Installation comprenant une machine électrique rotative à courant alternatif La présente invention a pour objet une installation comprenant une machine électrique rotative à cou rant alternatif, destinée à être utilisée comme moteur ou comme générateur, ladite machine comprenant un enroulement de stator agencé de manière à pouvoir fournir un champ tournant princ'pal à p pôles et un champ tournant superposé<I>à</I> rip pôles produit simul tanément avec ledit champ principal, où ii est un nombre entier petit.
Il est connu qu'un moteur synchrone convention nel ne peut pas démarrer seul lorsque ses enroule ments sont alimentés. En outre, lorsque ce moteur est en marche et si une charge pulsatoire est appli quée au rotor, il y a l'apparition d'oscillations pen dulaires.
Dans une machine synchrone normale, il est donc nécessaire de prévoir un enroulement de démarrage et d'amortissement en circuit fermé, monté sur les pôles à courant continu. Cet enroulement en circuit fermé fournit un couple de démarrage obtenu grâce à l'action du champ principal fourni par le stator alimenté en courant alternatif. Cet enroulement en circuit fermé provoque, en outre, l'amortissement des oscillations dues aux variations de la charge. Lors que la machine tourne à la vitesse normale et sa charge est constante, il n'y a pas de déplacement relatif entre le champ magnétique du stator et l'en roulement d'amortissement.
La caractéristique principale d'un moteur asyn chrone est que le stator et le rotor muni de bagues collectrices peuvent être alimentés simultanément de telle manière que les vitesses des champs tournants s'ajoutent. Ainsi, le moteur peut tourner à une vitesse double de la vitesse de synchronisme, c'est-à-dire qu'il peut tourner à une vitesse de
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où f est la fré quence d'alimentation et p est le nombre de pôles principaux. Quoiqu'une telle machine soit construite comme un moteur à induction, elle fonctionne comme un moteur synchrone lorsqu'elle est alimentée dou blement.
Toutefois, une telle machine alimentée double ment, qui fonctionne comme une machine synchrone, ne peut pas démarrer toute seule et elle ne présente pas de caractéristique d'amortissement. C'est la rai son pour laquelle elle n'a pas été utilisée jusqu'à présent.
La présente invention a pour but d'obvier à ces inconvénients. L'installation qui en fait l'objet est caractérisée en ce que l'enroulement du rotor de la machine est connecté de manière qu'il agisse comme un enroulement à circuit ouvert par rapport au champ principal à p pôles et comme un enroulement en court-circuit par rapport au champ superposé<I>à</I> np pôles,
et en ce qu'elle comprend une source de cou rant de fréquence f pour alimenter l'enroulement de stator de manière que celui-ci fournisse ledit champ tournant principal à p pôles et une source- de courant de fréquence 2nf pour alimenter l'en roulement de stator de manière que celui-ci four nisse ledit champ tournant superposé<I>à</I> np pôles. Le dessin ci-annexé représente, à titre d'exem ple, quelques formes de réalisation de l'objet de la présente invention.
La fia. 1 est un schéma des enroulements du rotor d'une machine ayant un champ principal à 4 pôles et un champ d'amortissement superposé à 8 pôles.
La fig. 2 est un schéma d'un groupe de bobines correspondant au schéma de la fi-. 1.
La fig. 3 est un schéma de l'enroulement de rotor, constitué par 3 groupes de bobines selon les fig. 1 et 2, connectées en étoile. La fig. 4 est un schéma des enroulements du stator, constitués par deux groupes d'enroulements qui fournissent respectivement un champ à 4 pôles et un champ à 8 pôles et qui sont alimentés par deux sources différentes.
La fil-. 5 est un développement panoramique des enroulements de stator correspondant au schéma de la fig. 4.
La fia. 6 est un autre schéma des enroulements de stator comprenant un seul groupe d'enroulements nui est alimenté à deux fréquences différentes pour fournir des champs à 4 et à 8 pôles.
La fig. 7 est un développement panoramique droit des enroulements statoriques correspondant au schéma de la fig. 6.
La fig. 8 est un schéma de l'enroulement de rotor d'une machine dont le champ principal est à 2 pôles et dont le champ d'amortissement est à 6 pôles.
La fig. 9 est un développement panoramique droit de l'enroulement de stator correspondant, capa ble de fournir un champ à 2 pôles et un champ à 6 pôles.
La fia. 10 est un schéma d'une installation com prenant une machine à 2 pôles/6 pôles, correspon dant aux schémas des fig. 8 et 9.
En fig. 1, l'enroulement de rotor comprend 4 groupes de bobines 1, 2, 3 et 4, comprenant des bobines à pas entier définissant 4 et 8 pôles.
En fig. 2, les groupes de bobines correspondantes portent les mêmes chiffres de référence. Les grou pes de bobines 1 et 3 sont reliés en série au moyen du conducteur 5 ; les groupes de bobines 4 et 2 sont reliés en série par le conducteur 6. Ces deux branches connectées en série sont reliées en paral lèle au moyen des conducteurs 7 et 8.
Les fig. 1 et 2 représentent une phase de l'en roulement d'une machine triphasée. L'enroulement triphasé selon la fig. 3 est monté en étoile. Le con ducteur 7 de la phase représentée aux fig. 1 et 2 est relié au point neutre 9 et le conducteur 8 est relié à une borne 10 et à une bague collectrice 11.
