CH435429A - Groupe comprenant une machine électrique synchrone et un alternateur d'excitation - Google Patents

Description

      Groupe        comprenant    une     machine        électrique        synchrone     et     un        alternateur        d'excitation       L'excitatrice constitue un élément essentiel du fonc  tionnement d'une machine synchrone génératrice ou  motrice à laquelle elle est associée; elle assure en parti  culier le maintien de la tension aux bornes à une valeur  donnée et du synchronisme quand la charge varie.  



  Au cours de ces dernières années, la puissance d'exci  tation s'est accrue considérablement, en particulier celle  des turboalternateurs. Après avoir utilisé une excitatrice       entrainée    directement en bout d'arbre de ces derniers, on a  fait entraîner l'excitatrice par un réducteur de vitesse. Les  dimensions d'une telle excitatrice sont devenues impor  tantes par rapport à celles du générateur; de plus, les  bagues du générateur ont à capter des courants impor  tants, par exemple de 3500 A pour une puissance de  600 MW.  



  Aussi, a-t-on cherché à éliminer les excitatrices prin  cipales et pilotes, les     amplidynes,    etc., le réducteur de  vitesse et les bagues, et à éviter ainsi les inconvénients  relatifs à leur utilisation et à leur entretien, en employant  un     alternateur-excitateur    dont l'inducteur est fixe et dont  l'induit est monté sur l'arbre du générateur et tourne  ainsi à la même vitesse que lui, ce qui permet de lui donner  des dimensions réduites. L'enroulement induit de     l'alter-          nateur-excitateur    débite le courant d'excitation de la  machine synchrone par l'intermédiaire de cellules     redres-          seuses    à semi-conducteurs également fixées sur l'arbre.  



  Cette disposition, bien qu'elle présente l'avantage  d'une grande simplification des accessoires d'excitation et  d'une réduction très sensible de l'encombrement de l'en  semble, doit être dimensionnée pour fournir une puis  sance importante, telle que par exemple 2000 kW pour un  alternateur de 600 MW.  



  La présente invention apporte une amélioration très  importante à cette disposition, en en réduisant notam  ment la puissance et l'encombrement. Elle a pour objet  un groupe comprenant une machine électrique synchrone  et un alternateur d'excitation de cette machine.    On a déjà proposé de réaliser l'enroulement inducteur  d'un turboalternateur en métal aussi pur que possible  et de le refroidir par un     fluide    à basse température de  manière à réduire les pertes d'excitation à une très faible  valeur, le courant d'excitation étant amené sur des bagues  par des connexions reliées à une machine excitatrice portée  ou non par le rotor.

   Ce dispositif présente une solution de  continuité et favorise un     réchauffement    du liquide     cryo-          génique    du fait de la     conductibilité    du câblage de liaison  entre bagues collectrices et     alternateur-excitateur,    en  l'absence de précautions spéciales.  



  Le groupe selon l'invention, dans lequel la machine  électrique synchrone comprend un     enroulement    inducteur  en métal de grande pureté ou en alliage; refroidi à basse  température, alimenté par ledit     alternateur-excitateur,     monté sur l'arbre du rotor de ladite machine, par l'inter  médiaire d'un système redresseur de courant, est carac  térisé en ce que l'enroulement induit de l'excitateur est  également constitué par un métal de grande pureté ou un       alliage    et en ce que l'ensemble:

   enroulement inducteur  de la machine synchrone, système redresseur de courant et  enroulement induit de l'excitateur, est refroidi par un  même circuit continu de fluide     cryogénique.    Ce     fluide     peut être de l'hydrogène, du néon ou de l'azote. La  pureté du métal peut être telle que le taux     d'impuretés     soit inférieur à quelques dizaines de parties par million.  



  Le circuit sans coupure de     fluide        cryogénique    réduit  les pertes calorifiques. L'encombrement général des acces  soires de ce circuit, tant électriques que     cryogéniques,    se  trouve fortement diminué. De plus, la puissance d'excita  tion devient très faible, et les conditions de régulation et  de maintien de la     stabilité    de la machine synchrone sont  nettement améliorées.  



