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Perfectionnements aux machines électriques synchrones
L'invention se rapporte aux machines dynamo-électriques synchrones auto-excitatrices et à régulation automatique, du type sans balais, comportant un champ tournant excité par un courant alternatif fourni par un excitateur dont l'induit tournant est monté sur le même arbre que l'enroulement du champ tournant de la machine principale et relié de façon permanente à l'enroulement de champ de cette machine principale'par l'intermédiaire d'un redresseur monté sur ce même arbre et tournant avec lui.
De telles machines seront appelées ci-après machines dynamo-électriques synchrones sans balais du type précité.
Bien qu'on puisse aussi bien appliquer l'invention
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à des moteurs synchrones, l'invention est particulièrement appli- cable à des alternateurs synchrones dont on peut réaliser l'auto- excitation en courant continu et régulariser le fonctionnement de façon à obtenir une tension constante. L'invention vise sur- tout à réaliser d'une manière plus simple; des alternateurs syn- chrones de ce type et à augmenter leur sûreté de fonctionnement en obtenant, à toutes les charges et pour tous les facteurs de puissance, une régulation précise de la tension combinée avec un rétablissement rapide de la tension à sa valeur normale après de brusques variations de charge.
La présente invention est un perfectionnement ou une modification de l'invention faisant l'objet du brevet princi- pal n 660. 858 qui décrit une machine synchrone sans balais du type précité,dont l'excitateur est réalisé sous la forme d'un changeur de fréquence tournant comportant un enroulement rotori- que secvt.daire unique, relié à l'enroulement de champ de la ma- chine principale par l'intermédiaire d'un redresseur tournant, et un stator comportant deux enroulements primaires distincts, ces deux enroulements primaires, qui ont le même nombre de pha- ses,que la machine ainsi que le même nombre de pôles, étant tous deux alimentés à partir du courant de sortie de la machine prin- cipale, l'un par une composante d'intensité alternative dépendant du courant de charge de la machine principale, et l'autre,
par une composante d'intensité alternative dépendant de la tension aux bornes de la machine principale.
La forme d'exécution représentée à la figure 5 du brevet principal n 660.858 comporte un transformateur de cou- rant dont l'enroulement primaire est excité par le courant de charge de l'alternateur tandis que son enroulement secondaire, qui a un plus grand nombre de spires que son enroulement primaire,
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est relié à l'enroulement primaire de l'excitateur véhiculant la composante d'intensité dépendant de la tension aux bornes.
Ceci a pour effet de transférer une partie du travail d'excitation de l'enroulement primaire de l'excitateur véhiculant la composante d'intensité dépendant de la charge à l'autre enroulement primaire de l'excitateur, permettant ainsi de réduire en proportion le nombre de spires de l'enroulement primaire véhiculant la composante d'intensité dépendant du courant de charge.
Selon la présente invention, l'excitateur d'une machine dynamo-électrique synchrone sans balais du type précité est réalisé sous la forme d'un changeur de fréquence rotatif comportant un enroulement rotorique secdaire unique, relié à l'enroulement de champ de la machine principale par l'intermédiaire d'un redresseur, et un stator comportant un enroulement primaire unique alimenté par la sortie de la machine principale, l'enroulement primaire de cet excitateur étant connecté aux bornes de sortie de la machine principale par l'intermédiaire d'une impédance constante en principe non résistive (comme, défini ci-près) l'enroulement primaire de cet excitateur étant aussi' . connecté à l'enroulement secondaire d'un transformateur de courant dont l'enroulement primaire est excité par le courant de charge de la machine principale.
En l'occurence, l'expression "impédance constante" désigne une impédance qui est indépendante des variations d'intensité pour une fréquence donnée mais qui n'est pas indépendante des variations de fréquence.
On injecte ainsi dans l'enroulement primaire dé-.l'excitateur une composante d'intensité alternative dépendant du courant de charge de la machine principale provenant du transfor-
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mateur de courant, ainsi qu'une composante d'intensité alternative dépendant'de la tension aux bornes de la machine principale et appliquée par l'intermédiaire de cette impédance constante.
Si on la compore au brevet principal n 660.858, dans le cas de là présente invention, la composante d'intensité alternative totale dépendant du courant de charge est en fait transférée et injectée dans l'enroulement primaire unique de l'excitateur, en superposition à l'autre composante d'intensité alterna.-, tive dépendant de la tension aux bornes, ce qui permet d'omettre un second enroulement primaire dans l'excitateur.
