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.