cette résistance suffisamment grande.
Au lieu des résistances ohmiques au secondaire et R 1 au primaire, on peut se servir de résistances inductives, self inductances, ou des deux à la fois, dans l'un des deux circuits ou dans l'autre ou dans tous les deux. La disposition permet d'effectuer un bon dérnar- rage jasqu'à la vitesse près du synchronisme, et même sans qu'il soit nécessaire de prévoirsur le secondaire un second enroulement d'une autre phase, comme l'enroulement b. de la Fig. 3.
La Fig. 5 présente pour un moteur synchrone bipolaire, à pôles lisses, le placement de l'enroulement d'excitation a, selon Fig. 3 et 4, bobiné en sens des traits a, Fig. 5, et logé' près de la circonférence du rotor dans un nombre d'encoches qui sont indiquées schématiquement par des lignes radiales.
C'est la disposition utilisée depuis le début de l'emploi des turbines à vapeur, et qui fut introduite par M. Charles Brovrn,
<Desc/Clms Page number 8>
pour de grands alternateurs, où elle présente l'avantage d'éviter de fortes déformations ou distorsions du champ, résultant pour de telles machines à grands pas polaires, de la réaction du courant et qui nécessite, pour des machines à pôles saillants, d'employer des entrefers excessifs. L'axe de l'enroulement d'excitation se trouve dans la Fig. 5, dans l'axe.,: horizontal X, et le champ transversal par rapport à cet enroulement, qui sert selon le nouveau procédé à produire le démarrage d'un moteur de cette exécution, est indiqué par les flèches n-n, en sens de l'axe vertical .
La Fig. 6 montre une disposition semblable pour un moteur synchrone multipolaire.
Le champ transversal par paire de pôles est ici également indiqué par les flèches n-n Une telle exécution de l'enroule- ment d'excitation présente d'ailleurs, en comporaison aux cir- cuits d'excitation dans des moteurs asynchrones synchronisés, formés par les phases d'un enroulement polyphasé, en même temps l'autre avantage que la longueur moyenne par spire de- vient plus petite, et que de ce fait pour un nombre donné d'ampères-tours les pertes d'excitation deviennent moindres.
Encore Cette longueur par spire reste ici/plus grande que celle dans les bobines polaires de machines à pôles saillants. Toutefois, l'influence sur les pertes d'excitation, en comparaison à ces dernières, n'est pas très grande, quand il s'agit de grands moteurs synchrones à vitesses élevées, c'est-à-dire à petits nombres de pôles et grands pas polaires, du genre des moteurs synchrones marchant à vide, dont on ae sert pour produire des 'effets de capacités et pour fournir des courants déwattés en avance sur la tension au réseau, par une hyperexcitation cor- respondante de ces moteurs.
Pour ces cas, dans des moteurs synchrones normaux à pôles saillants, la réaction d'induit du courant déwatté au stator
<Desc/Clms Page number 9>
qui est maximum au centre des pièces polaires, peut produire dans la répartition du champ par pièce polaire une déformation, montrant une selle dans l'axe du champ par pôle et un champ relativement élevé aux deux bords, les bords antérieurs et pos- térieurs par pièce polaire. Avec entrefer normal et uniforme par pièce polaire, le moteur à pôles saillants et hyperexcité produirait ainsi une déformation de la courbe de la tension du réseau, pouvant provoquer des courants harmoniques et des pertes additionnelles aux autres moteurs du réseau.
Pour di- minuer cet effet nuisible, on donne;dans ces cas, aU[pièces polaires, une courbure telle que l'entrefer devienne plus grand aux bords qu'au centre, et comme on ne peut choisir ce rapport que pour une certaine valeur donnée moyenne du courant déwatté débité par le moteur, on emploie toujours, en même temps, des entrefers très grands. Toutefois, de ce fait, les ampères-tours d'excitation nécessaires du moteur augmentent ainsi en même temps, et l'influence utile de la petite lon- gueur par spire dans les bobines polaires des pôles saillants, sur les pertes d'excitation, diminue.
Une exécution selon la Fig. 6, à pôles lisses présente pour ces cas, outre la facilité d'application du nouveau pro- cédé de démarrage, l'avantage que la répartition.des ampères- tours d'excitation dans des encoches, dont d'ailleurs le nombre par pôle peut être choisi plus grand que dans la Fig. 6, permet de loger les spires intérieures de cet enroulement aussi près de l'axe.par pôle, que la plus grande réaction d'induit des ampères-tours du courant déwatté au stator devient légèrement hypercompensée, et que la forme du champ par pôle reste tou- jours sinusoïdale. Ainsi également l'entrefer entre stator et rotor peut rester normal et uniforme.
La Fig. 7 enfin présente une forme d'exécution qui mon- tre que le nouveau procédé de démarrage peut être employé éga- lement dans des moteurs à poles saillants. Dans ce cas, il faut,'pour l'application du procédé, disposer entre les pôles
<Desc/Clms Page number 10>
principaux P qui portent les bobines polaires a, des pôles intermédiaires p, dont le circuit magnétique au rotor p-m-p doit être feuilleté, et par lesquels ledit champ transversal n-n, par rapport à 1''enroulement d'excitation des bobines a, ainsi peut se fermer. Une telle exécution utilise/en même temps les avantages qu'offrent les simples bobines polaires des pôles, la petite longueur moyenne des spires de celles-ci et les plus faibles pertes d'excitation qui en résultent, et surtout plus faibles que dans les moteurs du genre de la construction asynchro- ne.
