Machine électrique synchrone autoexcitatrice et autorégulatrice. Dans les machines électriques synchrones connues, la dynamo excitatrice, qui couram ment forme une machine séparée, et aussi l'appareil régulateur de la tension sont deux accessoires qui compliquent et renchérissent l'ensemble, surtout dans le cas d'installations de petite ou moyenne puissance. La présente invention a pour objet une machine électrique synchrone autoexcitatrice et autorégulatrice qui n'a pas besoin d'être complétée par ces accessoires. Cette machine peut être généra- triee ou motrice.
Elle est caractérisée en ce qu'elle comprend un inducteur et un induit de machine syn- chrone, et un anneau Gramme, solidaire de l'induit et disposé de façon qu'il reste soumis à l'influence du champ magnétique de l'induc teur et. du champ magnétique de l'induit. Par l'effet de ces deux champs magnétiques, il se développe dans l'anneau Gramme un courant compensé, lequel, après avoir été redressé par exemple au moyen d'un collecteur ou d'un redresseur statique, sec ou à vapeur de mer cure, est eonduit comme courant d'excitation à l'enroulement inducteur pour obtenir un effet autorégulateur de la machine.
Soit que la machine travaille comme géné ratrice, soit qu'elle travaille comme motrice, ce courant produit dans l'anneau Gramme constitue le courant d'excitation de la machine et, du fait qu'il est<B>dû</B> à la combinaison des deux champs magnétiques, il résulte que cette excitation varie avec le débit de la machine; on obtient ainsi un effet autorégulateur de la machine synchrone.
L'anneau Gramme peut être formé de deux noyaux magnétiques annulaires, entourés tous deux d'un seul enroulement, ces deux noyaux étant disposés de façon que l'un soit influencé par le champ magnétique de l'inducteur, et l'autre par le champ magnétique de l'induit.
Au dessin annexé, diverses formes d'exé cution de la machine qui fait l'objet de l'in vention sont représentées à titre d'exemple.
Les fig. 1 et 2 représentent schématique ment l'anneau Gramme avec l'indication des champs qui agissent sur lui.
La fig. 3 représente une machine à induc teur tournant, à entrefer constant, destinée à fonctionner comme alternateur.
Les fig. 4 et 5 représentent, en coupe lon gitudinale et transversale, respectivement, une machine à inducteur tournant, à pôles sail lants, destinée à fonctionner notamment comme alternateur.
Les fig. 6 et 7; cette dernière sous forme schématique, représentent une machine à in ducteur fixe à pâles saillants, destinée à fonc tionner comme alternateur.
Les fig. 8 et 9 représentent une machine à inducteur à pôles saillants, destinée à fonc tionner comme moteur.
L'anneau Gramme 1, représenté schémati quement sur les fig. 1, 2 et aussi sur la fig. 7, constitue l'induit de l'excitatrice clé la ma chine synchrone triphasée; il est. logé dans la machine même et subit les effets du champ inducteur et du champ induit. de. la machine synchrone. Ledit anneau pré sente, à cet effet, un seul enroulement exté rieur 2, mais il a deux noyaux 3, 4 en tôle, formant deux anneaux magnétiques coaxiaux séparés par un entrefer 5.
Selon le cas, cet ensemble est fixe (fig. 1 et 2) ou tourne dans l'espace (fig. 7), mais les deux champs qui agissent sur lui ont toujours un mouvement relatif par rapport à l'anneau et, comme ils sont synchrones entre eux parce que le champ tournant de l'induit. de la machine synchrone est la conséquence de l'action du champ indue- teur, ils tournent ensemble. Les tensions in duites par ces champs sur l'enroulement Gramme produisent des courants qui sont re dressés soit par un redresseur sec 19 (fig. 1 et 2), soit par un collecteur 18 avec ses balais 17 (fig. 7).
La machine synchrone génératrice ou mo trice proprement dite est constituée par l'en roulement inducteur 12, le noyau inducteur 14, l'enroulement induit 11 et le noyau induit 1.3, et comprend une zone magnétique entou rée par la ligne 6 dans sa partie principale. L'anneau Gramme forme l'induit commun de deux autres ensembles, l'un excitateur et l'autre régulateur, ayant chacun sa zone d'ac tion magnétique.
L'ensemble excitateur est constitué par le noyau annulaire 4 de l'anneau Gramme et un noyau magnétique 9 compris dans l'enroulement 12, ces noyaux coopérant dans une zone d'entrefer 7, et l'ensemble régLi- lateur, par le noyau annulaire 3 de l'anneau Gramme et un noyau 10 compris dans un pro longement de l'enroulement induit. 11, ces noyaux coopérant dans une autre zone d'entre fer 8.
