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Dispositif comportant un alternateur à aimant permanent.
Le brevet belge N 446.275 décrit un alternateur à aimant permanent, en particulier un alternateur dont la caracté- ristique tension : courant est en palier et dont la charge est montée en série avec un condensateur de dimensions telles que dans le cas de fortes intensités de courant, on évite la démagné- tisation, des aimants permanents par le champ qu'engendre le cours.- débité.
Le même brevet mentionne que lorsqu'il se produit des étincelles, pour une cause ou une autre, par exemple lors d'un court-circuit de la charge, il peut encore se produire une dé- magnétisation nuisible. Pour remédier à cet inconvénient, on a proposé dans le brevet précité de monter en série avec les en- roulements de l'alternateur une self-induction et de shunter ce montage en série par un condensateur, la self-induction et le
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condensateur additionnel étant dimensionnés de manière que l'al- ternateur soit protégé contre la forte démagnétisation résul- tant du courant qui se produit lors de la formation d'étincelles.
On y était parti de l'idée que ce sont les tensions de fréquen- ces différentes produites qui provoquent la démagnétisation, et l'ensemble de la bobine de self et du condensateur additionnel était conçu comme un filtre s'opposant au passage de ces fré- quences. En pratique, un tel dispositif donne souvent satis- faction. La Demanderesse a cependant constaté que, malgré ces dispositions de sécurité, les aimants permanents peuvent encore se démagnétiser dans certaines conditions défavorables et ce en raison de l'idée suivante sur laquelle est basée l'invention.
On a constaté que la démagnétisation est provoquée par les à-coups de courant qui se produisent lors du court- circuit. Pendant la période d'uniformisation, le courant de court-circuit varie en amplitude et en phase et ces variations dépendent entre autres : a) du moment auquel se produit le court-circuit (par exemple au sommet de la courbe de tension alternative); b) de la charge instantanée du condensateur monté en série avec le circuit d'utilisation; c) du genre de contact à l'endroit du court-circuit (for- mation périodique d'arc pendant un certain temps); d) de la force électro-motrice instantanée de l'alternateur et e) des valeurs des self-inductions, des capacités et des résistances que comportent le circuit de l'alternateur et le circuit d'utilisation.
Les fréquences différentes précitées que l'on rend inopérantes dans la mesure du possible, à l'aide du dispositif à filtres connu, sont déterminées par les facteurs mentionnés
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sous e). Par contre, l'amplitude du courant est déterminée par les facteurs mentionnés sous a à d. La phase du courant de court-circuit par rapport à la position de l'aimant permanent détermine si, à un instant déterminé, l'aimant sera démagnétisé par le champ engendré par le courant, à savoir lorsque ce der- nier champ est opposé au champ dans l'aimant.
Comme il a déjà été mentionné, l'intensité du cou- rant de court-circuit dépend entre autres du point b : c'est-à- dire de la valeur instantanée de la charge du condensateur mon- té en série. Cette charge dépend de l'intensité du courant de charge qui, à son tour, dépend de la nature et du moment du court-circuit. On a constaté par exemple, que la charge est maximum lorsqu'un court-circuit vient de se produire de sorte que le courant de charge du condensateur a une grande intensité lorsque le court-circuit se produit à un moment correspondant au sommet de la courbe de tension alternative, donc à un moment défavorable.
Il a fallu procéder à de nombreux essais (plus de 1000) pour constater que si les facteurs précités constituent une combinaison défavorable, ils peuvent entraîner une démagné- tisation malgré l'utilisation du condensateur en série et du filtre mentionnés dans le brevet précité. La solution antérieu- rement proposée a été probablement basée sur un nombre d'essais trop petit pour que les cas défavorables et les plus défavora- bles de la combinaison précitée de facteurs se soient produits.
Partant de cette idée, la Demanderesse a trouvé une solution plus simple et plus avantageuse que l'utilisation d'un filtre : à savoir une self-induction montée en série avec l'alternateur et shuntée par un condensateur additionnel.
Suivant l'invention, dans un dispositif du genre mentionné dans le préambule, le condensateur monté en série avec la charge est shunté par un limiteur de surtension qui
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est dimensionné de façon que la tension du condensateur reste limitée, même dans le cas de court-circuits francs. Le limi- teur de surtension peut être par exemple uh trajet de décharge ou une résistance. L'agencement conforme à l'invention permet de travailler en un point de fonctionnement plus avantageux de la courbe de démagnétisation, de sorte que le dimensionnement de l'aimant permanent devient plus économique comme l'expli- quera d'ailleurs en détail la description des figures.