En fig. 1, la distribution de la force magnéto- motrice indiquée au-dessus de la ligne pointillée cor respond à 4 pôles (fonctionnement en circuit ouvert) et au-dessous de la ligne pointillée à 8 pôles (fonc tionnement en court-circuit).
En fig. 2, le sens de la force électromotrice est indiqué par des flèches situées à l'intérieur du groupe des bobines pour 4 pôles et à l'extérieur pour 8 pôles. Les forces électromotrices pour 4 pôles sont en phase entre les bornes 9 et 10 et les forces électro motrices pour 8 pôles sont en phase dans le circuit fermé formé par les groupes de bobines 1, 2, 3 et 4.
En fig. 3, l'enroulement de rotor comprend trois groupes de bobines identiques, chaque groupe corres pondant à celui représenté en fig. 2. Les trois grou pes sont indiqués par des indices numériques sem blables, les trois enroulements de phases se distin- P <B>a</B> ant par des indices ' et ". La borne 10 de la première phase est reliée à la bague collectrice 11. Les bornes 10' et 10" des deux autres phases sont connectées respectivement aux bagues collectrices 12 et 13.
Les 3 bagues collectrices 11, 12 et 13 sont reliées respectivement au moyen de câbles de balais 14, 15 et 16 aux conducteurs 17, 18 et 19 d'une source d'alimentation à 50 p./s.
Les enroulements du stator selon la fig. 4 sont constitués par deux groupes d'enroulements connec tés tous les deux en étoile. Ces enroulements four nissent un champ principal à 4 pôles, un champ d'amortissement superposé et un champ auxiliaire de démarrage tous les deux à 8 pôles. A ces enrou lements de stator correspond l'enroulement de rotor selon les fig. 1, 2 et 3.
En fig. 4, l'enroulement A fournissant le champ principal à 4 pôles comprend trois enroule ments de phase 51, 52 et 53 connectés respective ment entre un point neutre 50 et des bornes 54, 55 et 56. Les bornes 54, 55 et 56 sont reliées respec tivement aux conducteurs 40, 41 et 42 d'une source d'alimentation triphasée à 50 p./s. L'enroulement < : B >> fournissant un champ à 8 pôles comprend trois enroulements de phases 21, 22 et 23, connectés res pectivement entre un point neutre 20 et des bornes 24, 25 et 26. Les bornes 24, 25 et 26 sont reliées respectivement aux conducteurs 43, 44 et 45 d'une source d'alimentation auxiliaire triphasée à 200 p./s.
La fig. 5 représente un développement panora mique droit des enroulements de stator correspon dant au schéma de la fig. 4, les enroulements et les bornes étant indiqués par les mêmes indices dans ces deux figures.
L'enroulement A fournissant le champ prin cipal à 4 pôles est représenté dans la partie supé rieure de la fig. 5. Le pas de cet enroulement em brasse 7 encoches, c'est-à-dire il s'étend de l'encoche 1 à l'encoche 8, ce qui correspond à 7/9 d'un pas polaire entier.
L'enroulement B ,> qui fournit le champ super posé et le champ de démarrage à 8 pôles est repré senté dans la partie inférieure de la fig. 5. Le pas de cet enroulement embrasse 4 encoches, c'est-à-dire il s'étend de l'encoche 1 à l'encoche 5, ce qui cor respond à 8/9 d'un pas polaire entier (8 pôles).
La fig. 6 montre un autre enroulement de stator dans lequel les champs à 4 et à 8 pôles sont fournis par un seul enroulement qui est simultanément ali menté à deux fréquences différentes.
L'enroulement triphasé selon la fig. 6 comprend 3 enroulements de phases 21, 22 et 23 munis de prises médianes reliées respectivement aux bornes 24, 25 et 26. Un transformateur d'alimentation tri phasé à 50 périodes par seconde possède 3 enrou lements primaires 27, 28 et 29 montés en triangle entre les bornes 30, 31 et 32. Ce transformateur possède 3 enroulements secondaires 33, 34 et 35 munis de prises médianes 36, 37 et 38 reliées à un point neutre 39.
Les extrémités des enroulements de phases 21, 22 et 23 sont montées respectivement entre les paires de bornes 61, 62 ; 63, 64 et 65, 66, en parallèle avec les enroulements secondaires 33, 34 et 35. Les bornes primaires 30, 31 et 32 sont reliées respecti vement à une source d'alimentation triphasée à 50 p.-s., au moyen de conducteurs 40, 41 et 42. Les bornes 24, 25 et 26 sont reliées respectivement à une source d'alimentation triphasée à 200 p./s. au moyen des conducteurs 43, 44 et 45.
Les trois enroulements de phases 21, 22 et 23 sont reliés en série par rapport à la source d'ali mentation à 50 p./s. Ces enroulements sont reliés en parallèle par rapport à la source d'alimentation à 200 p./s. La fig. 7 représente un développement panoramique droit des enroulements correspondant au schéma selon la fig. 6, les enroulements et les bornes étant indiqués par les mêmes indices dans ces deux figures.
