Installation comprenant une machine électrique rotative à courant alternatif La présente invention a pour objet une installation comprenant une machine électrique rotative à cou rant alternatif, destinée à être utilisée comme moteur ou comme générateur, ladite machine comprenant un enroulement de stator agencé de manière à pouvoir fournir un champ tournant princ'pal à p pôles et un champ tournant superposé<I>à</I> rip pôles produit simul tanément avec ledit champ principal, où ii est un nombre entier petit.
Il est connu qu'un moteur synchrone convention nel ne peut pas démarrer seul lorsque ses enroule ments sont alimentés. En outre, lorsque ce moteur est en marche et si une charge pulsatoire est appli quée au rotor, il y a l'apparition d'oscillations pen dulaires.
Dans une machine synchrone normale, il est donc nécessaire de prévoir un enroulement de démarrage et d'amortissement en circuit fermé, monté sur les pôles à courant continu. Cet enroulement en circuit fermé fournit un couple de démarrage obtenu grâce à l'action du champ principal fourni par le stator alimenté en courant alternatif. Cet enroulement en circuit fermé provoque, en outre, l'amortissement des oscillations dues aux variations de la charge. Lors que la machine tourne à la vitesse normale et sa charge est constante, il n'y a pas de déplacement relatif entre le champ magnétique du stator et l'en roulement d'amortissement.
La caractéristique principale d'un moteur asyn chrone est que le stator et le rotor muni de bagues collectrices peuvent être alimentés simultanément de telle manière que les vitesses des champs tournants s'ajoutent. Ainsi, le moteur peut tourner à une vitesse double de la vitesse de synchronisme, c'est-à-dire qu'il peut tourner à une vitesse de
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où f est la fré quence d'alimentation et p est le nombre de pôles principaux. Quoiqu'une telle machine soit construite comme un moteur à induction, elle fonctionne comme un moteur synchrone lorsqu'elle est alimentée dou blement.
Toutefois, une telle machine alimentée double ment, qui fonctionne comme une machine synchrone, ne peut pas démarrer toute seule et elle ne présente pas de caractéristique d'amortissement. C'est la rai son pour laquelle elle n'a pas été utilisée jusqu'à présent.
La présente invention a pour but d'obvier à ces inconvénients. L'installation qui en fait l'objet est caractérisée en ce que l'enroulement du rotor de la machine est connecté de manière qu'il agisse comme un enroulement à circuit ouvert par rapport au champ principal à p pôles et comme un enroulement en court-circuit par rapport au champ superposé<I>à</I> np pôles,
et en ce qu'elle comprend une source de cou rant de fréquence f pour alimenter l'enroulement de stator de manière que celui-ci fournisse ledit champ tournant principal à p pôles et une source- de courant de fréquence 2nf pour alimenter l'en roulement de stator de manière que celui-ci four nisse ledit champ tournant superposé<I>à</I> np pôles. Le dessin ci-annexé représente, à titre d'exem ple, quelques formes de réalisation de l'objet de la présente invention.
La fia. 1 est un schéma des enroulements du rotor d'une machine ayant un champ principal à 4 pôles et un champ d'amortissement superposé à 8 pôles.
La fig. 2 est un schéma d'un groupe de bobines correspondant au schéma de la fi-. 1.
La fig. 3 est un schéma de l'enroulement de rotor, constitué par 3 groupes de bobines selon les fig. 1 et 2, connectées en étoile. La fig. 4 est un schéma des enroulements du stator, constitués par deux groupes d'enroulements qui fournissent respectivement un champ à 4 pôles et un champ à 8 pôles et qui sont alimentés par deux sources différentes.
La fil-. 5 est un développement panoramique des enroulements de stator correspondant au schéma de la fig. 4.
La fia. 6 est un autre schéma des enroulements de stator comprenant un seul groupe d'enroulements nui est alimenté à deux fréquences différentes pour fournir des champs à 4 et à 8 pôles.
La fig. 7 est un développement panoramique droit des enroulements statoriques correspondant au schéma de la fig. 6.
