Equipement transformant de l'énergie mécanique<B>à</B> vitesse variable en énergie électrique<B>à</B> fréquence constante Cette invention a pour objet un équipement permettant la transformation d'une énergie mé canique fournie par un organe tournant<B>à</B> une vitesse variable en une énergie électrique<B>à</B> fré quence constante.
Cet équipement peut être utilisé, par exem ple, pour transformer la puissance mécanique que les marées peuvent fournir en actionnant des turbines hydrauliques tournant<B>à</B> une vi tesse continuellement variable et<B>-</B>telle que le rendement de la turbine soit maximum pour chaque valeur de la hauteur, essentiellement variable, de la marée.
Les dessins annexés représentent,<B>à</B> titre d'exemple, quelques formes d'exécution de l'objet de l'invention.
Les fig. <B>1</B> et 2 représentent schématique- nient deux formes d'exécution différentes.
Les fig. <B>3,</B> 4,<B>5</B> et<B>6</B> représentent schémati quement des détails de quelques-unes des ma chines de l'équipement.
Se référant<B>à</B> la fig. <B>1,</B> un réseau triphasé est indiqué par les trois lignes L-L et une tur bine hydraulique par<B>1.</B> Sur l'axe<B>26</B> de la tur bine sont accouplés un alternateur 2 et une métadyne génératrice<B>6.</B> L'alternateur débite des courants triphasés<B>à</B> fréquence essentielle ment variable, la métadyne <B>6</B> crée un courant continu Ib <B>à</B> intensité essentiellement constante quelle que soit la vitesse de la turbine.
L'intensité du courant Ib est contrôlée par les ampèresrtours d'un variateur secondaire<B>29</B> traversé par un courant réglé au moyen du rhéostat<B>30.</B> La tension des courants triphasés fournis par l'alternateur<B>à</B> fréquence variable 2 est contrôlée par le courant d'excitation de l'in ducteur au moyen du rhéostat<B>38.</B>
Le courant triphasé fourni par l'alternateur 2 est amené<B>à</B> un transformateur de fréquence <B>3,</B> l'interrupteur<B>32</B> étant fermé.
Le transformateur de fréquence comporte essentiellement trois organes tournant l'un par rapport<B>à</B> l'autre, c'est-à-dire un organe fixe, ou stator, et deux organes mobiles l'un dans l'au tre,<B>à</B> savoir un rotor et un organe intermé diaire. Le stator et le rotor, formés de tôles magnétiques minces empilées, comportent cha cun un enroulement triphasé, le stator ayant l'enroulement 20, le rotor ayant l'enroulement 22, et l'organe tournant intermédiaire compor tant une cage d'écureuil 21. Le rotor est calé sur l'arbre<B>28</B> d'une dynamo 4<B>;</B> nous appelle rons l'organe tournant intermédiaire<B> </B> cage folle<B> .</B> En effet, cet organe intermédiaire, libre de tourner dans n'importe quel sens, n'est relié <B>à</B> aucune autre partie.
Lorsque les courants triphasés circulent dans l'enroulement du sta tor, ils donnent naissance<B>à</B> un champ tournant qui joue le rôle d'inducteur vis-à-vis du rotor. Ce dernier, en se déplaçant dans ce champ, est le siège de courants induits dont la fréquence dépend<B>à</B> la fois de la vitesse de rotation du champ tournant et de celle du rotor. La cage folle a comme but d'assurer le fonctionnement stable de la machine.
La fig. <B>1</B> indique l'enroulement rotorique 22 connecté<B>à</B> lalternateur 2, au moyen des bagues<B>23</B> et l'enroulement statorique 20, con necté au réseau L-L, au moyen de l'interrup teur<B>10</B> par l'intermédiaire d'un transformateur étoile-triangle <B>-53.</B> Le mouvement relatif entre le stator et le rotor du transformateur de fré quence<B>3</B> est assuré par le moteur 4,
calé sur l'arbre<B>28</B> et inséré dans le circuit traversé par le courant Ib <B>à</B> intensité constante et excité par l'enroulement inducteur<B>8</B> traversé par un cou rant d'excitation réglé au moyen du rhéostat <B>31.</B> Un interrupteur<B>18,</B> connecté aux balais du moteur 4, permet d'arrêter le fonctionnement du moteur 4 en court-circuitant son induit.
