FR2687860A1

FR2687860A1 - NEUTRALIZATION OF OVERVOLTAGES GENERATED IN PHASE WINDINGS BY THE MAGNETIC ARMATURE REACTION.

Info

Publication number: FR2687860A1
Application number: FR9202144A
Authority: FR
Inventors: Rahban Thierry
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-02-25
Filing date: 1992-02-25
Publication date: 1993-08-27
Anticipated expiration: 2012-02-25
Also published as: AU3636093A; WO1993017486A1; FR2687860B1

Abstract

A device for eliminating overvoltages caused by a magnetic armature reaction in armature phase windings of dynamo-electric machines, by compensating for the natural mutual inductances between each phase winding and the others in the armature. Low relative value couplings are not compensatable. The device may be used in dynamo-electric machines and related electronic circuits.

Description

La présente invention concerne les machines dynamo electriques. The present invention relates to electric dynamo machines.

L'homme de l'art maîtrise biens aujourd'huis les phénomènes liés au champ magnétique dit de réaction d'induit dans les machines dynamo-électriques. Deux techniques complémentaires combattant ces phénomènes sont connues = l'enroulement de compensation et les polies auxiliaires de commutation. On sait que le champ magnétique de réaction d'induit a pour ef- fet de renforcer l'induction d'un cOté du ptle inducteur et de la diminuer de l'autre coté. Dans les machines de forte puissance quasi-saturées la diminution de l'induction ne peut être contrebalancée par une augmentation équivalentes du fait de la non-linéarité des matériaux saturés. Un enroulement dit de compensations parcouru par le courant d'induit et situé dans des encoches de l'inducteur en vis à vis direct des bobines actives de l'induits permet d'effectuer une neutralisation efficace de celles-ci. Par ailleurs les sous-tensions et les surtensions induites au niveau de chaque bobinage de phase par la réaction d'induit tendent à une prolonaation inopportune du courant dans ces phases lors du changement de polarité du champ inducteur. Ce phénomène est classiquement combattu par des piles auxiliaires de commutation intercalés entre les piles inducteurs et dont le bobinage est parcouru par une image du courant d'induit. L'insertion de ces pâles sur les machines de petite à moyenne puissance ne leur est pas favorable sur tous les plans cars en élargissant l'espace interpolaireq elle augmente la proportion des zones inactives de l'induit et le poids et les pertes dus au circuit de rebouclage magnétique de 1 'inducteur. La puissance massique et l'inertie de la machine sont alors penaliséesS pour une amélioration quelque fois faible du rendement. En outres si la compensation est effective en statique, on observe la persistance de fortes surtensions transitoiress suffisamment brèves heureusement pour ne pas déclencher d'arc intempestif. Those skilled in the art today have a good grasp of the phenomena associated with the so-called armature reaction magnetic field in dynamo-electric machines. Two complementary techniques combating these phenomena are known = the compensation winding and the auxiliary switching polishes. We know that the magnetic field of armature reaction has the effect of reinforcing the induction on one side of the inducing rod and decreasing it on the other side. In machines of high quasi-saturated power the reduction in induction cannot be offset by an equivalent increase due to the non-linearity of saturated materials. A winding called compensations traversed by the armature current and located in the inductor notches directly opposite the active coils of the armature allows effective neutralization thereof. Furthermore, the under-voltages and overvoltages induced at each phase winding by the armature reaction tend to an untimely prolonaation of the current in these phases when the polarity of the inductor field changes. This phenomenon is conventionally combated by auxiliary switching cells inserted between the inductor cells and the winding of which is traversed by an image of the armature current. The insertion of these blades on machines of small to medium power is not favorable to them on all the plane cars by widening the interpolar space q it increases the proportion of the inactive zones of the armature and the weight and the losses due to the circuit magnetic looping of the inductor. The mass power and the inertia of the machine are then penalized for a sometimes slight improvement in efficiency. In addition, if the compensation is effective in static, we observe the persistence of strong transient overvoltages sufficiently brief fortunately not to trigger an untimely arc.