Les enroulements de stator possèdent un pas qui embrasse 4 encoches et qui s'étend de l'encoche 1 à l'encoche 5, c'est-à-dire ce pas correspond à 4/9 du pas polaire pour 4 pôles, et à 8/9 du pas polaire pour 8 pôles. Pour mettre en marche une machine ayant les enroulements de rotor selon les fig. 1 à 3, et les enroulements de stator selon les fig. 4 et 5, l'enroulement de rotor n'est pas alimenté et la source à 50 p.'s. est séparée des bornes 54, 55 et 56 de l'enroulement A. La source d'alimentation à 200 p./s. est reliée à l'enroulement B .
Les enroulements de phases 21, 22 et 23 alimentés à 200 périodes par seconde fournissent alors un champ à 8 pôles tournant autour de l'axe de stator à une vitesse double de la vitesse synchrone correspondant à 50 p./s. et 4 pôles.
L'enroulement de rotor selon les fig. 1 à 3 se comporte alors comme un enroulement en court-cir cuit<B>,</B> le moteur est ainsi à autodémarrage et il démarre comme un moteur à induction et atteint une vitesse voisine de la vitesse double de la vitesse de synchronisme correspondant à 50 p./s et 4 pôles.
Lorsque cette vitesse est atteinte, l'enroulement de rotor et l'enroulement de stator A sont ali mentés simultanément à 50 p./s. Les bornes 54, 55 et 56 de l'enroulement de stator A sont reliées aux conducteurs 40, 41 et 42. La bague collectrice 11 du rotor selon la fia. 3 est reliée au conducteur 17 et les bagues collectrices 12 et 13 des deux autres phases sont reliées respectivement aux conducteurs 18 et 19. Les conducteurs 40, 41 et 42 peuvent être considérés comme étant reliés aux conducteurs 17, 18 et 19 de manière à obtenir des champs de rotor et de stator tournant dans des sens opposés.
Grâce à ces deux champs magnétiques à 4 pôles et 50 p. /s tournant dans des sens opposés, le rotor s'accroche et tourne avec une vitesse double de la vitesse de synchronisme, c'est-à-dire avec une vitesse de 3000 t./m. On réduit ensuite la tension d'alimen tation à 200 p./s à une faible valeur, le moteur étant alimenté par la source à 50 p./s au moyen des conducteurs 17, 18 et 19 et des conducteurs 40, 41 et 42. Le but de l'alimentation réduite à 200 p./s est de produire le champ tournant à 8 pôles de stator, afin de provoquer l'amortissement.
Lorsque le moteur tourne à la vitesse de 3000 t./m, il n'y a pas de rota tion relative entre le champ à 8 pôles de stator et l'enroulement de rotor. Des variations de la charge du rotor qui provoquent le retard du rotor par rap port au champ à 8 pôles engendrent des courants de circulation dans les trois enroulements de phases du rotor, de sorte qu'il en résulte l'amortissement désiré.
Pour mettre en marche une machine ayant un enroulement de rotor selon les fig. 1 à 3, et un enrou lement de stator selon les fig. 6 et 7, l'enroulement de rotor n'est pas alimenté et la source d'alimen tation à 50 p./s est séparée des bornes 30, 31 et 32 du transformateur. La source à 200 p./s est reliée aux bornes 24, 25 et 26. Les enroulements 21, 22 et 23 fournissent alors un champ à 8 pôles tournant autour de l'axe du stator, avec une vitesse double de la vitesse de synchronisme correspondant à 50 p./s et 4 pôles. Le moteux démarre comme un moteur à induction et atteint la vitesse indiquée ci-dessus.
Lorsque la vitesse double de la vitesse de syn chronisme correspondant à 50 p./s et 4 pôles est atteinte, les enroulements de rotor et de stator sont alimentés simultanément à 50 p./s. Les bagues col lectrices 11, 12 et 13 sont alimentées respective ment par les conducteurs 17, 18 et 19. Les bornes 30, 31 et 32 du transformateur sont alimentées par les conducteurs 40, 41 et 42 qui sont reliés respec tivement aux conducteurs 17, 18 et 19 pour fournir des champs de stator et de rotor tournant dans des sens opposés.
Lorsque le rotor s'accroche, on réduit la tension d'alimentation à 200 p./s à une faible valeur, qui est nécessaire pour maintenir le champ d'amortissement à 8 pôles.
En choisissant convenablement le rapport de transformation du transformateur alimentant l'enrou lement de stator, on peut régler la densité du flux fourni par l'enroulement de stator lorsque le champ est à 4 pôles par rapport à la densité du champ à 8 pôles.
Un convertisseur auxiliaire de fréquence qui convertit la fréquence 50 p./s en fréquence de 200 p./s peut être utilisé pour alimenter les lignes 43, 44 et 45. L'énergie qui doit être fournie par ce conver tisseur est faible lorsque le moteur tourne à sa vitesse normale, et elle est plus importante, mais de faible durée, lorsqu'il démarre. Un convertisseur de faible puissance est ainsi suffisant. Un seul convertisseur peut alimenter plusieurs moteurs semblables, à con dition qu'un seul moteur démarre à la fois. Dans un tel cas, la tension d'alimentation à 200 p./s appli quée à chaque moteur peut être réglée, séparément, en utilisant par exemple un autotransformateur inter médiaire.