Une métadyne transformatrice spéciale<B>7,</B> qu'on désignera sous le nom de métadyne trans formatrice, est insérée par ses balais<I>a,<B>b,</B></I> dans le circuit parcouru par le courant<B>à</B> intensité constante Ib et peut être mise hors fonction nement en fermant l'interrupteur<B>19</B> connecté entre ses balais<I>a,<B>b.</B></I> La transformatrice com porte deux membres<B>:</B> un stator sans enroule ment et un rotor muni d'un enroulement induit associé avec un collecteur sur lequel portent les balais<I>a,<B>b ;
</B></I> le même enroulement induit est connecté au réseau L-L par le système de ba gues et de balais 44 et l'interrupteur<B>11.</B> Sur l'arbre<B>27</B> de la métadyne transformatrice<B>7,</B> est calé un moteur synchrone spécial<B>5.</B> Ce moteur comporte un enroulement induit<B>37</B> qu'on peut connecter au réseau L-L, au moyen de l'interrupteur<B>11,</B> et deux enroulements in ducteurs<B>35</B> et<B>36</B> alimentés au moyen d'un système de bagues et de balais, par deux exci- tatrices 12 et<B>13,</B> dont les enroulements induc teurs respectifs 14 et<B>15</B> sont alimentés par des courants réglés par les rhéostats<B>16</B> et<B>17,</B> res pectivement.
L'inducteur du moteur synchrone<B>5</B> est cy lindrique et chacun des enroulements induc teurs<B>35</B> et<B>36</B> crée des ampùres-tours répartis le long de l'entrefer de manière<B>à</B> créer un flux sinusoïdal. Le flux sinusoïdal créé par<B>36</B> est décalé dans l'espace par rapport au flux sinu soïdal créé par<B>35,</B> de sorte que le flux induc teur résultant peut être déplacé angulairement par rapport<B>à</B> la partie mécanique de l'induc teur,<B>à</B> volonté, en réglant la position respective des rhéostats<B>16</B> et<B>17 ;
</B> donc, en réglant ceux- ci, on peut décaler<B>à</B> volonté l'axe du flux in ducteur du moteur synchrone<B>5</B> par rapport<B>à</B> un plan radial choisi sur l'arbre<B>27</B> et pris comme plan radial de référence.
Ayant décrit l'ensemble de l'équipement, on passera maintenant<B>à</B> son fonctionnement. Soit <I>h.</I> la hauteur maximum de la chute d'eau due <B>à</B> la marée et hl une hauteur faible choisie arbi trairement, par exemple, telle que h,,<B><I>=</I></B> 4<I>hl.</I> La vitesse v de la turbine, pour laquelle le ren dement est maximum pour une hauteur donnée <I>h</I> de la marée, sera appelée<B> </B> vitesse optimum<B> </B> pour la hauteur h, pour simplifier les écritu res<B>;</B> les vitesses optima relatives<B>à</B><I>h, et hl,</I> soit V. et vl, auront entre elles la relation <I>v.</I><B>=</B> 2 vl, car on peut admettre que la vitesse optimum varie pratiquement comme la racine carrée de la hauteur h.
On choisira, de préfé rence, pour l'alternateur 2, un nombre de pôles tel que la pulsation ü) du courant fourni par l'alternateur soit égale<B>à</B> celle de co,, du réseau L-L, pour une vitesse v,, de la turbine qui soit un peu supérieure<B>à</B> la valeur -L (v,,, <B><I>+</I></B> vI) et l'on construira la métadyne génératrice<B>6,</B> le moteur 4 et la métadyne transformatrice<B>7,</B> ca pables d'une puissance maximum sensiblement égale<B>à</B> un cinquième de la puissance maximum P ,
que la turbine I développe pour h<B><I>=</I></B> h,,,.