Beaucoup de machines dynamo-électriques modernes sont interfacées à une tension continue par des composants elec- troniques dont on sait que les caractéristiques et le coOt sont tries pénalises par une élévation de leur tension de claquage. Or les surtensions générées par la réaction d'induit imposent un surdimensionnement à la fois de ces composants et de la tension d'alimentation. Cette dernière doit en effet entre surélevée elle aussi pour éviter des phases de redressement incontrôlables (que 1 'on soit en mode moteur ou en mode générateur) ce qui éloigne des conditions optimales de fonc- tionnement. Comme on l'a vu précédemment1 ni 1 'enroulement de compensation ni les pâles auxiliaires de commutation ne peuvent résoudre complètement ce problème. Many modern dynamo-electric machines are interfaced to a DC voltage by electronic components whose characteristics and cost are known to be penalized by an increase in their breakdown voltage. However, the overvoltages generated by the armature reaction impose an oversizing both of these components and of the supply voltage. The latter must in fact also be raised to avoid uncontrollable recovery phases (whether one is in motor mode or in generator mode), which takes away optimal operating conditions. As seen above1 neither the compensation winding nor the auxiliary switching vanes can completely solve this problem.

C'est pourquoi l'invention a pour but de fournir un moyen d'éliminer ou de réduire les surtensions statiques ou transitoires générées dans les bobinages d'induit par la re- action magnétique d'induit1 tout en restant compatible avec les deux moyens décrits précédemment. Ce probleme est résolu en neutralisant deux à deux le couplage magnétique naturel existant entre chaque bobinage de phase de l'induit et les autres bobinages de phase de l'induit, par un couplage magnétique inverse. Les surtensions induites peuvent alors etre complètement éliminées1 ce qui permet de choisir pour la tension d'alimentation et les composants électroniques la valeur de tension strictement nécessaire à l'application. This is why the invention aims to provide a means of eliminating or reducing the static or transient overvoltages generated in the armature windings by the magnetic armature feedback1 while remaining compatible with the two means described. previously. This problem is solved by neutralizing two by two the natural magnetic coupling existing between each phase winding of the armature and the other phase windings of the armature, by reverse magnetic coupling. The induced overvoltages can then be completely eliminated1, which makes it possible to choose for the supply voltage and the electronic components the voltage value strictly necessary for the application.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront avec la description qui va suivre de certains de ses modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins ci-annexéw sur lesquels:
- La figure i représente les diagrammes temporels caractéristiques de la réaction d'induit en mode générateur.Other characteristics and advantages of the invention will appear with the following description of some of its embodiments given by way of nonlimiting examples, with reference to the attached drawings in which:
- Figure i represents the characteristic time diagrams of the armature reaction in generator mode.

- La figure 2 représente un exemple de compensation inductive selon l'inventions adapté à une machine à 7 phases. - Figure 2 shows an example of inductive compensation according to the invention adapted to a 7-phase machine.