L'agencement conforme à l'invention est basé sur le fait, que l'on vient seulement de constater que, par suite de son décalage en avant, le courant de charge de forte intensité du condensateur qui se produit lors d'un court-circuit ne pro- vocue pas d'effet démagnétisant nuisible, mais que la forte charge qui en résulte pour le condensateur entraîne, lors d'un second court-circuit qui suit rapidement le premier (dans le cas d'une formation répétée d'étincelles ou d'arcs), une pointe de décharge élevée sur les enroulements de l'alternateur, pointe qui engendre un champ démagnétisant de réaction qui est nuisible pour l'aimant permanent. Cette charge peut résulter d'une tension très élevée provoquée par plusieurs effets d'accroissement d'oscillation dans le circuit condensateur - enroulement de l'alternateur.
La Demanderesse a constaté que, lorsque la tension aux bornes du condensateur est en régime normal, par exemple de 50 V, dans le cas de court-circuit défavorable, elle peut atteindre par exemple 300 V, voire plus.
Cette tension est maintenant limitée par le limiteur de surten- sion. En général, la limitation peut être choisie de façon que, dans la plupart des court-circuits, aucune influence démagnéti- sante ne s'exerce sur les aimants permanents. Par contre, si dans des cas défavorables théoriques, la plupart des facteurs agissent dans le même sens, la limitation peut de nouveau être insuffisante et il peut se produire une démagnétisation notable.
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Cependant, d'après le calcul des probabilités la possibilité d'une telle démagnétisation est très petite, car il a fallu procéder à de très nombreux essais de court-circuit pour ob- tenir un seul court-circuit particulièrement défavorable.
D'autre part, un court-circuit étant déjà une chose acciden- telle, la possibilité qu'un court-circuit très défavorable se manifeste est extrêmement petite. Aussi est-il motivé d'uti- liser uniquement la disposition conforme à l'invention. Les di- mensions du limiteur de surtension dépendent donc, d'une part, de la. limitation désirée de la tension lors d'un court-circuit normal, et d'autre part de la perte d'énergie que l'on veut ad- mettre du point de vue économique dans le limiteur de surten- sion; le limiteur doit donc se calculer pour chaque cas.
La substitution du limiteur de surtention au filtre proposé dans le brevet précité offre l'avantage suivant: les pertes peuvent être plus petites, car le filtre formé par la self et la capacité doit être assez grand, et de plus, dans ce filtre se produit une chute de tension qui, pour autant qu'il s'agisse de chutes ohmiques et qu'elle soit provoquée par des harmoniques d'ordre élevé, ne saurait être compensée. En ou- tre, la self-induction elle-même provoque encore des pertes.
Suivant une autre particularité de l'invention, pour limiter mieux encore le nombre de cas exceptionnels possibles qui peuvent se présenter malgré les dispositions précitées, on a choisi un limiteur de surtension, dont les propriétés varient avec la tension d'une façon telle que sa résistance soit plus faible dans le cas de tensions élevées aux bornes du condensateur que dans le cas de basses tensions. Cette disposition assure automatiquement une sorte d'adaptation du chemin de fuite à la tension éventuelle.
Un court-circuit peu nuisible provoquera une assez faible augmentation de tension, qui peut être faci- lement limitée par un chemin de fuite approprié, tandis que
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dans le cas d'un court-circuit plus sérieux, provoquant un beaucoup plus grand accroissement de tension, la tension aux bornes du condensateur reste limitée à une valeur suffisamment basse par le fait qu'à tension croissante, la résistance du chemin de fuite diminue.
La description qui va suivre en regard du dessin an- nexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien compren- dre comment l'invention peut être réalisée les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien en- tendu, partie de ladite invention.
La fig. 1 montre schématiquement un exemple de réa- lisation du dispositif conforme à l'invention.
Le rotor 1 de l'alternateur est en acier magnétique permanent anisotrope ; il comporte deux pôles N et Z. L'enrou- lement est indiqué par 2. En série avec la charge 4 de l'al- ternateur est monté un condensateur 3 qui est shunté par le limiteur de tension constitué par une résistance 5.
La résistance 5 est variable avec la tension; elle est choisie de façon que, pour la plupart des court-circuits, la tension aux bornes du condensateur soit au maximum de 150 V, tandis qu'en régime normal, cette tension est d'environ 50 V.
