FR2541832A1

FR2541832A1 - Rotating compensator

Info

Publication number: FR2541832A1
Application number: FR8303243A
Authority: FR
Inventors: Roger Gillet; Gilbert Merouge
Original assignee: Alsthom Atlantique SA
Current assignee: Alsthom Atlantique SA
Priority date: 1983-02-28
Filing date: 1983-02-28
Publication date: 1984-08-31
Also published as: FR2541832B1

Abstract

The rotating compensator of the invention includes a conventionally designed stator, with polyphase windings, and a laminated sheet metal rotor of very high radial permeability. The rotor consists of sheet metal segments overlapping from one layer to the next, the segments constituting the felly and the poles P. The rotor is of the type with salient poles saturated in favoured regions of the pole bodies by the magnetic field of the stator, thus imposing a small air gap. The compensator operates in the saturated region of its current-voltage characteristic. Cutouts 3 enable the magnetic field to be confined within these favoured regions so as to saturate the sheet metal.

Description

Compensateur tournant
L'invention concerne le réglage de lténergie réactive d'un réseau électrique.Rotating compensator
The invention relates to the adjustment of the reactive energy of an electrical network.

Pour régler l'énergie réactive d'un réseau électrique il est connu d'utiliser des compensateurs synchrones ou des selfs saturables. To regulate the reactive energy of an electrical network, it is known to use synchronous compensators or saturable reactors.

Les selfs saturables créent des harmoniques car le matériau magnétique qui les compose est soumis à un champ variable 9 ces harmoniques sont indésirables car étant renvoyés sur le réseau, la tension alternative de celui-ci n'est plus sinusoldafe. D'autre part les compensateurs synchrones ayant des puissances de plusieurs dizaines ou centaines de
MVA sont des machines chères car leur construction est analogue à celle d'un alternateur ; de telles machines ne se justifient que pour des puissances importantes, d'au moins 20 MvÂr. Saturable inductors create harmonics because the magnetic material that composes them is subjected to a variable field 9 these harmonics are undesirable because being returned to the network, the alternating voltage of the latter is no longer sinusoldafe. On the other hand, synchronous compensators having powers of several tens or hundreds of
MVA are expensive machines because their construction is analogous to that of an alternator; such machines are only justified for large powers, at least 20 MvÂr.

La présente invention a pour but le réglage de l'énergie réactive par une machine tournante de conception plus simple et plus robuste qu'un compensateur synchrone
La présente invention a pour objet un compensateur tournant carac- térisé par le fait que le stator est de type classique, que le rotor est du type à pôles saillants et a un circuit magnétique constitué par des tales a plus grande perméabilité que celles du stator, les tôles ayant une plus grande perméabilité dans le sens radial et les pôles ayant des corps polaires saturables magnétiquement uniquement par le champ rnagnétisant produit par les enroulements du stator, et que-l'entrefer entre le stator et le rotor est le plus petit possible compte tenu des impératifs mécaniques dépendant du diamètre du rotor, le compensateur fonctionnant dans la zone de saturation de sa caractéristique courant-tension.The object of the present invention is to adjust the reactive energy by a rotating machine of simpler and more robust design than a synchronous compensator.
The subject of the present invention is a rotary compensator characterized by the fact that the stator is of the conventional type, that the rotor is of the salient pole type and has a magnetic circuit constituted by blades with greater permeability than those of the stator, the sheets having a greater permeability in the radial direction and the poles having polar bodies saturable magnetically only by the magnetic field produced by the windings of the stator, and that the air gap between the stator and the rotor is as small as possible given mechanical requirements depending on the diameter of the rotor, the compensator operating in the saturation zone of its current-voltage characteristic.