Les machines décrites en référence avec les fig. 1 à 3 et les fig. 4 et 5 ou 6 et 7 sont réversibles en ce qui concerne la livraison de l'énergie et elles peuvent être utilisées alternativement comme moteur synchrone ou comme génératrice synchrone. Dans ce dernier cas, la livraison de l'énergie à 200 p./s des tinée à faire démarrer la machine n'est pas néces saire, puisque le rotor est entraîné par un moteur. Dans ce cas, l'énergie à 200 p./s qui doit être fournie est toujours petite.
Un générateur auxiliaire d'alimen tation à 200 p./s est de même entrainé par ce motzur. Le générateur auxiliaire à 200 p./s doit donc être mis en marche avant le début du fonctionnement du générateur à 50 p./s.
Un moteur tournant à une vitesse double de celle du synchronisme, dans lequel l'harmonique 2 est amorti et qui possède un champ de démarrage, comme il a été décrit ci-dessus, est un moteur ayant un champ principal à deux pôles et un champ d'amor tissement à 4 pôles et qui tourne à une vitesse de 6000 t./m, ou c'est un moteur ayant un champ prin cipal à 6 pôles, un champ d'amortissement à 12 pôles et qui tourne à une vitesse de 2000 t./m.
Lorsque cette machine travaille comme généra teur synchrone, elle est une machine ayant un champ principal à deux pôles, un champ d'amortissement à 4 pôles, qui est entraînée à une vitesse de 6000 t./m et qui fournit une énergie à 50 p./s. Le géné rateur auxiliaire est, dans ce cas, une machine à 4 pôles. Une machine particulièrement intéressante, qui peut travailler comme moteur ou comme géné rateur triphasé, est une machine dans laquelle le champ d'amortissement superposé et le champ auxi liaire de démarrage constituent un troisième harmo nique du champ principal.
Dans une telle machine, le champ principal peut être à deux pôles et le champ d'amortissement et de démarrage à 6 pôles, et la machine tourne à une vitesse double de la vitesse synchrone corres pondant à 50 p./s et 2 pôles, c'est-à-dire à une vitesse de 6000 t./m.
Dans une forme de réalisation particulière, l'en roulement de rotor est à 2 pôles/6 pôles selon la fig. 8, et l'enroulement de stator est celui de la fig. 4. La fréquence de la tension d'alimentation de l'un des enroulements du stator est plus élevée et elle est égale à 300 p./s au lieu de 200 p./s. L'enrou lement de stator est représenté à la fig. 9 et le schéma complet de l'installation est montré en fig. 10.
L'enroulement de rotor selon la fig. 8 est un enroulement à pas entier à 2 pôles, comprenant trois enroulements de phase 85, 86 et 87, reliés en série entre les bornes 81, 82, 83 et 84. Les bornes 81, 82, 83 et 84 sont reliées respectivement à des bagues collectrices 71, 72, 73 et 74. Ces bagues sont reliées respectivement au moyen des câbles de balais 14, 15 et 16 à une source d'alimentation triphasée à 50 p./s au moyen des conducteurs 17, 18 et 19.
La bague collectrice 74 est reliée au moyen de son câble de balais 14 et au moyen d'une résistance variable 88 à la bague 71 et de même à une borne d'un interrupteur 89 qui, lorsqu'il est fermé, relie la borne 81 directement à la borne 84 à travers les bagues collectrices 71 et 74. L'enroulement de rotor selon la fig. 8 fonctionne comme un enroulement à deux pôles lorsqu'il est monté en triangle et comme un enroulement monophasé à 6 pôles lorsque les enroulements de phase sont connectés en série.
Lorsque cette machine travaille comme moteur, elle démarre de la même manière que la machine décrite ci-dessus. L'interrupteur 89 est ouvert et la résistance 88 est active pendant le démarrage. L'in troduction de la résistance 88 conduit à l'amélio ration du couple de démarrage. Un moteur à induc tion ayant un stator triphasé et un rotor monophasé, peut présenter le phénomène Gôrges de sorte qu'il tourne à une vitesse égale à la moitié de sa vitesse normale. Cet effet peut être éliminé en intro duisant une résistance dans le circuit des enroule ments du rotor montés en série, comme représenté en fi-. 8.
Le rotor démarre avec une vitesse égale au double de la vitesse de synchronisme correspondant à 50 p./s et 2 pôles, due au champ tournant fourni par l'en roulement statorique B alimenté à 300 p. /s. Cette vitesse est de 6000 t./m. L'enroulement de rotor se comporte alors comme un enroulement en court- circuit. On ferme ensuite l'interrupteur 89 pour bran cher les enroulements de phases 85, 86 et 87 en triangle et pour les relier à la source d'alimentation à 50 p./s. L'enroulement de rotor et l'enroulement de stator A sont alors alimentés à 50 p./s.
En fig. 10, l'enroulement de stator A four nissant le champ principal à 2 pôles est constitué par 3 enroulements de phase 51, 52 et 53 reliés en étoile. Ces enroulements de phase sont montés res pectivement entre le point neutre 50 et les bornes 54, 55 et 56. Les bornes 54, 55 et 56 sont alimen tées respectivement à une fréquence de 50 p./s par les conducteurs 40, 41 et 42, ces conducteurs étant reliés à une source d'alimentation triphasée à 50 p.!s au moyen de conducteurs 17, 18 et 19 de manière que les champs à 2 pôles du stator et du rotor tournent dans des sens opposés.
