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Perfectionnements aux machines électriques synchrones auto-excitatrices j et auto-régulatrices.
L'invention se rapporte aux machines électriques synchro- nes autoexcitatrices et à régulation automatique, comportant un champ tournant excité par un courant alternatif fourni par un exci- tateur dont l'induit tournant est monté sur le même arbre que l'en- roulement du champ tournant de la machine et relié de façon perma- nente à l'enroulement de champ de la machine par l'intermédiaire d'un redresseur monté sur ce même arbre et tournant avec @ui.
Bien qu'on puisse aussi bien appliquer l'invention à des moteurs synchrones, l'invention est particulièrement applicable à des alternateurs synchrones dont on peut réaliser l'auto-excitation en courant continu et régulariser le fonctionnement de façon à
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obtenir une tension constante.
L'invention vise surtout à réaliser d'une manière plus simple des alternateurs synchrones de ce type et à augmenter leur sûreté de fonctionnement en obtenant, à toutes 'les charges et pour tous les facteurs de puissance, une régulation précise de la tension combinée avec un rétablissement repide à la tension à sa valeur normale après de brusques variations de charges
Selon l'invention, l'excitateur d'une machine synchrone du type précité est réalisé sous la forme d'un changeur de fréquence tournant comportant un enroulement rotorique secondaire unique, relié à l'enroulement de champ de la machine principale par l'inter- médiaire d'un redresseur tournant, et un stator comportant deux en- roulements primaires distincts, ces deux enroulements primaires, qui ont le même nombre de phases que la machine,
étant tous deux alimen- tés à partir du courant de sortie de celle-ci, l'un, par une compo- sante d'intensité alternative dépendant du courant de charge de la machine principale, et l'autre, par une composante d'intensité alter- native dépendant de la tension aux bornes de la machine.
Dans un mode de réalisation préféré, un des enroulements statoriques de l'excitateur est en série avec l'enroulement statori- que de la machine, tandis que l'autre enroulement statorique de l'excitateur est en série avec une "impédance constante" branchée aux bornes de sortie de la machine. En l'occurence, l'expression t'impédance constante" désigne une impédance qui est indépendante des variations d'intensité pour une fréquence donnée mais qui n'est pas indépendante des variations de fréquence.
L'enroulement rotorique de l'excitateur et le redresseur qui lui est associé sont, de préférence, de type triphasé, mais l'impédance constante précitée, comme l'enroulement statoyique de l'excitateur doivent avoir le même nombre de phases que la machine.
Si la machine est de type monophasé, on agence, de pré- férence, un au moins des deux enroulements statoriques de l'excita- teur. de façon àréaliser un amortisseur en'quadrature efficace, ce
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qu'on peut réaliser soit au moyen d'un enroulement auxiliaire en court-circuit dont l'axe est perpendiculaire aux enroulements sta- toriques, soit en joignant deux phases de l'un ou de chacun des en- roulements statoriques triphasés, qui devra être monté en étoile, et en alimentant cet enroulement par l'intermédiaire de cette jonction et de la troisième phase de l'enroulement.
Le nombre des pelés de l'excitateur peut être différent du nombre des pôles de la machine. Pour les machines polyphasées, il est préférable que la fréquence du courant fourni par l'excitateur soit supérieure à celle du courant d'entrée, en agençant la machine de façon que le champ magnétique créé dans l'entrefer de l'excita- teur tourne dans le sens opposé au sens de rotation de l'arbre, afin de réduire l'influence des variations de température sur la résistance de l'enroulement de champ de la machine. L'entrefer de l'excitateur doit être aussi petit que le permettent les limitations mécaniques, car on réduit ainsi la valeur que doit avoir le courant' magnétisant, ainsi que les pertes, tout en obtenant un rétablissement plus rapide de la tension aprs de brusques variations de charge.
L'impédance constante précitée est, de préférence, à prédominance réactive ou capacitive, cette impédance étant, par exem- ple, constituée par une bobine de réactance linéaire (une self non saturée associée à un entrefer ménagé dans son circuit magnétique) ou par un condensateur. Si l'on utilise une bobine de réactance linéaire, on peut brancher un condensateur à celles des bornes d'en- trée des enroulements statoriques de l'excitateur qui sont en série avec cette bobine, la capacitance du condensateur étant, de préférence, appropriée à la réactance de la bobine de réactance linéaire corres- pondant à la fréquence de sortie de la machine.
Cette disposition élimine pratiquement la charge réactive appliquée à la machine par le circuit d'excitation; elle assure en outre l'auto-excitation de la machine au moment du démarrage et réduit l'influence de variations de la résistance de l'enroulement de champ.