L'efficacité d'un inducteur dépend fortement du profil de l'induction magnétique qu'il génère: il est avantageux que ce profil soit trapézoidal avec des flancs les plus raides possible pour que le flux utile soit maximal. Un premier inconvénient est l'augmentation des pertes par courant de Foucault 7 un deuxième est un effet accru des surtensions induites par la réaction d'induit, un troisième est de nécessi- ter un nombre de phases assez élevé pour disposer de la bande passante adéquate. La figure i représente à dessein les diagrammes temporels idéalises d'un exemple de machine possédant 7 phases d'induit. Cet exemple n'est pas équipé de pâles de commutation, ce qui permet aux pâles inducteurs d'être très proches les uns des autres. On supposera que l'induction Bf qu'ils génèrent dans l'entrefer montre une transition monotone entre ses deux valeurs extrêmes, de module T, et que le courant I de l'induit est approximativement centré sous chacun des pôles. Dans ces conditions, l'induit génère un champ propre de réaction dont la composante transversale Bi a l'allure indiquée sur la figure 1 pour un fonctionnement en mode générateur. L'induction totale dans l'entrefer est la somme Bf +Bi et 1 'homme de 1 'art reconnattra la distorsion classique introduite dans les génératrices non satures: l'induction est renforcée à la sortie des pâles inducteurs1 et est diminuée de façon égale à leur entrée. La surtension associée à l'accroissement P peut atteindre des valeurs importantes très défavorables aux montages électroniques. The efficiency of an inductor strongly depends on the profile of the magnetic induction that it generates: it is advantageous that this profile is trapezoidal with the steepest sides possible so that the useful flux is maximum. A first drawback is the increase in eddy current losses 7 a second is an increased effect of the overvoltages induced by the armature reaction, a third is that it requires a sufficiently high number of phases to have the adequate bandwidth . Figure i purposely represents the idealized time diagrams of an example of a machine having 7 armature phases. This example is not equipped with switching blades, which allows the inducing blades to be very close to each other. We will suppose that the induction Bf that they generate in the air gap shows a monotonic transition between its two extreme values, of modulus T, and that the current I of the armature is approximately centered under each of the poles. Under these conditions, the armature generates its own reaction field, the transverse component Bi of which has the appearance indicated in FIG. 1 for operation in generator mode. The total induction in the air gap is the sum Bf + Bi and one skilled in the art will recognize the conventional distortion introduced into the unsaturated generators: the induction is reinforced at the exit of the pale inductors1 and is reduced equally at their entrance. The overvoltage associated with the increase P can reach large values very unfavorable to electronic assemblies.

Pour ne pas risquer de fausses interprétations des phe- nomènes, l'homme de l'art prend toujours soin d'identifier exactement le référentiel adapté à chaque situation:
- la tension induite dans les bobinages d'induit par l'inducteur est due au déplacement relatif qui existe entre induit et inducteur, et est donc proportionnelle au champ inducteur et à la vitesse relative v entre les deux parties.To avoid the risk of false interpretations of the phenomena, those skilled in the art always take care to identify exactly the frame of reference adapted to each situation:
- The voltage induced in the armature windings by the inductor is due to the relative displacement which exists between armature and inductor, and is therefore proportional to the inductor field and to the relative speed v between the two parts.

- la tension induite dans les bobinages d'induit par la réaction d'induit est trop souvent faussement attribuée à l'action du champ Bi sur les bobinages de l'induit, ce qui est impossible puisqu'il n'y a pas de mouvement relatif réel. - the voltage induced in the armature windings by the armature reaction is too often falsely attributed to the action of the Bi field on the armature windings, which is impossible since there is no movement relative real.

Cette tension ne peut donc être induite dans chaque phase que par les variations temporelles du courant de 1 'ensemble des phases. Ces variations sont transmises par induction mutuelle naturelle et on montre qu'effectivement elles s'additionnent pour former une tension équivalente à celle que subirait une phase d'induit se déplaçant à la vitesse V dans le champ Bi.This voltage can therefore be induced in each phase only by the temporal variations of the current of one set of phases. These variations are transmitted by natural mutual induction and it is shown that indeed they add up to form a tension equivalent to that which would undergo an armature phase moving at speed V in the field Bi.

On comprend donc qu'il y a une possibilité d'annuler les effets de la réaction d'induit sur l'inducteur même: il faut compenser chaque inductance mutuelle naturelle existant entre une phase et chacune des phases voisines par une inductance mutuelle artificielle de même valeur mais opposées réalisée avec un transformateur à deux enroulements. Chaque enroulement est inséré en série dans le circuit des deux phases que l'on veut isoler magnétiquement, dans un sens tel que la polarité de la tension générée par ce transformateur dans l'une quelconque des deux phases par une variation de courant dans l'autre phase soit inverse de celle qui est générée par l'inductance mutuelle naturelle existant entre ces deux phases La compensation sera exacte si ces deux inductances mutuelles (naturelle et artificielle) sont égales. It is therefore understood that there is a possibility of canceling the effects of the armature reaction on the inductor itself: it is necessary to compensate each natural mutual inductance existing between a phase and each of the neighboring phases by an artificial mutual inductance of the same but opposite value achieved with a transformer with two windings. Each winding is inserted in series in the circuit of the two phases that we want to isolate magnetically, in a direction such that the polarity of the voltage generated by this transformer in any one of the two phases by a current variation in the another phase is inverse to that generated by the natural mutual inductance existing between these two phases The compensation will be exact if these two mutual inductances (natural and artificial) are equal.

