Dispositif de compensation individuelle du facteur de-puissance des machines asynchrones et synchrones à bagues au moyen d'une excitatrice. La présente invention a pour objet un dispositif de compensation individuelle du facteur de puissance des machines asyn chrones à bagues. Elle comporte une excita- trice accouplée électriquement à la machine à compenser, ladite excitatrice comportant, d'une part, un rotor à deux enroulements distincts, dont l'un est relié aux bornes de la machine à compenser par des bagues et des balais, et dont l'autre, qui est fermé, est connecté aux lames d'un collecteur à cou rant continu sur lequel reposent des balais à calage déterminé, et, d'autre part, un stator dont l'enroulement peut être relié aux balais précités,
au moins un rhéostat de démarrage avec plots de compensation étant intercalé entre lesdits balais et les enroulements secon daires de l'excitatrice et du moteur principal.
Ce dispositif comprend donc essentielle ment une excitatrice shunt à courant poly phasé n'exigeant avec le moteur principal qu'une liaison électrique à l'exclusion de toute liaison mécanique.
Cette excitatrice permet, par exemple: 1 De réaliser la compensation du facteur de puissance de machines asynchrones à ro tor bobiné et muni de bagues, sans modifica tion mécanique de celles-ci et moyennant une transformation très simple de l'appareillage.
2 Elle donne une compensation shunt au moteur auquel elle est adaptée, c'est-à-dire qu'elle permet de réaliser un facteur de puis sance voisin de l'unité entre une charge nulle et une charge atteignant 5/4 à 6/4 de la charge normale; à charge nulle ou à très fai ble charge, le facteur de puissance est infé rieur à l'unité et correspond à un déphasage à volonté avant ou arrière du courant sur la tension.
3 Elle est auto-compensatrice, c'est-à- dire qu'elle absorbe la puissance nécessaire à son fonctionnement sous un facteur de puissance sensiblement égal à l'unité à toutes charges.
4 Elle est auto-motrice et n'exige pas de moteur pour son entraînement, ni aucune liaison mécanique telle que courroie, câble, chaîne, engrenage, manchon d'accouplement, etc., avec le moteur à compenser; la simple liaison électrique nécessaire pour obtenir la compensation est réalisée très facilement par l'appareillage.
De plus, un moteur équipé avec cette ex- citatrice possède toutes les propriétés d'un moteur shunt compensé; en particulier, son couple maximum en marche ou couple de dé crochage se trouve augmenté.
Ce dispositif peut être adjoint à tous mo teurs asynchrones à secondaire polyphasé, quel que soit le nombre de phases du réseau d'alimentation. Un moteur ainsi compensé démarre en moteur asynchrone en fournis sant un couple de démarrage qui est fonction de son couple maximum et des résistances de démarrage, et le passage de la marche en mo teur asynchrone normal à la marche en mo teur asynchrone compensé, se fait par l'in termédiaire d'un démarreur d'un type cou rant et ne nécessite aucune manoeuvre, ni appareil compliqué.
Son application aux machines synchrones permet, d'autre part, de faire fonctionner des moteurs synchrones en moteurs asyn chrones compensés au delà des limites de marche en moteurs synchrones.
Enfin, le dispositif de compensation in dividuelle du facteur de puissance des mo teurs asynchrones à bagues peut être réalisé, à titre de variante, au moyen d'une excita- trice dont l'enroulement secondaire, moteur et compensateur, est couplé en série avec le secondaire du moteur principal.
Le dessin annexé représente, schémati quement, à titre d'exemple, des formes d'exé cution du dispositif selon l'invention.
Fig. 1 est une coupe longitudinale par tielle de l'excitatrice, dans le cas d'une ma chine asynchrone; Fig. 2 est un schéma des enroulements et des connexions électriques pour une excita- trice bipolaire; Fig. 3 montre les connexions entre le mo teur à compenser, l'excitatrice et le démar reur; Fi. 4 est un schéma des connexions en tre les machines et l'appareillage, dans le cas d'une machine synchrone à excitatrice indé pendante; Fig. 5 en est une variante; Fig. 6 est un schéma d'enroulements et de connexions dans le cas d'une excitatrice bipolaire, d'un réseau triphasé et d'un secon daire triphasé sur le moteur principal; Fig. 7 est un schéma des connexions en tre le moteur à compenser, l'excitatrice et l'appareillage électrique;
Fig. 8 est une variante des connexions dans le cas de l'emploi d'un inverseur. L'excitatrice selon l'exemple comporte un stator a et un rotor b en tôles minces d'acier au silicium, telles qu'on les emploie dans la construction électrique, qui sont isolées entre elles au papier ou au vernis ou par un pro cédé quelconque, et montées à la presse comme dans les machines asynchrones de construction courante. Le stator et le rotor sont poinçonnés, le premier à sa périphérie intérieure, le second à sa périphérie exté rieure, et séparés par un faible entrefer. Le rotor est monté sur un arbre c qui porte également, calés sur lui, un collecteur à lames d du type employé dans les machines à courant continu, et un collecteur à bagues e. Les deux collecteurs peuvent se trouver disposés, soit du même côté du rotor, soit de part et d'autre.