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Pour réaliser l'auto-excitation de la'machine princi- pale, on peut remplacer l'agencement précédemment décrit par un dispositif comportant des aimants permanents. C'est ainsi qu'on peut associer un aimant permanent à la machine ou à l'excitateur, ou bien utiliser un excitateur supplémentaire constitué par un petit aimant permanent comportant son propre redresseur relié au circuit de champ comme, par exemple, décrit par le brevet britannique n 929.120.
1 Avec l'agencement précédemment décrit aont l'impédance constante est constituée par une bobine de réactance linéaire asso- ciée à un condensateur, il est possible d'obtenir une tension régu- larisée entre 2 et 4% à toutes les charges et pour tous les facteurs de puissance. Si besoin est, on peut régulariser la tension d'une manière plus précise en superposant à l'agencement décrit un dispo- sitif de réglage supplémentaire, en utilisant, par exemple, dans une partie du circuit d'excitation, un transducteur ou une bobine de réactance saturable que règle le courant continu de sortie d'un dispositif sensible à une tension et comportant, par exemple, une diode de Zener de façon à obtenir une tension de référence appliquée aux bornes de sortie.de la machine,
afin de déceler et de corriger les déviations éventuelles de la tension de sortie par rapport à sa' valeur normale.
L'invention peut être mise en oeuvre de diverses manières.
On se bornera toutefois à n'en décrire ci-après que certains modes de réalisation caractéristiques, en se référant aux dessins schéma- tiques annexés.
La Fig. 1 représente un circuit d'un alternateur triphasé dont l'excitateur est constitué par un changeur de fréquence triphasé.
La Fig. 2 illustre une variante du circuit représenté sur la Fig. 1.
La Fige 3 représente un circuit d'un alternateur triphasé dont l'excitateur est également constitué par un changeur de fréquen-
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ce triphasé,
La Fig. illustre une variante de l'agencement représenté sur la Fig. 3.
La Fig. 5 représente un circuit d'un alternateur triphasé comportant une variante du changeur de fréquence triphasé qui comprend un transformateur d'intensité auxiliaire.
La Fig. 6 illustre une variante du circuit représenté sur la Fig. 5.
Comme représenté sur la Fig. 1, un alternateur triphasé typique 10, qui comporte un rotor 10A et un stator 10B, est excité au moyen d'un changeur de fréquence triphasé 11. L'enroulement secon- daire triphasé 12 du changeur de fréquence ou excitateur 11 est en avec un redresseur triphasé 13, à une alternance, branché aux bornes d'un enroulement 14 qui fait partie de la machine principale 10 et produit un champ magnétique tournant uniaxial, l'enroulement 12 et le redresseur 13, qui constituent le rotor de l'excitateur 11, étant montés sur l'arbre du rotor 10A de l'alternateur 10.
Le stator du changeur de fréquence 11 comprend deux enroulements primaires triphasés 17 et 18 montés tous deux en étoile, un enroulement primai- ! re 17, étant bramché en série avec l'enroulement d'induit triphasé 19 de l'alternateur 10 de façon à placer le point neutre du coté basse tension de l'enroulement 19. L'enroulement primaire 17 qui fournit la composante d'intensité qui, faisant partie du courant alimentant l'excitateur 11, est fonction du courant de charge.
Le second enroulement primaire 18, qui fournit dans le courant d'exci- tation, la composante qui dépend de la tension de sortie, est en série avec une bobine de réactance linéaire triphasé 20 branchée aux bornes de sortie 21 de l'induit de l'alternateur 10. On condensateur/ triphasé 22, monté en triangle, est relié aux extrémités de sortie respectives des trois phases de l'enroulement primaire 18 afin de compenser la puissance réactive et d'amorcer l'auto-excitation de l'alternateur 10 lors de la mise en marche de celui-ci, comme pré- ;
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cédemment décrit.
Dans la variante représentée sur la Fig. 2, sur laquelle les éléments déjà décrits sont affectés des mêmes nombres de référen- ce, on a remplacé l'agencement précédent par un condensateur tripha- se 25 qui, constituant lui-même l'impédance constante précitée, est . en série avec l'enroulement statorique primaire 18, en étoile, de l'excitateur 11 et est branché aux bornes de sortie 21 de l'alterna- teur 10.
Dans cette combinaison de l'enroulement 18 et du condensa- teur 25, qui est en série avec les bornes 21, les connexions des phases sont inversées par rapport à celles des phases de l'enroulement 17 qui, fournissant la composante dépendant du courant de charge, reste, comme précédemment, en série avec l'enroulement d'induit 19 'de l'alternateur 10, de façon à placer le point neutre du côté basse tension.
