Brevet FR2128887A1 — publié le 19721020

La présente invention se rapporte d'une façon générale à des modes d'enroulement de machines dynamoélectriques polyphasées à circuits multiples et elle a trait plus particulièrement à des dispositions d'enroulements pour une machine dynamoélectrique à 2 pô-5 les, 3 phases et 45 encoches comportant 3 circuits branchés en parallèle par phase. Un générateur polyphasé classique entraîné par turbine et de grande dimensions comprend un stator fixe et un rotor tournant et il peut fonctionner de manière à produire un courant électrique 10 triphasé à une fréquence de 60 hertz, le rotor, s'il est d'une construction à deux pôles, tournant à une vitesse de 3.600 t/mn. Dans le générateur, le stator constitué d'un matériau mégnétisable comporte généralement un évidement cylindrique allongé le traversant autour duquel un certain nombre d'encoches sont espacées angulaire-15 ment les unes des autres et dans lesquelles est logé un enroulement triphasé composite, l'enroulement de stator comprenant trois phases individuelles qui sont fréquemment branchées en étoile ou en triangle de manière à alimenter la charge. Le rotor est également formé d'un métériau magnétisable, il a normalement une forme cylindrique 20 allongée, il-porte un enroulement inducteur et il est disposé dans 1'évidement du stator en produisant en cours de rotation des tensions dans les phases respectives de l'enroulement de stator. Ordinairement, chaque phase de l'enroulement de stator comprend un certain nombre de faisceaux de conducteurs de phase ou 2 5 "faisceaux de phase" qui comportent chacun plusieurs bobines reliées en série et présentant chacune deux segments placés dans les encoches du stator ; l'enroulement de stator est a deux étages de manière que chaque encoche d'enroulement reçoive deux des segments respectivement disposés en bas et en haut ; chacun des segments 30 comprend un revêtement isolant renfermant les conducteurs correspondants en vue d'isoler hermétiquement un segment du segment adjacent et du stator. Dans des machines refroidies directement, chacune des encoches d'enroulement comporte également des moyens de refroidissement 35 des deux segments qu'elle contient, ces moyens de refroidissement comprenant habituellement un ensemble de conduits dans lesquels circule un courant d'air ou d'un autre gaz ou bien un courant de liquide de sorte que chacune des encoches doit recevoir bad original, 72 09324 2 2128887 deux des segments et leurs moyens de refroidissement et que chacun des segments comprend ses conducteurs et le revêtement isolant qui l'entoure. Dans le domaine des générateurs polyphasés, on demande r ces 5 machines des puissances de plus en plus grandes de sorte que les problèmes concernant le volume à affecter dans un stator au matériau magnétique et aux encoches d'enroulement ainsi qu'aux différents éléments disposés dans chaque encoche deviennent de plus en plus complexes. 10 Pour obtenir une puissance maximale à la sortie d'un généra teur polyphasé de dimensions données, on a proposé dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n2 2278.963 cle pourvoir chaque phase de l'enroulement de stator de trois circuits parallèles répartis sous forme d'une paire de sections branchées en série et respectivement 15 disposées dans une paire de faisceaux de phase de polarités opposées afin que les segments des trois circuits parallèles soient agencés suivant une séquence prédéterminée dans les encoches des faisceaux de phase en vue de réduire au minimum le déséquilibrage de tension et de phase entre les trois circuits individuels de la 20 phase correspondante. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n2 3.152.273» on a décrit des perfectionnements à la structure décrite plus haut, ce brevet concernant des dispositions d'enroulements pour machines dynamoélectriques comportant trois circuits branchés en parallèle 25 par phase, les segments étant disposés dans une séquence prédéterminée dans les encoches de deux faisceaux de phase de façon à obtenir un déséquilibrage minimal de tension et de phase entre les éléments individuels des trois circuits parallèles d'une phase tout en conservant la simplicité de construction mécanique et d'a-30 gencement des bobinages constituant les trois circuits de la phase. On a en outre décrit en particulier dans ce brevet une disposition d'enroulement pour générateur à 72 encoches présentant de très faibles valeurs de déséquilibrage de tension et une absence totale de déséquilibrage de phase entre les circuits, ce qui per-35 met d'obtenir de très basses valeurs "d'échauffement relatif", ce paramètre servant à mesurer l'acceptabilité d'un enroulement à circuits multiples. Dans certaines conceptions de générateurs, on obtient cer- •IÔAD ORIGINAL 72 09324 3 2128887 taines économies et avantages techniques en réduisant le nombre des encoches de stator, en particulier dans des générateurs à refroidissement direct et de très grande puissance. Si on désire réduire les forces exercées sur les barres de stator en utilisant 5 des enroulements à circuits multiples, il est généralement plus difficile de trouver des agencements d'enroulements appropriés qui réduisent le déséquilibre entre les circuits du fait que le nombre de circuits augmente et que le nombre d'encoches diminue. Pour illustrer ce fait, le nombre d'encoches d'un enroulement triphasé 10 comportant trois circuits branchés en parallèle par phase doit être divisible par 9» Par exemple, une réduction du nombre d'encoches dans l'agencement à 72 encoches décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nS 3.152.273 donne la possibilité d'obtenir 63, 54, 45 ... etc. encoches. Jusqu'à maintenant, les tentatives fai-15 tes pour réduire le nombre des encoches à 45 sans créer des courants de circulation importants entre les trois circuits n'ont pas donné satisfaction. En conséquence, l'invention a pour but de fournir des modes perfectionnés d'enroulements pour machine dynamoélectrique à 45 20 encoches, trois phases, deux pôles,, trois circuits, donnant des courants de circulation de valeurs faibles et acceptables entre les circuits. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre 25 d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels î la Fig. 1 représente schématiquement une partie d'une machine dynamoélectrique pourvue d'un enroulement triphasé de stator dont une phase seulement est indiquée sur la figure ; 30 la Fig. 2 représente un schéma synoptique montrant la dispo sition des faisceaux ^phases dans l'enroulement de stator ainsi qu'un diagramme vectoriel des composantes de tension de phase engendrées dans les différentes bobines de l'enroulement de stator. les Fig. 3 et 4 sont similaires aux Fig. 1 et 2, mais repré-35 sentent un mode d'enroulement modifié suivant l'invention. L'invention a été mise en pratique en réalisant un enroulement polyphasé comportant trois circuits branchés e'n parallèle par phase, le faisceau de phase contenant le plus grand nombre de bobi- 72 09324 4 7128887 • n«s comportant quatre bobines faisant partie du premier circuit et deux bobines de chacun des deux autres circuits, les segments étant agencés de manière à réduire le déséquilibre à un minimum. Sur la Fig. 1, on a représenté un enroulement 101 destiné à 5 être placé dans le stator 102 d'une machine dynamoélectrique. L'enroulement est du type à recouvrement et à deux étages dans lequel deux segments de bobine sont agencés pour être logés dans -une encoche telle que 103, formée dans la carcasse du stator. L'enroule--ment est formé de bobines 104 qui comportent chacune un segment su— 10 périeur 105 placé en haut d'une encoche et un segment inférieur 106 placé en bas de l'encoche. Le pas des bobines peut être exprimé par une fraction dont le numérateur est égal au nombre d'encoches comprises entre les segments supérieur et inférieur d'une bobine tandis que le dénominatéur est égal au nombre d'encoches comprises 15 entre des pôles. La Fig. 1 représente seulement la phase A de l'enroulement 101, mais il va de soi que les deux autres phases B et C sont i-dentiques, excepté