L'impédance constante peu être en substance entièrement inductive. Par exemple, elle peut être constituée par une bobine de réactance linéaire (une self non raturée) associée à un entrefer ménagé dans son circuit magnétique et connectée, en parallèle avec l'enroulement secondaire du transformateur de courant, aux bornes de l'enroulement primaire de l'excitateur. Dans ce cas, on peut brancher un condensateur de compensation en parallèle sur l'enroulement primaire de l'excitateur, la capacitance du condensateur étant approximativement adaptée à la réactance de la bobine de réactance linéaire sur la fréquence normale de sortie de la machine principale.
Cette disposition élimine pratiquement la charge réactive appliquée à la machine par le circuit d'excitation; elle assure, en outre, l'auto-excitation de la machine principale au moment du démarrage et réduit l'influence des variations de la résistance de l'enroulement de champ.
Dans un autre forme d'exécution de l'invention, l'impédance constante est constituée par un transformateur de tension dont l'enroulement primaire est connecté aux bornes de sortie de la machine principale, tandis que son enroulement secondaire est connecté à l'enroulement primaire de l'excitateur en série avec l'enroulement secondaire du transformateur de courant.
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L'excitateur et son redresseur associé sont, de préférer ce, triphasés, mais 1'impédance constante aura, de préférence,le même nombre de phases que la machine principale. Si la machine prin cipale est monophasée, on agence, de préférence, l'enroulement primaire de l'excitateur de façon à réaliser un amortissement en quadrature efficace. Ceci peut se réaliser soit au moyen d'un enroulement auxiliaire en court-circuit dont l'axe est perpendi- culaire à l'enroulement primaire de l'excitateur, soit en joi- gnant deux phases de l'enroulement primaire triphasé de l'excita- teur qui dévra être monté en étoile et en alimentant cet enroule- ment par l'intermédiaire de cette jonction et de la troisième phase de l'enroulement.
Le nombre des pôles de l'excitateur peut être diffé- rent du nombre des pôles de la machine. Pour les machines poly- phasées, il est préférable que la fréquence du courant fourni par l'excitateur soit supérieure à celle du courant d'entrée, en a- gençant la machine de façon que le champ magnétique créé dans l'entrefer de l'excitateur tourne dans le sens opposé au sens de rotation de l'arbre, afin de réduire l'influence des variations 'de température sur la résistance de l'enroulement de champ de la machine principale. L'entrefer de l'excitateur doit être aussi petit que le permettent les limitations mécaniques, car on réduit ainsi la valeur que doit avoir le,'courant magnétisant, ainsi que les pertes, tout en obtenant un rétablissement plus rapide de la tension après de brusques variations de charge.
Dans une autre forme d'exécution de l'invention, le circuit d'excitation contient un auto-transofmreteur linéaire ayant
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un entrefer dans son circuit magnétique,, l' au to-transformateur con- tituant à la fois l'impédance constante et l'auto-transformateur et l'enroulement entier de la phase ou de chaque phase de 1'auto transformateur étant mis, en série avec l'enroulement primaire de l'exci-
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tateur, aux bornes de sortie de la machine principale, tandis qu'une partie de l'enroulement de 1'auto.transformateur est reliée en série avec. l'enroulement statorique de la machine principale à l'effet de véhiculer le courant de charge de la machine principale.
Dans une autre forme d'exécution encore de l'invention, l'impédance constante consiste en un condensateur, dont la capacitance est, de préférence, approximativement adaptée à la réactance de l'enrou- lement primaire de l'excitateur associé, à la fréquence normale de sortie de la machine principale.
Pour réaliser l'auto-excitation de la machine principale, on peut remplacer l'agencement à condensateur précédemment décrit par un dispositif comportant des aimants permanents. C'est ainsi qu'on peut associer un aimant permanent à la machine principale ou à l'excitateur, ou bien utiliser un excitateur supplémentaire consti- tué par un petit aimant permanent comportant son propre redresseur relié au circuit de champ, comme, par exemple, cela est décrit dans le brevet britannique n 929.120.
L'invention peut être mise en oeuvre de diverses manières.
On se bornera toutefois à ne décrire ci-après que trois formes d'exécution déterminées qui sont données uniquement à titre d'exem- ple et avec référence aux dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 représente un schéma de circuit d'un alterna- teur à auto-excitation du type sans balais comportant un tranforma- teur de courant et une bobine de réactance linéaire avec entrefer.
La figure 2 représente un schéma de circuit d'une forme @ modifiée d'alternateur sans balais, comportant, dans son circuit d'excitation, un transformateur de courant avec entrefer et un trans-, formateur de tension.