Les circuits magnétiques de ces deux ensembles influent sur le même enroulement extérieur 2 de l'anneau Gramme qui passe à travers ces champs dans son mouvement rela tif, grâce à quoi les forces électromotrices induites s'additionnent v ectoriellement de façon favorable; cela est possible parce qu'à cause de la forme en anneau de l'enroulement 2, le champ produit par l'inducteur 12 de la machine synchrone agit sur la portion de cha- que spire de l'enroulement de l'anneau Gramme située à 180 électriques de la portion de cette même spire qui est influencée par le champ tournant. produit par l'induit. 11 de la machine synchrone, qui, en ce cas, agit comme inducteur.
Le courant. produit, par l'anneau Gramme, une fois redressé, va ali menter l'inducteur 12 de la. machine syn chrone, qui est aussi celui de l'ensemble exci- tateur; celui-ci travaille donc comme une véri table génératrice de courant continu capable de remplir les fonctions d'une exeitatrice; en même temps, l'anneau Gramme étant soumis à l'action du champ magnétique de l'induit de la machine synchrone triphasée, il est capable de produire une force électromotrice et, par conséquent, un courant inducteur pour la même machine, d'autant plus intense que le courant circulant par ledit. induit sera. plus grand.
Ainsi, l'excitation de la machine syn chrone s'accroit automatiquement à mesure qu'augmente le débit de courant de la machine dans le cas où celle-ci fonctionne comme géné rateur, ou sa consommation de courant dans le cas où elle fonctionne comme moteur; c'est- à-dire qu'on obtient un effet autorégulateur de eompoundage pour la machine synchrone.
Bien entendu, ledit anneau doit être cal culé dans ses dimensions et ses entrefers sui vant l'influence respective que les champs des enroulements 11 et 12 devront exercer sur le courant induit dans l'enroulement 2. Cet en roulement peut être disposé de manière qu'une partie seulement de ses spires coopèrent avec l'un ou l'autre des noyaux 3 et 4. L'anneau Gramme comprenant ces deux noyaux 3 et 4 et l'enroulement \? peut être interchangeable dans une machine donnée pour pouvoir l'adap ter à sa destination particulière.
D'une façon générale, le noyau magné tique 4 affecté par le champ inducteur de la machine synchrone doit atteindre de fortes inductions, c'est-à-dire qu'il doit travailler au-delà de la partie déjà courbée de sa carac téristique magnétique; d'autre part, les induc tions obtenues dans le noyau 3 affecté par le champ induit de la machine devront être faibles.
Les entrefers respectifs 16 et 15 seront par conséquent l'un étroit et l'autre plus grand, et l'on pourra les choisir tels que la caractéristique extérieure de la machine soit celle qui conviendra le mieux, c'est-à-dire obtenir, quand la machine fonctionne comme alternateur, une caractéristique de compoun- dage horizontale, ou avec un léger hypercom- poundage, jusqu'à une certaine valeur de la charge où la tension tombe alors très rapide ment.
En résumé, la machine synchrone com prend trois enroulements: celui 2 de l'anneau ('Tramine, l'enroulement. triphasé 11 et l'en roulement inducteur 12, dont les champs s'in fluencent entre eux en utilisant comme chemin les trois zones séparées d'action magnétique 6, 7, 8, les enroulements 2 et 11 étant mécanique ment solidaires entre eux, et les deux en mou vement relatif par rapport à l'enroulement 12, et les enroulements 2 et 12 étant reliés l'un à l'autre électriquement à travers un redres seur statique 1.9 et deux bagues de contact 21 (fig. 1 et \?) ou à. travers un collecteur 18 avec ses balais 17 (fig. 7).
Sur la fig. 3, on voit clairement la dispo sition particulièrement convenable pour les machines synchrones à. nombre élevé de révo lutions. On voit que l'inducteur tournant 14 est prolongé un peu en 9 jusqu'à obtenir qu'il puisse être entouré d'un anneau CTramme 3, -1 qui, à son tour, se loge entre les .têtes de l'enroulement du stator qui constitue l'in duit de la machine synchrone, lesquelles têtes de l'enroulement 11 sont entourées par un anneau de tôle 10, de façon que l'anneau Gramme reste fixe dans l'espace.
La portion 9 de l'inducteur tournant vis-à-vis de l'anneau Gramme comporte un noyau d'acier de carac téristiques magnétiques plus accusées que le reste du rotor et séparé magmétiquement de celui-ci, afin que le magnétisme rémanent de la machine soit suffisant pour produire l'amorçage de ladite machine quand celle-ci fonctionne comme générateur.