Ils sont entraînés dans le mouvement dudit rotor dont l'arbre c peut tourner dans des coussinets fixes f, portés par les flasques du stator.
Dans certains cas, les coussinets peuvent être supportés par des paliers indépendants fixés sur le socle de la machine.
Le rotor est muni de deux enroulements distincts logés dans les mêmes encoches et superposés pour faciliter le bobinage; mais dans certains cas, on peut être amené à avoir des encoches distinctes réservées, soit à l'un, soit à l'autre des deux enroulements.
L'un des enroulements g du rotor (fig. 2) dit primaire normal, est composé de trois phases couplées en étoile et dont les entrées sont reliées aux trois bagues sur lesquelles frot- ten -des balais qui sont reliées au réseau; cet enroulement est du type courant employé dans les machines à courant alternatif mono ou poly phasé, et peut être exécuté à fils tirés ou bo binés directement en plusieurs plans, ou avec des bobines préparées sur gabarit ou avec barres, le pas étant normal ou raccourci.
L'autre enroulement h, dit primaire excita- teur, est du type fermé utilisé couramment sur les machines à courant continu, dont les sections sont reliées aux lames d'un collec teur d.
L'enroulement i du stator, dit secondaire moteur et compensateur, est du type employé dans les machines à courant alternatif poly phasé, et doit avoir le même nombre de phases que l'enroulement secondaire de la machine à compenser, ainsi que l'enroule ment h.
L'enroulement primaire normal g pour rait d'ailleurs être mono ou polyphasé, sui vant le nombre de phases du réseau d'ali mentation.
Sur le collecteur à, lames d reposent des balais j dont le nombre de lignes et la dis tance angulaire dépendent du nombre de phases commun à l'enroulement secondaire du moteur à compenser, à l'enroulement pri maire excitateur h et à l'enroulement secon daire i moteur et compensateur, ainsi que du nombre de pôles de l'excitatrice, le type de bobinage employé et l'utilisation éventuelle de connexions équipotentielles.
L'enroulement secondaire i moteur est dimentionné pour la puissance exigée par la marche en moteur de l'excitatrice, en tenant compte de ce que les ampères-tours d'excita tion nécessaires à la production du flux sont fournis par cet enroulement, la puissance né cessaire à la production de l'excitation étant, elle, fournie par l'enroulement primaire ex- citateur h.
Celui-ci est prévu pour la puissance qui est utilisée dans le secondaire du moteur que l'on compense, en tenant compte de la puis sance absorbée par l'enroulement i.
L'enroulement primaire normal g est prévu pour la puissance consommée par l'ex- citatrice, puissance correspondant à sa marche en moteur et à sa marche en trans. formateur.
Le nombre de spires de l'enroulement pri maire normal g est déterminé par la tension et la fréquence du réseau, le nombre de phases, le nombre d'encoches, le flux admis dans la machine et le genre de bobinage em ployé.
Le fonctionnement du dispositif est le suivant: D'après fig. 3, o et p sont respec tivement le stator et le rotor du moteur à compenser, ainsi que les enroulements qu'ils portent.
Le nombre de spires de l'enroulement pri maire excitateur h est déterminé par la ten sion à obtenir, qui est fonction de la résis tance de l'enroulement secondaire dudit mo teur à compenser et du courant magnétisant secondaire de ce dernier, en tenant compte de la chute de tension aux balais.
Le déphasage des tensions est produit par le décalage des balais j; pour certaines positions déterminées, il donne la compensa tion maximum à la fois sur l'excitatrice et sur la, machine à compenser, ces positions dé pendant du sens de rotation de l'excitatrice. Mais le nombre de pôles de l'excitatrice et, par suite, sa vitesse, sont indépendants du nombre de pôles de la machine à compenser. Dans certains cas, on peut être amené à uti liser l'enroulement du rotor de la machine à compenser comme enroulement primaire, et, celui du stator comme enroulement secon daire, ce qui peut être avantageux suivant l'importance de la compensation à réaliser.
En se référant à la même fig. 3, on voit qu'en marche normale l'excitatrice fonctionne de la façon suivante: L'enroulement i sert à donner à l'excita.- trice même son mouvement et son excitation; en marche, la fréquence y est nulle ou très faible. Cet enroulement i et l'enroulement secondaire p de la machine à compenser sont branchés en parallèle sur les balais j; l'en roulement primaire excitateur h, débite donc sur deux circuits, et ceux-ci doivent avoir même périodicité, ce qui est obtenu par le couplage en parallèle.
La puissance fournie à ces deux circuits à basse fréquence est empruntée au réseau, la transformation de ,fréquence ayant lieu par L'intermédiaire du collecteur d et des ba lais j qui servent aussi à, régler la phase de la tension appliquée aux enroulements i et p.
