FR2816461A1 - Machine electrique notamment alternateur - Google Patents
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Abstract
Machine électrique notamment alternateur comprenant un stator fixe (21), un rotor rotatif muni d'un enroulement d'excitation (28), un transformateur rotatif (29) avec un enroulement primaire (30) et un enroulement secondaire (31) qui sont installés sur un noyau (35, 36) en ferrite à aimantation douce et sont couplés magnétiquement par un entrefer (38), le transformateur rotatif (29) transmettant une puissance d'excitation à l'enroulement d'excitation (28), et un circuit de commande (40) pour appliquer une tension alternative à l'enroulement primaire (30) du transformateur rotatif (29). Un circuit de limitation de courant (46) du côté de l'entrée dans le circuit de commande (40), coopérant avec la ferrite à aimantation douce du noyau du transformateur (35, 36), permet de réaliser une régulation de température intégrée appliquant l'effet de Curie.
Description
Domaine de l'invention La présente invention concerne une machine
électrique, notamment alternateur comprenant, un stator fixe, un rotor rotatif muni
d'un enroulement d'excitation, un transformateur rotatif avec un enrou-
lement primaire et un enroulement secondaire qui sont installés sur un noyau en ferrite à aimantation douce et sont couplés magnétiquement par un entrefer, le transformateur rotatif transmettant une puissance d'excitation à l'enroulement d'excitation, et un circuit de commande pour
appliquer une tension alternative à l'enroulement primaire du transfor-
mateur rotatif.
On connaît une telle machine dans sa construction de base selon un grand nombre de publications. A titre d'exemple, on se reportera au document DE 199 35 074 Al. L'alternateur présenté dans ce document comporte un stator fixe, un rotor rotatif avec un enroulement d'excitation
et un transformateur rotatif avec un enroulement primaire et un enroule-
ment secondaire. Ces derniers sont installés chaque fois sur un noyau en
ferrite à aimantation douce en étant couplés magnétiquement par un en-
trefer. Le transformateur rotatif transmet une puissance d'excitation à l'enroulement d'excitation. A l'aide d'un circuit de commande on alimente l'enroulement primaire du transformateur rotatif en tension alternative transmise et redressée du côté du secondaire du transformateur rotatif
par un circuit redresseur comme par exemple un redresseur à deux bran-
ches ou un montage en pont redresseur.
La difficulté habituelle de tels transformateurs rotatifs ré-
side dans le respect d'une température maximale déterminée pour éviter la surchauffe du transformateur rotatif. Pour cela, il est connu selon l'état de la technique, d'intégrer un capteur de température dans le transformateur rotatif et de détecter à l'aide de ce capteur de température, la température
régnant dans le transformateur. Si la température dépasse une valeur li-
mite inacceptable, on réduit la puissance transmise par le transformateur.
Cette régulation active remplit certes sa fonction mais il
faut pour cela des pièces particulières telles qu'un capteur de tempéra-
ture, les circuits de traitement de signal, une commande pour modifier la
puissance transmise par exemple en adaptant un rapport de travail, etc..
Exposé de l'invention Partant de cette situation, la présente invention a pour but
de développer une machine électrique du type défini ci-dessus, et notam-
ment son transformateur rotatif pour l'améliorer et permettre de réaliser une limitation de température évitant toute surchauffe inacceptable sans
nécessiter de capteur de température.
Ce problème est résolu par une machine électrique du type défini cidessus, caractérisée par un circuit de limitation de courant du côté de l'entrée dans le circuit de commande, qui en coopérant avec la fer- rite à aimantation douce du noyau du transformateur permet de réaliser
une régulation de température intégrée appliquant l'effet de Curie.
Ainsi, il est prévu un circuit de limitation d'intensité du côté de l'entrée, réalisé d'une manière détaillée ensuite, qui coopère avec l'effet
Curie produit dans le noyau en ferrite à aimantation douce du transfor-
mateur, réalisant une régulation de température intégrée. La présente in-
vention utilise ainsi l'effet des ferrites à aimantation douce qui perdent
leur propriété magnétique dans la plage de température de Curie. La per-
méabilité magnétique chute de manière correspondante au niveau de la température de Curie à la valeur de 1. La ferrite se comporte alors comme de l'air et ne peut plus transférer de l'énergie à partir de l'enroulement
primaire du transformateur vers son secondaire.
Suivant d'autres caractéristiques avantageuses, à partir de la température de mise en oeuvre du circuit de limitation de courant, on a une chute de la tension de sortie du transformateur et ainsi du courant d'excitation chute de tension liée à la limitation de l'intensité, la chute de
la tension de sortie produite par la limitation de courant aboutit à la sta-
bilisation de la température du transformateur sur une température li-
mite, la température de mise en oeuvre est la température de fonctionnement maximale du transformateur, la température de mise en
oeuvre dépend de la température de Curie de la matière du noyau de fer-
rite à aimantation douce, de la puissance perdue dans le noyau de ferrite
à proximité de la température de Curie) et du courant limite réglé Imax.
