FR2609554A1 - Dispositif de mesure de l'angle interne d'une machine electrique - Google Patents

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Abstract

ELLE A POUR OBJET UN DISPOSITIF POUR LA MESURE DE L'ANGLE INTERNE D'UNE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE CARACTERISE EN CE QU'IL COMPREND : - UN CIRCUIT MAGNETIQUE 10 EN FORME DE E COMPRENANT TROIS BRANCHES PARALLELES 11, 12, 13; LA BRANCHE CENTRALE 11 COMPRENANT UN PREMIER ENROULEMENT 11A AYANT M SPIRE ALIMENTE PAR UN OSCILLATEUR 20 A UNE FREQUENCE F; LA SECONDE BRANCHE 12 COMPRENANT UNSECOND ENROULEMENT 12A COMPORTANT N SPIRES; LA TROISIEME BRANCHE 13 COMPRENANT UN TROISIEME ENROULEMENT 13A COMPORTANT N SPIRES, AVEC N VOISIN DE N; LES SECOND ET TROISIEME ENROULEMENTS ETANT CONNECTES EN SERIE ET BOBINES EN SENS OPPOSES DE MANIERE QUE LES TENSIONS INDUITES DANS LES DEUXIEME ET TROISIEME BOBINAGES SOIENT DE SENS OPPOSES; UN MOYEN 1 SOLIDAIRE DE L'ARBRE DE LA MACHINE POUR ANNULER PERIODIQUEMENT L'ECHANGE DE FLUX MAGNETIQUE ENTRE L'EXTREMITE DE LA BRANCHE CENTRALE 12 DU CIRCUIT MAGNETIQUE ET L'EXTREMITE DE SA TROISIEME BRANCHE 13; ET UN COMPARATEUR DE PHASE 40 POUR DETERMINER LA DIFFERENCE DE PHASE ENTRE LE SIGNAL EMIS PAR LEDIT OSCILLATEUR ET LE SIGNAL ISSU DU CIRCUIT CONSTITUE PAR LESDITS DEUXIEME ET TROISIEME ENROULEMENTS. APPLICATION A LA MESURE DE L'ANGLE INTERNE ET A LA DETECTION DU DECROCHAGE DE TOUTE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE.