L'enroulement d'amortissement et de démarrage B à 6 pôles est constitué par 3 enroulements de phase 104, 105, 106 connectés en étoile, montés respectivement entre un point neutre 100 et des bornes 101, 102 et 103. Les bornes 101, 102 et 103 sont alimentées à 300p. / s par des conducteurs 107, 108 et 109.
La disposition des enroulements A et B :> dans le stator est montrée en fig. 9.
Le pas de l'enroulement 51 à deux pôles s'étend de l'encoche 1 à l'encoche 13, c'est-à-dire il est égal à 2/3 d'un pas polaire (2 pôles) et cet enroulement a 6 bobines par groupe. Les autres enroulements de phase 52 et 53 sont enroulés de la même manière.
Le pas de l'enroulement 104 à 6 pôles s'étend de l'encoche 1 à l'encoche 6, c'est-à-dire il est égal au pas polaire (6 pôles) et cet enroulement possède deux bobines par groupe. Les autres enroulements de phase 105 et 106 sont enroulés de la même façon. Les enroulements A et B sont superposés dans les mêmes encoches du stator, comme montré en fig. 9. L'enroulement à 6 pôles B est disposé dans la partie supérieure des encoches.
La machine de l'installation selon la fig. 10 est réversible et elle peut fonctionner comme moteur ou comme générateur. Le rotor est indiqué par une ligne en pointillé 90 et l'axe du rotor est indiqué par la ligne pointillée 91. La ligne 91 constitue de même l'axe des bagues collectrices 71, 72, 73 et 74 et l'axe de l'arbre 92. L'arbre 92 est entraîné par le rotor ou il est entraîné par un moteur. Dans ce dernier cas, l'enroulement de stator B est alimenté à 300 p./s par un générateur entraîné par le même moteur. L'enroulement de rotor et l'enrou lement de stator A fournissent l'énergie à 50 p./s au réseau au moyen des conducteurs 17, 18 et 19.
L'avantage de cette machine dans laquelle l'har monique trois est amorti est dû à l'enroulement de rotor monté en triangle qui élimine l'harmonique 3 du champ principal. Ainsi, lorsque la machine tourne à une vitesse double de la vitesse de synchronisme, il suffit de fournir une faible énergie à 300 p./s pour engendrer un faible champ à 6 pôles qui provoque un fort amortissement du rotor.
En outre, dans une machine dans laquelle l'har monique 3 est amorti, les inconvénients relatifs à une machine à 2 pôles/4 pôles dans laquelle le deuxième harmonique est amorti sont éliminés. Un tel moteur à 2 pôles/4 pôles présente un déséqui libre du champ tournant qui n'empêche pas son uti lisation, mais qui nécessite une exécution très soi gnée de ce moteur. Ce phénomène est dû au fait que, lorsqu'on superpose dans une machine deux champs tournants dont le nombre de pôles diffère de deux pôles, il en résulte un champ magnétique tournant déséquilibré.
Par exemple, lorsque deux champs superposés sont à 2 pôles et à 4 pôles, et tournent respecti vement à 3000 et à 6000 t./m, le champ magné tique déséquilibré tourne à une vitesse de 9000 t./m. Dans la forme de réalisation décrite, utilisant des champs à 2 et 6 pôles, le déséquilibre est éliminé.
Installation comprising an alternating current rotary electrical machine The present invention relates to an installation comprising an alternating current rotary electrical machine, intended to be used as a motor or as a generator, said machine comprising a stator winding arranged so as to be able to supply a main pole rotating field and a rotating field superimposed <I> on </I> rip poles produced simultaneously with said main field, where ii is a small integer.
It is known that a conventional synchronous motor cannot start on its own when its windings are energized. In addition, when this motor is running and if a pulsating load is applied to the rotor, there is the occurrence of pendular oscillations.
In a normal synchronous machine, it is therefore necessary to provide a starting and damping winding in a closed circuit, mounted on the DC poles. This closed circuit winding provides a starting torque obtained by the action of the main field supplied by the stator supplied with alternating current. This closed circuit winding also causes the damping of the oscillations due to variations in the load. When the machine is running at normal speed and its load is constant, there is no relative displacement between the magnetic field of the stator and the damping bearing.
The main characteristic of an asynchronous motor is that the stator and the rotor provided with slip rings can be supplied simultaneously in such a way that the speeds of the rotating fields are added. Thus, the motor can run at a speed double of the synchronous speed, that is, it can run at a speed of
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where f is the supply frequency and p is the number of main poles. Although such a machine is constructed as an induction motor, it functions as a synchronous motor when it is supplied double.
However, such a double-fed machine, which operates as a synchronous machine, cannot start on its own and does not have a damping characteristic. This is the reason for which it has not been used so far.
The object of the present invention is to obviate these drawbacks. The installation which is the subject of it is characterized in that the winding of the rotor of the machine is connected so that it acts as an open circuit winding with respect to the main pole field and as a short winding. -circuit compared to the superimposed field <I> with </I> np poles,
and in that it comprises a current source of frequency f for supplying the stator winding so that the latter supplies said main pole rotating field and a current source of frequency 2nf to supply the stator winding. stator bearing so that the latter furnishes said rotating field superimposed <I> at </I> np poles. The accompanying drawing represents, by way of example, some embodiments of the object of the present invention.
The fia. 1 is a diagram of the rotor windings of a machine having a 4-pole main field and an 8-pole superimposed damping field.