Dans es cas, le rotor de l'excitateur 11 comprend un enroulement secondaire 26 monté en triangle et relié à l'enroulement de champ principal 14 en série avec un redresseur triphasé 27 tournant à deux alternances, monté en pont. Comme précédemment, l'enroulement
26 et le redresseur 27 sont montés sur l'arbre du rotor 10A de l'alternateur 10.
Dans le mode de réalisation illustré par la Fig. 3, un alternateur monophasé typique 30, dont le champ tournant 31 est, comme pour le premier mode de réalisation, relié à l'ensemble consti- tué par l'enroulement rotorique secondaire triphasé 12, monté en étoile de l'excitateur 11 et par le redresseur de champ triphasé, à une alternance, associé à cet enroulement, tous ces organes étant montés sur l'arbre du rotor 30A de l'alternateur 30. Le stator de l'excitateur 11 comprend les deux enroulements primairesitriphasés
17 et 18, montés en étoile, deux phases de chacun d'eux ayant leurs extrémités respectives reliées entre elles par une jonction extérieu- re 32, afin de réaliser un amortissement en quadrature.
L'enroulement
18, qui est en série avec une bobine de réactance linéaire 33 branchée
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aux bornes de l'induit 34 de l'alternateur 30, a ses connexions respectivement reliées à sa jonction 32 et à l'extrémité extérieure de sa troisième phase 35. L'enroulement 17, qui est en série avec l'induit 34 de l'alternateur 30, du côté basse tension ou du point neutre, a ses connexions respectivement reliées à la jonction exté- rieure 32 réunissant deux de ses phases et à l'extrémité extérieure de sa troisième phase 35.
Ce mode de réalisation comprend en outre un excitateur supplémentaire 40 comportant un aimant permanent et servant à amorcer l'excitation au démarrage, comme décrit dans le brevet britannique n 929.120. L'excitateur 40 comprend un stator 41 constitué par un aimant permanent, couplé électromagnétiquement avec le stator de l'excitateur 11, et un enroulement rotorique triphasé 42, monté en étoile, en série avec un redresseur triphasé 43, à une alternance, .l'ensemble de ces deux organes 42 et 43 étant branché aux bornes du champ 31 de l'alternateur 30, en parallèle avec le rotor 12-13 de l'excitateur 11.
Le rotor 42-43 de l'excitateur 40 est aussi monté sur l'arbre du rotor 30A de l'alternateur 30, de même que le rotor 12-13 de l'excitateur 11.
L'alternateur 30 représenté sur la Fig. 4 diffère de l'alternateur précédent en ce qu'il comprend un dispositif auxiliaire de réglage de tension 50 asservi à la tension aux bornes de l'alter- nateur 30 afin de régulariser cette tension d'une manière plus pré- cise.
Dans cet agencement,le dispositif 50, qui peut comprendre une diode de Zener fournissant une tension de référence, est branché respectivement aux bornes de sortie A et N de l'alternateur 30, les bornes de sortie 51 du courant continu du dispositif 50 étant reliées respectivement aux extrémités de l'enroulement de réglage* 52 d'un transducteur ou d'une bobine de réaction saturable 53 dont l'enrou- lement principal 54 est branché respectivement aux extrémités de l'enroulement primaire 18 du stator de l'excitateur 11, l'enroulement 18 dépendant de la tension de sortie. L'ensemble constitué par les
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enroulements 53 et 18, montés en parallèle, est en série avec la bobine 33 branchée aux bornes de l'induit 34 de l'alternateur 30.
Cet agencement permet 'un réglage précis en circuit fermé qui décelé et corrige les déviations éventuelles de la tension de sortie de l'alternateur 30 par rapport à la tension normale de celui-ci.
Dans le cas où l'excitateur précité doit, selon l'inven- tion, être monté sur un alternateur de grande dimension, il peut se faire que le nombre de tours de l'enroulement primaire de cet excitateur, qui fournit la composante dépendant du courant de charge de i'alternateur (dénommé ci-après l'enroulement primaire fournissant la composante d'intensité) soit pratiquement insuffisant et qu'on doive y ajouter une fraction de tour, par exemple, pour qu'il comporte en tout 2,5 tours.
On peut surmontez cette difficulté au moyen d'un transformateur d'intensité supplémentaire dont l'enroulement primaire est excité par le courant de charge de l'alternateur et dont l'enrou- lement secondaire, qui comporte un nombre de tours supérieur à celui' de son enroulement primaire est en série avec l'enroulement primaire qui, dans l'excitateur, fournit la composante d'intensité. Si ce transformateur supplémentaire devait fournir la totalité de la compo- sante de puissance alimentant l'excitateur en fonction de la compo- sante d'intensité de la charge de l'alternateur, ce transformateur devrait présenter des dimensions relativement importantes. On peut toutefois réduire ces dimensions en branchant son enroulement pri- maire entre l'induit de l'alternateur et l'enroulement qui, dans l'excitateur, fournit la composante d'intensité.