En résumé, les avantages principaux de l'invention résident dans le traitement d'une température excessive de ferrite du noyau et dans la sécurité de la régulation de la température même sans nécessiter
de capteur de température.
Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une coupe d'un générateur à griffes polaires,
- la figure 2 est un schéma du transformateur avec son circuit de com-
mande et l'enroulement d'excitation, - la figure 3 est un diagramme des courbes de perméabilité magnétique en fonction de la température T, - la figure 4 est un diagramme de la température du transformateur et de la tension de sortie du transformateur en fonction du temps, - la figure 5 est un diagramme analogue à celui de la figure 4 avec deux
cycles de tension de sortie-température.
Description des modes de réalisation
Selon la figure 1, le générateur comporte un boîtier 10 sen-
siblement en forme de pot dont le fond est muni d'un moyeu 1 1, mis en forme. Celui-ci reçoit un palier à roulement 12 dans lequel est montée l'extrémité intérieure d'un arbre 13. Son autre extrémité est montée dans un autre palier à roulement 14 monté dans le moyeu 16 du panneau de
palier 17 fermant le boîtier du côté de l'entraînement. Le panneau de pa-
lier est muni vers l'extérieur d'un radiateur 18 d'un redresseur monté en
pont non représenté en détail ainsi qu'un régulateur 19 installé de ma-
nière connue en soi. L'ensemble du montage est fermé par un couvercle de palier 20. Le boîtier 10 reçoit le stator 21 avec son enroulement de courant triphasé.
Sensiblement au milieu du boîtier 10 et à l'intérieur de ce-
lui-ci, l'arbre 13 comporte un système de rotor à griffes polaires 23. Ce système est composé d'une première platine polaire 25 fixée à l'arbre 13, avec une première moitié de rotor polaire, se terminant par des griffes 24 et d'une seconde platine polaire 27 se terminant par des griffes 26 et constituant l'autre moitié du rotor polaire. Chacune des pointes des griffes
24 d'une platine polaire s'étend entre les griffes 26 de l'autre platine po-
laire. Les griffes 24, 26 se terminent essentiellement parallèlement à l'axe longitudinal de l'arbre 13. Entre les griffes du système de rotor à griffes
polaires 23 se trouve un enroulement d'excitation 28 avec un noyau po-
laire 32 également porté par l'arbre 13. L'alimentation en énergie du sys-
tème d'excitation du générateur est constituée par un transformateur
portant globalement la référence 29 qui comprend un enroulement pri-
maire 30, annulaire, situé à l'extérieur sur un noyau de ferrite d'aimantation douce 36 et concentriquement à celui-ci, un enroulement secondaire 31 également annulaire, situé à l'intérieur, sur un autre noyau de ferrite 35 à aimantation douce. L'enroulement secondaire se situe dans le même plan que l'enroulement primaire ce plan étant perpendiculaire à
l'axe longitudinal de l'arbre 13. Le noyau intérieur 35 est fixé sur un man-
chon d'arbre 37 fixé sans effet magnétique solidairement sur l'arbre 13. Le
noyau extérieur 36 et son enroulement primaire 30 sont bloqués solidai-
rement dans une bague de fixation 39 non magnétique, vissée à l'intérieur
contre le panneau de palier 17.
La figure 2 montre le transformateur rotatif 29 sous la forme d'un schéma de montage avec son enroulement primaire 30 et son
enroulement secondaire 31. L'enroulement primaire 30 comporte un cir-
cuit de commande 40 et l'enroulement secondaire 31 comporte un circuit redresseur 41. Le circuit de commande 40 comporte une entrée 42 suivie
d'un onduleur 43.
Le redresseur se compose de semi-conducteurs commandés 44 montés suivant un pont en H. La prise centrale 45 est reliée à l'enroulement primaire 30 du transformateur 29. Entre l'entrée 42 et l'onduleur 43 on a un circuit de limitation d'intensité 46 de construction habituelle dont le rôle sera décrit ultérieurement. Enfin, un condensateur
de filtrage 47 est branché sur l'entrée 42.
L'enroulement secondaire 31 est suivi par un circuit redres-
seur à deux branches 48 avec deux diodes de redresseur 49, 50. Ces dio-
des sont reliées à un branchement de l'enroulement d'excitation 28.
L'autre branchement est couplé à la prise médiane de l'enroulement se-
condaire 31.
En appliquant une tension continue Ubat à l'entrée 42 on alimente par l'onduleur 43, l'enroulement primaire 30 du transformateur tournant 29 avec du courant alternatif qui induit une tension alternative
dans l'enroulement secondaire 31. Cette tension est redressée par le re-
dresseur 48 à deux branches pour alimenter en courant l'enroulement
d'excitation 28.