Fig. 2 is a diagram of a group of coils corresponding to the diagram of fi-. 1.
Fig. 3 is a diagram of the rotor winding, consisting of 3 groups of coils according to FIGS. 1 and 2, connected in star. Fig. 4 is a diagram of the stator windings, formed by two groups of windings which respectively provide a 4-pole field and an 8-pole field and which are supplied by two different sources.
The thread-. 5 is a panoramic development of the stator windings corresponding to the diagram of FIG. 4.
The fia. 6 is another diagram of the stator windings comprising a single group of windings which is fed at two different frequencies to provide 4 and 8 pole fields.
Fig. 7 is a right panoramic development of the stator windings corresponding to the diagram of FIG. 6.
Fig. 8 is a diagram of the rotor winding of a machine whose main field is 2 poles and whose damping field is 6 poles.
Fig. 9 is a straight panoramic development of the corresponding stator winding capable of providing a 2-pole field and a 6-pole field.
The fia. 10 is a diagram of an installation comprising a 2-pole / 6-pole machine, corresponding to the diagrams of FIGS. 8 and 9.
In fig. 1, the rotor winding comprises 4 groups of coils 1, 2, 3 and 4, including full pitch coils defining 4 and 8 poles.
In fig. 2, the corresponding coil groups have the same reference numbers. The groups of coils 1 and 3 are connected in series by means of the conductor 5; the groups of coils 4 and 2 are connected in series by the conductor 6. These two branches connected in series are connected in parallel by means of the conductors 7 and 8.
Figs. 1 and 2 represent a phase of the rolling of a three-phase machine. The three-phase winding according to fig. 3 is mounted in a star. The conductor 7 of the phase shown in FIGS. 1 and 2 is connected to the neutral point 9 and the conductor 8 is connected to a terminal 10 and to a slip ring 11.
In fig. 1, the distribution of the magnetomotive force shown above the dotted line corresponds to 4 poles (open circuit operation) and below the dotted line to 8 poles (short circuit operation).
In fig. 2, the direction of the electromotive force is indicated by arrows located inside the coil group for 4 poles and outside for 8 poles. The electromotive forces for 4 poles are in phase between terminals 9 and 10 and the electromotive forces for 8 poles are in phase in the closed circuit formed by the groups of coils 1, 2, 3 and 4.
In fig. 3, the rotor winding comprises three groups of identical coils, each group corresponding to that shown in FIG. 2. The three groups are indicated by similar numerical indices, the three phase windings are distinguished - P <B> a </B> by indices' and ". Terminal 10 of the first phase is connected to the slip ring 11. The terminals 10 'and 10 "of the other two phases are respectively connected to the slip rings 12 and 13.
The 3 slip rings 11, 12 and 13 are respectively connected by means of brush cables 14, 15 and 16 to the conductors 17, 18 and 19 of a power source at 50 p./s.
The stator windings according to fig. 4 are made up of two groups of windings, both connected in a star. These four windings provide a 4-pole main field, a superimposed damping field and an 8-pole starting auxiliary field. To these stator windings corresponds the rotor winding according to FIGS. 1, 2 and 3.
In fig. 4, winding A providing the main 4-pole field comprises three phase windings 51, 52 and 53 respectively connected between a neutral point 50 and terminals 54, 55 and 56. Terminals 54, 55 and 56 are connected respectively. respec tively to conductors 40, 41 and 42 of a three-phase power source at 50 p./s. The winding <: B >> providing an 8-pole field comprises three phase windings 21, 22 and 23, respectively connected between a neutral point 20 and terminals 24, 25 and 26. The terminals 24, 25 and 26 are connected respectively to conductors 43, 44 and 45 of a three-phase auxiliary power source at 200 p./s.
Fig. 5 shows a right panoramic development of the stator windings corresponding to the diagram of FIG. 4, the windings and the terminals being indicated by the same indices in these two figures.
The winding A providing the main 4-pole field is shown in the upper part of fig. 5. The pitch of this winding has 7 notches, that is to say it extends from notch 1 to notch 8, which corresponds to 7/9 of a whole pole pitch.
The winding B,> which provides the superposed field and the 8-pole starting field is shown in the lower part of fig. 5. The pitch of this winding embraces 4 notches, that is to say it extends from notch 1 to notch 5, which corresponds to 8/9 of a full pole pitch (8 poles ).
Fig. 6 shows another stator winding in which the 4 and 8 pole fields are provided by a single winding which is simultaneously supplied at two different frequencies.
The three-phase winding according to fig. 6 comprises 3 phase windings 21, 22 and 23 provided with center taps connected respectively to terminals 24, 25 and 26. A three-phase power supply transformer at 50 periods per second has 3 primary windings 27, 28 and 29 connected in delta between terminals 30, 31 and 32. This transformer has 3 secondary windings 33, 34 and 35 provided with mid-taps 36, 37 and 38 connected to a neutral point 39.
The ends of the phase windings 21, 22 and 23 are respectively mounted between the pairs of terminals 61, 62; 63, 64 and 65, 66, in parallel with the secondary windings 33, 34 and 35. The primary terminals 30, 31 and 32 are respectively connected to a three-phase power source at 50 p.-s., by means of conductors 40, 41 and 42. Terminals 24, 25 and 26 are respectively connected to a three-phase power source at 200 p./s. by means of conductors 43, 44 and 45.