L'enroulement primaire normal g doit fournir la puissance consommée dans ces en roulements, plus les pertes dues à l'effet Joule, à l'hystérésie, aux courants de Fou cault, aux frottements, etc.
Supposons les curseurs des rhéostats de démarrage, placés sur des plots morts k et 1, plots qui peuvent d'ailleurs être supprimés aussi bien sur le démarreur du moteur prin cipal que sur celui de l'excitatrice. Le ré seau produit dans l'enroulement primaire normal g de l'excitatrice, ainsi que dans ce lui du moteur principal des courants tripha sés à la fréquence f périodes par seconde. Ces courants font naître un champ tournant à N =
EMI0004.0000
tours par minute, p étant le nombre de paires de pôles de la machine, qui peut être différent sur la machine principale et sur l'excitatrice. Le champ tournant se déplace dans chacune des machines à la même fréquence.
Entre les plots morts des différentes phases, on observera des tensions triphasées de fréquence f aussi bien sur le rhéostat du moteur principal que sur celui de l'excita- trice. Il en sera de même aux balais du pri maire excitateur h.
En avançant les deux curseurs jusque sur le troisième plot avant la fin, on fait dé marrer chacune des machines en moteur asyn chrone, l'excitatrice à vide, le moteur princi pal étant indifféremment à vide ou en charge.
La fréquence diminue au fur et à mesure du démarrage dans les enroulements secon daires et devient finalement très sensiblement nulle si la machine marche à vide.
Les forces électromotrices induites dans l'enroulement primaire excitateur h sont tou jours à la fréquence f; mais aux balais f, on observe des tensions ayant la fréquence de l'enroulement i secondaire de l'excitatrice. Si on pousse le curseur du démarreur d'excitatrice au dernier plot m. si on a réalisé un calage convenable des balais j, on produit l'excitation de l'excitatrice par l'enroulement secondaire i, ce qui produit la compensation de l'excitatrice. Le surplus de puissance dis ponible sur l'enroulement primaire excitateur h sera utilisé sur la machine principale quand on poussera le curseur de son démar reur à fond, c'est-à-dire sur les plots n. On établit alors, à ce moment, la liaison en pa rallèle des deux enroulements secondaires.
Avec une tension d'excitation convenable et le calage correct des balais j, on peut réa liser une compensation absolument compara ble à celle réalisée dans un moteur shunt auto-compensé et obtenir, comme sur ces ma chines, mais sans avoir touché en rien au moteur principal, un facteur de puissance voisin de l'unité entre une charge nulle et une charge égale à 5/4 ou 6/4 de la charge normale. La compensation qui est maximum à vide, varie avec la charge, ce qui ne se pro duit pas dans les machines synchrones, à moins d'employer un régulateur compliqué.
Une même excitatrice dimensionnée un peu différemment peut permettre de réaliser un petit compensateur asynchrone auto-dé marreur duquel on n'exige aucune puissance mécanique, et dont l'emploi est tout indiqué pour des installations n'ayant que de petits moteurs à rotor en cage d'écureuil ou bobiné en court-circuit. Dans ce cas, on perd le bé néfice de la compensation shunt, ne gardant sur le compensateur synchrone que l'avan tage d'un démarrage extrêmement facile et sans absorption d'un courant de démarrage anormal.
La fig. 4 représente schématiquement l'application du dispositif à une machine synchrone.
Celle-ci est constituée comme une ma chine asynchrone normale, mais possède un grand entrefer q et un bobinage secondaire triphasé important puisque celui-ci doit four nir l'excitation et qu'il doit fournir un nom bre d'ampères-tours supérieur à celui des a.m- pères-tours primaires correspondant à la charge normale de la machine.
L'excitatrice est constituée comme celle qui a été décrite précédemment, mais son en roulement secondaire i, moteur et compensa teur, est dimensionné de façon à synchroni ser la machine principale à une charge supé rieure à la marche à vide. L'enroulement primaire excitateur r est lui aussi dimen- sionné de façon à pouvoir fournir l'excitation nécessaire à la fois à l'enroulement secon daire i, moteur et compensateur, et à len- roulement secondaire p de la machine syn chrone.
Cette disposition selon l'invention présente un intérêt particulier du fait que, grâce à l'excitatrice à trois balais, l'alternateur peut être exécuté absolument comme une machine asynchrone, ce qui permet d'atteindre, sans difficulté, des vitesses périphériques élevées, et que l'excitatrice peut être exécutée avec un nombre quelconque de pôles, ce qui est intéressant, dans le cas d'alternateurs, soit à grandes vitesses périphériques, soit à faibles vitesses angulaires. Le bobinage de l'enrou lement primaire o de l'alternateur est à vo lonté mono- ou polyphasé, et peut être placé soit sur le stator, soit sur le rotor.
