Brevet FR2006088A1 — publié le 19691219

-i- 2006088 La présente invention se rapporte en général aux enroulements de rotor, et plus particulièrement airs enroulements utilisés dans les induits d'excitatrices sans balais à courant alternatif pourvues de redresseurs ou de diodes alimentant en 5 courant continu les inducteurs des gros générateurs à courant alternatif. D'une façon générale, on sait que les gros générateurs entraînés par turbines sont construits de manière à fonctionner continuellement pendant plusieurs années avant qu'on ne les ar~ 10 rête pour leur entretien et réparation. Les turbines d'entraînement exigent un temps considérable pour leur arrêt complet aussi bien que pour leur démarrage, car elles doivent se refroidir et se réchauffer lentement afin d'en protéger les éléments constitutifs et maintenir les tolérances correctes. Le 15 temps d'arrêt des turbogénérateurs est donc habituellement de plusieurs semaines, au cours desquelles la turbine, le générateur et l'appareillage accessoire sont parfaitement vérifiés et essayés. Cette façon de procéder exige donc que le temps d'arrêt des turbo-générateurs soit déterminé par les saisons à 20 faible charge de crête, de manière que les autres appareils fournissant la demande de puissance ne soient pas surchargés. Au cours de ces dernières années, les grosses installations de générateurs ont été pourvues d'excitatrices sans balais, installations dans lesquelles une excitatrice pilote et 25 un régulateur fournissent une excitation commandée d'inducteur à l'excitatrice principale. Un induit rotatif monté sur l'excitatrice principale produit une tension alternative qui est appliquée aux redresseurs d'un ensemble rotatif, effectivement monté avec cet induit sur un arbre commun. La tension alterna-30 tive, redressée dans l'ensemble rotatif, est appliquée à l'enroulement inducteur du générateur principal qui est également disposé sur cet arbre commun, afin de fournir ainsi le courant d'excitation de générateur, sans balais. L'utilisation de redresseurs rotatifs permet d'obtenir 35 l'efficacité et la sécurité de fonctionnement grâce à l'élimination des problèmes d'entretien et de remplacement normalement associés aux balais, aux collecteurs et à leurs bagues. L'ensemble rotatif de redressement comprend habituellement BAD ORIGINAL 69 11265 -2- 2006088 -10 15 20 25 un certain nombre de diodes à semiconducteur, montées sur un ou plusieurs éléments, ou roues à diodes, montés sur l'arbre et électriquement interconnectées dans un circuit d'excitation convenable entre l'excitatrice principale et l'enroulement inducteur du générateur principal. Ce circuit comprend l'enroulement d'induit de l'excitatrice principale, celui-ci étant habituellement constitué d'enroulements triphasés connectés en étoile, chaque enroulement de phase comprenant lui-même un certain nombre de branches de bobines connectées en parallèle entre un point neutre et les diodes respectives montées sur la roue. Chaque branche en parallèle comprend habituellement trois spires connectées en série, en forme de losange, disposées dans des encoches adjacentes formées dans le noyau d'induit. Puisqu'un courant d'excitation est nécessaire au fonctionnement des turbo-générateurs, les excitatrices sans balais doivent donc également pouvoir fonctionner pendant de longues périodes (c'est-à-dire des années) sans arrêts coûteux pour entretien et réparation. Pour cette raison, les excitatrices sans balais sont construites de manière à fonctionner avec un pourcentage prescrit de diodes inactives en l'occurence de défaillance de celles-ci, ce qui permet un fonctionnement continu et sûr de l'excitatrice et de l'installation sans exiger d'arrêt de cette dernière. Toutefois, en cas de défaillance d'une diode dans le mode d'ouverture, cette défaillance rend inactive la branche de bobine associée à la diode. En cas d'inactivité d'une branche dans les groupes de bobines actives conductrices de courant en parallèle, la répartition de température et de champ magnétique à la périphérie du noyau rotatif d'induit devient irrégulière. Ce déséquilibre thermique et magnétique produit en outre un déséquilibre du noyau d'où s'ensuivent des vibrations mécaniques exigeant un arrêt onéreux du turbo-générateur. Pour supprimer ce problème, les excitatrices sans balais de la technique antérieure utilisaient des bagues de mise en parallèle qui, physiquement et électriquement, reliaient mutuellement les branches de