Le fonctionnement de l'ensemble est sub divisé en deux périodes<B>;</B> une première période pour laquelle h,,<B><I>></I></B><I> h<B>></B> hl,</I> et une deuxième période pour laquelle h<B><I> < </I></B> hl. Pendant la pre mière période, les interrupteurs<B>32, 10</B> et<B>19</B> sont fermés et les interrupteurs<B>18</B> et<B>11</B> sont ouverts<B>;</B> alors, l'alternateur 2 fournira un cou rant de pulsation w comprise entre la pulsation ù)., correspondant<B>à</B> v,,,, et la pulsation w, cor- respondant <B>à</B> vl, en passant par la valeur û). égale<B>à</B> celle du réseau.
La puissance de la turbine passera alors de la valeur maximum<B>p.<I>à</I></B> la puissance<B>p,</B> cor respondant<B>à</B> la vitesse vj, en passant par la puissance<B>p,</B> correspondant<B>à</B> la vitesse v, Soit le cas général où la fréquence de l'alternateur 2 est w<B>;
</B> les courants triphasés<B>à</B> fréquence co alimenteront le rotor du transformateur de fré quence<B>3,</B> l'interrupteur<B>32</B> étant fermé, et en gendreront un flux<B>0,</B> tournant par rapport au rotor avec une vitesse angulaire Ü) où<B>p</B> est le <B>p</B> nombre de paires de pôles de la machine<B>3.</B> Egalement, les courants triphasés du réseau L-L alimenteront le stator de<B>3,</B> l'interrupteur <B>10</B> étant fermé, et créeront un flux 0,, tournant par rapport au stator avec la vitesse<B>-</B> #. si le rotor tourne dans le sens convenable
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avec la vitesse angulaire<B>,
</B> les flux<B>0</B> et 0,, tourneront<B>à</B> la même
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vitesse<B>;</B> si alors<B>0</B> et 0,, coïncident<B>à</B> chaque instant dans l'espace et ont une amplitude égale, aucune puissance réelle ou réactive ne sera transmise de l'alternateur 2 au réseau L-L et le moteur d'entraînement 4 tournera alors<B>à</B> vide.
Mais si ce moteur exerce un couple<B>C</B> dans le sens correct, de manière<B>à</B> faire avancer le flux<B>0</B> d'un angle<B>a</B> dans le sens de rotation du flux<B>0,,</B> dans l'espace, une puissance réelle sera transmise au réseau L-L. La puissance fournie par le moteur 4 est
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<B>;</B> donc, si co,, <B>></B> w, la machine 4 fonctionne en motrice, et si w,,<B> < </B> w elle fonc tionne en génératrice.
<B>Il</B> est très facile d'obliger le moteur 4<B>à</B> fournir un couple constant, positif ou négatif, quelle que soit la vitesse<B>à</B> laquelle ce moteur tourne<B>;</B> il suffit pour cela de régler le courant d'excitation des inducteurs<B>8,</B> au moyen du rhéostat<B>31 ;</B> la métadyne génératrice<B>6</B> fournira de la puissance au moteur 4, ou en recevra de lui, en transformant une puissance équivalente prise sur l'arbre<B>26</B> de la turbine.
Si donc, w,,<B>></B> w la puissance fournie par la turbine sera transformée en puissance électrique en grande partie par l'alternateur 2, et en faible partie par la métadyne génératrice<B>6.</B> Si o),> <B> < </B> w la puissance mécanique fournie par la turbine<B>1</B> sera égale<B>à</B> la différence de la puissance élec trique fournie par l'alternateur 2 et de la puis sance électrique absorbée par la métadyne génératrice<B>6.</B> Par conséquent, la puissance maximum fournie par l'alternateur 2 est égale<B>à</B> la puissance maximum fournie par la turbine P., plus la puissance absorbée par la métadyne génératrice<B>6</B> quand la hauteur h a sa valeur maximum h..
La puissance nominale de la métadyne <B>gé-</B> nératrice<B>6</B> sera choisie égale<B>à</B> une fraction de la puissance maximum de la turbine obtenue<B>à</B> marée haute (h<B><I>=</I></B><I> h.).</I>
Si l'on considère maintenant la deuxième période de fonctionnement pendant laquelle <I>h<B> < </B></I> hi, on doit d'abord observer que la puis sance que la turbine hydraulique pourra fournir pendant cette période variera d'une valeur égale<B>à</B> une fraction de la puissance maximum <B>à</B> zéro.