La fig. 2 montre la courbe de démagnétisation d'un acier ani- sotrope, à (BH)max d'environ 4.800.00-. La courbe réversible, sur laquelle est choisi le point de fonctionnement de l'aimant permanent, est indiquée par 7. Pour la plupart des démagnéti- sations, pour lesquelles la tension aux bornes du condenseur 3 est donc au maximum de 150 V, le point de fonctionnement se dé- placera vers la gauche sans cependant atteindre le point 8 qui ne dépasse que légèrement le point à (BH)max 9. Après le court-circuit, par suite de l'effet de réaimantation du conden- sateur 3, le point de fonctionnement revient au point 6. Dans
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ces cas, l'alternateur résiste donc aux court-circuits.
Cepen- dans,s'il se produit un court-circuit franc, la tension aux bor- nes du condensateur 3 peut atteindre une valeur si élevée que le point 8 soit dépassée après quoi le point de fonctionnement tombe le long de la courbe de magnétisation à forte pente, jusqu'au point 10 par exemple. Après le court-circuit, le point de fonctionnement parvient quelque part sur la courbe réversible passant par 10, par exemple en 12. On voit nettement qu'il s'est alors produit une sérieuse démagnétisation et que l'alter- nateur n'est plus à même de fournir la tension désirée. Comme il a déjà été mentionné, la possibilité d'une telle démagnéti- sation est très petite de sorte qu'il y a une forte chance que, pendant la durée de vie de l'installation, l'usager ne soit pas ennuyé par ce fait.
Pour réduire encore la possibilité de démagnétisation, on a prévu dans le schéma de la fig.l, un condensateur de shun- tage 13 qui, tout comme dans le brevet précité fait office de filtre pour écarter de l'enroulement 2 les fréquences nuisi- bles éventuelles. La réactance de dispersion de cet enroule- ment fait office de self-induction du filtre.
Cependant, même dans ce cas, l'alternateur n'est pas encore entièrmetnâ l'abri des court-circuits. Une améliora- tion peut encore s'obtenir en prévoyant sur les pôles de l'ai- mant permanent deux enroulements court-circuités 14; lorsqu'un champ démagnétisant se produit, ces enroulements sont le siège d'une force électro-motrice et celle-ci engendre un champ an- tagoniste qui compense partiellement ou en majeure partie le ôhamp démagnétisant.
La combinaison de ces dispositions réduit au minimum les possibilités d'une démagnétisation nuisible tout en assu- rant un point de fonctionnement très avantageux. Cependant, si l'alternateur actionné par exemple par un moteur à gaz
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chaud, est destiné à des particuliers habitant des régions isolées, des fermes etc., il est recommandable de supprimer toute possibilité de démagnétisation, car il est alors prati- quement impossible de renvoyer l'alternateur à l'usine pour procéder à sa réaimantation, car l'usager serait alors privé d'é- lectricité pendant un certain temps.
Pour parer à cette éventualité, on prévoit un dispo- sitif très simple, à savoir un interrupteur de shuntage 15 de la charge 4, interrupteur qui en cas de démagnétisation éventuel- le permet de court-circuiter la charge, pendant un court instant; le condensateur 3 se trouve alors en parallèle avec la généra- trice en fonctionnement, ce qui provoque une réaimantation. S'il ne se produit pas alors une réaimantation complète jusqu'au point de fonctionnement 6, celle-ci peut toujours s'obtenir en inversant soit le rotor magnétique, soit le sens de rotation de l'alternateur et en fermant, pendant un court instant, l'in- terrupteur de shuntage.
Dans cette réalisation combinée du montage, avec les particularités précitées, on peut toujours obtenir une réaimantation complète, ce qui fournit un dispo- sitif absolument sûr qui a été soumis à des milliers de court- circuits. Pour un alternateur de 150 W, la capacité du conden- sateur 3 était d'environ 40 F et celle du condensateur 13, d'environ 1,5 F, tandis que la résistance 6, variable avec la tension, était de 100 @ à 50 V.
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Device comprising a permanent magnet alternator.
Belgian patent N 446,275 describes a permanent magnet alternator, in particular an alternator whose voltage: current characteristic is level and whose load is mounted in series with a capacitor of dimensions such as in the case of high currents. , the demagnetization of the permanent magnets is avoided by the field generated by the course.
The same patent mentions that when sparks occur, for one cause or another, for example during a short circuit of the load, there can still be harmful demagnetization. To remedy this drawback, it has been proposed in the aforementioned patent to mount a self-induction in series with the windings of the alternator and to shunt this connection in series by a capacitor, the self-induction and the
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the additional capacitor being dimensioned so that the alternator is protected against the strong demagnetization resulting from the current which occurs during the formation of sparks.
