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Machine synchrone.
L'invention concerne des machines synchrones à courant alternatif à vitesse variable et elle a pour but de permettre d'atteindre les variations de la vitesse de la façon la plus simple et de telle sorte que la machine sonserve son caractère de machine synchrone malgré la possibilité de réglage,
On connait un certain nombre de machines électriques courant alternatif à vitesse variable qui, toutefois, ne per- mettent qu'un fonctionnement asynchrone et non un fonctionne- ment synchrone, et''qui ne peuvent pas fonctionner avec une vi- tesse variable à volonté, n'ayant par exemple que deux vitesses fixes- On connaît en outre des machines dans lesquelles le col-
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lecteur et son collier tournant servant de porte-balais sont montés dans le circuit alternatif de l'induit,
et dans lesquel- les les inducteurs sont excités comme d'habitude. Ces machines ont toutefois l'inconvénient qu'en raison des intensités et tensions relativement élevées de l'induit la construction des collecteurs nécessaires rencontre- déjà, pour des machines re- lativ ement petites, des difficultés qui augmentent au fur et à mesure que les dimensions de la machine augmentent. On con- nait aussi des machines qui comportent un induit alimenté par du courant alternatif et un inducteur alimenté en courant con- tinu, l'enroulement de l'inducteur étant divisé en différentes bobines reliées à un collecteur, et le courant continu d'exci- tation étant envoyé aux inducteurs par l'intermédiaire de ba- lais tournants actionnés séparément, le collier porte-balais étant actionné par un moteur particulier.
Or, comme une vites- se arbitraire est imprimée au collier porte-balais par son moteur, il peut arriver que la machine ne puisse fonctionner en aucun cas, parce qu'il n'y a pas de synchronisme entre le champ inducteur et le champ du stator.
Mais même si le collier porte-balais est entraîné par son moteur exactement synchroniquement avec le champ du stator, c'est à dire lorsque les conditions sont remplies pour le syn- chronisme des deux champs, le rotor ne peut pas prendre une vitesse nettement déterminée, car il est indifférent, pour les deux champs tournants, que la masse de fer du rotor soit fixe ou qu' elle tourne dans le mené sens, ou en sens inverse, vite ou lente:nent. Si l'on part de l'arrêt du rotor, ce der- nier n'a aucune raison de se mettre en mouvement à moins d'une mesure particulière. lorsque le collier porte-balais est actionné synchroni- quement de l'extérieur, il n'y a aucune corrélation entre la vitesse synchrone du champ et la vitesse dû rotor; cette der- nière est donc indéterminée.
Ces conditions changent radicalement du moment que la dif-
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férence de vitesse entre le rotor et le chnp inducteur est nettement déterminée par la rotation du rotor au moyen :)'une transmission à rapport variable. Un accouplement du rotor mat.. riel avec le champ qui s'y meut empêche le rotor de prendre une vitesse indéterminée ou une vitesse quelconque.
Cette invention a pour objet une machine ,lui n'a pas les inconvénients cités, ni les particularités restrictives des machines connues jusqu'ici; cette machine est telle qu'elle puisse servir de génératrice aussi bien que de moteur, que sa vitesse soit variable non par échelons, mais de façon continue, et que toute instabilité de la vitesse soit évitée; au contrai- re, la vitesse une fois établie est maintenue aussi sûrement, lorsque la machine marche en moteur, que pour une machine triphasée synchrone normale; enfin la machine est telle que, lorsqu'elle marche en génératrice, la fréquence du courant pro- duit soit indépendante de la vitesse d'entrainement au moment envisagé, c'est à dire qu'elle soit constante dans toute la zone de réglage de la machine;
en outre, que le caractère syn- chrone de la machine soit maintenu dans toute marche,et enfin que ses possibilités de fabrication ou de fonctionnement ne soient pas limitées par la valeur de la puissance, et qu'au contraire, la machine puisse être construite pour toutes dimensions ou toutes puissances indispensables, parce que seul le courant d' excitation est transmis par le collecteur et parce que le colliertournant servant de porte-balais constitue, en combinaison avec le collecteur, non pas un appareil de commu- tation, mais un commutateur rotatif.