L'invention va être décrite à l'aide d'un exemple de réalisation illustré par les figures annexées dans lesquelles - la figure 1 est une coupe transversale d'un rotor du compensateur tournant de l'invention, - la figure la représente un détail D de la figure 9,
la figure 2 représente un pôle du rotor de la figure 1, - la figure 3 est une coupe longitudinale du rotor -selon une coupe III=1II d'un pôle de la figure 1, - la figure 4 est une coupe longitudinale du rotor selon une coupe IV-IX entre deux pôles de la figure 1.The invention will be described using an exemplary embodiment illustrated by the appended figures in which - FIG. 1 is a cross section of a rotor of the rotary compensator of the invention, - FIG. 1a represents a detail D of Figure 9,
Figure 2 shows a pole of the rotor of Figure 1, - Figure 3 is a longitudinal section of the rotor - according to a section III = 1II of a pole of Figure 1, - Figure 4 is a longitudinal section of the rotor according a section IV-IX between two poles of figure 1.

Le compensateur tournant de l'invention comprend un stator et un rotor. Le stator est constitué, comme celui. d'une grande machine synchrone multipolaire classique, drun circuit magnétique et d'un enroulement polyphasé connecté au réseau-électriqne. Le circuit magnétique du stator est constitué, de manière classique, de tôles minces à cristaux orientés dont la plus grande perméabilité est dans le sens du laminage. The rotary compensator of the invention comprises a stator and a rotor. The stator is made up, like that. a large classical multipolar synchronous machine, a magnetic circuit and a polyphase winding connected to the electrical network. The magnetic circuit of the stator is made, in a conventional manner, of thin sheets with oriented crystals, the greatest permeability of which is in the direction of rolling.

Le rotor est du type à poles saillants, mais il présente des partieu- laites qui seront indiquées ci après, au cours de la description des figures.The rotor is of the protruding pole type, but it has parts which will be indicated below, during the description of the figures.

Le compensateur tournant de l'invention fonctionne dans la zone de saturation de sa caractéristique tension coupant, les pôles étant à la saturation sous l'effet du champ magnétique créé par les enroulements du stator ; ceci impose que l'entrefer entre le stator et le rotor soit le plus petit possible, compte tenu des impératifs mécaniques et notamment du diamètre du rotor. The rotary compensator of the invention operates in the saturation zone of its cutting voltage characteristic, the poles being at saturation under the effect of the magnetic field created by the windings of the stator; this requires that the air gap between the stator and the rotor is as small as possible, taking into account mechanical requirements and in particular the diameter of the rotor.

La figure 1 représente un demi rotor en coupe transversale dans le cas dune machine à 6 pôles. Le roter est constitué de segments de tôles découpés dans des tôles minces à cristaux orientés de qualité supérieure à celle des tôles du stator ; l'épaisseur des tôles est de 0,35 mm par exemple, et les faces des tôles sont isolées par un vernis. Figure 1 shows a half rotor in cross section in the case of a 6-pole machine. The roter consists of segments of sheets cut from thin sheets with oriented crystals of higher quality than that of the stator sheets; the thickness of the sheets is 0.35 mm for example, and the faces of the sheets are insulated with a varnish.

Les tôles ayant leur plus grande perméabilité dans le sens de laminage, les segments de tôle sont découpés de manière à présenter cette plus grande perméabilité dans le sens radial du rotor. Les segments de tôte sont empilés avec recouvrement d'une couche à l'autre autour d'un arbre 9 ; elles constituent ainsi la jante et les pôles du rotor, les pôles ne comportant pas d'enroulement d'excitation. Dans la figure 1 on peut distinguer deux types de segments de tôles ; un premier type T1, compris entre deux lignes radiales A, comportant deux demi-pôles séparés par un espace interpôles I, et un deuxième type T2, compris entre deux lignes radiales B, comportant un pôle P et un demi espace interpôles de chaque côté du pôle.Chaque couche de l'empilage de tôles est donc constitué soit par 6 segments de tôles du premier type, soit par 6 segments de tale du deuxième type, les types de segments de tôles étant alternés d'une couche à l'autre. Dans chaque couche les segments de tôles sont pratiquement jointifs, selon les lignes radiales A ou B, ce qui permet d'une part d'augmenter la résistance mécanique de la jante et d'autre part de réduire, dans les pôles, l'entrefer entre segments d'une même couche. Since the sheets have their highest permeability in the rolling direction, the sheet segments are cut so as to have this greatest permeability in the radial direction of the rotor. The head segments are stacked with overlap from one layer to the other around a shaft 9; they thus constitute the rim and the poles of the rotor, the poles having no excitation winding. In Figure 1 we can distinguish two types of plate segments; a first type T1, comprised between two radial lines A, comprising two half-poles separated by an interpole space I, and a second type T2, comprised between two radial lines B, comprising a pole P and a half interpole space on each side of the Each layer of the sheet stacking is therefore made up either of 6 sheet segments of the first type, or of 6 sheet segments of the second type, the types of sheet segments being alternated from one layer to the other. In each layer, the sheet metal segments are practically contiguous, along the radial lines A or B, which allows on the one hand to increase the mechanical resistance of the rim and on the other hand to reduce, in the poles, the air gap between segments of the same layer.