La fig. 8 est un schéma de l'enroulement de rotor d'une machine dont le champ principal est à 2 pôles et dont le champ d'amortissement est à 6 pôles.
La fig. 9 est un développement panoramique droit de l'enroulement de stator correspondant, capa ble de fournir un champ à 2 pôles et un champ à 6 pôles.
La fia. 10 est un schéma d'une installation com prenant une machine à 2 pôles/6 pôles, correspon dant aux schémas des fig. 8 et 9.
En fig. 1, l'enroulement de rotor comprend 4 groupes de bobines 1, 2, 3 et 4, comprenant des bobines à pas entier définissant 4 et 8 pôles.
En fig. 2, les groupes de bobines correspondantes portent les mêmes chiffres de référence. Les grou pes de bobines 1 et 3 sont reliés en série au moyen du conducteur 5 ; les groupes de bobines 4 et 2 sont reliés en série par le conducteur 6. Ces deux branches connectées en série sont reliées en paral lèle au moyen des conducteurs 7 et 8.
Les fig. 1 et 2 représentent une phase de l'en roulement d'une machine triphasée. L'enroulement triphasé selon la fig. 3 est monté en étoile. Le con ducteur 7 de la phase représentée aux fig. 1 et 2 est relié au point neutre 9 et le conducteur 8 est relié à une borne 10 et à une bague collectrice 11.
En fig. 1, la distribution de la force magnéto- motrice indiquée au-dessus de la ligne pointillée cor respond à 4 pôles (fonctionnement en circuit ouvert) et au-dessous de la ligne pointillée à 8 pôles (fonc tionnement en court-circuit).
En fig. 2, le sens de la force électromotrice est indiqué par des flèches situées à l'intérieur du groupe des bobines pour 4 pôles et à l'extérieur pour 8 pôles. Les forces électromotrices pour 4 pôles sont en phase entre les bornes 9 et 10 et les forces électro motrices pour 8 pôles sont en phase dans le circuit fermé formé par les groupes de bobines 1, 2, 3 et 4.
En fig. 3, l'enroulement de rotor comprend trois groupes de bobines identiques, chaque groupe corres pondant à celui représenté en fig. 2. Les trois grou pes sont indiqués par des indices numériques sem blables, les trois enroulements de phases se distin- P <B>a</B> ant par des indices ' et ". La borne 10 de la première phase est reliée à la bague collectrice 11. Les bornes 10' et 10" des deux autres phases sont connectées respectivement aux bagues collectrices 12 et 13.
Les 3 bagues collectrices 11, 12 et 13 sont reliées respectivement au moyen de câbles de balais 14, 15 et 16 aux conducteurs 17, 18 et 19 d'une source d'alimentation à 50 p./s.
Les enroulements du stator selon la fig. 4 sont constitués par deux groupes d'enroulements connec tés tous les deux en étoile. Ces enroulements four nissent un champ principal à 4 pôles, un champ d'amortissement superposé et un champ auxiliaire de démarrage tous les deux à 8 pôles. A ces enrou lements de stator correspond l'enroulement de rotor selon les fig. 1, 2 et 3.
En fig. 4, l'enroulement A fournissant le champ principal à 4 pôles comprend trois enroule ments de phase 51, 52 et 53 connectés respective ment entre un point neutre 50 et des bornes 54, 55 et 56. Les bornes 54, 55 et 56 sont reliées respec tivement aux conducteurs 40, 41 et 42 d'une source d'alimentation triphasée à 50 p./s. L'enroulement < : B >> fournissant un champ à 8 pôles comprend trois enroulements de phases 21, 22 et 23, connectés res pectivement entre un point neutre 20 et des bornes 24, 25 et 26. Les bornes 24, 25 et 26 sont reliées respectivement aux conducteurs 43, 44 et 45 d'une source d'alimentation auxiliaire triphasée à 200 p./s.
La fig. 5 représente un développement panora mique droit des enroulements de stator correspon dant au schéma de la fig. 4, les enroulements et les bornes étant indiqués par les mêmes indices dans ces deux figures.