We started from the idea that it is the voltages of different frequencies produced that cause the demagnetization, and the whole of the choke coil and the additional capacitor was designed as a filter opposing the passage of these fre - quences. In practice, such a device is often satisfactory. The Applicant has, however, observed that, despite these safety arrangements, the permanent magnets can still demagnetize under certain unfavorable conditions, due to the following idea on which the invention is based.
It has been observed that demagnetization is caused by current surges which occur during the short circuit. During the uniformization period, the short-circuit current varies in amplitude and phase and these variations depend, among other things, on: a) the moment at which the short-circuit occurs (for example at the top of the AC voltage curve); b) the instantaneous charge of the capacitor mounted in series with the user circuit; c) the type of contact at the location of the short-circuit (periodic arcing for a certain time); d) the instantaneous electro-motive force of the alternator and e) the values of the self-inductions, capacities and resistances which comprise the circuit of the alternator and the circuit of use.
The aforementioned different frequencies which are rendered inoperative as far as possible with the aid of the known filter device are determined by the factors mentioned
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under e). On the other hand, the amplitude of the current is determined by the factors mentioned under a to d. The phase of the short-circuit current with respect to the position of the permanent magnet determines whether, at a given instant, the magnet will be demagnetized by the field generated by the current, namely when the latter field is opposed to the current. field in the magnet.
As has already been mentioned, the intensity of the short-circuit current depends among other things on point b: that is to say on the instantaneous value of the charge of the capacitor connected in series. This charge depends on the strength of the charging current which, in turn, depends on the nature and timing of the short circuit. It has been found, for example, that the charge is maximum when a short circuit has just occurred so that the charging current of the capacitor has a great intensity when the short circuit occurs at a time corresponding to the top of the curve. of alternating voltage, therefore at an unfavorable time.
It was necessary to carry out numerous tests (more than 1000) to find that if the above mentioned factors constitute an unfavorable combination, they can lead to demagnetization despite the use of the series capacitor and the filter mentioned in the aforementioned patent. The previously proposed solution was probably based on too small a number of trials for the unfavorable and most unfavorable cases of the above combination of factors to have occurred.
Based on this idea, the Applicant has found a simpler and more advantageous solution than the use of a filter: namely a self-induction mounted in series with the alternator and shunted by an additional capacitor.
According to the invention, in a device of the type mentioned in the preamble, the capacitor mounted in series with the load is shunted by a surge limiter which
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is dimensioned so that the voltage of the capacitor remains limited, even in the case of blunt short circuits. The surge suppressor can be, for example, a discharge path or a resistor. The arrangement according to the invention makes it possible to work at a more advantageous operating point of the demagnetization curve, so that the dimensioning of the permanent magnet becomes more economical, as the description will further explain in detail. figures.
The arrangement according to the invention is based on the fact that it has only just been seen that, as a result of its forward shift, the high-intensity charging current of the capacitor which occurs during a short circuit does not cause any detrimental demagnetizing effect, but which the resulting high load on the capacitor causes, during a second short-circuit which rapidly follows the first (in the case of repeated formation of sparks or arcs), a high discharge point on the alternator windings, which point generates a demagnetizing reaction field which is harmful to the permanent magnet. This charge can result from a very high voltage caused by several effects of increasing oscillation in the capacitor-alternator winding circuit.
The Applicant has observed that, when the voltage at the terminals of the capacitor is in normal operation, for example 50 V, in the case of an unfavorable short-circuit, it can reach for example 300 V, or even more.
This voltage is now limited by the surge protector. In general, the limitation can be chosen so that in most short circuits no demagnetizing influence is exerted on the permanent magnets. On the other hand, if in theoretical unfavorable cases, most of the factors act in the same direction, the limitation may again be insufficient and a notable demagnetization may occur.
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However, according to the calculation of the probabilities the possibility of such demagnetization is very small, since it was necessary to carry out very many short-circuit tests to obtain a single particularly unfavorable short-circuit.
On the other hand, since a short circuit is already an accident, the possibility of a very unfavorable short circuit occurring is extremely small. Therefore, it is justified to use only the arrangement according to the invention. The dimensions of the surge protector therefore depend, on the one hand, on the. desired limitation of the voltage during a normal short-circuit, and on the other hand of the loss of energy which we want to accept from an economic point of view in the surge protector; the limiter must therefore be calculated for each case.