The three phase windings 21, 22 and 23 are connected in series with respect to the power source at 50 p./s. These windings are connected in parallel with the power source at 200 p./s. Fig. 7 shows a right panoramic development of the windings corresponding to the diagram according to FIG. 6, the windings and the terminals being indicated by the same indices in these two figures.
The stator windings have a pitch which embraces 4 notches and which extends from notch 1 to notch 5, i.e. this pitch corresponds to 4/9 of the pole pitch for 4 poles, and to 8/9 of the pole pitch for 8 poles. To start a machine having the rotor windings according to fig. 1 to 3, and the stator windings according to fig. 4 and 5, the rotor winding is not powered and the source at 50 p.'s. is separated from terminals 54, 55 and 56 of winding A. The power source at 200 p./s. is connected to winding B.
The phase windings 21, 22 and 23 supplied at 200 periods per second then provide an 8-pole field rotating around the stator axis at a speed double of the synchronous speed corresponding to 50 p./s. and 4 poles.
The rotor winding according to fig. 1 to 3 then behaves like a short-circuited winding <B>, </B> the motor is thus self-starting and it starts up like an induction motor and reaches a speed close to double the speed of synchronism corresponding to 50 p./s and 4 poles.
When this speed is reached, the rotor winding and the stator winding A are fed simultaneously at 50 p./s. The terminals 54, 55 and 56 of the stator winding A are connected to the conductors 40, 41 and 42. The slip ring 11 of the rotor according to fia. 3 is connected to the conductor 17 and the slip rings 12 and 13 of the other two phases are connected respectively to the conductors 18 and 19. The conductors 40, 41 and 42 can be considered as being connected to the conductors 17, 18 and 19 so as to obtain rotor and stator fields rotating in opposite directions.
Thanks to these two magnetic fields at 4 poles and 50 p. / s rotating in opposite directions, the rotor clings and rotates with a speed double the speed of synchronism, that is to say with a speed of 3000 rpm. The supply voltage is then reduced to 200 p./s to a low value, the motor being supplied by the source at 50 p./s by means of conductors 17, 18 and 19 and conductors 40, 41 and 42 The purpose of the power supply reduced to 200 p./s is to produce the 8 pole stator rotating field, in order to cause damping.
When the motor is rotating at the speed of 3000 rpm, there is no relative rotation between the 8-pole stator field and the rotor winding. Variations in the rotor load which cause the rotor to lag behind the 8-pole field results in circulating currents in the three phase windings of the rotor, so that the desired damping results.
To start a machine having a rotor winding according to fig. 1 to 3, and a stator winding according to fig. 6 and 7, the rotor winding is not powered and the 50 p./s power source is separated from terminals 30, 31 and 32 of the transformer. The 200 p./s source is connected to terminals 24, 25 and 26. The windings 21, 22 and 23 then provide an 8-pole field rotating around the stator axis, with a speed double the speed of synchronism. corresponding to 50 p./s and 4 poles. The motor starts as an induction motor and reaches the speed indicated above.
When the double speed of the synchronic speed corresponding to 50 p./s and 4 poles is reached, the rotor and stator windings are supplied simultaneously at 50 p./s. The collector rings 11, 12 and 13 are supplied respectively by the conductors 17, 18 and 19. The terminals 30, 31 and 32 of the transformer are supplied by the conductors 40, 41 and 42 which are respectively connected to the conductors 17, 18 and 19 to provide stator and rotor fields rotating in opposite directions.
When the rotor clings, the supply voltage is reduced to 200 p./s to a low value, which is necessary to maintain the 8-pole damping field.
By suitably choosing the transformation ratio of the transformer supplying the stator winding, the density of the flux supplied by the stator winding can be adjusted when the field is 4 poles relative to the density of the 8 pole field.
An auxiliary frequency converter which converts the 50 p./s frequency to 200 p./s frequency can be used to power lines 43, 44 and 45. The energy which must be supplied by this converter is low when the motor runs at its normal speed, and it is larger, but of short duration, when it starts. A low power converter is thus sufficient. A single converter can power several similar motors, provided that only one motor is started at a time. In such a case, the 200 p./s supply voltage applied to each motor can be adjusted, separately, for example using an intermediate autotransformer.
The machines described with reference to FIGS. 1 to 3 and fig. 4 and 5 or 6 and 7 are reversible with regard to the delivery of energy and they can be used alternately as a synchronous motor or as a synchronous generator. In the latter case, the delivery of energy at 200 p./s to start the machine is not necessary, since the rotor is driven by a motor. In this case, the energy at 200 p./s that must be supplied is always small.
An auxiliary 200 p./s power generator is also driven by this motor. The auxiliary generator at 200 p./s must therefore be started before the start of operation of the generator at 50 p./s.
A motor running at double the speed of synchronism, in which the 2 harmonic is damped and which has a starting field, as described above, is a motor having a two-pole main field and a 4-pole damping field which rotates at a speed of 6000 rpm, or it is a motor having a 6-pole main field, a 12-pole damping field and which rotates at a speed of 2000 t./m.
When this machine works as a synchronous generator, it is a machine having a two-pole main field, a 4-pole damping field, which is driven at a speed of 6000 rpm and which supplies energy at 50 p ./s. The auxiliary generator is, in this case, a 4-pole machine. A particularly interesting machine, which can work as a motor or as a three-phase generator, is a machine in which the superimposed damping field and the auxiliary starting field constitute a third harmonic of the main field.