Si l'on dispose d'un réseau w à courant alternatif, l'enroulement primaire principal r de l'excitatrice est relié à ce réseau par les bagnes e; on l'accroche au réseau en amenant le curseur de son rhéostat de démarrage x sur la position de compensation n. Lorsqu'on ferme le circuit des balais j sur le circuit se condaire p de l'alternateur, celui-ci s'excite, et l'accrochage se fait sans difficulté. Au moyen du rhéostat u, on règle ensuite son excitation à la valeur voulue, à l'aide du rhéostat y on règle celle de l'excitatrice. Le réglage de l'excitation sur l'excitatrice ne modifie que la compensation sur l'excitatrice,. mais ne peut modifier le flux qui reste cons tant, ni par suite la tension entre les ba lais j.
Les tensions continues entre les balais j dépendent du calage de ceux-ci par rapport à l'axe du flux résultant qui est fixe dans l'espace. Pour un calage fixe des balais, la tension entre ceux-ci est absolument déter minée et fonction de la tension du réseau.
Si 1a machine est destinée à marcher en moteur synchrone, on ferme la ligne sur l'en roulement primaire o de l'alternateur et sur l'enroulement primaire normal r de l'excita- trice. On manouvre le démarreur v d'exci- tatrice à fond. L'enroulement primaire exci- tateur r est alors couplé par les balais j sur l'enroulement secondaire i moteur et com pensateur de l'excitatrice. En manouvrant ensuite le démarreur x de la machine dans le sens de la flèche m, celle-ci démarre en moteur asynchrone, et, lorsqu'on passe sur les plots de compensation n, marche en ma chine synchrone.
L'accrochage est automatique, l'excitation seule demandant à être réglée par le rhéos tat triphasé u à la valeur voulue. Une fois que l'on a l'excitation continue maximum sur la machine, si celle-ci vient, par suite d'une surcharge, à dépasser sa limite de fonction nement en moteur synchrone, elle fonctionne alors en moteur asynchrone compensé, ce qui augmente le couple de décrochage et contri bue à maintenir le facteur de puissance voi sin de l'unité.
Dans la marche en génératrice, si l'on change le calage correct des balais j de l'ex- citatrice, on modifie la tension aux bornes de l'alternateur par le fait qu'on provoque une répartition plus ou moins régulière des cou rants continus dans l'enroulement secondaire excitateur p de l'alternateur, dans l'enroule ment secondaire i de l'excitatrice, et d'ans son enroulement excitateur h.
Dans la marche en moteur, un semblable changement fait perdre la caractéristique synchrone de la machine qui devient asyn chrone, en même temps que sa compensation diminue et que sa vitesse à vide augmente ou diminue.
La fig. 5 représente une variante de la précédente application :dans laquelle l'arppa- reillage est considérablement simplifié; étant donnée sa faible puissance par rapport au moteur principal, l'excitatrice peut en effet être démarrée avec son enroulement secon daire i court-circuité sur le collecteur à lames d; les résistances de réglage du circuit secondaire d'excitation du moteur principal sont alors prévues dans le même rhéostat, z que les résistances de démarrage.
En marche normale, l'excitatrice doit avoir dans ce cas un glissement positif, c'est- à-dire fonctionner en génératrice asynchrone du côté du collecteur à bagues, le secondaire du moteur principal fournissant alors la puis sance nécessaire au fonctionnement.
La variante représentée par fig. 5 est également applicable dans le cas de la com pensation des machines asynchrones, les ré sistances de réglage du circuit d'excitation du moteur principal étant réduites à la va leur nécessaire pour limiter le courant de court-circuit de l'enroulement primaire exci- tateur lors du passage de la, marche en ma chine asynchrone normale à la marche en moteur asynchrone compensé.
Dans cette variante, l'enroulement secon daire i de l'excitatrice, moteur et compensa teur, est couplé en série avec le secondaire p du moteur principal.
Cet enroulement est prévu, comme indi qué plus haut, pour la puissance exigée par la marche en moteur de l'excitatrice, dans des conditions analogues à celles déjà énon cées. De même, le nombre de spires de l'en roulement primaire excitateur h est déter miné par la tension à obtenir, qui est fonc tion de la résistance de l'enroulement secon daire dit moteur à compenser et du courant magnétisant secondaire de ce dernier, ainsi. que de la résistance du secondaire moteur et. compensateur de l'excitatrice et du courant d'excitation nécessaire à cette dernière, en tenant compte de la chute de tension aux balais.
L'enroulement i secondaire, moteur et compensateur, augmente légèrement la chute de tension que produit l'enroulement secon daire de la machine à compenser qui est en série avec lui et qui est reliée à l'enroule ment h primaire excitateur de l'excitatrice, lorsque la machine tourne à vide ou en charge.
Le calage correct des balais doit donner la compensation maximum à la fois sur l'ex- citatrice et sur la, machine à compenser.