Description

Dispositif de mesure de l'angle interne d'une machine électrique.
La présente invention a trait à un dispositif de mesure de l'angle interne d'une machine électrique, telle qu'un alternateur.
On rappelle qu'un alternateur est caractérisé comme tout générateur, par une force électromotrice E (t) et une tension à ses borne ti (t), t représentant la variable-temps.
Les grandeurs E (t) et U (t) sont des fonctions sinusoïdales du temps et peuvent être représentées par des vecteurs de FRESNEL E et U présentant entre eux un angle de déphasagee, appelé aussi angle interne.
Si l'alternateur est à vide, t et t sont pratiquement en phase T 4 o ) O), puisque le couple résistant est voisin de zéro.
Si l'alternateur est en charge, une puissance active est débitée sur le réseau ; si le couple résistant augmente, l'angle de déphasage croit corrélativement.
Lorsque la charge excède une certaine valeur, dépendant de l'excitation de la machine, la machine "décroche" avec une variation important de l'angle interne T . On dit que la machine est en perte de synchronisme.
On comprend dès -lors la nécessité de mesurer sur une machine l'angle interne lui-même ou ses variations. On mesure l'angle interne pour en déduire la puissance active de la machine.
On mesure ses variations pour prévoir et éventuelle prévenir les pertes de synchronisme.
On connaît des dispositifs permettant de mesurer 1' angle interne d'une machine. Par exemple un dispositif de mesure de l'angle interne d'une machine comprend, sur le rotor, un repère placé dans l'alignement des pôles inducteurs et, sur le stator, un capteur de position du repère, placé dans l'alignement des bobines induites, et fournissant, chaque fois que le repère et le capteur arrivent en vis-à-vis, une impulsion électrique, par exemple de front montant.
Le dispositif permet de détecter l'alignement de la ligne des inducteurs avec la ligne des bobines induites. Dans ces conditions, si on observe la tension U aux bornes des bobines induites et les impulsions produits comme indiqué ci-dessus, le laps de temps séparant un passage par zéro de la tension U et l'apparition du front de montée d'une impulsion constitue à la vitesse nominale de la machine, une mesure de son angle interne.
Le laps de temps est mesuré par un circuit électronique bien connu de l'homme du métier.
Si le repère et le capteur n'obéissent pas aux critères d'alignement définis plus haut, le laps de temps mesuré entre le zéro de tension et l'impulsion représente l'angle interne à une constante près qui peut âtre aisément prise en compte par le circuit électronique.
Le dispositif précité de l'art antérieur présente un inconvénient : le signal délivré a une amplitude sensiblement proportionnelle à la vitesse de rotation de la machine et ne peut donc fournir un signal exploitable aux basses vitesses de rotation de la machine en raison des perturbations électromagnétiques notamment en cas de court-circuit existant dans la zone du repère et du capteur.
Un but de la présente invention est de réaliser un dispositif de mesure de l'angle interne d'une machine fournissant des signaux de forme et d'amplitude indépendantes de sa vitesse de rotation et permettant un mesure exacte même à vitesse très faible.
En général, le seul endroit possible pour placer le dispositif de mesure de l'angle interne d'un machine est le faible espace compris entre l'extrémité de l'arbre et le réducteur de vitesse. Or cet emplacement constitue un environnement climatique sévère pour un circuit de détection en raison des projections d'huile éventuelle et de l'humidité ambiante.
Un but de l'invention est de réaliser un dispositif dans lequel le capteur de mesure est insensible aux conditions d'environnement précitées et délivre des signaux d'amplitude suffisante pour ne nécessiter aucun circuit électronique à proximité.
Un but de l'invention est de réaliser au dispositif dans lequel les circuits électroniques peuvent, sans inconvénients, être placés à plusieurs centaines de mètres de capteur.
L'arbre des machines est souvent sujet à des dilatations ou à des déplacements axiaux ou radiaux.
Un but de l'invention est de réaliser un dispositif de mesure de l'angle interne dans lequel le capteur fonctionne avec précision malgré les déplacements ou dilatations de l'arbre.
L'invention a pour objet un dispositif pour la mesure de l'angle interne d'une machine électrique tournante caractérisé en ce qu'il comprend un capteur ayant une partie fixe et une partie mobile, la partie fixe comprenant un circuit magnétique en forme de E comprenant trois branches parallèles, - la branche centrale comprenant un premier enroulement ayant m spires alimenté par un oscillateur à une fréquence f, - la seconde branche comprenant un second enroulement comportant n spires, - la troisième branche comprenant un troisième enroulement comportant n' spires, avec n' voisin de n, - les second et troisième enroulements étant connectés en série et bobinés en sens opposés de manière que les tensions induites dans les deuxième et troisième bobinages soient de sens opposés, - la partie mobile comprenant un moyen solidaire de l'arbre de la machine pour annuler périodiquement l'échange de flux magnétique entre l'extré- mité de la branche centrale du circuit magnétique et l'extrémité de sa troisième branche, tout ceci pour une position relative précise de la partie mobile du capteur par rapport à sa partie fixe, - et un comparateur de phase pour déterminer la différence de phase entre le signal émis par ledit oscillateur et le signal issu du circuit constitué par lesdits deuxième et troisième enroulements, permettant la détection précise de ladite position relative.
Avantageusement, ledit moyen est un disque calé sur l'arbre de la machine, et disposé perpendiculairement à cet arbre, ledit disque comprenant au moins une dent en matériau amagnétique, ledit disque et ledit circuit magnétique étant disposés l'un par rapport à l'autre de manière que le passage de la dent vienne annuler l'échange de flux magnétique entre ladite première et ladite troisième branche du circuit magnétique.
L'invention sera bien comprise par la descritpion ci-après d'un mode préféré de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 est une vue en perspective du dispositif de mesure de l'invention, sans son circuit électronique, - la figure 2 est une vue partielle agrandie du dispositif de la figure 1, - la figure 3 est une vue schématique de l'ensemble du dispositif de l'invention, - les figures 4A et 4B sont des diagrammes expliquant le fonctionnement du circuit, - la figure 5 représente une variante de réalisation du disque équipant le dispositif de l'invention.
Le dispositif de l'invention comprend un disque 1, calé sur l'arbre 2 du rotor de la machine 3 et placé par exemple entre la machine 3 et son réducteur de vitesse 4.
Le disque, en matériau magnétique, comporte une ou plusieurs dents 7A en matériau amagnétique (cuivre ou aluminium par exemple).
Avantageusement, le nombre de dents est égal au nombre de paires de pôles de la machine 1, et les dents sont alors réparties régulièrement à la périphérie du disque.
Le dispositif de l'invention comprend en outre un circuit magnétique 10 (figure 2) en forme de E ; les trois branches 11, 14 et 13 sont reliées par une armature commune 14 ; le circuit magnétique est réalisé en matériau feuilleté à cristaux orientés ou en ferrite.
La branche centrale 71 porte un enroulement 11A ayant m spires une branche d'extrémité 12 porte un enroulement 12A ayant n spires l'autre branche d'extrémité 13 porte un enroulement 13A ayant un nombre n' de spires voisin de 2n.
Les bobinages 12A et 13A sopt en série, mais enroulées en sens inverse de manière que les flux qu'ils créent soient de sens opposé.
Le bobinage 11 est alimenté par une tension alternative Ve1 en provenance d'un circuit électronique qui sera décrit plus loin, et dont la phase par rapport à la tension U aux bornes des bobines induites est connue.
Cette tension induit une tension Ve2 dans l'enroulement 12A et une tension t3 dans l'enroulement 13A, de sorte qu'une tension Vs = Ve2
Ve3 est envoyée au circuit électronique.
On désigne par i 12 le flux magnétique passant de l'extrémité de la branche 11 à l'extrémité de la branche 12 et par f 13 le flux magnétique passant de l'extrémité de la branche 11 à l'extrémité de la branche 13.
Le circuit magnétique et le disque 1 sont disposés de manière que le flux i 13 soit interrompu par le passage des dents 1A du disque 1.
Lorsqu'aucune dent ne vient gêner le passage du flux f 139 il existe les relations ci-après
Figure img00050001