Dans le cadre ainsi tracé, la réalisation de l'idée in- ventive est la suivante:
On parira d'abord du moteur triphasé synchrone normal excité par du courant continu. Une variation de la vitesse de son rotor en maintenant le caractère synchrone a évidemment pour condition, soit que le champ alternatif reçoive une rota- tion supplémentaire positive ou négative imposée de l'extérieur,
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rotation qui se combine avec la rotation déterminée par la fréquence pour donner une résultante qui à son tour détermine la vitesse du rotor, soit que le champ alternatif reste com- plètement intact et que le champ inducteur tourne autour du rotor, de façon que la vitesse absolue de ce champ corresponde au synchronisme.
On peut réaliser la première de ces deux pos- sibilités en montant dans le circ.uit alternatif de l'induit un collecteur et un collier porte-balais tournant, de façon que la vitesse de rotation du champ alternatif puisse être modifiée de l'extérieur. L'effet est le même que pour une variation de la fréquence du réseau; toutefois, le dispositif a les in- convénients ciés plus haut et il est en particulier inutili- sable pour de grandes unités.
Par contre, conformément 1 l'invention, pour remiser la deuxième possibilité, la différence de vitesse entre le rotor et le champ à courant continu est nettement déterminée par la rotation du rotor au moyen d'une transmission à rapport varia- ble. 9 cet effet,on divise le champ tournant en plusieurs champs individuels juxtaposés dans le sens de la périphérie et excités chacun par une hobine reliée à un collecteur à col- lier porte-balais tournant, le courant continu d'excitation étant amené au champ tournent à l'aide de bagues par l'inter- médiaire du collier porte-b al ais tournant, dont la rotation est dérivée de celle du rotor par l'intermédiaire d'un mécanisme de transmission à rapport variable.
Cette disposition a pour effet que les pôles excités par du courant continu tournent une vitesse correspondant toujours au synchronisme électrique du champ tournant alternatif, mais pouvant, suivant le rapport de transmission choisi et relativement au rotor, être inférieure, égale ou supérieure à la vitesse du rotor
Dans la machine construite suivant les considérations qui précèdent, l'effet alternatif entre le champ inducteur et le champ tournant alternatif est, à chaque vitesse, exactement le même que Pour une machine triphasée normale, et la machine
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ainsi contruite peut marcher en génératrice aussi bien qu'en moteur.
Fig. 1 des dessins annexés est une vue schématique de l'objet de l'invention. La roue inductrice portant les enrou- lements 2 est montée à rotation L l'intérieur de l'induit fixe
1 d'une machine synchrone. Sur le collecteur 4 adjoint aux enroulements 2 frottent les balais 5 fixes à des porte-balais 3.
Deux bagues 6 et ?amènent le courant continu nécessaire par
1''intermédiaire de connexions 8, des balais mentionnés 5 et du collecteur 4 aux enroulements 2 de la roue inductrice.Le courant continu arrive aux bagues 6 et 7 aux points 9 et 10.
Une couronne dentée 11 est solidaire des porte-balais 3, des br as correspondants 12 et du collier 13. Cette couronne engre- ne avec une roue dentée 14 d'un mécanisme variable, qui est d' autre part en prise avec la roue inductrice et entrainé par celle-ci, ce qui permet, par un réglage approprié du mécanisme variable, d'obtenir une vitesse relative déterminée entre les balais 5 et le collecteur 4 ou la roue inductrice.
Au lieu de courant continu, on peut faire arriver du courant alternatif au champ inducteur tournant, par l'intermédiaire du collecteur et du collier porte-balais; dans ce cas, naturellement, le rapport de transmission entre le rotor et le collier porte- balais est encore déterminé, en outre, par la fréquence du courant alternatif fourni et par la disposition des babines inductrices.