  Pour la réalisation du système redresseur fonction  nant à basse température, on peut envisager de nombreux  dispositifs tels que des tubes à vide, des redresseurs à  vapeur de mercure, des redresseurs à supraconducteurs,      mais de préférence des organes semi-conducteurs: diodes  simples, redresseurs commandés, transistors, semi-conduc  teurs à effet de champ.  



  La théorie de Shockley permettait de prévoir que la  résistivité des semi-conducteurs devait augmenter consi  dérablement lors du fonctionnement à une température  très basse. On pouvait donc craindre que les semi-conduc  teurs ne soient pas utilisables entre 15  K et 60  K, spé  cialement ceux à base de silicium.  



  Des mesures ont été effectuées sur des diodes simples  et sur des redresseurs comportant des électrodes de com  mande. Les caractéristiques courant/tension ont été tra  cées jusqu'à la température de l'hydrogène liquide.  



  La figure 1 montre à titre d'exemple l'une des séries  de caractéristiques relevées, pour des températures res  pectives de 20  C, 77  K et 20  K. Les résultats montrent  que l'emploi des semi-conducteurs à base de silicium,  germanium, alliages intermétalliques, ou autres, peut être  envisagé sans     difficulté    entre 15  K et 60  K, car la légère  augmentation de la chute de tension directe est compensée  par l'augmentation très nette de la pente de la courbe  courant direct/tension. On obtient une grande sécurité de  fonctionnement de redresseurs utilisés dans ces condi  tions, car l'écart entre la température d'emploi et la tem  pérature limite acceptable par le semi-conducteur est       fortement    accru, et la tension inverse que peut supporter  le redresseur est augmentée.

   De plus, la construction des  éléments redresseurs peut être     simplifiée    en utilisant des  connexions de faible section réalisées en métal très pur.  



  En se référant aux figures schématiques ci-jointes, 2 à 6,  on va décrire des exemples, donnés à titre non limitatif,  de mise en     #uvre    de l'invention dans le cas d'un groupe  comprenant un turboalternateur synchrone.  



  La figure 2 représente schématiquement la coupe lon  gitudinale d'un groupe comprenant un turboalternateur  et un alternateur d'excitation.  



  La     figure    3 représente schématiquement les accessoires  d'excitation et les connexions fixés sur le rotor.  



  La figure 4 représente une disposition d'introduction  ou de     sortie    du     fluide        cryogénique    dans une bobine induc  trice.  



  La figure 5 représente un dispositif d'entrée et de  sortie de fluide     cryogénique    monté en bout d'arbre.  



  La figure 6 est un schéma unifilaire simplifié des cir  cuits d'excitation d'une machine synchrone.  



  Suivant l'exemple de la     fig.    2, le turboalternateur est  composé d'un stator 1 et d'un rotor 2 qui tourne dans  des paliers 3 supportés par des     flasques    4     fixés    à la car  casse 5; un circuit magnétique fixe 6     supporte    un enroule  ment 7 dont les conducteurs sont refroidis directement par  la     circulation    d'un liquide tel que de l'eau ou de l'huile,  ou encore d'un fluide à basse température.  



  Le rotor comporte un certain nombre de bobines  inductrices constituées par des conducteurs creux en métal  aussi pur que possible et munies d'une isolation thermique  et d'une isolation électrique; on aperçoit les extrémités 8  de ces bobines sous les frettes 9 qui les retiennent. Ces  bobines sont alimentées en     fluide        cryogénique    par l'inter  médiaire de collecteurs 10 et de conduits d'entrée 11 et  de     sortie    12.  



  Le courant d'excitation est fourni par un     alternateur-          excitateur    comprenant un stator portant des bobines  inductrices 13, et un rotor 14 muni d'un enroulement  induit 15 en métal aussi pur que possible, muni d'une  isolation     thermique    et d'une isolation électrique. Cet     alter-          nateur-excitateur    est représenté plus en détail par la  figure 3.    Des redresseurs 16 tournant avec l'arbre du rotor,  sont disposés dans un compartiment 17. Un     boîtier    18  d'entrée et de sortie de liquide     cryogénique    est monté en  bout d'arbre.  