In such a machine, the main field can be two-pole and the damping and starting field 6-pole, and the machine runs at double the speed of the synchronous speed corresponding to 50 p./s and 2 poles, that is to say at a speed of 6000 rpm.
In a particular embodiment, the rotor bearing is 2 pole / 6 pole according to fig. 8, and the stator winding is that of FIG. 4. The frequency of the supply voltage of one of the stator windings is higher and it is equal to 300 p./s instead of 200 p./s. The stator winding is shown in fig. 9 and the complete diagram of the installation is shown in fig. 10.
The rotor winding according to fig. 8 is a 2 pole full pitch winding, comprising three phase windings 85, 86 and 87, connected in series between terminals 81, 82, 83 and 84. Terminals 81, 82, 83 and 84 are connected respectively to terminals. slip rings 71, 72, 73 and 74. These rings are connected respectively by means of brush cables 14, 15 and 16 to a three-phase power source at 50 p./s by means of conductors 17, 18 and 19.
The slip ring 74 is connected by means of its brush cable 14 and by means of a variable resistor 88 to the ring 71 and likewise to a terminal of a switch 89 which, when closed, connects the terminal 81 directly to terminal 84 through slip rings 71 and 74. The rotor winding according to fig. 8 works as a two pole winding when it is delta connected and as a single phase 6 pole winding when the phase windings are connected in series.
When this machine works as a motor, it starts in the same way as the machine described above. Switch 89 is open and resistor 88 is active during start-up. The introduction of the resistor 88 leads to the improvement of the starting torque. An induction motor having a three-phase stator and a single-phase rotor, can exhibit the Gôrges phenomenon so that it rotates at a speed equal to half of its normal speed. This effect can be eliminated by introducing a resistance in the circuit of the rotor windings connected in series, as shown in fig. 8.
The rotor starts with a speed equal to twice the synchronous speed corresponding to 50 p./s and 2 poles, due to the rotating field provided by the stator bearing B supplied at 300 p. / s. This speed is 6000 rpm. The rotor winding then behaves like a short-circuited winding. The switch 89 is then closed to connect the phase windings 85, 86 and 87 in delta and to connect them to the power source at 50 p./s. The rotor winding and the stator winding A are then supplied at 50 p./s.
In fig. 10, the stator winding A providing the main field to 2 poles is constituted by 3 phase windings 51, 52 and 53 connected in star. These phase windings are mounted respectively between the neutral point 50 and the terminals 54, 55 and 56. The terminals 54, 55 and 56 are respectively supplied at a frequency of 50 p./s by the conductors 40, 41 and 42 , these conductors being connected to a three-phase power source at 50 p.! s by means of conductors 17, 18 and 19 so that the 2-pole fields of the stator and of the rotor rotate in opposite directions.
The 6-pole damping and starting winding B consists of 3 phase windings 104, 105, 106 connected in star, respectively mounted between a neutral point 100 and terminals 101, 102 and 103. The terminals 101, 102 and 103 are fed at 300p. / s by conductors 107, 108 and 109.
The arrangement of windings A and B:> in the stator is shown in fig. 9.
The pitch of the two-pole winding 51 extends from notch 1 to notch 13, i.e. it is equal to 2/3 of a pole pitch (2 poles) and this winding has 6 coils per group. The other phase windings 52 and 53 are wound in the same way.
The pitch of the 6 pole winding 104 extends from notch 1 to notch 6, i.e. it is equal to the pole pitch (6 poles) and this winding has two coils per group. The other phase windings 105 and 106 are wound in the same way. Windings A and B are superimposed in the same notches of the stator, as shown in fig. 9. The 6-pole winding B is located in the upper part of the notches.
The machine of the installation according to fig. 10 is reversible and can operate as a motor or as a generator. The rotor is indicated by a dotted line 90 and the axis of the rotor is indicated by the dotted line 91. The line 91 likewise constitutes the axis of the slip rings 71, 72, 73 and 74 and the axis of the shaft 92. Shaft 92 is driven by the rotor or is driven by a motor. In the latter case, the stator winding B is supplied at 300 p./s by a generator driven by the same motor. The rotor winding and stator winding A supply power at 50 p./s to the network through conductors 17, 18 and 19.
The advantage of this machine in which the three harmonic is damped is due to the rotor winding mounted in a triangle which eliminates the third harmonic from the main field. Thus, when the machine is rotating at twice the speed of synchronism, it suffices to supply low energy at 300 p./s to generate a weak 6-pole field which causes strong damping of the rotor.
Further, in a machine in which the 3 harmonic is damped, the disadvantages of a 2 pole / 4 pole machine in which the second harmonic is damped are eliminated. Such a 2-pole / 4-pole motor has a free imbalance of the rotating field which does not prevent its use, but which requires very careful execution of this motor. This phenomenon is due to the fact that, when two rotating fields are superimposed in a machine whose number of poles differs from two poles, the result is an unbalanced rotating magnetic field.
For example, when two superimposed fields are 2-pole and 4-pole, and rotate at 3000 and 6000 rpm respectively, the unbalanced magnetic field rotates at a speed of 9000 rpm. In the embodiment described, using 2- and 6-pole fields, the imbalance is eliminated.