La figure 3 représente un schéma de circuit d'une autre forme d'exécution d'un alternateur sans balais comportant un auto- transformateur linéaire avec entrefer ainsi qu'en plus de son exci- tateur .auxiliaire à aimant permanent, et
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La figure 4 est un schéma de circuit d'une modification de l'alternateur de la figure 1, dans lequel l'impédance série se trouvant dans le circuit d'excitation est un condensateur.
Dans la forme d'exécution représentée à la figure 1 l'alternateur 10 comporte un stator 10B contenant un enroulement de sortie en courant alternatif 19 et un rotor 10A comportant un enroulement de champ 14-. L'excitateur 11 est constitué par un changeur de fréquence dont l'enroulement primaire triphasé uni- que 17 est connecté dans le stator 10B et dont l'enroulement se- condaire triphasé unique 12 est monté sur le même arbre que le rotor 10A de la machine principale de manière à tourner avec ce- lui-ci, l'enroulement de champ 14 de la machine principale étant alimenté par l'intermédiaire d'un redresseur triphasé 13.
L'enroulement primaire unique 17 du stator de l'ex- citateur 11 ést relié à l'enroulement secondaire de sortie 18B d'un transformateur de courant 18 ainsi qu'aux bornes de sortie
A, B et C de la machine principale' 10 par l'intermédiaire d'une bobine de réactance linéaire triphasée 20 (une inductance cons- tituée par une self non saturée) dont le circuit magnétique com- porte un entrefer. Le transformateur de courant 18 applique une composante d'intensité alternative à l'enroulement 17, cette composante étant proportionnelle au courant de charge de l'alter- nateur 10. La bobine de réactance linéaire 20 applique une com- posante d'intensité alternative à l'enroulement primaire 17 de l'excitateur, cette composante étant en substance proportionnelle à la tension aux bornes de l'alternateur 10.
Un condensateur triphasé de compensation 22 est connecté, aux bornes de sortie de la bobine de réactance linéaire 20, cette ca pacitance étant approximativement adaptée à la réactance de l'indue- tance 20 à la fréquence d'alimentation. Le condensateur 22 sert @ à compenser l'énergie réactive consommée par la bobine de réac- tance linéaire 20 et sert aussi à obtenir une auto-excitation @ satisfaisante de l'alternateur sans balais dans n'importe quelle
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condition.
En outre, le circuit accordé qui est constitué par la bobine de réactance 20 et le condensateur 22 améliore la régulation de la tension de la machine malgré les variations de résistance de l'enroulement de champ 14 sous l'effet des variations de température:
On remarquera que la forme d'exécution représentée à la figure 1 est un cas particulier de l'agencement de circuit représenté à la figure 5 du brevet principal n 660.858 dans lequel l'excitateur comporte deux enroulements primaires distincts.
Dans le cas actuellement considéré, la composante de courant entière est transférée et injectée dans l'enroulement primaire unique 17 de l'excitateur, ce qui permet d'omettre le second enroulement primaire qui a été prévu.dans le brevet principal.
Dans la forme d'exécution représentée à la figure 2, l'alternateur 10 est à nouveau constitué par une machine tripha- sée dont l'excitateur consiste en un changeur de fréquence triphasé 11. Dans ce cas cependant, le redresseur 30 de l'excita- teur est un redresseur en pont et l'enroulement rotorique 31 de l'excitateur est en triangle. L'entrée de l'enroulement primaire .unique 17 de l'excitateur 11 est constituée par une connexion sé- rie entre l'enroulement secondaire 32 d'un transformateur de ten- sion 33 et l'enroulement secondaire 35 d'un transformateur de cou- rant 36 dont le circuit magnétique comporte un entrefer.
L'enroulement primaire 37 du transformateur de tension 33 est connec- té aux bornes d'alimentation A, B et C de l'enroulement statori- 19 de la machine principale 10, tandis que l'enroulement primaire
38 du transformateur de courant 36 est relié en série avec la sor- 'tie de l'enroulement statorique 19 de la machine principale, com- , me cela est décrit dans le brevet britannique n 71.9212 qui con- cerne des alternateurs qui ne sont pas du type sans balais.
L'en-
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trefer dans le circuit magnétique du transformateur de courant 36 sert à limiter la chute de tension réactive dans ce circuit et à obtenir une régulation de tension précise pour toutes charges et tous facteurs de puissance, ' Le rétablissement de la tension à sa valeur normale après de brusques variations de charge n'est pas aussi favorable dans la forme d'exécution de la figure 2 que dans l'exemple de la figure 1, du fait que l'enroulement primaire 17 de l'excitateur est alimenté par les enroulements 32 .et 35 en série.