Les segments de tôles étant découpés dans des tôles dont les faces sont isolées, les couches sont donc isolées entre elles, ce qui permet de réduire les pertes en surface dans les épanouissements polaires 8, pertes provoquées par la modulation de l'induction dans l t entreSery entre stator et rotor, due à l'ouverture des encoches stator. The sheet segments being cut from sheets whose faces are insulated, the layers are therefore insulated from each other, which makes it possible to reduce the surface losses in the pole shoes 8, losses caused by the modulation of the induction in lt entreSery between stator and rotor, due to the opening of the stator notches.

Comme cela est représenté figures 3 et 4, le rotor est constitué par de petits paquets 12 de tôles magnétiques, c'est-à-dire par un petit nombre de couches de tôles, pris en "sandwich' entre des tôles 13 en acier de caractéristiques mécaniques plus élevées que les tôles des segments. Ces tolets sont en acier magnétique ou amagnétique selon les caractéristiques magnétiques que l'on désire obtenir. Les tôles 13 sont circulaires, les espaces interpôles n'étant pas découpés. Elles ont donc meme diamètre que celui qui correspond à deux pôles diamétralement opposés. Sur toute la longueur du rotor les espaces interpôles I sont fermés par une plaque 9, non métallique, en verre stratifié par exemple, formant un carénage du rotor, les tôles 13 servant de support aux plaques 9.De cette manière on rend la surface extérieure du rotor lisse, ce qui permet de réduire les pertes par frottement de l'air lorsque le rotor est en rotation. La figure la représente à grande échelle un détail D de la figure 1, relatif à la plaque 9. As shown in FIGS. 3 and 4, the rotor consists of small bundles 12 of magnetic sheets, that is to say by a small number of layers of sheets, sandwiched between steel sheets 13 of mechanical properties higher than the plates of the segments. These tolets are made of magnetic or non-magnetic steel according to the magnetic characteristics which one wishes to obtain. The plates 13 are circular, the interpole spaces not being cut out. They therefore have the same diameter as that which corresponds to two diametrically opposite poles. Over the entire length of the rotor, the interpole spaces I are closed by a plate 9, not metallic, made of laminated glass for example, forming a rotor fairing, the plates 13 serving as support for the plates 9 In this way the outer surface of the rotor is made smooth, which makes it possible to reduce the losses by friction of the air when the rotor is in rotation. The figure represents a large-scale detail D of the figure. 1, relating to plate 9.

Le serrage des tôles du rotor est assuré par des goujons magnétiques 4 dans la jante et par des tirants amagnétiques 5 dans les pôles bien entendu on peut remplacer les tirants par des goujons, ou encore n'utiliser que des tirants dans la jante et dans les pôles. The rotor sheets are tightened by magnetic studs 4 in the rim and by non-magnetic tie rods 5 in the poles, of course, the tie rods can be replaced by studs, or else only use tie rods in the rim and in the poles.

Les épanouissements polaires 8 comportent des trous 7, entre les deux cornes 10 et il de chaque pôle, dans lesquels sont logés des barres d'amortisseurs destinés à accroître la stabilité dynamique de la machine et permettre un démarrage asynchrone de celle-ci sous tension réduite. The pole shoes 8 have holes 7, between the two horns 10 and it of each pole, in which are housed shock absorber bars intended to increase the dynamic stability of the machine and allow an asynchronous starting of the latter under reduced voltage .

La figure 2 représente un pôle Pdu rotor a plus grande échelle. FIG. 2 represents a pole P of the rotor on a larger scale.