Au lieu.du collecteur et du collier porte-balais (excita- tion séparée) il peut y avoir aussi une excitation (excitation propre) composée d'un-, induit et d'une roue polaire, l'induit pouvant être fixé sur r arbre du rotor par exemple près de la roue inductrice, mais séparé de celle-ci, tandis que la rota- tion de la roue polaire est dérivée de la rotation du rotor par l'intermédiaire/d'un mécanisme de transmission à rapport varia- ble.
A chaque bobineinductrice portée par la roue inductrice est adjointe une bobine excitatrice qui y est reliée et montée sur l'induit de l'excitatrice, de sorte qu'il se produit, dans
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la roue inductrice, pendant la rotation de la roue polaire, sous l'action du courant induit dans les bobines de l'induit, un champ tournant dont le sens de'rotation et la vitesse cor- respondent à ceux de la roue polaire tournant synchroniquement.
Pour la mise en marche de la machine tournant en moteur, on décrira les possibilités suivantes.
On établit, entre le rotoret le collier porte-balais ou la roue polaire, le plus grand rapport de transmission existant dans la machine. Au moyen d'une machine de lancement pàrticu- lière, on imprime ensuite au rotor la vitesse à laquelle le collier porte-balais ou la roue polaire tournent synchronique- ment avec le champ tournant alternatif sous l'action de la transmission mentionnée. On excite maintenant les inducteurs, après quoi, l'on peut mettre l'enroulement à courant alternatif sur le réseau, sans qu'un acoup de courant nuisible se produise dans celui-ci.
Lorsque la machine de lancement a été séparée, la machine tourne en moteur sa vitesse la plus petite, et . l'on peut alors faire varier graduellement le rapport de trans- mission entre le collier porte-balais ou la'roue polaire et le rotor, jusqu'à ce que ce dernier ait atteint une vitesse dési- rée quelconque.
Un autre moyen est donné par l'utilisation d'une machine synchrone agissant sur le collier porte-balais ou sur la roue polaire, le mécanisme de transmission n'étant d'abord pas encore inséré entre cette roue et le rotor.
On porte le collier porte-balais ou la roue polaire à la vitesse synchrone au moyen du moteur synchrone, puis on excite les inducteurs et on met l'enroulement alternatif sur le re- seau.Le champ alternatif et le champ inducteur tournent main- tenant entièrement synchroniquement, sans que le premier exerce aucun couple sur le deuxième. Si le moteur synchrone, dont la puissance doit être en soi plus grande que celle qui est né- cessaire pour entrainer le collier porte-balais ou la roue po- laire seul, reçoit une charge supplémentaire, il continue bien
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à tourner synchroniquement, mais il s'établit entre son champ alternatif et son champ inducteur le retard correspondant au couple plus grand exigé maintenant du moteur, c'est à dire que son rotor reste un peu en arrière de son champ alternatif.
Ceci a pour effet que, dans la grande machine, le champ induc- teur restera en arrière du champ alternatif dans le même rap- port, et le champ alternatif exerce maintenant un couple sur le champ inducteur et met le rotor en mouvement. Des que le rotor a atteint la vitesse qui correspond au rapport de trans- mission le plus grand, déjà établiasp aravant, entre le rotor et le collier porte-balais ou la roue polaire, on embraye l'ac- couplement entre le mécanisme de transmission et le collier porte-balais ou la roue polaire, et le moteur synchrone auxi- liaire peut maintenant être mis hors d'action. malin, on règle au moyen du mécanisme de transmission à rapport variable la vitesse que l'on désire obtenir en marche.
Dans les machines décrites jusqu'ici, la succession des bobines inductrices et la succession des fils d'arrivée aux lames du collecteur ou aux bobines de l'excitatrice ont le même sens (enroulement ouvert). La vitesse de rotation du champ inducteur est indépendante de la vitesse de rotation du rotor, de sorte que, pour atteindre le but visé par l'invention, la rotation du collier porte-balais ou de la roue polaire doit ê- tre dérivée de l' arbre du rotor. Ces conditions changent radi- calement lorsque la succession des bobines inductrices et la succession de leurs fils d'arrivée (que ceux-ci soient relias aux lames du collecteur ou aux bobines de l'excitatrice) ont des sens opposés (enroulement inverse).