Pendant cette période, les interrupteurs<B>32,</B> <B>10, 19</B> sont ouverts et les interrupteurs<B>18</B> et <B>11</B> sont fermés<B>;</B> alors la métadyne génératrice <B>6</B> absorbe toute la puissance fournie par la tur bine et délivre du courant<B>à</B> intensité constante <B>Il,.</B> Ce courant, alimentant la métadyne trans formatrice<B>7, y</B> crée un flux<B>0,</B> dans l'axe de commutation des balais<I>a,<B>b.</B></I> D'autre part, les courants polyphasés qui partent du réseau L-L pénètrent dans l'induit de la métadyne trans formatrice, créent un flux<B>0.,
</B> qui est fixe lui aussi dans l'espace puisque le moteur synchrone spécial<B>5</B> entraîne la métadyne au synchro nisme<B>;</B> la position angulaire de 0,, par rapport <B>à 0,</B> dépend donc du calage de l'axe magnéti que de l'inducteur du moteur<B>5</B> par rapport<B>à</B> l'arbre<B>27 ;</B> donc, en réglant les rhéostats<B>16</B> et<B>17,</B> on pourra donner au flux 0. n'importe quelle position angulaire par rapport<B>à 0,</B> Pour un réglage déterminé des rhéostats<B>16</B> et <B>17,</B> le flux 0,, aura donc, en général, une com posante<B>0.,,</B> normale<B>à</B> l'axe de commutation des balais<I>a,<B>b,</B></I> et une composante 0,,. dans l'axe de commutation en question.
La compo sante 0., induit une force électromotrice<B>E</B> entre les balais<I>a,<B>b,</B></I> qui, multipliée par le cou rant constant Ib, détermine la puissance Eb transmise de la turbine I au réseau L-L <B>;</B> la composante 0,,. correspond<B>à</B> la puissance ré active transmise. Par conséquent, le réglage de l'angle de calage de l'axe magnétique des in ducteurs du moteur synchrone<B>5</B> par rapport <B>à</B> l'arbre<B>27,</B> et le réglage de l'intensité du cou rant Ib déterminent la valeur de la puissance réelle et de la puissance réactive transmise au réseau.
Ce réglage se fait au moyen des rhéostats<B>16, 17</B> et<B>30.</B> Il est important de noter que la métadyne transformatrice<B>7</B> étant<B>dé-</B> pourvue d'enroulements statoriques ne crée au cun couple et, par conséquent, le moteur syn chrone<B>5</B> n'a<B>à</B> développer que<B>le</B> couple cor respondant aux frictions<B>;
</B> le moteur synchrone <B>5</B> est donc un moteur de faibles dimensions par rapport<B>à</B> la métadyne <B>7</B> et, ce qui est impor tant, le décalage de l'axe magnétique du flux inducteur du moteur par rapport<B>à</B> l'axe qu'au rait<B>dû</B> avoir un flux résultant pour qu'il in duise des forces électromotrices exactement égales et en phase avec les forces électromotri ces du réseau L-L, axe qu'on appellera briève ment<B> </B> axe de référence<B> ,</B> reste indépendant de la puissance réelle et réactive transmise et simplifie le réglage.
<B>Il</B> faut noter, d'une part, que la transmis sion de la puissance réactive au réseau L-L constitue un élément précieux de la stabilité de ce réseau et, d'autre part, que la puissance ré active transmise par la métadyne transforma trice<B>7</B> n'exige aucune puissance réelle de la part de la métadyne génératrice<B>6 ;</B> on pourra donc, même pendant la première période de fonctionnement pour laquelle h<B><I>></I></B> hj, laisser en fonction la métadyne transformatrice<B>7,</B> en tenant ouvert l'interrupteur<B>19.</B>
Le transformateur<B>53</B> intercalé entre la ligne L-L et le transformateur de fréquence<B>3</B> permet de déterminer<B>à</B> volonté la quantité de puis sance réactive transmise du transformateur de fréquence<B>3 à</B> la ligne L-L dans un sens ou dans l'autre, en modifiant le rapport de trans formation du transformateur étoile-triangle <B>53.</B> La fig. 2 représente une variante relative seulement<B>à</B> des éléments qui sont en fonction nement pendant la seconde période de fonc tionnement.