Pour prélever sur l'enroulement de l'anneau Gramme un courant redressé destiné à, alimenter l'enroule ment de l'inducteur tournant. 11, on pourrait avoir recours à un collecteur coopérant avec des balais. Etant donné que l'anneau Gramme ne tourne pas, ce collecteur serait fixe et les balais tourneraient, ce qui serait malcommode.
On a donc préféré prévoir trois dérivations (non représentées à la fi,-. 3; voir fig. 1 et 2) allant de points de l'enroulement 2 de l'anneau Gramme situés à 120 électriques à un redres seur sec triphasé 19, lequel, une fois le cou rant redressé, le conduit par des charbons 20 et deux bagues de contact 21 à l'inducteur tournant; on évite ainsi les inconvénients pro duits par le mécanisme délicat des balais tournants et on supprime le collecteur qui est toujours l'organe demandant le plus de soins dans une machine dynamoélectrique. Cependant, dans certains cas, et surtout si la machine est lente, on peut. avoir intérêt à uti liser un collecteur et des balais plutôt qu'un redresseur sec.
L'alternateur décrit, entraîné par exemple par une petite turbine à vapeur, doit avoir une vitesse constante parce que la fréquence du courant fourni la demande. On obtient cela grâce aux régulateurs de vitesse déjà connus dont disposent.ces turbines. Si donc le facteur de puissance de l'installation demeure cons tant, avec une valeur égale à l'unité s'il s'agit. d'installations d'éclairage, ou avec peu de va riation s'il s'agit d'alimenter plusieurs mo teurs, les variations de la charge se tradui ront en variations de l'excitation, la tension variant à. peine et sans qu'aucun appareil régulateur ne soit nécessaire.
Si cela intéresse, on peut corriger l'influence qu'a sur la tension la variation de résistance de l'enroulement in ducteur, due à la différence de température à la. mise en marche et en régime normal; il suffit pour cela de mettre en série avec l'en roulement inducteur une petite résistance 22 à disques de charbon, soumise par un thermo stat à une pression variable selon la tempé rature, la. valeur de cette résistance variant en sens opposé à celui de la variation de résis tance de l'inducteur; on peut ainsi obtenir que la somme des résistances de l'inducteur et du charbon se maintienne à peu près constante et de faeon automatique malgré les variations de la température.
Naturellement, cette cor- rection de la résistance du circuit inducteur pourrait aussi être faite à la main, à l'aide d'un petit rhéostat.
Dans l'inducteur tournant à pôles saillants représenté aux fig. 4 et 5, étant donné la disposition des pôles inducteurs constitués par les noyaux 14 et les enroùlements 12, il est convenable que les deux noyaux 3 et 4 de l'an neau Gramme ne soient pas concentriques mais coaxiaux, afin de gagner de l'espace pour que les enroulements induits du stator 11 ne soient pas trop déformés en leur donnant plu sieurs courbures; ceci a aussi l'avantage d'aug menter la distance entre les deux noyaux et de diminuer leur influence mutuelle. Le noyau 4 de l'anneau Gramme coopère par sa face intérieure avec une saillie 23 de la pièce po laire, et le noyau 3 coopère par sa face exté rieure avec l'enroulement du stator qui l'en vironne.
L'anneau Gramme étant fixe, il convient, comme dans le cas de la fig. 3, d'utiliser un redresseur sec 19 pour redresser le courant destiné à l'inducteur. Sur la fig. 4 est aussi représentée la résistance 22 polir corriger l'in fluence des variations de température sur la résistance de l'enroulement inducteur.
On peut modifier l'action du champ tour nant de l'induit suivant les divers types d'ins tallation où le facteur de puissance sera diffé rent, ou pour une même installation si les changements dudit facteur sont considérables, au moyen de segments ou dents 24 en tôle, fixés par un support non magnétique de forme annulaire 25, de façon qu'ils constituent une sorte de prolongement des dents de l'anneau en tôle 10. Ces dents 24 permettent de faire varier la réluctance du circuit magnétique, selon leur introduction plus ou moins grande dans l'entrefer existant entre l'anneau Gramme 3, 4 et l'anneau de tôle 10 de l'induit. A cet effet, l'anneau de support 25 est monté de façon qu'il puisse être déplacé axialement.
Naturellement, cette disposition de varia tion de la réluctance du circuit magnétique induit-anneau Gramme peut s'appliquer au cas de la fig. 3, sous une forme analogue à celle des fig. 4 et 5. Sur les fig..6 et 7, on indique la dispo sition propre au cas où l'inducteur 12, 14 est fixe et. l'anneau Gramme 3 et 4 tourne avec le rotor 13, 10 qui porte l'enroulement induit 11 de la machine synchrone triphasée, cet an neau étant soumis à l'action du champ de cet enroulement 11, champ qui, à, la rigueur, reste fixe dans l'espace, puisqu'il est tournant par rapport à l'enroulement induit; cependant, cet enroulement tourne de façon synchrone et en sens contraire, parée qu'il fait partie du rotor.