Sous l' action de ..l'enroulement inverse, la vitesse de ro- tation du champ inducteur dépend, non seulement, de la vitesse de rotation de la roue polaire inductrice P ou,en cas d'exci- tation séparée/, de l'organe d'arrivée B seulement, mais encore de la vitesse de rotation de l'induit ou du collecteur.
Lorsque l'induit de l'excitatrice et la roue poivre ou le collecteur
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et le collier porte-balais tournent dans des sens opposés, la vitesse périphérique du champ inducteur principal se décompose ainsi:: ]-La partie déterminée p ar la rotation de P ou de B; sens. de rotation du champ inducteur opposé et vitesse de rotation égale à ceux de P ou B. '' 2.La partie déterminée par la rotation de l'induit ou du collecteur; sens de rotation du champ inducteur égal au sens de
P ou de B, vitesse de rotation double de celle de P ou B.
La vitesse de rotation, synchrone par hypothèse, du champ inducteur principal, est donc égale la somme de la vitesse de rotation de la roue polaire ou du collier porte-balais et du double de la vitesse de rotation de l'induit ou du collecteur; son sens de rotation est égal à celui du rotor ou oppose à celui de la roue polaire ou du collier porte-balais.
Lorsqu' on fait arriver du courant alternatif par l'inter- médiaire du collier porte-balais, il fait naturellement tenir ' compte aussi de sa fréquence.
Arec cette disposition l'entrainement de la roue polaire p ou du collier porte-balais B peut aussi avoir lieu à partir du rotor lui-même au moyen d'un mécanisme variable. Mais ceci n'et plus une nécessité inévitable : au contraire, il est maintenant possible d'entraîner la roue polaire ou le collier porte-balais au moyen d'une source de force motrice quelconque par l'inter- médiaire d'un mécanise réglable, car après la mise en paral- lèle, la vitesse du rotor est maintenue, comme dans toute machi- ne à courant alternatif normal, par l'action réciproque entre le champ inducteur et le champ du stator de la machine principe.
Pour augmenter la vitesse du champ tournant, on peut dis- poser les bobines de l'inuit de l'excitatrice et du champ induc- teur, ainsi que les fils de connexion entre ces bobines, de la façon qui va être décrite (voir fig. 2 du dessin)
La roue polaire P de l'excitatrice induit une tension et une intensité dans l'enroulement de l'induit A de l'excitatrice.
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L'induit A et le champ inducteur M de la machine principale sont juxtaposés sur l'arbre de la génératrice, mais dis- tincts et reliés rigidement entre eux par l'arbre. L'enrou- lement induit de l'excitatrice est constitué par des bobines individuelles et il est divisé en autant de groupes, de cna- cun x bobines, qu'il y a de pôles individuels sur la roue polaire. Le schéma est base sur une roue polaire à trois paires de pôles. En conséquence l'enroulement induit est di- visé en six groupes. Pour des raisons de clarté on n'a re- présenté dans le schéma que six bobines pour chaque groupe et deux rainures pour chaque bobine. Plus le nombre de bobi- nes est grand, plus les pôlestransmis en M ressemblent aux pôles inducteurs de A.
Entre l'enroulement induit de l'exci- tatrice et le champ inducteur de la machine principale il y a autant de paires de barres collectrices S qu'il y a de bobines dans un groupe et, comme l'indique le dessin, les extrémités des bobines sont reliées aux barres collectrices de façon que toutes les bobines qui se trouvent dans le même état d'induction aillent toujours sur une même barre collec- trice. Les bobines qui servent exciter le champ inducteur de la machine principale sont reliees à ces barres collec- trices.