L'enroulement A fournissant le champ prin cipal à 4 pôles est représenté dans la partie supé rieure de la fig. 5. Le pas de cet enroulement em brasse 7 encoches, c'est-à-dire il s'étend de l'encoche 1 à l'encoche 8, ce qui correspond à 7/9 d'un pas polaire entier.
L'enroulement B ,> qui fournit le champ super posé et le champ de démarrage à 8 pôles est repré senté dans la partie inférieure de la fig. 5. Le pas de cet enroulement embrasse 4 encoches, c'est-à-dire il s'étend de l'encoche 1 à l'encoche 5, ce qui cor respond à 8/9 d'un pas polaire entier (8 pôles).
La fig. 6 montre un autre enroulement de stator dans lequel les champs à 4 et à 8 pôles sont fournis par un seul enroulement qui est simultanément ali menté à deux fréquences différentes.
L'enroulement triphasé selon la fig. 6 comprend 3 enroulements de phases 21, 22 et 23 munis de prises médianes reliées respectivement aux bornes 24, 25 et 26. Un transformateur d'alimentation tri phasé à 50 périodes par seconde possède 3 enrou lements primaires 27, 28 et 29 montés en triangle entre les bornes 30, 31 et 32. Ce transformateur possède 3 enroulements secondaires 33, 34 et 35 munis de prises médianes 36, 37 et 38 reliées à un point neutre 39.
Les extrémités des enroulements de phases 21, 22 et 23 sont montées respectivement entre les paires de bornes 61, 62 ; 63, 64 et 65, 66, en parallèle avec les enroulements secondaires 33, 34 et 35. Les bornes primaires 30, 31 et 32 sont reliées respecti vement à une source d'alimentation triphasée à 50 p.-s., au moyen de conducteurs 40, 41 et 42. Les bornes 24, 25 et 26 sont reliées respectivement à une source d'alimentation triphasée à 200 p./s. au moyen des conducteurs 43, 44 et 45.
Les trois enroulements de phases 21, 22 et 23 sont reliés en série par rapport à la source d'ali mentation à 50 p./s. Ces enroulements sont reliés en parallèle par rapport à la source d'alimentation à 200 p./s. La fig. 7 représente un développement panoramique droit des enroulements correspondant au schéma selon la fig. 6, les enroulements et les bornes étant indiqués par les mêmes indices dans ces deux figures.
Les enroulements de stator possèdent un pas qui embrasse 4 encoches et qui s'étend de l'encoche 1 à l'encoche 5, c'est-à-dire ce pas correspond à 4/9 du pas polaire pour 4 pôles, et à 8/9 du pas polaire pour 8 pôles. Pour mettre en marche une machine ayant les enroulements de rotor selon les fig. 1 à 3, et les enroulements de stator selon les fig. 4 et 5, l'enroulement de rotor n'est pas alimenté et la source à 50 p.'s. est séparée des bornes 54, 55 et 56 de l'enroulement A. La source d'alimentation à 200 p./s. est reliée à l'enroulement B .
Les enroulements de phases 21, 22 et 23 alimentés à 200 périodes par seconde fournissent alors un champ à 8 pôles tournant autour de l'axe de stator à une vitesse double de la vitesse synchrone correspondant à 50 p./s. et 4 pôles.
L'enroulement de rotor selon les fig. 1 à 3 se comporte alors comme un enroulement en court-cir cuit<B>,</B> le moteur est ainsi à autodémarrage et il démarre comme un moteur à induction et atteint une vitesse voisine de la vitesse double de la vitesse de synchronisme correspondant à 50 p./s et 4 pôles.
Lorsque cette vitesse est atteinte, l'enroulement de rotor et l'enroulement de stator A sont ali mentés simultanément à 50 p./s. Les bornes 54, 55 et 56 de l'enroulement de stator A sont reliées aux conducteurs 40, 41 et 42. La bague collectrice 11 du rotor selon la fia. 3 est reliée au conducteur 17 et les bagues collectrices 12 et 13 des deux autres phases sont reliées respectivement aux conducteurs 18 et 19. Les conducteurs 40, 41 et 42 peuvent être considérés comme étant reliés aux conducteurs 17, 18 et 19 de manière à obtenir des champs de rotor et de stator tournant dans des sens opposés.