où 0 désigne la valeur absolue du flux dans les branches 12 et 13 et e7 désigne un vecteur proportionnel à la tension d'alimentation Vel.
I1 en résulte que la tension vectorelle de sortie est alors
Figure img00050002
Lorsqu'une dent du disque vient empêcher le passage du flux 23 ce dernier est nul et il vient alors
Figure img00050003

On constate donc que si n est voisin de n', la phase du signal V
s par rapport à celle du signal Ve est modifiée de 180 degrés par la présence ou non de la dent entre les branches 11 et 13.
Cette transition s'opère sur une fraction de rotation du disque ce qui permet de faire une mesure extrêmement précise de l'angle intérieur, comme il est expliqué maintenant.
Cette mesure est effectuée à l'aide d'un circuit électronique qui peut être placé à une grande distance de la machine, à l'abri des perturbations électromagnétiques et dans un environnement exempt d'humidité ou de poussières.
Le circuit comprend (figure 3) un émetteur 20, un circuit récepteur 30 et un comparateur de phase 40.
La liaison entre l'émetteur et l'enroulement 11A est réalisé au moyen d'un câble blindé 21.
L'émetteur 20 est un oscillateur à fréquence fixe et stable (par exemple à quartz). La fréquence est choisie telle que l'accord du câble sur son impédance caractéristique ne soit pas critique. La fréquence dépend également du degré de précision recherchée. Pour une machine à deux paires de pôles, tournant à 3000 tours/minutes une fréquence de 200 kHz assurera une précision de l'ordre du dizième de degré électrique.
Le circuit récepteur 30, relié aux bobinages 12A et 13A par un câble blindé 31 comprend un transformateur d'isolement 32, un filtre accordé 33 pour éliminer tout signal parasite éventuel qui aurait une fréquence différente de celle d'émission et un amplificateur 34 permettant de rendre le fonctionnement indépendant de l'amplitude du signal reçu.
La phase du signal d'émission et celle du signal S1 issu de l'amplificateur 34 sont comparées dans un comparateur de phase 40, avantageusement de type numérique.
Si on déphase, hors dent, (figure 4A) le signal S1 de telle façon que sa phase avec le signal émis el soit de 90 degrés (figure 4A), lorsque la dent sera engagée on aura un déphage de 90 + 180 = 270 degrés (figure 4B).
Si, à chaque front de montée du signal émis, on met en mémoire l'état du signal reçu sera au niveau logique "O" pour la dent dégagée au niveau logique "1" pour la dent engagée.
Il a été réalisé un dispositif pour la mesure de l'angle interne d'une machine à 32 paires de pôles tournant à 93, 75 tours/minutes (alternateur de groupe bulbe.
Le disque de diamètre extérieur voisin de 1060 mm a 32 dents de hauteur égale à 40 mm. L'espace entre les dents est d'environ 40 mm.
La fréquence de l'oscillateur est 60 kHz, avec une tension d'entrée de 15 Veuf.
Le signal recueilli à l'extrémité d'un câble de longueur de 100 mètres environ est de 500 mVeff-
La distance entre les branches du circuit magnétique est de 10 mm environ, ce qui permet un bon fonctionnement malgré le débattement radial du groupe.
Un autre dispositif a été construit par la mesure de l'angle de déphasage d'un alternateur à 2 paires de pôles, tournant à 3000 tours/minutes.
Le disque a deux dents
Comme on l'a dit plus haut, la fréquence de l'oscillateur est choisie égale à 200 kHz pour obtenir une précision du 1/10 de degré électrique.
Les dimensions du circuit magnétique sont choisies pour, permettre un débattement axial (dû aux effets combinés de la force centrifuge s'exerçant sur l'arbre et à la dilatation de l'arbre en raison de l'élévation de température) pouvant atteindre 30 mm.
Les dents du disque peuvent, à grande vitesse, produire des turbulences néfastes. On évite cet inconvénient en remplaçant (fig.5) le disque denté par un disque (50) en matériau isolant (verre époxy par exemple) muni de découpes 51 (en nombre égal à celui des dents du disque décrit précédemment), remplies d'un métal non magnétique (cuivre par exemple).
Le dispositif de l'invention permet une mesure très précise de l'angle interne d'une machine quelles que soient les conditions de ltenvironnement.
L'inversion de phase du signal au passage de la dent a lieu sans annulation de flux, probablement en raison des courant de Foucault qui se développent dans la dent qui se comporte alors comme une spire de Frager.