La largeur de ces pôles intermédiaires p peut rester relativement faible, et même pour des moteurs à petites vites- ses, grands nombres de pôles et petits pas polaires, il suf- fit, pour obtenir la place nécessaire, d'augmenter éventuelle- ment un peu la hauteur des noyaux des pôles, et des bobines, pour diminuer ainsi la largeur de la place occupée par ces bobines.
Ces pôles intermédiaires produisent une légère augmenta- tion de la dispersion à vide, entre les pièces polaires des pôles principaux, mais qui est sans grande importance. D'autre part, ils ont encore l'autre effet utile de diminuer, de façon semblable comme il a été dit plus haut pour les machines à pôles lisses et enroulement d'excitation réparti,, dans des encoches, la distorsion unilatérale du champ qui, dans les pièces polaires de machines normales à pôles saillants, est produite par la réaction du courant en charge d'une telle ma- chine.
Dans la Fig. 8, par exemple, l'ensemble v représente en principe 'la forme de cette distorsion du champ dans une ma- chine normale à pôles saillants, produite en charge par la 'réaction d'induit d'un courant watté, c'est-à-dire que cette réaction selon son sens, produit une déformation du champ vers un côté, par exemple vers la droite, par le fait qu'elle
<Desc/Clms Page number 11>
est de sens opposé dans la partie de la pièce polaire à gau- che, produisant une diminution du champ dans cette partie, et qu'elle a par contre le même sens que le champ dans la partie de la pièce polaire à droite, de sorte qu'elle produit ici un champ du même sens et de ce fait un renforcement du champ.
Or, en ajoutant les pôles intermédiaires p, on constate que cette même réaction d'induit produit dans le pôle intermédiai- re à droite du pôle P, également un champ du même sens, de sorte que l'ensemble W représente de nouveau une répartition plus symétrique du champ total par pôle. En d'autres mots, l'etfet devient ici moins une déformation qu'un déplacement de l'ensemble du champ total par pôle.
Ceci a peur conséquence que, même pour des moteurs à grandes vitesses, grands pas polaires et grande réaction d'in- duit, la disposition permet d'employer des entrefers normaux, de sorte que les ampères-tours nécessaires deviennent faibles, et de même les pertes d'excitation résultantes.
Dans toutes les exécutions, pour diminuer au démarrage la composante du champ dans l'axe de l'enroulement d'excita- tion, on peut aussi, au lieu de fermer l'enroulement d'excita- tion sur une faible résistance, ou en court-circuit, se servir dans ce but d'autres circuits électriques plus ou moins coa- xiaux à cet axe, comme par exemple d'un autre enroulement bo- biné en ce sens ét qui peut rester constamment fermé.
Dans des moteurs à pôles saillants, par exemple, cet effet peut être obtenu aussi déjà, en employant pour les pôles principaux
P des noyaux massifs, ou des circuits amortisseurs comme par exemple ceux qu'on dispose souvent sur les pièces polaires, pour amortir des mouvements 'pendula ires etc..,, L'essentiel , pour cette dernière forme d'exécution avec pôles saillants, est qu'il faut ajouter lesdits pôles intermédiaires p, par lesquels le flux'transversal n-n peut se fermer.
On peut aussi se servir conjointement d'autres dispo si- tifs de démarrage, soit comme indiqué déjà dans la Fig. 3 d'un
<Desc/Clms Page number 12>
circuit bobiné pour une autre phase,,fermé au démarrage sur une résistance élevée par rapport au carré'de son nombre de spi res , et -.Par exemple, dans l'exécution Fig. 4 à surface polaire lisse, dans'les encoches restant vides aux centres des pôles, ou dans l'exécution Fig. 7 à pôles saillants par exemple bobiné sur les pôles intermédiaires p, ou bien encore on peut se servir d'une cage à résistance relativement élevée, c'est-à-dire du moyen connu et généralement employé pour le dérnarrage de tels moteurs.
L'essentiel est que le couple principal de démarrage soit produit par la composante du champ en sens transversal à l'axe de l'enroulement d'excitation, et que la composante du champ dans cet axe se trouve diminuée au commencement du démarrage à une valeur relativement faible.
REVENDICATIONS.
EMI12.1
-- - - - - ---------------------- 1)(Procédé pour le démarrage de moteurs synchrones, selon lequel la composante du champ en sens de l'axe du circuit . d'excitation au rotor est diminuée d'abord à une valeur relati- vement plus faible, par@l effet de caurants induits au rotor par cette composante, et la composante du champ en sens trans- versal.par rapport au circuit d'excitation au rotor forme un champ relativement plus élevé, qui produit avec la partie des ampères-tours au stator de sens transversal à lui, un couple de démarrage correspondant.