Grâce à ces deux champs magnétiques à 4 pôles et 50 p. /s tournant dans des sens opposés, le rotor s'accroche et tourne avec une vitesse double de la vitesse de synchronisme, c'est-à-dire avec une vitesse de 3000 t./m. On réduit ensuite la tension d'alimen tation à 200 p./s à une faible valeur, le moteur étant alimenté par la source à 50 p./s au moyen des conducteurs 17, 18 et 19 et des conducteurs 40, 41 et 42. Le but de l'alimentation réduite à 200 p./s est de produire le champ tournant à 8 pôles de stator, afin de provoquer l'amortissement.
Lorsque le moteur tourne à la vitesse de 3000 t./m, il n'y a pas de rota tion relative entre le champ à 8 pôles de stator et l'enroulement de rotor. Des variations de la charge du rotor qui provoquent le retard du rotor par rap port au champ à 8 pôles engendrent des courants de circulation dans les trois enroulements de phases du rotor, de sorte qu'il en résulte l'amortissement désiré.
Pour mettre en marche une machine ayant un enroulement de rotor selon les fig. 1 à 3, et un enrou lement de stator selon les fig. 6 et 7, l'enroulement de rotor n'est pas alimenté et la source d'alimen tation à 50 p./s est séparée des bornes 30, 31 et 32 du transformateur. La source à 200 p./s est reliée aux bornes 24, 25 et 26. Les enroulements 21, 22 et 23 fournissent alors un champ à 8 pôles tournant autour de l'axe du stator, avec une vitesse double de la vitesse de synchronisme correspondant à 50 p./s et 4 pôles. Le moteux démarre comme un moteur à induction et atteint la vitesse indiquée ci-dessus.
Lorsque la vitesse double de la vitesse de syn chronisme correspondant à 50 p./s et 4 pôles est atteinte, les enroulements de rotor et de stator sont alimentés simultanément à 50 p./s. Les bagues col lectrices 11, 12 et 13 sont alimentées respective ment par les conducteurs 17, 18 et 19. Les bornes 30, 31 et 32 du transformateur sont alimentées par les conducteurs 40, 41 et 42 qui sont reliés respec tivement aux conducteurs 17, 18 et 19 pour fournir des champs de stator et de rotor tournant dans des sens opposés.
Lorsque le rotor s'accroche, on réduit la tension d'alimentation à 200 p./s à une faible valeur, qui est nécessaire pour maintenir le champ d'amortissement à 8 pôles.
En choisissant convenablement le rapport de transformation du transformateur alimentant l'enrou lement de stator, on peut régler la densité du flux fourni par l'enroulement de stator lorsque le champ est à 4 pôles par rapport à la densité du champ à 8 pôles.
Un convertisseur auxiliaire de fréquence qui convertit la fréquence 50 p./s en fréquence de 200 p./s peut être utilisé pour alimenter les lignes 43, 44 et 45. L'énergie qui doit être fournie par ce conver tisseur est faible lorsque le moteur tourne à sa vitesse normale, et elle est plus importante, mais de faible durée, lorsqu'il démarre. Un convertisseur de faible puissance est ainsi suffisant. Un seul convertisseur peut alimenter plusieurs moteurs semblables, à con dition qu'un seul moteur démarre à la fois. Dans un tel cas, la tension d'alimentation à 200 p./s appli quée à chaque moteur peut être réglée, séparément, en utilisant par exemple un autotransformateur inter médiaire.
Les machines décrites en référence avec les fig. 1 à 3 et les fig. 4 et 5 ou 6 et 7 sont réversibles en ce qui concerne la livraison de l'énergie et elles peuvent être utilisées alternativement comme moteur synchrone ou comme génératrice synchrone. Dans ce dernier cas, la livraison de l'énergie à 200 p./s des tinée à faire démarrer la machine n'est pas néces saire, puisque le rotor est entraîné par un moteur. Dans ce cas, l'énergie à 200 p./s qui doit être fournie est toujours petite.