bobines d'induit connectées en parallèle d'un groupe. De cette manière, l'ouverture d'un diode sad origjw 69 11265 -3- 2006088 ne rendait pas inactive la bobine associée puisque les bagues de mise en parallèle divisaient le courant entre les branches en parallèle du groupe. Toutefois, ces bagues de mise en parallèle, tout récemment, ont été supprimées et leur élimination 5 s'est montrée avantageuse. Dans le cas où l'une des diodes associées au groupe en parallèle a une résistance de sens direct inférieure à celle des autres, cette diode tire "le courant des autres et produit ainsi une répartition irrégulière de courant entre les diodes du groupe, à moins de prendre des dispositions 10 pour forcer une répartition égale de courant. Sans les bagues de mise en parallèle, une telle diode tire seulement le courant passant dans le circuit associé. Toutefois, en l'absence de bagues de mise en parallèle, le problème de déséquilibre magnétique et thermique est à nouveau 15 posé par l'occurence d'une défaillance de diode dans l'ensemble rotatif. L'état actuel de la technique exige donc un dispositif d'équilibrage de l'induit d'excitatrice principale sans utiliser de bagues de mise en parallèle. Le problème du déséquilibre magnétique et thermique posé 20 par l'inactivité d'une bobine peut être résolu en espaçant également chacune des spires connectées en série dans chacune des branches de bobines à la périphérie du noyau d'induit. Toutefois, avec les enroulements à courant alternatif à recouvrement ou en forme de losanges/classiques, la pose de conducteurs de con-25 nexion longue et coûteuse serait requise pour relier mutuellement les bobines. Le présent mémoire descriptif supprime ce problème en utilisant une spire de bobine présentant des extrémités de bornes espacées qui permettent d'espacer également les spires connectées en série à la périphérie du noyau d'induit (et par 30 suite de les équilibrer) sans l'usage onéreux de conducteurs de connexion, les extrémités de bornes espacées des spires adjacentes de bobines étant situées mutuellement adjacentes. Lorsqu'une diode connectée à une telle branche s'ouvre, la totalité des spires de la bobine perdent simultanément leur activité 35 (puisqu'elles sont connectées en série) en des positions également espacées et par suite équilibrées, autour de l'induit. Le déséquilibre magnétique et thermique associé à l'agencement de bobines alternatives classiques inactives se trouve donc élimine. 69 11265 -4- 2006088 En outre, les "bobines à "bornes espacées n'exigent pas plus d'espace d'encociie dans le noyau d'induit que les "bobines classiques. L'invention ainsi que ses objets et avantages, ressorti-ront mieux de la description détaillée qui va suivre en réfé-5 rence au dessin annexé, sur lequel : - les figures 1 et 2 sont des schémas respectivement mécanique et électrique d'une installation génératrice synchrone sans balai, utilisant une excitatrice à redresseurs rotatifs et un induit d'excitatrice principale; et 10 - la figure 3 est une représentation schématique des spi res de bobine à bornes espacées utilisées dans l'induit d'excitatrice principale représentée schématiquement aux figures 1 et 2, selon l'invention. Plus particulièrement, la figure 1 représente schématique-15 ment une installation génératrice de courant alternatif 10 dans laquelle l'inducteur d'un générateur principal 12, d'un turbo-générateur par exemple, est excité par une excitatrice principale 14 par l'intermédiaire d'un ensemble rotatif, de redressement 16. 20 L'excitatrice principale 14 reçoit son excitation d'induc teur d'une excitatrice pilote 18. L'installation 10 est de préférence pourvue d'un arbre mécaniquement commun 20, qui, lorsqu'il est entraîné en rotation par une source convenable de puissance mécanique, une turbine à vapeur par exemple, se met 25 en marche automatiquement électriquement, et est automatiquement entretenu pour la génération de puissance au moyen des excitatrices pilote et principale 18 et 14. Dans le circuit schématique de la figure 2, l'arbre 20 est représenté en contour en traits mixtes afin d'indiquer claire-30 ment les composants électriques et magnétiques entraînés en rotation. L'un des ces composants peut être un inducteur à aimant permanent 22 couplé électromagnétiquement à un induit fixe 24 de l'excitatrice pilote 18. De cette manière, une tension pilote (habituellement alternative) est appliquée à un ré-35 gulateur 26 au cours de la rotation de