The substitution of the surge limiter for the filter proposed in the aforementioned patent offers the following advantage: the losses can be smaller, because the filter formed by the choke and the capacitance must be large enough, and in addition, in this filter occurs a voltage drop which, in so far as it is ohmic drops and is caused by high order harmonics, cannot be compensated for. In addition, the self-induction itself still causes losses.
According to another feature of the invention, in order to limit even better the number of possible exceptional cases which may arise despite the aforementioned provisions, a surge limiter has been chosen, the properties of which vary with the voltage in such a way that its resistance is lower in the case of high voltages across the capacitor than in the case of low voltages. This arrangement automatically ensures a sort of adaptation of the leakage path to the possible voltage.
A little damaging short circuit will cause a fairly small voltage rise, which can be easily limited by a suitable leakage path, while
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in the case of a more serious short-circuit, causing a much greater increase in voltage, the voltage across the capacitor remains limited to a sufficiently low value by the fact that with increasing voltage, the resistance of the leakage path decreases .
The description which will follow with regard to the appended drawing, given by way of nonlimiting example, will make it clear how the invention can be implemented the particularities which emerge both from the text and from the drawing making, of course. , part of said invention.
Fig. 1 schematically shows an exemplary embodiment of the device according to the invention.
The rotor 1 of the alternator is made of anisotropic permanent magnetic steel; it has two poles N and Z. The winding is indicated by 2. In series with the load 4 of the alternator is mounted a capacitor 3 which is shunted by the voltage limiter formed by a resistor 5.
Resistor 5 is variable with voltage; it is chosen so that, for most short circuits, the voltage at the terminals of the capacitor is at most 150 V, while in normal operation, this voltage is around 50 V.
Fig. 2 shows the demagnetization curve of an anisotropic steel, at (BH) max of about 4,800.00-. The reversible curve, on which the operating point of the permanent magnet is chosen, is indicated by 7. For most demagnetizations, for which the voltage at the terminals of the condenser 3 is therefore at most 150 V, the point operating mode will move to the left without reaching point 8, which only slightly exceeds the point at (BH) max 9. After the short-circuit, due to the re-magnetization effect of capacitor 3, the operating point returns to point 6. In
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in these cases, the alternator is therefore resistant to short circuits.
However, if a sharp short circuit occurs, the voltage at the terminals of capacitor 3 may reach such a high value that point 8 is passed after which the operating point falls along the magnetization curve. on a steep slope, up to point 10 for example. After the short-circuit, the operating point reaches somewhere on the reversible curve passing through 10, for example at 12. It can be seen clearly that a serious demagnetization has then taken place and that the alternator is not better able to provide the desired voltage. As already mentioned, the possibility of such demagnetization is very small so that there is a high chance that during the life of the installation the user will not be bothered by this. made.
To further reduce the possibility of demagnetization, the diagram of FIG. 1 has provided a shunt capacitor 13 which, like in the aforementioned patent, acts as a filter in order to remove harmful frequencies from the winding 2. possible injuries. The dispersion reactance of this winding acts as the self-induction of the filter.
However, even in this case, the alternator is not yet completely safe from short circuits. An improvement can still be obtained by providing on the poles of the permanent magnet two short-circuited windings 14; when a demagnetizing field occurs, these windings are the seat of an electro-motive force and this generates an antagonistic field which partially or mainly compensates for the demagnetizing field.
The combination of these arrangements minimizes the possibilities of harmful demagnetization while ensuring a very advantageous operating point. However, if the alternator operated for example by a gas engine
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hot, is intended for individuals living in isolated regions, farms etc., it is advisable to eliminate any possibility of demagnetization, as it is then practically impossible to return the alternator to the factory for re-magnetization, because the user would then be deprived of electricity for a certain time.
To deal with this eventuality, a very simple device is provided, namely a switch 15 for bypassing the load 4, which switch, in the event of possible demagnetization, allows the load to be short-circuited for a short time; capacitor 3 is then located in parallel with the generator in operation, which causes re-magnetization. If then complete re-magnetization up to operating point 6 does not occur, this can still be obtained by reversing either the magnetic rotor or the direction of rotation of the alternator and closing, for a short time. instant, the bypass switch.
In this combined embodiment of the assembly, with the aforementioned peculiarities, one can always obtain a complete re-magnetization, which provides an absolutely safe device which has been subjected to thousands of short circuits. For a 150 W alternator, the capacitance of capacitor 3 was about 40 F and that of capacitor 13 about 1.5 F, while resistor 6, which varies with voltage, was 100 @ to 50 V.