Pendant cette période, la métadyne transformatrice<B>7</B> est connectée, d'une part,<B>à</B> la métadyne génératrice<B>6</B> et, d'autre part, au réseau L-L, par l'intermédiaire d'un transfor mateur 40,<B>à</B> prises variables.
Ce transformateur, qui comporte un se condaire en triangle et un primaire en étoile<B>à</B> prises variables, permet de contrôler la valeur <B>de</B> la puissance réactive transmise de la méta- dyne transformatrice<B>7</B> au réseau L-L. Ainsi, le contrôle de la puissance réactive peut se faire, dans le cas de cette figure, soit par<B>le</B> rhéostat<B>30</B> contrôlant la valeur de l'intensité du courant 'b, soit par les prises du transforma teur 40, soit par les deux moyens simultané ment. La métadyne génératrice<B>6</B> est indiquée, sur la fig. 2, comme étant accouplée<B>à</B> l'arbre <B>26</B> de la turbine.
Le moteur synchrone<B>55</B> qui entraîne la métadyne transformatrice<B>7</B> n'est, dans le cas de la fi-. 2, qu'un moteur synchrone normal<B>à</B> pôles saillants et, par conséquent, qu'à un seul enroulement inducteur<B>;</B> par contre, ce moteur synchrone est connecté au réseau L-L par l'intermédiaire d'un déphaseur 41, ce qui permet de déplacer angulairement <B>à</B> vo lonté l'axe du flux pour régler la puissance transmise au réseau.
Dans le cas de la fig. 2, on pourra contrôler la puissance réelle trans mise au réseau, soit par le décalage du dépha- seur 41, soit par l'intensité du courant I, réglée <B>à</B> son tour par le rhéostat<B>30,</B> soit par ces deux moyens simultanément.
<B>Il</B> est clair qu'on arriverait<B>à</B> un résultat analogue en connectant le moteur synchrone <B>55</B> directement au réseau et en interposant un déphaseur entre le réseau L-L et la métadyne transformatrice<B>7,</B> mais alors, ce déphaseur de vrait être bien plus puissant. Les fig. <B>3,</B> 4 et<B>5</B> se réfèrent<B>à</B> des détails de construction de la métadyne transformatrice et la fig. <B>6</B> se réfère <B>à</B> des détails de construction de la métadyne génératrice<B>6.</B>
La fig. <B>3</B> représente schématiquement la métadyne transformatrice dans sa forme la plus simple<B>;</B> elle comporte un stator<B>70</B> dépourvu de tout enroulement principal, et un rotor<B>71,</B> muni d'un enroulement<B>72</B> associé<B>à</B> un col lecteur comme dans les dynamos. Sur le col lecteur portent deux balais diamétralement op posés,<I>a,<B>b,</B></I> le pas de l'enroulement étant dia métral. Sur le stator, le long de l'axe de com mutation xx', sont pratiquées des encoches où logent les pôles de commutation<B>55</B> et<B>56.</B> La fig. <B>3</B> montre aussi les enroulements relatifs<B>à</B> ces pôles de commutation.
Uenroulement <B>72</B> est relié au réseau<B>à</B> cou rant alternatif au moyen de bagues et de balais et, sur la fig. <B>3</B> on a montré six bagues 54, le système hexaphasé donnant moins de pertes que le système triphasé. Le système hexaphasé exige naturellement l'emploi d'un transforma teur hexaphasé-triphasé, interposé entre la métadyne et le réseau.
Cette machine se comporte d'une manière qui rappelle une commutatrice, le flux induc teur étant remplacé par le flux magnétique<B>dé-</B> veloppé dans le stator par l'induit.
La fig. 4 représente schématiquement une variante de la fig. <B>3.</B> Le pas de l'enroulement d'induit est diamétral, mais les balais<I>a,<B>b</B></I> ne sont pas diamétralement opposés<B>;</B> dans ce cas, il<B>y</B> a deux axes de commutation, xx' relatif au balai a,<I>et</I> yy' relatif au balai<B>b,</B> et quatre pôles de commutation<B>57, 58, 59</B> et<B>60.</B> Dans le cas de balais disposés suivant deux diamètres dif férents, les pôles de commutation sont répartis <B>à</B> la périphérie de l'induit.