l'arbre 20. Le régulateur 26 est convenablement agencé pour régler la tension courant continu appliquée à l'enroulement fixe d'inducteur 28 de l'excitatrice principale 14. Ce réglage est basé 69 11265 -5- 2006088 sur la tension du générateur principal et autre information appliquées en rétro-action au régulateur. ii'excitatrice principale 14 compi-em donc l'enroulement fixe d'xnduct&ur £8 et un induit rotatif 30 éiectromagnétiquement 5 couplé à ce dernier. L'induit 30 est représenté comprenant trois enroulements de phases >-1, 32 et 33» montés en étoile, bien que 1'invention ne se limite pas à cet agencement» Ainsi que représenté, lorsque l'arbre 20 tourne et que l'enroulement fixe d'inducteur 28 est excité, un -courant alternatif triphasé est 10 produit dans les enroulements de phases. A la figure 2, chacun des enroulements de phases 31> 32 et 33 se compose d'un groupe de trois "bobines distinctes de branches c'est-à-dire des bobines 41 à 43 , 44 à" 46, et 4? à 49, respectivement , les bobines de chaque groupe étant connectées en paral-15 lèle entre un point neutre 35 et les diodes respectives de sens direct et de sens inverse 53 à 59 et 63 à 69, respectivement, ces diodes étant montées sur une roue (non représentée) de l'ensemble rotatif 16, Le nombre d'enroulements ou bobines (neuf) et celui des diodes (dix-huit) n'ont été indiqués qu'à titre 20 d'illustration, le nombre utilisé dans tout appareil donné dépend des paramètres de construction de l'installation 10 comprenant le générateur 12. Le courant alternatif créé dans les bobines de branches 41 à 49 est transmis aux diodes respectives de sens direct 51 à ,59 25 qui le redresse et 1'applique, au moyen d'une barre omnibus 71s à un enroulement inducteur 70 monté sur le rotor (non représenté) du générateur principal 12. La tension redressée (G.G.) revient par une barre omnibus 72 pour passer dans les diodes respectives de sens inverses 51 à 69. Uh courant triphasé se trouve ainsi 30 créé dans un induit fixe 74 électromagnétiquement associé à 1®enroulement inducteur 70 du générateur principal 12 Ainsi qu'il ressort du schéma de montage de-.la figure -?.c, une diode ouverte dans le redresseur- rotatif 16 provoquerait l'inactivité d'une branche de bobine de. 1 * induit 30, la bobine 35 inactive perdant son champ magnétique et son effet.thermique„ Par exemple, si la di-ode 53 venait à présenter une défaillance 'â son état d'ouverture, la bobine associée 43 se trouverait rendue inactive, alors que les deux autres bobines en parallèle 41 jT" BAD ORIGINE 2006088 et 4-2 continuerai eut à fonctionner » -Isa "bobine 43 ne créerait donc pas de champ magnétique et ne produirait pas de chaleur, alors que les "bobines en parallèle 41 et 42 continueraient à accomplir ces deux fonctions en raison du passage du courant dans celles-ci° Di-ïis cette condition, en cas d'utilisation des agencements classiques à*enroulements à courant alternatif, l'induit JO présenterait un déséquilibre magnétique et thermique qui, à grande vitesse de rotation, créerait un déséquilibre mécanique ainsi qu'une vibration qui exigerait l'arrêt de 11 installation 10 y -compris la ou les turbines d'entraînement (non représentées) s'il y a lieu» Selon la précédente explication, les enroulements à courant alternatif classiques sont actuellement utilisés dans les induits d1 excitatrices principales, dans le cas d'excitatrices .sans balais, et les bobines faisant partie de ces enroulements sont en général groupées ensemble dans des encoches adjacentes formées dans la périphérie du noyau du rotor de l'induit de sorte que touu enroulement se trouve concentré dans une région du noyau. Les enroulements actifs et inactifs étant ainsi groupés àrla périphérie du noyau, l'activité magnétique et thermique se trouve groupée ou concentrée, produisant ainsi un déséquilibre mécanique qui peut exiger un arrêt onéreux de la totalité de l'installation du tùrbo-générateur. Selon l'invention, la figure 3 représente schématiquement un enroulement du type à bornes espacées comprenant des spires de bobine connectées en série 15 2 et 3» Chacune de ces spires présente des extrémités de bornes 4 espacées d'une distance su-jp0J?X€ï"U.3?