       L'alternateur-excitateur,    les redresseurs 16 et le boî  tier 18 sont enfermés dans un capot 19, muni de portes de  visite non représentées; ils pourraient aussi bien être placés  entre le palier 3 et le corps du rotor, mais les     difficultés     d'accès et d'entretien d'une telle disposition rendent pré  férable celle de la figure 2; d'autre part, le diamètre du  bout d'arbre 20 peut être sensiblement plus petit qu'à  l'intérieur de la machine, et il en résulte un gain appré  ciable sur les dimensions des accessoires et sur leur prix.  



  On peut réduire très sensiblement le nombre et la  dimension des redresseurs 16, et il est aisé de les loger  dans le compartiment 17 disposé entre le bobinage induit  15 de l'excitateur et le bout d'arbre 20. Ce compartiment  17 pourrait être placé entre l'induit 14 et le corps du rotor  de la machine principale, mais, pour des raisons d'acces  sibilité aux cellules et aux fusibles, il est placé de préfé  rence du côté opposé de l'induit 14. Le compartiment 17  est délimité par un anneau 21 en acier inoxydable, ouvert  du côté droit de la figure et entouré de bandes 22, 23, 24  et 25, en isolant thermique.  



  Le liquide     cryogénique    arrive à une température com  prise entre 15  K et 80  K, dans le boîtier 18, d'où il passe  dans le canal annulaire longitudinal 27; puis, par le canal  radial 28, il arrive dans le compartiment 17.  



  Le compartiment 17 communique, par des tubes  radiaux qui n'ont pas été représentés pour ne pas sur  charger le dessin, avec les barres de l'enroulement induit  15. Le liquide     cryogénique    traverse ainsi l'enroulement  induit 15, puis, par les collecteurs 29 et 30 et le canal  radial 31, retourne dans le canal longitudinal 27, mais  dans la partie de celui-ci située du côté de la machine  principale et séparée de l'entrée par un bouchon 32 placé  entre les canaux 28 et 31. Ce bouchon 32 pourrait être       remplacé    par un diaphragme, de manière à ne laisser  passer dans le canal 28 que le débit de liquide     cryogénique     nécessaire au refroidissement de l'enroulement 15 et des  cellules     redresseuses    16.

   Cette partie du canal 27 située  du côté de la machine principale se prolonge jusqu'au  conduit 11 d'entrée du liquide     cryogénique    dans le col  lecteur 10.  



  Le liquide     cryogénique    sort des bobines     rotoriques    du  turboalternateur dans le conduit 12, puis il s'écoule dans  le conduit longitudinal central 33 jusqu'au boîtier 18,  d'où il retourne aux installations de production de liquide       cryogénique,    non représentées.  



  Les cellules     redresseuses    16 sont reliées aux barres de  l'enroulement 15 par des connexions creuses 34 en métal  aussi pur que possible, entourées d'une isolation ther  mique et électrique 35. Deux encoches diamétralement  opposées dans l'induit 14 servent au passage de con  nexions électriques 36 qui relient les cellules     redresseuses     16 à l'enroulement inducteur du turboalternateur. Ces  connexions 36, en métal de même nature et de même  pureté que celui des enroulements, sont creuses et recou  vertes d'une isolation thermique et électrique 37. Elles  canalisent ainsi le     fluide        cryogénique    en même temps  qu'elles conduisent le courant d'excitation.  



  On peut prévoir, dans l'induit 14, certaines encoches  qui ne possèdent pas de barres d'enroulement mais  contiennent des tubes conduisant le     fluide        cryogénique.     Le débit de ces tubes s'ajoute à celui qui passe dans les  barres d'enroulement, afin que le débit total de     fluide          cryogénique    traversant l'induit 14 soit     suffisant    pour      assurer le refroidissement de l'enroulement inducteur du  turboalternateur.  



  Des tubes isolants 38 et 39 isolent     thermiquement    les  canaux 28 et 31. Le canal central 33 de l'arbre est isolé       thermiquement    par un revêtement 40 et le canal annulaire  27 par un revêtement 41.  