Si l'on se reporte à la fig. 6, on voit que, en marche normale, l'excitatrice fonctionne de la façon suivante: L'enroulement i sert à donner à l'excita- trice même son mouvement et son excitation: en marche, la fréquence est nulle ou très fai ble. Cet enroulement i et l'enroulement se condaire p de la machine à compenser sont couplés en série et sont branchés sur les ba lais j; l'enroulement primaire excitateur h. débite donc dans deux circuits en série, qui ont donc même périodicité.
La puissance fournie à ce circuit à basse fréquence est produite à la fréquence du réseau, la trans formation de fréquence ayant lieu par l'in termédiaire du collecteur d et des balais j qui servent aussi à régler la phase de la ten sion appliquée aux enroulements secondaires i de l'excitatrice et p du moteur à compenser.
L'enroulement primaire normal doit four nir la puissance consommée dans ces enrou lements, plus les pertes dues à l'effet Joule, à l'hystérésie, aux courants de Foucault, aux frottements, etc.
La fig. 7 représente le schéma des con nexions d'une excitatrice avec ses enroule ments triphasé, destinée à compenser un mo teur alimenté par le même réseau et ayant un enroulement secondaire triphasé.
Le curseur de l'appareil de démarrage étant placé sur les plots morts k. qui, d'ail leurs, peuvent être supprimés, le couplage sur le réseau donne naissance à des champs tournants qui se déplacent dans chaque ma chine à la même fréquence. L'interrupteur t, qui est fermé au démarrage, permet le dé marrage en court-circuit de l'excitatrice, en même temps qu'il sert à relier le secondaire du moteur principal<B>au</B> démarreur.
Cet interrupteur t peut. être remplacé, selon fig. 8, par un inverseur bipolaire placé sur .deux des fils réunissant le secondaire p du moteur principal, au secondaire- i, moteur et compensateur, de l'excitatrice. Mais le dé marrage de l'excitatrice est alors moins franc; une fois son démarrage effectué, et celui du moteur terminé, il faut manouvrer l'inver seur pour l'amener de la position 1 à la po sition 2.
Entre les plots de différentes phases, on observera donc des tensions triphasées de fréquence t périodes par seconde, sur le rhéos tat du moteur principal.
Pendant le démarrage, jusqu'au troisième plot avant la fin, le moteur principal marche en moteur asynchrone. L'excitatrice a dé marré dès la fermeture de l'interrupteur prin cipal et de l'interrupteur t; elle marche en moteur asynchrone à vide.
La fréquence diminue au fur et à mesure du démarrage dans les enroulements secon daires et devient finalement très sensible ment nulle si la machine marche à vide.
Les forces électro-motrices induites dans l'enroulement primaire excitateur h sont tou jours à la fréquence f dans les enroulements, mais aux balais j, on observe des tensions ayant la fréquence de l'enroulement i se condaire de l'excitatrice.
Si on pousse le curseur du démarreur au dernier plot n avec un calage correct des ba lais j, on produit l'excitation du moteur prin cipal et en ouvrant l'interrupteur t l'excita tion de l'excitatrice par l'enroulement secon daire i, ce qui produit la compensation du moteur et de l'excitatrice.
Avec une tension d'excitation et un calage convenable des balais j, on peut réaliser une compensation analogue à celle que permet d'obtenir l'emploi de l'excitatrice shunt.
Device for individual compensation of the power factor of asynchronous and synchronous ring machines by means of an exciter. The present invention relates to a device for individual compensation of the power factor of asynchronous ring machines. It comprises an exciter electrically coupled to the compensating machine, said exciter comprising, on the one hand, a rotor with two distinct windings, one of which is connected to the terminals of the machine to be compensated by rings and brushes, and the other of which, which is closed, is connected to the blades of a direct-current collector on which the brushes with determined setting rest, and, on the other hand, a stator whose winding can be connected to the aforementioned brushes ,
at least one starting rheostat with compensation pads being interposed between said brushes and the secondary windings of the exciter and of the main motor.
This device therefore essentially comprises a shunt exciter with polyphase current requiring only an electrical connection with the main motor to the exclusion of any mechanical connection.
This exciter makes it possible, for example: 1 To compensate for the power factor of asynchronous machines with wound rotors and fitted with rings, without mechanical modification of the latter and by means of a very simple conversion of the apparatus.
2 It gives shunt compensation to the motor to which it is adapted, i.e. it enables a power factor close to unity to be achieved between a zero load and a load reaching 5/4 to 6 / 4 of the normal load; at zero load or at very low load, the power factor is less than unity and corresponds to a forward or reverse phase shift of the current on the voltage.
3 It is self-compensating, ie it absorbs the power necessary for its operation at a power factor substantially equal to unity at all loads.
4 It is self-propelled and does not require a motor for its drive, nor any mechanical connection such as belt, cable, chain, gear, coupling sleeve, etc., with the motor to be compensated; the simple electrical connection necessary to obtain the compensation is very easily achieved by the equipment.
In addition, a motor equipped with this exciter has all the properties of a compensated shunt motor; in particular, its maximum running torque or stall torque is increased.