L'anneau Gramme, de forme pareille à celle des cas antérieurs, est. donc soumis, par la face cylindrique intérieure chi noyau annu laire 3, à ].'action du champ induit de la ma chine, et par la face extérieure du noyau annulaire 4, à l'action des prolongements 26 des pôles inducteurs 14. L'anneau Gramme étant tournant, le rotor est muni d'un collec teur 18 et les balais 17 sont fixes. On pourrait cependant remplacer le collecteur par deux bagues à. contact, destinées à. recueillir le cou rant alternatif produit entre chaque deux points situés à 180 électriques de l'anneau, un redresseur sec étant prévu pour redresser ce courant et les deux pôles inducteurs de la machine étant alimentés par le courant re dressé.
Bien entendu, dans ce type de ma chine génératrice de même que dans toutes les mitres semblables à induit tournant, on doit reprendre le courant alternatif triphasé pro duit, à travers trois ou quatre bagues de con tact 27. De même, on supprime ici le modifi cateur de la réluctance magnétique représenté sur les fig. 4 et 5, puisque, s'il y a. un collec teur, le champ résultant qui s'exerce sur l'an neau Gramme se déplace selon la valeur du facteur de puissance; le courant capté par les balais est alors influencé par ladite valeur ainsi que par la. position de ce balais.
En revanche on peut, comme dans les types anté rieurs, disposer une résistance dans le circuit inducteur pour compenser l'influence de la température de l'enroulement de ce dernier.
Les machines décrites, considérées plutôt comme génératrices, peuvent aussi être em ployées comme moteurs synchrones, en se ser vant d'un dispositif de démarrage asynchrone du genre généralement utilisé pour les mo teurs synchrones; les fig. 8 et 9 représentent une machine synchrone à inducteur fixe 12, 14, c'est-à-dire semblable à celle des fig. 6 et 7, mais dans laquelle des bagues de contact 27 sont prévues pour appliquer une tension ré duite dans le rotor 11, 13.
Lorsque cette ten sion est appliquée, des courants de Foucault prennent naissance dans des barres amortis- seuses 30 placées dans les rainures des expan sions polaires, en produisant le couple moteur correspondant. Le circuit de l'enroulement inducteur 12 doit être maintenu ouvert ou fermé à travers une résistance convenable, jusqu'à ce que le glissement soit suffisamment petit et qu'arrive pour la machine le moment d'entrer en synchronisme; alors le circuit in ducteur se fermera sans résistance, et ledit circuit, recevra par les balais 17 le courant provenant du collecteur 18.
Un tel moteur synchrone triphasé a l'avan tage que son excitation augmente avec la puis sance mécanique fournie, ce qui lui permet de développer une puissance réactive constante quel que soit le couple moteur, en évitant la possibilité de décrochement de la machine dans le cas de couples résistants excessifs. Cela se doit à la présence de l'enroulement en an neau flramme 2 qui, dans ce cas, comporte un seul noyau annulaire 28 assujetti à son inté rieur à l'influence du champ produit par les courants absorbés par le rotor 11, et à l'exté rieur par le champ du prolongement 29 des pôles 7.4 du stator, en produisant ainsi le cou ; rant compensé, recueilli par le collecteur 18.
Une disposition semblable pourrait s'appliquer clans le cas des fig. 4 et, 5, dans lequel les pôles saillants font partie du rotor. Dans les fig. 6 et 7, comme dans les fig. 8, 9, on a dessiné les balais en position arbitraire pour en faciliter la représentation. .
De même, le type cité d'anneau Gramme peut s'appliquer aux moteurs asynchrones synchronisés, par exemple à ceux à inducteur fixe bobiné en forme d'enroulement triphasé, enroulement, qui, pendant le démarrage, fonc tionne comme le secondaire d'un moteur asyn chrone avec résistances de mise en marche, qui fonctionne ensuite comme enroulement inducteur de la machine synchrone.
L'anneau Gramme aurait une disposition analogue à celle du moteur des fig. 8 et 9, étant assujetti à l'action du champ de l'enroulement du rotor qui reçoit le courant par trois bagues, et aussi à l'action du courant excitateur du stator, de façon que lorsque le couple moteur augmente, la valeur du courant d'excitation augmente aussi, comme on l'a déjà dit pour le moteur des fig. 8 et 9. Ce moteur asynchrone synchro nisé pourrait être aussi du type à inducteur mobile et induit fixe.
Dans les formes d'exécution qui eompren- rient un redresseur sec, celui-ci pourrait être remplacé par un redresseur à vapeur de mer cure.