Claims (7)

REVENDICATIONS
1/ Dispositif pour la mesure de l'angle interne d'une machine électrique tournante caractérisé en ce qu'il comprend un capteur ayant une partie fixe et une partie mobile, la partie fixe comprenant - un circuit magnétique (10) en forme de E comprenant trois branches parallèles (11, 12, 13), - la branche centrale (11) comprenant un premier enroulement (11A) ayant m spire alimenté par un oscillateur (20) à une fréquence f, - la seconde branche (12) comprenant un second enroulement (12A) comportant n spires, - la troisième branche (13) comprenant un troisième enroulement (13A) comportant n' spires, avec n' voisin de n, - les second et troisième enroulements étant connectés en série et bobinés en sens opposés de manière que les tensions induites dans les deuxième et troisième bobinages soient de sens opposés, - la partie mobile comprenant un moyen (1) solidaire de l'arbre de la machine pour annuler périodiquement l'échange de flux magnétique entre l'extrémité de la branche centrale (12) du circuit magnétique et l'extrémité de sa troisième branche (13), tout ceci pour une position relative précise de la partie mobile du capteur par rapport à sa partie fixe, - et un comparateur de phase (40) pour déterminer la différence de phase entre le signal émis par ledit oscillateur et le signal issu du circuit constitué par lesdits deuxième et troisième enroulements, permettant la détection de ladite position relative.
2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen est un disque (1) calé sur l'arbre de la machine, et disposé perpendiculairement à cet arbre, ledit disque comprenant au moins une dent (1A) en matériau amagnétique, ledit disque et ledit circuit magnétique étant disposés l'un par rapport à l'autre de manière que le passage de la dent vienne annuler l'échange de flux magnétique entre ladite première et ladite troisième branche du circuit magnétique (10).
3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le disque (1) comprend autant de dents (1A) que la machine possède de paires de pôles.
4/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen est un disque (50) calé sur l'arbre de la machine et disposé perpendiculairement à cet arbre, ledit disque comportant au moins une encoche (51) remplie d'un matériau amagnétique, ledit disque et ledit circuit magnétique étant disposés l'un par rapport à l'autre de manière que le passage de l'encoche vienne annuler l'échange de flux magnétique entre ladite première et ladite troisième branche du circuit magnétique (10).
5/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le comparateur de phase (40) est du type numérique, le signal issu du circuit constitué par les deuxième et troisième bobinages étant filtré au moyen d'un filtre (33) accordé sur la fréquence de l'oscillateur et amplifié au moyen d'un amplificateur à grand gain (34).
6/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le comparateur de phase (40) et l'oscillateur (20) sont placés à une distance de plusieurs dizaines de mètre du circuit mangétique (10), les liaisons étant réalisées au moyen de câbles blindés (21, 31).
7/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la longueur des branches du circuit magnétique (10) et leur écartement sont choisis pour autoriser des battements axiaux et transversaux de la dent dus aux déplacements et/ou déformations de l'arbre de la machine.
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