This device can be added to all asynchronous motors with polyphase secondary, whatever the number of phases of the supply network. A motor thus compensated starts as an asynchronous motor by supplying a starting torque which is a function of its maximum torque and the starting resistances, and the change from normal asynchronous motor operation to compensated asynchronous motor operation takes place. by means of a starter of a current type and does not require any maneuver or complicated device.
Its application to synchronous machines makes it possible, on the other hand, to operate synchronous motors as asynchronous motors compensated beyond the operating limits in synchronous motors.
Finally, the device for individual compensation of the power factor of slip ring asynchronous motors can be implemented, as a variant, by means of an exciter whose secondary winding, motor and compensator, is coupled in series with the secondary of the main engine.
The appended drawing represents, schematically, by way of example, embodiments of the device according to the invention.
Fig. 1 is a partial longitudinal section of the exciter, in the case of an asynchronous machine; Fig. 2 is a diagram of the windings and electrical connections for a bipolar exciter; Fig. 3 shows the connections between the motor to be compensated, the exciter and the starter; Fi. 4 is a diagram of the connections between the machines and the apparatus, in the case of a synchronous machine with independent exciter; Fig. 5 is a variant; Fig. 6 is a diagram of windings and connections in the case of a bipolar exciter, a three-phase network and a three-phase secondary on the main motor; Fig. 7 is a diagram of the connections between the motor to be compensated, the exciter and the electrical equipment;
Fig. 8 is a variant of the connections in the case of the use of an inverter. The exciter according to the example comprises a stator a and a rotor b made of thin sheets of silicon steel, as used in electrical construction, which are insulated from each other with paper or varnish or by a process. arbitrary, and mounted with the press as in asynchronous machines of current construction. The stator and the rotor are punched, the first at its inner periphery, the second at its outer periphery, and separated by a small air gap. The rotor is mounted on a shaft c which also carries, wedged on it, a blade manifold d of the type used in direct current machines, and a ring manifold e. The two collectors can be arranged, either on the same side of the rotor, or on either side.
They are driven in the movement of said rotor, the shaft c of which can rotate in fixed bearings f, carried by the flanges of the stator.
In some cases, the bearings may be supported by independent bearings fixed to the base of the machine.
The rotor is provided with two separate windings housed in the same notches and superimposed to facilitate winding; but in some cases, it may be necessary to have separate notches reserved either for one or the other of the two windings.
One of the windings g of the rotor (fig. 2) called normal primary, is made up of three phases coupled in a star and whose inputs are connected to the three rings on which brushes which are connected to the network rub; this winding is of the common type used in single- or poly-phased alternating current machines, and can be carried out with pulled or wound wires directly in several planes, or with coils prepared on a template or with bars, the pitch being normal or shortened .
The other winding h, called the exciter primary, is of the closed type commonly used on direct current machines, the sections of which are connected to the blades of a collector d.
The winding i of the stator, called secondary motor and compensator, is of the type used in poly-phased alternating current machines, and must have the same number of phases as the secondary winding of the machine to be compensated, as well as the winding ment h.
The normal primary winding could also be single or polyphase, depending on the number of phases of the supply network.
On the collector with blades d rest brushes j whose number of lines and angular distance depend on the number of phases common to the secondary winding of the motor to be compensated, to the primary exciter winding h and to the winding secondary motor and compensator, as well as the number of exciter poles, the type of winding used and the possible use of equipotential connections.
The secondary motor winding is sized for the power required by the operation of the exciter as a motor, taking into account that the excitation ampere-turns necessary for the production of the flux are supplied by this winding, the power necessary for the production of the excitation being, for its part, supplied by the exciter primary winding h.
This is intended for the power which is used in the secondary of the motor which is compensated, taking into account the power absorbed by winding i.
The normal primary winding g is designed for the power consumed by the exciter, power corresponding to its operation as a motor and to its operation in trans. former.
The number of turns of the normal primary winding g is determined by the voltage and frequency of the network, the number of phases, the number of notches, the flux admitted into the machine and the type of winding used.
The operation of the device is as follows: According to fig. 3, o and p are respectively the stator and the rotor of the motor to be compensated, as well as the windings which they carry.
The number of turns of the primary exciter winding h is determined by the voltage to be obtained, which is a function of the resistance of the secondary winding of said motor to be compensated and of the secondary magnetizing current of the latter, taking into account of the voltage drop at the brushes.
The phase shift of the voltages is produced by the offset of the brushes j; for certain determined positions, it gives the maximum compensation both on the exciter and on the compensating machine, these positions depending on the direction of rotation of the exciter. But the number of poles of the exciter and, consequently, its speed, are independent of the number of poles of the machine to be compensated. In certain cases, it may be necessary to use the winding of the rotor of the machine to be compensated as the primary winding, and that of the stator as the secondary winding, which can be advantageous depending on the size of the compensation to be achieved.