Entre les flancs 2 du pôle et immédiatement au-dessous des épanouissements polaires 8, des découpes 3 sont ménagées dans les segments de tôle ; ces découpes permettent de créer des zones de saturation magnétique dans les tôles constituant les poles pour confiner la plus grande partie du champ magnétique dans l'épanouissement polaire, et d'obtenir ainsi la caractéristique U = f (T), tension en fonction du courant, souhaitée pour la machine, cette caractéristique présentant une zone de saturation Pour pouvoir ajuster les caractéristiques magnétiques de la machine au cours des essais, certaines des découpes 3 sont prévues pour recevoir un matériau magnétique afin de supprimer partiellement ou totalement l'effet de ces découpes.Afin de pouvoir introduire le matériau magnétique dans les découpes 3 prévues à cet effet, sur toute la longueur des pôles, les tôles 13 présentent également des découpes, correspondant uniquement à celles prévues dans les tôles pour recevoir un matériau magnétique ; les tôles 13 ne comportent que ces découpes afin de ne pas diminuer leur résistance mécanique.Between the sides 2 of the pole and immediately below the pole shoes 8, cutouts 3 are made in the sheet metal segments; these cuts make it possible to create zones of magnetic saturation in the sheets constituting the poles to confine most of the magnetic field in the polar blooming, and thus to obtain the characteristic U = f (T), voltage as a function of the current , desired for the machine, this characteristic having a saturation zone In order to be able to adjust the magnetic characteristics of the machine during the tests, some of the cutouts 3 are provided to receive a magnetic material in order to partially or totally eliminate the effect of these cutouts .In order to be able to introduce the magnetic material into the cutouts 3 provided for this purpose, over the entire length of the poles, the sheets 13 also have cutouts, corresponding only to those provided in the sheets to receive a magnetic material; the sheets 13 only have these cutouts so as not to reduce their mechanical strength.

Les pôles ne comportant pas d'inducteur, le compensateur tournant de l'invention fonctionne donc par saturation des corps polaires. La machine est démarrée en fonctionnement asynchrone grâce à la présence des amortisseurs, et amenée à une vitesse proche du synchronisme. Le couple synchronisant d'une telle machine étant dû à la réluctance des pôles, est fonction de ses réactances synchrones directes Xd et transversale Xq. Comme la réactance directe Xd varie très rapidement avec la saturation des corps polaires, donc avec la tension aux bornes du stator de la machine, des découpes 6 sont prévues afin d'assurer une saturation également dans l'axe transversal des pôles de manière que la réactance transvérsale Xq diminue en même temps que la réactance directe Xd, pour conserver un couple synchronisant plus élevé que le couple de pertes. Since the poles do not have an inductor, the rotary compensator of the invention therefore operates by saturation of the polar bodies. The machine is started in asynchronous operation thanks to the presence of shock absorbers, and brought to a speed close to synchronism. The synchronizing torque of such a machine being due to the reluctance of the poles, is a function of its direct synchronous reactances Xd and transverse Xq. As the direct reactance Xd varies very quickly with the saturation of the polar bodies, therefore with the voltage across the stator of the machine, cutouts 6 are provided in order to ensure saturation also in the transverse axis of the poles so that the transversal reactance Xq decreases at the same time as the direct reactance Xd, to maintain a higher synchronizing torque than the loss torque.

Dans le compensateur tournant de l'invention les ampères tours de magnétisation du circuit magnétique du rotor sont fournis par l'enroulement stator et la zone de fonctionnement est située dans la zone saturée de la caractéristique courant tension de la machine ; dans cette zone de saturation la caractéristique courant-tension doit avoir une pente 8 UX h I la plus faible possible. L'emploi de tôles à haute perméabilité magnétique permet d'obtenir-des zones de saturation les plus franches possible et de réduire la pente ss U// ss I. La puissance réactive absorbée est fonction de la tension d'alimentation du stator ; elle suit donc les variations de la tension d'alimentation. In the rotary compensator of the invention, the ampere magnetization turns of the magnetic circuit of the rotor are supplied by the stator winding and the operating zone is located in the saturated zone of the characteristic current voltage of the machine; in this saturation zone, the current-voltage characteristic must have the lowest possible slope 8 UX h I. The use of sheets with high magnetic permeability makes it possible to obtain the clearest saturation zones possible and to reduce the slope ss U // ss I. The reactive power absorbed is a function of the supply voltage of the stator; it therefore follows variations in the supply voltage.