Une compensation systématique dans une machine à N phases (N étant un entier naturel) demande alors N*(N-1) enroulements car chaque phase doit étire isolée des (N-i) autres phases, et donc un total de N*(N-1)/2 transformateurs à deux enroulements. Ce nombre de transformateurs croit très vite avec N puisqu'il est approximativement proportionnel à son carré. La figure 2 donne un exemple de compensation complète dans une machine à 7 phases. Un premier niveau de transformateurs compense les phases directement voisines avec le transformateur 10, un second compense les phases espacées de deux phases avec le transformateur 11, enfin un troisième niveau compense avec le transformateur 12 les bobinages espacés de trois phases. Il est inutile d'aller plus loin puisque les écarts suivants ont déjà été compensés. Systematic compensation in a machine with N phases (N being a natural integer) then requires N * (N-1) windings because each phase must be isolated from (Ni) other phases, and therefore a total of N * (N-1 ) / 2 transformers with two windings. This number of transformers grows very quickly with N since it is approximately proportional to its square. Figure 2 gives an example of full compensation in a 7-phase machine. A first level of transformers compensates for the directly adjacent phases with the transformer 10, a second compensates for the phases spaced by two phases with the transformer 11, finally a third level compensates with the transformer 12 for the windings spaced by three phases. There is no need to go further since the following deviations have already been compensated.

On peut être tenté de ne pas effectuer de compensation entre les phases montrant un faible couplage magnétique. Ce couplage est maximal entre phases contiguës puis diminue lorsque l'écart entre les phases augmente, pour tendre vers zéro quand cet écart approche de la quadrature. Ainsi dans l'exemple de la figure 1, l'inductance mutuelle entre les phases 1 et 2 est approximativement zonale 5/7 de l'inductance propre de chaque phase, alors que l'inductance mutuelle entre les phases 1 et 4 en vaut environ 1/7. On peut donc éventuellement omettre de compenser des phases éloignées alors que cela reste indispensable pour les phases voisines. One may be tempted not to carry out compensation between the phases showing a weak magnetic coupling. This coupling is maximum between contiguous phases then decreases when the difference between the phases increases, to tend towards zero when this difference approaches quadrature. Thus in the example of FIG. 1, the mutual inductance between phases 1 and 2 is approximately zonal 5/7 of the proper inductance of each phase, while the mutual inductance between phases 1 and 4 is worth approximately 1/7. One can thus possibly omit to compensate for distant phases whereas that remains essential for the neighboring phases.

I1 est évident aux yeux de l'homme de l'art que le montage de la figure 2 est transposable à un nombre quelconque de phases, impair ou pair. Dans ce dernier cas, le couplage entre deux phases en quadrature est théoriquement nul et ne demande donc pas de compensation. I1 is obvious to those skilled in the art that the assembly of Figure 2 is transferable to any number of phases, odd or even. In the latter case, the coupling between two quadrature phases is theoretically zero and therefore does not require compensation.

Les transformateurs seront par exemple réalisés avec deux enroulements identiques bobines sur un noyau magnétique à entrefer, l'épaisseur de cet entrefer assurant une valeur précise à l'inductance mutuelle recherchée. L'homme de l'art tiendra compte pour le calcul de la saturation du fait que les effets des courants dans les deux enroulements se retranchent algébriquement: en particulier, pour des phases très éloignées angulairement le champ magnetique interne est deux fois plus élevé que celui produit par une phase unique, car les courants circulant dans les deux enroulements sont égaux et de meme sens trigonométrique. The transformers will, for example, be made with two identical windings of coils on a magnetic core with an air gap, the thickness of this air gap ensuring a precise value for the mutual inductance sought. Those skilled in the art will take into account for the calculation of saturation the fact that the effects of the currents in the two windings are algebraically entrenched: in particular, for very angularly distant phases the internal magnetic field is twice as high as that produced by a single phase, because the currents flowing in the two windings are equal and likewise trigonometric.