Referring to the same fig. 3, we see that in normal operation the exciter works as follows: The winding i serves to give the exciter itself its movement and its excitation; when operating, the frequency is zero or very low. This winding i and the secondary winding p of the compensating machine are connected in parallel to the brushes j; the primary bearing exciter h, therefore delivers on two circuits, and these must have the same periodicity, which is obtained by coupling in parallel.
The power supplied to these two circuits at low frequency is taken from the network, the transformation of frequency taking place through the intermediary of the collector d and the bays j which also serve to adjust the phase of the voltage applied to the windings i and p.
The normal primary winding g must supply the power consumed in these bearings, plus the losses due to the Joule effect, hysteresis, Crazy currents, friction, etc.
Let us assume the starting rheostats sliders, placed on dead pads k and 1, pads which can moreover be removed both on the starter of the main motor and on that of the exciter. The network produces three-phase currents at the frequency f periods per second in the normal primary winding g of the exciter, as well as in that of the main motor. These currents give rise to a rotating field at N =
EMI0004.0000
revolutions per minute, p being the number of pole pairs of the machine, which can be different on the main machine and on the exciter. The rotating field moves in each of the machines at the same frequency.
Between the dead pads of the different phases, three-phase voltages of frequency f will be observed both on the rheostat of the main motor and on that of the exciter. It will be the same for the brooms of the primary exciter h.
By advancing the two cursors to the third pad before the end, each of the machines is started as an asynchronous motor, the exciter at no load, the main motor being indifferently unladen or under load.
The frequency decreases as and when starting in the secondary windings and finally becomes very substantially zero if the machine runs empty.
The electromotive forces induced in the primary exciter winding h are always at the frequency f; but at the brushes f, one observes voltages having the frequency of the secondary winding i of the exciter. If we push the cursor of the exciter starter to the last m. if the brushes j have been properly wedged, the excitation of the exciter is produced by the secondary winding i, which produces the compensation of the exciter. The excess power available on the primary exciter winding h will be used on the main machine when the cursor of its starter is pushed fully, that is to say on the pads n. At this time, the parallel connection of the two secondary windings is then established.
With a suitable excitation voltage and the correct setting of the brushes j, it is possible to achieve an absolutely comparable compensation to that carried out in a self-compensating shunt motor and obtain, as on these machines, but without having touched the main motor, a power factor close to unity between zero load and a load equal to 5/4 or 6/4 of the normal load. The compensation, which is maximum no-load, varies with the load, which does not occur in synchronous machines, unless a complicated regulator is used.
The same exciter dimensioned a little differently can make it possible to produce a small self-starting asynchronous compensator from which no mechanical power is required, and whose use is ideal for installations having only small cage rotor motors. squirrel or coiled in short circuit. In this case, the benefit of the shunt compensation is lost, keeping on the synchronous compensator only the advantage of an extremely easy starting and without absorption of an abnormal starting current.
Fig. 4 schematically represents the application of the device to a synchronous machine.
This is made like a normal asynchronous ma chine, but has a large air gap q and a large three-phase secondary winding since this must provide the excitation and must provide a number of ampere-turns greater than that of the primary ampere-turns corresponding to the normal load of the machine.
The exciter is constructed as that which has been described above, but its secondary bearing i, motor and compensator, is dimensioned so as to synchronize the main machine at a load greater than idling. The exciter primary winding r is also dimensioned so as to be able to provide the necessary excitation both to the secondary winding i, motor and compensator, and to the secondary winding p of the synchronous machine.
This arrangement according to the invention is of particular interest because, thanks to the three-brush exciter, the alternator can be executed absolutely like an asynchronous machine, which makes it possible to achieve high peripheral speeds without difficulty, and that the exciter can be executed with any number of poles, which is interesting, in the case of alternators, either at high peripheral speeds or at low angular speeds. The winding of the primary winding o of the alternator is single-phase or polyphase, and can be placed either on the stator or on the rotor.
If we have an alternating current w network, the main primary winding r of the exciter is connected to this network by the rings e; it is attached to the network by bringing the cursor of its starting rheostat x to the compensation position n. When the brush circuit j is closed on the condaire circuit p of the alternator, the latter is excited, and the coupling is done without difficulty. By means of the rheostat u, its excitation is then adjusted to the desired value, using the rheostat y that of the exciter is adjusted. Adjusting the excitation on the exciter only modifies the compensation on the exciter. but cannot modify the flow which remains constant, nor consequently the tension between the bays j.
The direct voltages between the brushes j depend on the setting of the latter with respect to the axis of the resulting flux which is fixed in space. For a fixed wedging of the brushes, the voltage between them is absolutely determined and depends on the voltage of the network.
If the machine is intended to operate as a synchronous motor, the line is closed on the primary bearing o of the alternator and on the normal primary winding r of the exciter. The exciter starter v is fully actuated. The primary exciter winding r is then coupled by the brushes j to the secondary winding i motor and compensator of the exciter. By then maneuvering the starter x of the machine in the direction of the arrow m, the latter starts up as an asynchronous motor, and, when one passes over the compensation pads n, it runs in synchronous mode.