Dans l'exemple représenté le champ inducteur de la machine principale n'a qu'une paire de pales; cependant il pourrait avoir aussi tout ,autre nombre de paires de pôles, c'est dire que le nombre de pôles du champ inducteur de la machine principale peut être égal ou inférieur ou supé- rieur au nombre de pôles de la roue polaire P.
Conformement à l'invention, la juxtaposition des bobines sur le champ induc- teur de la machine principale est l'inverse de la disposition des bobines sur l'induit de l'excitatrice (enroulement inverser En supposant d'abord le même nombre de pôles en P et en M, lorsque la roue polaire P est arrêtée, à chaque angle de ro- tation de l'induit A correspond, par suite de l'enroulement inverse, l'angle de,,,rotation double du champ inducteur M de la
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machine principale, le champ M et l'induit A ont le même sens de rotation. Lorsque l'induit A est fixe, à chaque angle de ro- tation de la roue polaire P correspond le même angle de rota- tion du champ inducteur M de la machine/principale, mais avec un sens de rotation opposé à celui de la roue polaire.
En cons. quence, si 1''induit et la roue polaire tournent par exemple à la même vitesse, mais dans des sens opposés, le nombre de pôles étant le même sur P et sur M, le champ inducteur M de la machi- ne principale tournerait trois fois plus vite que l'arbre de cette machine,dans le même sens que cet arbre.
Si les nombres de pôles sont rendus en outre différents, comme dans l'exemple représenté, la vitesse du champ tournant
M varie encore inversement proportionnellement au rapport entre les nombres de pôles de A et de M. Il en résulte ceci pour l'exemple représenté:
1. La roue polaire P étant fixe et l'induit A tournant, la vitesse de M est six fois plus grande que celle de A.
2. P et A tournant simultanément et à la même vitesse, mais dans des sens opposés, la vitesse de M sera neuf fois plus grande que celle de A ou de P.
En conséquence, lorsqu'il ne s'agit que de construire une machine pour une vitesse d'entrainement peu élevée, mais constante, on peut, pour des raisons de simplicité, laisser P immobile, inverser l'enroulement entre A et M et obtenir ain- si, par le choix d'un rapport appruprié entre les nombres de pô- les de A et de M, une machine principale relativement petite.
Au besoin on peut faire varier le nombre de paires de ples qui en résulte pour P en entraînant P dans le même sens que 1 du dans le sens opposé. Cet entraînement peut avoir lieu au moyen d'une source de force motrice quelconque; il peut aussi être dérivé de l'arbre de la machine principale.
Si cet entrainement a lieu par l'intermédiaire d'un mécanisme à rapport de trans- mission variable, 'lais pouvant être rendu fixe, la construction donne une machine à courant alternatif synchrone vitesse va-
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riable, car chaque variation de la vitesse de A peut être com- pensée, par une variation du rapport de transmission du me- canisme, c'est à dire par une variation de la vitesse de P, de façon que le champ M tourne synchroniquement avec le champ du stator. Inversement, on peut donner une vitesse quelcon- que à A en faisant varier la vitesse de P.
Quel que soit le mode d'entrainement de la roue polaire, la machine, une fois synchronisée, continuera toujours à tourner synchroniquement, exactement comme toute machine à courant alternatif synchrone de construction normale; elle peut servir de génératrice aus- si bien que de moteur et tourner dans les deux sens. L'entrai- nement de la roue polaire de l'excitatrice, lorsqu'il existe, doit être rendue réversible dans ce cas.
Si le mécanisme de transmission monté entre la roue polaire et sa machine motri- ce comporte une possibilité de variation telle que, l'induit
A étant fixe, le champ tournant produit dans M tourne synchro- niquement avec le champ du stator, on peut faire tourner la machine en moteur, après la mise en parallèle, sans acoups de courant dans les deux sens de rotation, en faisant tourner le rotor par un retard imposé au champ M par rapport au champ tournant du stator.
Ce retard peut être produit par un déplacement corres- pondant des éléments d'entraînement de la roue polaire P, par exemple par déplacement axial d'une roue dentée à dents obli- ques. En réglant la'transmission variable, on peut alors éta- blir la vitesse désirée.