Dans la transmission de puissance par le transformateur 29, ses noyaux de ferrite à aimantation douce 35, 36 chauffent. Pour des
raisons de sécurité, il faut prévoir une limitation de température appro-
priée; dans le cas de l'exemple il s'agit d'un circuit de limitation de cou-
rant 46 monté dans le circuit primaire qui traduit le comportement en
température des noyaux de ferrite à aimantation douce 35, 36.
En principe comme le montre la figure 3, les ferrites à ai-
mantation douce perdent leur propriété magnétique dans la plage de la
température de Curie TC. Ainsi, la perméabilité initiale chute à une tem-
pérature de l'ordre de par exemple 240 C à la valeur 1 si bien que la ma-
tière de la ferrite se comporte alors comme de l'air. Dans ces conditions, le
transformateur 29 ne peut plus transmettre de puissance.
En fonctionnement, le transformateur voit sa température
augmentée en continu si bien que du fait que l'on se rapproche de la tem-
pérature de Curie, le courant du côté primaire augmente. Lorsque le cou-
rant atteint la valeur limite du circuit de limitation de courant 46, celui-ci se met en oeuvre et la tension de sortie commence à diminuer. Cela appa-
raît dans la partie inférieure de la figure 4. Dans le diagramme de tempé-
rature (partie supérieure figure 4) on a un " coude de température " TK à par exemple 215 C. La température dans la ferrite continue ensuite d'augmenter et du fait de l'action réciproque de la limitation de l'intensité, la tension de sortie et ainsi le courant d'excitation diminuent. La montée en température se développe jusqu'à ce qu'on se trouve à l'état stabilisé (extrémité droite de la figure 4). La tension de sortie et le courant
d'excitation ont une valeur dépendant de la limitation de l'intensité.
Si dans ces conditions on coupe la tension d'entrée Ubat jusqu'à ce que le système se soit de nouveau refroidi en dessous de la " température de coude " TK, on peut ensuite transmettre de nouveau
toute la puissance. Cette opération peut se répéter d'une manière quel-
conque et est totalement réversible comme le montre la figure 5. Dans cette figure, la référence tA désigne la période de coupure; on a représenté là encore une courbe de température et de tension de sortie avec une
phase d'amortissement (extrémité droite de la figure 5).
En résumé, la description précédente montre que la combi-
naison du circuit de limitation de courant 46 et les propriétés physiques des ferrites permet de réaliser par intégration une fonction de régulation
de température. Sans aucun autre moyen on se stabilise sur une tempé-
rature limite TG. En pratique, la température du coude de température TK qui représente la température de mise en oeuvre du circuit de commande
représente la température de fonctionnement maximale du transfor-
mateur au-dessus de laquelle sa puissance transmissible et ainsi son ren-
dement diminuent. La température de mise en oeuvre dépend de la température de Curie TC de la matière à aimantation douce des noyaux de ferrite 35, 36, de la puissance perdue dans le noyau de ferrite 35, 36 à proximité de la température de Curie TC et de l'intensité limite réglée Imax.
Claims (4)
1 ) Machine électrique, notamment alternateur comprenant: - un stator fixe (21), - un rotor rotatif muni d'un enroulement d'excitation (28), - un transformateur rotatif (29) avec un enroulement primaire (30) et un enroulement secondaire (31) qui sont installés sur un noyau (35, 36) en ferrite à aimantation douce et sont couplés magnétiquement par un entrefer (38), le transformateur rotatif (29) transmettant une puissance d'excitation à l'enroulement d'excitation (28), et - un circuit de commande (40) pour appliquer une tension alternative à l'enroulement primaire (30) du transformateur rotatif (29), caractérisée par
- un circuit de limitation de courant (46) du côté de l'entrée dans le cir-
cuit de commande (40), qui en coopérant avec la ferrite à aimantation
douce du noyau du transformateur (35, 36) permet de réaliser une ré-
gulation de température intégrée appliquant l'effet de Curie.
2 ) Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu' à partir de la température de mise en oeuvre (TK) du circuit de limitation
de courant (46), on a une chute de la tension de sortie (UA) du transfor-
mateur (29) et ainsi du courant d'excitation chute de tension liée à la li-
mitation de l'intensité.
3 ) Machine électrique selon la revendication 2, caractérisée en ce que la chute de la tension de sortie (UA) produite par la limitation de courant aboutit à la stabilisation de la température du transformateur sur une
température limite (TG).
4 ) Machine électrique selon la revendication 3, caractérisée en ce que
la température de mise en oeuvre (TK) est la température de fonctionne-
ment maximale du transformateur (29).
) Machine électrique selon la revendication 3, caractérisée en ce que la température de mise en oeuvre (TK) dépend de la température de Curie (TC) de la matière du noyau de ferrite à aimantation douce (35, 36), de la
puissance perdue dans le noyau de ferrite (35, 36) à proximité de la tem-
pérature de Curie (TC) et du courant limite réglé Imax.
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