Ce genre de montage résout simultanément un autre problème rencontr dans les machines multi-phasées dont le courant de chaque phase est contrôlé par des étages hacheurs. Si a priori le hachage n'est pas synchrone dans ces différents étaies, il peut se produire des coincidences temporelles ou toutes les phases voisines d'une certaine phase d'induit commutent dans le me me sens au même moment. Le total des tensions induites dans cette phase par le couplage inductif naturel peut alors atteindre des valeurs très importantes et créer des boucles parasites de transfert d'énergie entre phases, dont le bilan total est nul mais qui occasionne des surintensités néfastes. La compensation inductive des phases d'induit permet implicitement de résoudre ce problème. This type of assembly simultaneously solves another problem encountered in multi-phase machines whose current of each phase is controlled by chopping stages. If a priori the hash is not synchronous in these different stays, it can occur temporal coincidences or all the neighboring phases of a certain armature phase switch in the same direction at the same time. The total of the voltages induced in this phase by natural inductive coupling can then reach very large values and create parasitic energy transfer loops between phases, the total balance of which is zero but which causes harmful overcurrents. Inductive compensation for armature phases implicitly solves this problem.

Un effet de la compensation apportée par l'invention est d'augmenter l'inductance propre apparente de chaque bobinage de phase. Elle est par exemple multipliée par 3,5 environ dans le cas de la figure 2. Cette augmentation peut être utile dans le cas d'un étage à hachage du courant et permettre éventuellement d'éliminer l'inductance série néces- saire en temps normal. Elle peut aussi être gênante, par exemple dans le cas d'un alternateur passif à diodes, en ralentissant les transitions de courant pendant les commuta- tisons, il peut alors étire avantageux d'utiliser à nouveau des pâles de commutation, adaptés à la nouvelle valeur de l'inductance des phases d'induit, ou un enroulement de com pensation, ou les deux simultanément. One effect of the compensation provided by the invention is to increase the apparent self-inductance of each phase winding. It is for example multiplied by approximately 3.5 in the case of FIG. 2. This increase can be useful in the case of a stage with chopping of the current and possibly making it possible to eliminate the series inductance necessary in normal times . It can also be annoying, for example in the case of a passive diode alternator, by slowing the current transitions during the switching operations, it can then be advantageous to use again switching blades, adapted to the new value of the inductance of the armature phases, or a compensation winding, or both simultaneously.

L'invention s'applique principalement à la neutralisation des surtensions liées à la réaction d'induit et à la neutralisation des couplages néfastes entre phases dans les machines dynamo-électriques. The invention applies mainly to the neutralization of overvoltages linked to the armature reaction and to the neutralization of harmful couplings between phases in dynamo-electric machines.

Claims

rf Device attenuating or eliminating in multi-phase dynamo-electric machines the undervoltage and over-voltage generated by the armature reaction in the phase windings, characterized in that each mutual natural inductance existing between any one armature phase windings and each of the other armature phase windings is compensated by an artificial mutual inductance of the same value but of opposite coupling produced with a transformer with two identical windings each put in series with the phase windings which they isolate, in a direction such that any voltage generated in one of the two windings by a variation of current in one other winding under the effect of natural mutual induction is compensated by an equal and sense voltage opposite from the transformer.

2 / Device according to the preceding claim, the compensation of which is applied to the windings of phases not very angularly distant from each other, the couplings of the phase windings of large angular deviation, for example close to squaring, not being compensated.

3f Use of the device according to any one of the preceding claims as an integral part of the inductance of a chopping circuit controlling the current of an armature phase of a dynamo-electric machine, moreover making it possible to avoid transfers of stray energy between several chopping stages.

4f Use of the device according to any one of the preceding claims in conjunction with switching blades or a compensation winding, or both.