Cette disposition comporte deux avantages<B>:</B> elle rend la distribu tion des ampùres-tours dus au courant continu plus proche d'une distribution sinusoïdale et, par conséquent, elle améliore le fonctionne ment et augmente le rendement; elle permet aussi une commutation noire pour un courant beaucoup plus intense que ne le permet le cas <B>de</B> la fig. <B>' 3.</B>
Le même résultat est obtenu en adoptant un pas fortement réduit pour l'enroulement continu et des balais diamétralement opposés comme le montre la fig. <B>5.</B> Dans ce cas, au balai a correspondent deux demi-axes de com mutation x et x' inclinés l'un par rapport<B>à</B> l'au tre<B>;</B> également, au balai<B>b</B> correspondent les deux demi-axes <B>y</B><I>et</I><B>y'.</B> Bien entendu, il<B>y</B> a quatre pôles de commutation.
Plus haut, on a mis en relief l'importance du décalage de l'axe de commutation xx' de la fig. <B>3</B> par rapport<B>à</B> l'axe de référence pour le contrôle de la puis sance réelle et réactive<B>;</B> dans le cas de la dis position suivant la fig. 4, cet angle de décalage doit être mesuré en partant de la bissectrice interne des axes de commutation xx' <I>et</I> yy' pour le cas de la fig. <B>5,
</B> on partira de la bis sectrice interne des deux demi-axes de commu tation x<I>et<B>y'</B></I> et des deux axes de commutation x' <I>et<B>y.</B></I> La fig. <B>6</B> est relative<B>à</B> la métadyne généra trice<B>6.</B> Le fonctionnement de cette dernière est amélioré par l'adoption d'enroulements stato- riques spéciaux.
Parmi ces enroulements, les suivants conviennent tout particulièrement<B>:</B> l'enroulement amplificateur primaire<B>61</B> qui, traversé par le courant primaire I,,, crée un flux dans la même direction que les ampères- tours rotoriques dus au même courant 1,, <B>;</B> l'en roulement stabilisateur primaire 64 qui, tra versé par le courant primaire I, induit une force électromotrice entre les balais primaires <I>a,</I> c, s'opposant au courant 1,, <B>;
</B> l'enroulement compensateur secondaire<B>62</B> qui, parcouru par le courant secondaire, crée un flux opposé<B>à</B> celui<B>dû</B> aux ampères-tours rotoriques créés par le courant secondaire Ibl ce qui permet de ré duire les ampères-tours de l'enroulement de contrôle<B>29 ;</B> l'enroulement stabilisateur secon daire<B>66</B> qui, traversé par le courant secon daire lb, induit entre les balais secondaires<B>b,</B> <B>d,</B> une force électromotrice s'opposant au cou rant secondaire Ib <B>;
</B> l'enroulement secondaire shunt<B>65</B> qui, connecté entre les balais secon daires<B><I>b, d,</I></B> crée des ampères-tours correcteurs dans le même sens que ceux de l'enroulement de contrôle<B>29</B> et permet de maintenir sensible ment constante l'intensité du courant secon daire 14 indépendamment de la charge de la métadyne génératrice. En variante, on pourrait utiliser une métadyne ne comportant qu'une partie des enroulements indiqués. On a supposé jusqu'ici que le réseau L-L est lui-même assez puissant pour dicter la fré- quence <B>de</B> l'ensemble.
Si, au contraire, le réseau L-L ne contient pas d'alternateurs puissants, la fréquence de l'ensemble sera déteiminée par la vitesse du moteur 4 pendant la première<B>pé-</B> riode de fonctionnement et par la vitesse du moteur<B>5</B> pendant la seconde période de fonc tionnement<B>;</B> dans ce cas, la vitesse de ces mo teurs sera stabilisée par l'emploi des mêmes moyens qui permettent de stabiliser la fré quence des grands alternateurs d'un réseau<B>à</B> une valeur déterminée<B>à</B> l'avance.