La constitution particulière du rotor permet de supprimer les entrefers de montage entre les pôles et la jante et de réaliser un entrefer entre le stator et le rotor le plus petit possible compte tenu du diamètre d'alésage du rotor ; d'où l'intérêt de choisir un diamètre d'alésage pas trop élevé ; par ailleurs l'intégration des pôles à la jante est mécaniquement très favorable. The particular constitution of the rotor eliminates the mounting gaps between the poles and the rim and makes the gap between the stator and the rotor as small as possible, taking into account the bore diameter of the rotor; hence the advantage of choosing a bore diameter not too large; moreover, the integration of the poles into the rim is mechanically very favorable.

Un compensateur tournant conforme à l'invention aurait, par exemple, pour une puissance en régime continu de 60 MVA et une vitesse de 1000 tr/min, un diamètre d'alésage de 1900 mm et un entrefer entre stator et rotor de 5 mm. A rotary compensator according to the invention would have, for example, for a continuous power of 60 MVA and a speed of 1000 rpm, a bore diameter of 1900 mm and an air gap between stator and rotor of 5 mm.

Dans le compensateur tournant de l'invention, seul le stator est ventilé, par exemple à l'aide de deux ventilateurs axiaux montés sur le rotor, à chaque extrémité de celui-ci. In the rotary compensator of the invention, only the stator is ventilated, for example by means of two axial fans mounted on the rotor, at each end of the latter.

Bien~ entendu le rotor peut ne pas comporter d'amortisseurs , 7.e démarrage est fait alors par un moteur de lancement ne fonctionnant que le temps d'amender le rotor à une.vitesse proche du synchronisme. Of course ~ the rotor may not include shock absorbers, 7.e start is then made by a launch engine operating only the time to amend the rotor une.vitesse close to synchronism.

Claims

1 / Rotating compensator for compensation of the reactive energy of an electrical network, comprising a polyphase winding stator and a rotor, characterized in that the stator is of the conventional type, that the rotor is of the pole type (P) protruding and has a magnetic circuit consisting of sheets with greater permeability than those of the stator, the sheets having greater permeability in the radial direction and the poles (P) having polar bodies which are saturable magnetically only by the magnetizing field produced by the stator windings, and that the air gap between the stator and the rotor is as small as possible taking into account the mechanical requirements depending on the diameter of the rotor9 the compensator operating in the saturation zone of its current-voltage characteristic.

2 / rotary compensator according to claim i, characterized in that each pole (P) comprises, immediately below its pole position (8), cutouts (3) making it possible to confine most of the magnetic field in zones polar bodies in order to saturate the sheets.

3 / rotary compensator according to claim 1, characterized in that the pole shoes include cutouts (6) to obtain a decrease in the transverse reactance at the same time as the direct reactance decreases, to maintain a synchronizing torque greater than the loss torque .

4 / rotary compensator according to claim 1, characterized in that the poles (P) have holes (7) to accommodate the shock bars and thus allow an asynchronous start of the compensator.

5 / rotary compensator according to claim 1, characterized in that the rotor comprises a shaft (1) and a magnetic circuit consisting of sheet metal segments insulated on their two faces and stacked overlapping from one layer to another, that the poles (P) are integrated into the rim, and that packets of sheets made up of a certain number of layers are sandwiched between two sheets (13) of steel, magnetic or not, all of the packets of sheets and sheets (13) forming the magnetic circuit being pressed by the magnetic studs (4) in the rim and non-magnetic studs (5) in the poles (P).

6 / Compensator according to claim 5, characterized in that the sheets (13) are circular with the same diameter as the rotor and which serve to support non-metallic plates (9) closing the interpole spaces (I) in order to give to the rotor the appearance of a smooth rotor and thus reduce the losses by friction of the air.