Un générateur auxiliaire d'alimen tation à 200 p./s est de même entrainé par ce motzur. Le générateur auxiliaire à 200 p./s doit donc être mis en marche avant le début du fonctionnement du générateur à 50 p./s.
Un moteur tournant à une vitesse double de celle du synchronisme, dans lequel l'harmonique 2 est amorti et qui possède un champ de démarrage, comme il a été décrit ci-dessus, est un moteur ayant un champ principal à deux pôles et un champ d'amor tissement à 4 pôles et qui tourne à une vitesse de 6000 t./m, ou c'est un moteur ayant un champ prin cipal à 6 pôles, un champ d'amortissement à 12 pôles et qui tourne à une vitesse de 2000 t./m.
Lorsque cette machine travaille comme généra teur synchrone, elle est une machine ayant un champ principal à deux pôles, un champ d'amortissement à 4 pôles, qui est entraînée à une vitesse de 6000 t./m et qui fournit une énergie à 50 p./s. Le géné rateur auxiliaire est, dans ce cas, une machine à 4 pôles. Une machine particulièrement intéressante, qui peut travailler comme moteur ou comme géné rateur triphasé, est une machine dans laquelle le champ d'amortissement superposé et le champ auxi liaire de démarrage constituent un troisième harmo nique du champ principal.
Dans une telle machine, le champ principal peut être à deux pôles et le champ d'amortissement et de démarrage à 6 pôles, et la machine tourne à une vitesse double de la vitesse synchrone corres pondant à 50 p./s et 2 pôles, c'est-à-dire à une vitesse de 6000 t./m.
Dans une forme de réalisation particulière, l'en roulement de rotor est à 2 pôles/6 pôles selon la fig. 8, et l'enroulement de stator est celui de la fig. 4. La fréquence de la tension d'alimentation de l'un des enroulements du stator est plus élevée et elle est égale à 300 p./s au lieu de 200 p./s. L'enrou lement de stator est représenté à la fig. 9 et le schéma complet de l'installation est montré en fig. 10.
L'enroulement de rotor selon la fig. 8 est un enroulement à pas entier à 2 pôles, comprenant trois enroulements de phase 85, 86 et 87, reliés en série entre les bornes 81, 82, 83 et 84. Les bornes 81, 82, 83 et 84 sont reliées respectivement à des bagues collectrices 71, 72, 73 et 74. Ces bagues sont reliées respectivement au moyen des câbles de balais 14, 15 et 16 à une source d'alimentation triphasée à 50 p./s au moyen des conducteurs 17, 18 et 19.
La bague collectrice 74 est reliée au moyen de son câble de balais 14 et au moyen d'une résistance variable 88 à la bague 71 et de même à une borne d'un interrupteur 89 qui, lorsqu'il est fermé, relie la borne 81 directement à la borne 84 à travers les bagues collectrices 71 et 74. L'enroulement de rotor selon la fig. 8 fonctionne comme un enroulement à deux pôles lorsqu'il est monté en triangle et comme un enroulement monophasé à 6 pôles lorsque les enroulements de phase sont connectés en série.
Lorsque cette machine travaille comme moteur, elle démarre de la même manière que la machine décrite ci-dessus. L'interrupteur 89 est ouvert et la résistance 88 est active pendant le démarrage. L'in troduction de la résistance 88 conduit à l'amélio ration du couple de démarrage. Un moteur à induc tion ayant un stator triphasé et un rotor monophasé, peut présenter le phénomène Gôrges de sorte qu'il tourne à une vitesse égale à la moitié de sa vitesse normale. Cet effet peut être éliminé en intro duisant une résistance dans le circuit des enroule ments du rotor montés en série, comme représenté en fi-. 8.
Le rotor démarre avec une vitesse égale au double de la vitesse de synchronisme correspondant à 50 p./s et 2 pôles, due au champ tournant fourni par l'en roulement statorique B alimenté à 300 p. /s. Cette vitesse est de 6000 t./m. L'enroulement de rotor se comporte alors comme un enroulement en court- circuit. On ferme ensuite l'interrupteur 89 pour bran cher les enroulements de phases 85, 86 et 87 en triangle et pour les relier à la source d'alimentation à 50 p./s. L'enroulement de rotor et l'enroulement de stator A sont alors alimentés à 50 p./s.