Dans la forme- d'exécution représentée à la figure 3, un alternateur monophasé 40 est combiné avec un excitateur changeur de fréquence 41 dont le stator et le rotor sont triphasés. L'enroulement secondaire rotorique triphasé 42 de l'exci- tateur alimente l'enroulement de champ 14 de l'alternateur par l'intermédiaire d'un redresseur triphasé 43, comme dans le cas de la figure 1. L'enroulement primaire statorique triphasé unique 44 de l'excitateur 41 a une phase 45 connectée en série avec une combinaison parallèle des deux autres phases 46 et 47, de manière à obtenir un amortissement en quadrature efficace.
L'enroulement primaire statorique 44 de l'excitateur 41 est alimenté par un auto-transformateur linéaire monophasé 48 dont le circuit magnétique comporte un entrefer, ceci remplaçant la combinaison série du transformateur de courant 33 et du transformateur de tension 36 de la forme d'exécution de la figure 2. La partie
49 de l'enroulement de l'auto-transformateur 48 contenant le plus petit nombre de spires est connectée en série avec l'enroulement statorique 50' de l'alternateur 40 de manière à être excitée par le courant de charge de l'alternateur 40, tandis que le courant pénétrant dans l'enroulement primaire statorique 44 de l'excita- teur parcourt les deux parties 49 et 51 de l'auto-transformateur 48
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c'est-à-dire l'enroulement entier de cet auto-transformateur.
L'entrefer du circuit magnétique de l'auto-transformateur 48 joue le même rôle que dans la forme d'exécution de la figure 2.
Le rétablissement de la tension à sa valeur normale après des variations brusques de charge est de la même qualité dans la forme d'exécution de la figure 3 que dans la forme d'exécution de la figure 2. Afin d'obtenir une auto-excitation dans toutes les conditions, un excitateur de démarrage 55 comportant un petit aimant permanent est utilisé cornue décrit dans le brevet britannique n 929.120. L'excitateur de démarrage à aimant permanent 55 se compose d'un stator à aimant permanent 56 et d'un enroulement rotpri- que 57 ayant son propre redresseur 58 monté sur le même arbre que l'enroulement rotorique 42 de l'excitateur 41 et l'enroulement de champ 14 de l'alternateur 40.
La figure 4 représente une modification de l'alternateur décrit avec référence à la figure 1. Dans ce cas, la bobine de réactance linéaire 20 de la figure let son condensateur de compenstation 22 sont remplacés par une impédance constante constituée par un condensateur 60 relié, en série avec l'enroulement primaire 17 de l'excitateur, aux bornes de sortie A, B et C de l'alternateur principal 10. La capacitance du condensateur 60 est approximativement adaptée à la réactance de l'enroulement primaire 17 de l'excitateur. En outre, les connexions entre l'enroulement secondaire 18B et l'enroulement primaire 17 de l'excitateur sont interverties par rapport à celles du condensateur 60, afin de tenir compte du déphasage de 1800 introduit par le condensateur 60.
Pour le reste, la forme d'exécution de la figure 4 est semblable à celle de la figure 1, les mêmes , éléments portant les mêmes références sur les deux figures. La forme d'exécution de la figure 4 est intéressante du point de vue commercial, parce qu'on 'économise le coût de la bobine de réactance linéaire 20 de la figure 1, les dimensions et le prix du condensateur 60 et du conden-
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sateur de compensation 22 de la figure 1 étant du même ordre de grandeur.
Dans toutes les formes d'exécution décrites ci-avant et représentées aux dessins annexés, il est possible d'obtenir une tension régularisée entre 2 et 4 % de la valeur nominale à toutes les charges, Si on désire obtenir une régulation plus précise, on peut superposer à l'agencement précédemment décrit un dispositif de réglage fin supplémentaire, comme celui décrit dans le brevet principal n 660.858.
REVENDICATIONS.
1. Machine dynamo électrique synchrone sans balais du type pré- cité, dont l'excitateur est réalisé sous la forme d'un changeur de fréquence tournant comprenant un enroulement secondaire ro- torique unique, relié à 1' enroulement de champ de la machine principale par l'intermédiaire d'un redresseur, et un enroule- ment primaire statorique unique alimenté par la sortie de la machine principale, cet enroulement primaire de l'excitateur étant relié aux bornes de sortie de la machine principale par l'intermédiaire d'une impédance constante en principe non ré- sistive (comme défini ici) cet enroulement primaire de l'exci- tateur étant aussi relié à l'enroulement secondaire d'un trans- formateur de courant dont l'enroulement primaire est excité par le courant de charge de la machine principale.