  La     figure    4 montre un exemple de raccordement d'une  bobine inductrice du turboalternateur avec un collecteur  de liquide     cryogénique.    Un tube de raccordement 42,  entouré d'une isolation thermique 43 et d'un revêtement  44 maintenant cette isolation pénètre dans une barre  d'enroulement 45. Celle-ci se compose, de manière  connue, de conducteurs rainurés formant, par leur empi  lage, des canaux de refroidissement, et elle est entourée  d'une isolation thermique 46 et d'une isolation élec  trique 47. A l'endroit où se fait le raccordement, tous les  conducteurs sont réunis par un canal radial 48. Les rac  cordements des conduits de liquide     cryogénique    à l'en  roulement induit de l'excitateur peuvent être effectués de  manière analogue.  



  La figure 5 montre une disposition de boîtier tel que  18, placé en bout d'arbre pour introduire et retirer le  liquide     cryogénique.    Le boîtier est disposé autour du bout  d'arbre 49, de manière à constituer un espace annulaire  50 communiquant avec le canal 27 et un espace annu  laire 51 communiquant avec le canal 33. L'arrivée du  liquide     cryogénique    s'effectue par le tube 52 et la sortie  par le tube 53. Des labyrinthes 54 et 55 réduisent les fuites  de liquide     cryogénique    qui s'écoulent par les tubes 56  et 57 vers les appareils, non représentés, de production de  liquide     cryogénique.    Les surfaces intérieures du boîtier  sont recouvertes d'un isolant thermique 58.

   De plus, un  fourreau 59 en isolant thermique, protégé par un tube  en acier inoxydable 60, entoure le bout d'arbre.  



  Pour assurer la régulation de la machine synchrone,  on peut recourir à une disposition telle que celle repré  sentée par le schéma unifilaire de la figure 6. L'enroule  ment induit 15 de l'excitateur débite, par l'intermédiaire  de redresseurs 16, sur l'inducteur 61 d'un alternateur 62  relié à un réseau 63; le vecteur résultant de transforma  teurs 64 et 65 agit sur un boîtier régulateur 66, alimenté  d'autre part par un bloc redresseur 67 branché sur un  réseau auxiliaire 68; ce régulateur 66 commande le courant  d'excitation des bobines 13 montées sur l'inducteur,  feuilleté de préférence, de l'excitateur.    En variante, et pour accélérer la réponse du système  excitateur, en particulier la désexcitation de la machine  principale, les redresseurs 16 peuvent être des thyratrons  dont l'électrode de commande est sous le contrôle du  régulateur 66.

Claims (1)

1. REVENDICATION Groupe comprenant une machine électrique syn chrone et un alternateur d'excitation de cette machine, cette dernière comprenant un enroulement inducteur en métal de grande pureté ou en alliage, refroidi à basse température, alimenté par ledit alternateur-excitateur, monté sur l'arbre du rotor de ladite machine, par l'inter médiaire d'un système redresseur de courant, caractérisé en ce que l'enroulement induit de l'excitateur est égale ment constitué par un métal de grande pureté ou un alliage et en ce que l'ensemble:

   enroulement inducteur de la machine synchrone, système redresseur de courant et enroulement induit de l'excitateur, est refroidi par un même circuit continu d'un fluide cryogénique. SOUS-REVENDICATIONS 1. Groupe selon la revendication, caractérisé en ce que le système redresseur de courant est constitué par des organes semi-conducteurs. 2. Groupe selon la revendication et la sous-revendica- tion 1, caractérisé en ce que les connexions reliant les organes semi-conducteurs à l'excitateur d'une part et à l'enroulement inducteur de la machine synchrone d'autre part sont en métaux de grande pureté ou en alliages. 3.

   Groupe selon la revendication et la sous-revendi- cation 1, caractérisé en ce que le circuit du fluide cryogé- nique est constitué par les enroulements eux-mêmes for més de conducteurs creux fortement isolés thermiquement, par des connexions électriques creuses fortement isolées thermiquement et par des conduits d'amenée ou d'éva cuation de fluide également fortement isolés thermique- ment, et en ce que les organes semi-conducteurs sont dis posés dans une enceinte à forte isolation thermique,

   dis posée sur le parcours du fluide cryogénique.