La Fig. 5 illustre un agencement de ce genre, dans lequel un alternateur triphasé 10 comporte un excitateur 11, constitué par un changeur de fréquence triphasé, faisant partie d'un c@rcuit agencé de façon générale comme le circuit représenté sur la Fig. 2, les éléments semblables conservant les nombres de référence dont ils sont déjà affectés sur cette figure. Toutefois, le condensateur 25 (Fig. 2) est remplacé par une bobine de réactance linéaire triphasée ,
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20 (Fig. 1), mais sans condensateur shunt.
Un transformateur d'intensité triphasé auxiliaire 60, monté dans le stator 10B de l'excitateur 11, a son primaire 61 en série avec l'induit 19 de l'alternateur 10 et il est branché entre cet induit 19 et l'enroulement primaire 17 ' qui, dans l'excitateur 11, fournit la composante d'intensité. Le secondaire 62 du transfor- mateur 60 est branché en parallèle aux bornes de l'enroulement pri- ; maire 18 qui, dans l'excitateur 11, fournit la composante dépendant de la tension, le secondaire 62 comportant des bornes 63 permettant de régler la tension de sortie.
Le transformateur 60 a pour rôle de fournir une petite composante-d'intensité supplémentaire à l'enroulement 18 qui fournit \ , la composante d'excitation dépendant de la tension. Ainsi, l'enroule- ment 18 fournira encore la majeure partie de la composante d'inten- sité proportionnelle à la tension de sortie de l'alternateur.10, mais elle fournira aussi la petite composante précitée proportionnelle au courant de charge de l'alternateur 10 et correspondant seulement à une faible fraction du courant total passant par l'enroulement 18.
En d'autres terme*;, cet agencement bénéficie du nombre de tours rela- tivement important de l'enroulement 18, et une fraction infime de la composante d'intensité dépendant du courant de charge (cette portion correspondrait à une fraction de tour de l'enroulement 17) est ainsi transmise à l'enroulement 18 par le transformateur 60, ce qui permet à l'enroulement 17 d'avoir un nombre exact de tours.
Etant donné que la portion de la composante d'intensité ainsi trans- férée par le transformateur 60 est faible, ce transformateur pourra être très petit.
L'alternateur 10 représenté sur la Fig. 5 comporte aussi, comme indiqué en 65, un enroulement ou quelques tours entourant les bornes du rotor 10A, afin d'obtenir un effet d'amortissement. On réalise ainsi un court-circuit efficace des courants transitoires qui, sans cela, pourraient induire, dans le circuit de champ de
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l'alternateur, des tensionssi élevées qu'elles pourraient mettre hors d'usage le redresseur tournant 27 associé à l'enroulement de champ 14.
La modification de l'agencement précédent illustrée par la Fig. 6 consiste à monter le transformateur 60 dans le stator 10B de l'alternateur 10. L'agencement général et les connexions du primaire 61 et du secondaire 62 restent les mêmes, le transformateur
60 comportant toutefois un enroulement de réglage 66 qui permet de régler le degré de saturation du noyau de fer doux du transformateur
60 et de faire ainsi varier le degré de compoundage. L'enroulement
66 est excité au moyen d'un redresseur auxiliaire 67 à partir d'un auto-traneformateur 68 en série avec une bobine de réactance saturée '
69 comportant un noyau toroïdal 70.
Pour un point de saturation par- ticulier du noyau 70, la bobine 69 fait varier très brusquement l'impédance du circuit de sortie du transformateur 68, des bornes auxiliaires 71 permettant de régler ce point de saturation. Des con- ducteurs 72 relient respectivement les bornes d'entrée du transfor- mateur 68 à deux des trois bornes de sortie A, B et C de l'induit 19 de l'alternateur 10.
On voit donc que le transformateur auxiliaire 60 présente le double avantage d'éviter que l'enroulement 17 comporte des trac- tions de tour et de permettre un réglage et une stabilisation extré- mement précis de la tension de sortie de l'alternateur 10. En super- posant, de cette manière simple, un réglage précis de la tension au circuit de compoundage principal de l'alternateur 10, on assure le rétablissement très stable et très précis de la tension normale de cet alternateur. Avec un circuit de ce type, la tension ne peut pas subir d'oscillations à la suite de brusques variations de la charge, comme c'est quelquefois le cas avec le mode de réalisation illustré par la Fig. 4.