Les pôles P n'ont pas besoin d'être excités forcément par du courant continu;: le champ tournant de la roue polaire P peut tout aussi bien être' un champ tournant à courant alternatifs sauf qu'il faut, le cas échéant, prendre des mesures permettent d'adapter la vitesse du champ tournant aux exigences corres- pondantes de la machine principale.
Il est dans l'intérêt d'une construction aussi simple que possible de la machine et d'une construction assurant le bon
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fonctionnement des pièces indispensables pour faire varier la vitesse, que la puissance nécessaire pour entrainer la roue po- laire ou la quantité d'énergie apportée e l'extérieur par l'intermédiaire du collier porte-balais, soient aussi petites ' que possible. Conformément à l'invention, lorsque les puissances d'excitation sont relativement grandes, on peut faire en sorte que le champ inducteur M ne coopère pas directement avec l'enrou- le'lent du stator principal St.
Au contraire, il agit sur une excitatrice intermédiaire et c'est seulement celle-ci qui pro- duit de son côte le nouveau champ inducteur M2 de la. machine principe le.
A cet effet, on monte dans un stator fixe (fi. 3 et 4) un induit A1 et près de cet induit, mais séparé de ce dernier, un champ inducteur M1, de façon que les bobines de Assoient re- liées de fagon inverse aux bobines de M'et que le champ tourna
M induise dans l'enroulement constitué par les bobines de Il une tension et une intensité, le champ ainsi excité dans M1 tournant dans le sens opposé à celui du champ inducteur M.
L'enroulement de l'induit A1 et du champ inducteur M'con- corde, le cas échéant avec les modifications exigées par le sens, avec la description donnée plushhut.
Entre le champ M1 tournant en sens inverse de celui du ro- tor dans le stator intermédiaire fixe et l'enroulement du sta- tor de la machine principale il y a encore, sur l'arpre du rotor et tournant avec lui, un enroulement excitateur A2 et un enrou- lement de champ inducteur M2 qui, quant à leur mode de bobina et à leur fonctionnement, correspondent encore à la description donnée plus haut. M2 tourne dans le même sens que l'arbre du ro- tor et agit sur l'enroulement du stator de la machine principale.
L'énergie est amenée à la machine ainsi construite en trois endroits: a) Pour la machine à roue polaire
1. Apport du courant d'excitation des pôles par les ba- gues usuelles et entrainement mécanique de la roue polaire;
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2. Entraînement mécanique de l'induit A et du champ inducteur M par l'arbre du rotor;
3. Entraînement mécanique de l'induit A2 et du champ
2 inducteur Mpar l'arbre du rotor.
La roue polaire et le champ inducteur Mtournent dans le sens opposé à celui du rotor. L'induit A ainsi que les champs inducteurs M et M2 tournent dans le même sens que le rotor. b)Pour la machine à collier porte-balais :
1. -Apport du courant d'excitation au collecteur et en- trainement mécanique du collier porte-balais; 2. Entraînement méc anique du collecteur, et par consé- quent, du champ inducteur M par l'arbre du rotor; 3. Entraînement mécanique de l'induit A2 et du champ inducteur M2 par l'arbre du rotor.
Le collier porte-balais et le champ inducteur M1 tour- nent dans le sens opposé à celui du rotor.
Le collecteur ainsi que les champs inducteurs M et M 2 tournent dans le même sens que le rotor.
Les enroulements des champs d'excitation et des champs inducteurs peuvent aussi être faits sous forme d'enroulements à courant alternatif.
Si la disposition des champs inducteurs M, M1 et M2 et des champs d'excitation correspondants A, A1 et A2, conduisait à des dimensions inopportunes, les champs A et M, A1 et M1, ain- si que A2 et M2,respectivement, peuvent aussi être montés con- centriques entre eux.
Fig. 3 représente le cas d'une juxtaposition.
Fig. 4 représente une solution dans laquelle .A et M sent concentriques.