Latching is automatic, the excitation alone requiring to be adjusted by the three-phase rheos tat u to the desired value. Once we have the maximum continuous excitation on the machine, if it comes, as a result of an overload, to exceed its operating limit as a synchronous motor, it then operates as a compensated asynchronous motor, which increases the stall torque and helps to maintain the power factor close to the unit.
When operating as a generator, if the correct setting of the exciter brushes j is changed, the voltage at the terminals of the alternator is modified by causing a more or less regular distribution of the currents. continuous in the secondary exciter winding p of the alternator, in the secondary winding i of the exciter, and in its exciter winding h.
In motor operation, a similar change loses the synchronous characteristic of the machine which becomes asynchronous, at the same time as its compensation decreases and its no-load speed increases or decreases.
Fig. 5 represents a variant of the previous application: in which the equipment is considerably simplified; given its low power compared to the main motor, the exciter can in fact be started with its secondary winding i short-circuited on the blade collector d; the adjustment resistors of the secondary excitation circuit of the main motor are then provided in the same rheostat, z as the starting resistors.
In normal operation, the exciter must in this case have a positive slip, that is to say operate as an asynchronous generator on the slip ring collector side, the secondary of the main motor then supplying the power necessary for operation.
The variant represented by FIG. 5 is also applicable in the case of the compensation of asynchronous machines, the adjustment resistors of the excitation circuit of the main motor being reduced to the value necessary to limit the short-circuit current of the primary excitation winding. tator when switching from normal asynchronous motor operation to compensated asynchronous motor operation.
In this variant, the secondary winding i of the exciter, motor and compensator, is coupled in series with the secondary p of the main motor.
This winding is provided, as indicated above, for the power required by the operation of the exciter as a motor, under conditions similar to those already mentioned. Likewise, the number of turns of the exciter primary winding h is determined by the voltage to be obtained, which is a function of the resistance of the secondary winding called the motor to be compensated and of the secondary magnetizing current of the latter, so. than the resistance of the motor secondary and. compensator of the exciter and the excitation current required for the latter, taking into account the voltage drop across the brushes.
The secondary winding, motor and compensator, slightly increases the voltage drop produced by the secondary winding of the compensating machine which is in series with it and which is connected to the exciter primary winding h of the exciter , when the machine is running empty or under load.
The correct setting of the brushes should give the maximum compensation on both the exciter and the machine to be compensated.
If we refer to fig. 6, we see that, in normal operation, the exciter operates as follows: Winding i is used to give the exciter itself its movement and its excitation: in operation, the frequency is zero or very low . This winding i and the winding condaire p of the compensating machine are coupled in series and are connected to the bays j; the primary exciter winding h. therefore debits in two circuits in series, which therefore have the same periodicity.
The power supplied to this low frequency circuit is produced at the frequency of the network, the frequency transformation taking place via the collector d and the brushes j which also serve to adjust the phase of the voltage applied to the windings. secondary i of the exciter and p of the motor to be compensated.
The normal primary winding must provide the power consumed in these windings, plus the losses due to the Joule effect, hysteresis, eddy currents, friction, etc.
Fig. 7 shows the diagram of the connections of an exciter with its three-phase windings, intended to compensate a motor supplied by the same network and having a three-phase secondary winding.
The starting device cursor being placed on the dead pads k. which, moreover, can be suppressed, the coupling on the network gives rise to rotating fields which move in each machine at the same frequency. Switch t, which is closed at start-up, allows the exciter to be started by short-circuit, at the same time as it serves to connect the secondary of the main motor <B> to the </B> starter.
This switch t can. be replaced, according to fig. 8, by a bipolar inverter placed on .two of the wires joining the secondary p of the main motor, to the secondary i, motor and compensator, of the exciter. But the starting of the exciter is then less clear; once it has started and the motor has been started, move the reverser to bring it from position 1 to position 2.
Between the pads of different phases, we will therefore observe three-phase voltages of frequency t periods per second, on the rheos state of the main motor.
During starting, up to the third pad before the end, the main motor runs as an asynchronous motor. The exciter started as soon as the main switch and switch t were closed; it operates as an asynchronous motor with no load.
The frequency decreases with starting in the secondary windings and finally becomes very noticeably zero if the machine is running empty.
The electro-motive forces induced in the primary winding exciter h are always at the frequency f in the windings, but at the brushes j, one observes voltages having the frequency of the winding i conditional on the exciter.
If the starter slider is pushed to the last pin n with correct setting of the bars j, excitation of the main motor is produced and by opening the switch t the excitation of the exciter by the secondary winding i, which produces the compensation of the motor and the exciter.
With an excitation voltage and a suitable wedging of the brushes j, it is possible to achieve a compensation similar to that obtained by the use of the shunt exciter.