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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.