En fig. 10, l'enroulement de stator A four nissant le champ principal à 2 pôles est constitué par 3 enroulements de phase 51, 52 et 53 reliés en étoile. Ces enroulements de phase sont montés res pectivement entre le point neutre 50 et les bornes 54, 55 et 56. Les bornes 54, 55 et 56 sont alimen tées respectivement à une fréquence de 50 p./s par les conducteurs 40, 41 et 42, ces conducteurs étant reliés à une source d'alimentation triphasée à 50 p.!s au moyen de conducteurs 17, 18 et 19 de manière que les champs à 2 pôles du stator et du rotor tournent dans des sens opposés.
L'enroulement d'amortissement et de démarrage B à 6 pôles est constitué par 3 enroulements de phase 104, 105, 106 connectés en étoile, montés respectivement entre un point neutre 100 et des bornes 101, 102 et 103. Les bornes 101, 102 et 103 sont alimentées à 300p. / s par des conducteurs 107, 108 et 109.
La disposition des enroulements A et B :> dans le stator est montrée en fig. 9.
Le pas de l'enroulement 51 à deux pôles s'étend de l'encoche 1 à l'encoche 13, c'est-à-dire il est égal à 2/3 d'un pas polaire (2 pôles) et cet enroulement a 6 bobines par groupe. Les autres enroulements de phase 52 et 53 sont enroulés de la même manière.
Le pas de l'enroulement 104 à 6 pôles s'étend de l'encoche 1 à l'encoche 6, c'est-à-dire il est égal au pas polaire (6 pôles) et cet enroulement possède deux bobines par groupe. Les autres enroulements de phase 105 et 106 sont enroulés de la même façon. Les enroulements A et B sont superposés dans les mêmes encoches du stator, comme montré en fig. 9. L'enroulement à 6 pôles B est disposé dans la partie supérieure des encoches.
La machine de l'installation selon la fig. 10 est réversible et elle peut fonctionner comme moteur ou comme générateur. Le rotor est indiqué par une ligne en pointillé 90 et l'axe du rotor est indiqué par la ligne pointillée 91. La ligne 91 constitue de même l'axe des bagues collectrices 71, 72, 73 et 74 et l'axe de l'arbre 92. L'arbre 92 est entraîné par le rotor ou il est entraîné par un moteur. Dans ce dernier cas, l'enroulement de stator B est alimenté à 300 p./s par un générateur entraîné par le même moteur. L'enroulement de rotor et l'enrou lement de stator A fournissent l'énergie à 50 p./s au réseau au moyen des conducteurs 17, 18 et 19.
L'avantage de cette machine dans laquelle l'har monique trois est amorti est dû à l'enroulement de rotor monté en triangle qui élimine l'harmonique 3 du champ principal. Ainsi, lorsque la machine tourne à une vitesse double de la vitesse de synchronisme, il suffit de fournir une faible énergie à 300 p./s pour engendrer un faible champ à 6 pôles qui provoque un fort amortissement du rotor.
En outre, dans une machine dans laquelle l'har monique 3 est amorti, les inconvénients relatifs à une machine à 2 pôles/4 pôles dans laquelle le deuxième harmonique est amorti sont éliminés. Un tel moteur à 2 pôles/4 pôles présente un déséqui libre du champ tournant qui n'empêche pas son uti lisation, mais qui nécessite une exécution très soi gnée de ce moteur. Ce phénomène est dû au fait que, lorsqu'on superpose dans une machine deux champs tournants dont le nombre de pôles diffère de deux pôles, il en résulte un champ magnétique tournant déséquilibré.
Par exemple, lorsque deux champs superposés sont à 2 pôles et à 4 pôles, et tournent respecti vement à 3000 et à 6000 t./m, le champ magné tique déséquilibré tourne à une vitesse de 9000 t./m. Dans la forme de réalisation décrite, utilisant des champs à 2 et 6 pôles, le déséquilibre est éliminé.