ô ci ici. IcIj? geur des spires, bien que l'invention ne se limite pas à cet agencement » L'espacement exact des extrémités de bornes dépend du nombre de pôles de l'induit 30, du nombre do tours par pôle, et d'autres considérations de construction» De même, le nombre (trois) de spires espacées représenté à la figure 3 n'est donné qu'à titre d'exemple seulement, ce nombre de spires de bobines dépendant du nombre de pôles.et autres paramètres de construction de l'induit 30 et du redresseur rotatif 16. L'usage de spires de bobines pourvues d'extrémités de BAD ORIGINAL 69 11265 -7- 2006088 bornes espacées permet de disposer ces spires dans des encoches également espacées autour du noyau (ainsi qu'indiqué par les lignes médianes des pôles) sans qu'il soit besoin de conducteurs de connexion. Ainsi que représenté, les spires 1 à 3, 5 peuvent être simplement formées intégralement, ou être commodément interconnectées par réunion de leurs branches adjacentes ou extrémités de bornes 4 afin de former une bobine de branche, la bobine 41 par exemple, en vue de sa connexion électrique entre le point neutre 35 les diodes respectives de sens direct 10 et de sens inverse 51 et 61 de l'ensemble redresseur 16. Pour la clarté du dessin, seule une bobine de branche d'un enroulement de phase est Représentée à la figure 35 et pour cette même raison, un tour seulement par encoche est représenté. La bobine de branche suivante faisant partie d'un enroulement 15 de phase, la bobine 42 de l'enroulement de phase 31 par exemple, serait disposée dans les encoches suivant celles.occupées par les tours 1 à 3, et ainsi de suite autour du noyau d'induit. En outre, selon le type d'appareil envisagé, chaque encoche pourrait recevoir plusieurs spires telles que celles représentées à 20 la figure 3- la partie en trait interrompu de chacune des spires 1 à 3» ainsi que représenté à la figure 3» représente le côté de la spire introduite profondément dans l'encoche, alors que la partie en trait plein représente le côté de la spire situé plus 25 près du haut de l'encoche. Avec les spires de bobines 1 à 3 à bornes espacées, représentées à la figure 3, il n'est pas nécessaire d'utiliser des conducteurs d'interconnexion comme ce serait le cas avec les enroulements classiques en forme de losange. Les conducteurs d'in-30 tercoimexion exigent un espace supplémentaire dans l'induit, ainsi que des opérations supplémentaires de fabrication et de montage, qui augmenteraient le prix de revint. L'usage des spires de bobines présentant des extrémités de bornes espacées, dans les induits des excitatrices sans balai a 35 courant alternatif, apporte donc une solution au problème unique posé par ces excitatrices sans balais, c'est-à-dire l'état de gAO QR1&1HAL 11265 -8- 2006088 déséquilibre produit par la défaillance des diodes; et ce perfectionnement est réalisé avec une économie d'espace grâce à l'usage de ces spires. Bien que l'invention ait été décrite en référence à une 5 forme particulière de réalisation, on peut apporter à celle-ci des modifications qui restent dans la portée de l'invention. gAP ORIGINAL 69 11265 -9- 2006088 E E Y E H D I C A T I 0 B S 1.- Induit à courant alternatif pour excitatrice rotative sans balais, cet induit comprenant un noyau magnétique destiné à fournir le courant alternatif à un certain nombre de 5 diodes à semiconducteur d'un redresseur rotatif, l'induit ayant au moins un enroulement de phase constitué d'un certain nombre de branches de bobines connectées en parallèle entre un point neutre et les diodes, chacune de ces branches étant fermées d'un certain nombre de spires connectées en série pourvues 10 d'extrémités de bornes espacées, lesquelles spires sont également espacées autour du noyau, les extrémités de bornes des spires adjacentes étant disposées mutuellement adjacentes et électriquement connectées ensemble. 2.- Induit d'excitatrice selon revendication 1, caractéri-15 sé par le fait que les extrémités de bornes de chaque spire de bobine sont espacées d'une distance supérieure à la largeur de la spire. 3.- Induit d'excitatrice, selon revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les extrémités de bornes adjacen- 20 tes sont mutuellement connectées entre les pôles magnétiques adj acents de l'induit. Induit d'excitatrice, selon l'une ou l'autre des précédentes revendications 1 à 35 caractérisé par le fait que les spires d'induit font partie d'une excitatrice principale 25 à courant alternatif destinée à exciter l'inducteur d'un gé nérateur à courant alternatif. 5«- Induit à courant alternatif pour l'excitatrice rotative sans balais d'un générateur à courant alternatif, construit et destiné à fonctionner selon la description en réfé-30 rence au dessin annexé. BAP ORIGINAL