qu'elles sont décalées de 120 degrés électriques de part et d'autre de la phase A. L'emplacement des segments 20 supérieurs est défini par le numéro des encoches dans lesquelles chaque segment est placé. Sur la Fig. 1, la phase A de l'enroule- t ment comprend un faisceau positif de phase A' comportant 8 bobi- . nés, les segments supérieurs 107 étant placés dans les encoches de numéros 1 à 8, et un faisceau négatif de phase A" : comportant 7 bo-25 bines dont les segments supérieurs 108 sont placés dans les encoches 24 à ..30,-lés .nmaéros ;à'encoches. de chacun des segments respectifs étant indiqués dans la rangée supérieure de nombres. Les segments inférieurs sont placés dans des encoches décalées par rapport aux segments supérieurs d'un nombre d'encoches égal au pas de 30 bobinage choisi PB .. , qui peut varier en fonction de la conception du générateur. Comme indiqué précédemment, la phase B est identique , mais el-le commence à 1 ' encoche n2 16 au lieu de commencer à l'encoche n2 1 tandis que la phase C commence à l'encoche n2 31 • Il est important de noter que, dans la disposition suivant 35 l'invention, un faisceau de phase A' comporte un plus grand nombre . de bobines que l'autre faisceau de phase A". Chaque phase de l'enroulement suivant l'invention est en outre subdivisée en trois circuits branchés en parallèle et désignés COPY 72 09324 5 2128887 ■ ^âï'bitrairement par les n2 I, 2 et 3, le numéro du circuit étant indiqué sur les segments respectifs dans la seconde rangée de numéros . Suivant l'invention, la répartition des segments entre les 5 deux faisceaux de phase est choisie de manière à oh-tenir un faible degré de déséquilibre de pnase et de grandeur entre des tensions engendrées dans les premier, second et troisième circuits branchés en parallèle. La séquence des circuits obtenue en progressant de la droite vers la gauche sur la Fig. 1 dans le faisceau de phase A' 10 contenant le plus grand nombre de bobines est 1,3,3,3,2,2,1,3 tandis que dans la zone de phase A", la séquence est 2,2,1,1,3,1,2. La Fig. 2 est un diagramme vectoriel pour les trois phases de l'enroulement, oè diagramme montrant les séquences des circuits dans les faisceaux positif et négatif de chaque phase. Les séquen-15 ces de bobines dans les phases B et C sont identiques à celles de la phase A. Il est à noter que de grands faisceaux de phase alternent avec des petits, différant d'une bobine, à savoir A' - 8 bobines, C" - 7 bobines, B' - 8 bobines, A" - 7 bobines, C' -.8'bobines et B" - 7 bobines. 20 Les Fig. 3 et 4 représentent une variante de l'invention uti lisant le même principe que sur les Fig. 1 et 2 pour réduire le déséquilibre entre circuits. La Fig. 3 représente la phase A d'un enroulement 109 d'une machine dynamoélectrique à deux pôles et 45 encoches comportant trois circuits branchés en parallèle par phase. 25 Comme auparavant, l'enroulement comporte un faisceau positif de phase A' dans lequel les segments supérieurs sont désignés par la référence 110 et un faisceau négatif de phase A" dans lequel les segments supérieurs sont désigné par la référence 111. Le faisceau de phase A' contient 8 bobines ou plus tandis que le faisceau 30 de phase A" contient 7 bobines ou moins. La séquence de circuit dans le mode d'enraiement 109, en progressant de la droite vers la gauche, est 1,3»3>1>2»3»2,3 pour le faisceau de phase le plus grand A' et 2,2,3,1,1,2,1 pour le faisceau de phase plus petit A". La Fig. 4 est un diagramme vectoriel représentant les trois 35 phases de l'enroulement 109» les séquences de bobines étant indiquées pour les faisceaux positifs et négatifs des phases A, B et G. Le tableau 1 suivant donne, à des fins de comparaison, un condensé des agencements des séquences de circuit des segments de cop^ 72 09324 6 2128887 phase A pour les enroulements IOI et 109. Enroulement 101 Enroulement 109 Circuit n^ L 2 2. I 2 1 N2 d'encoche dans le faisceau 5 de phase A' pour les "barres supérieures 15 2 I 5 2 1 6 3 4 7 3 4 6 8 ' 8 10 N2 d'encoche dans le faisceau 26 24 28 27 24 26 de phase A" pour les "barres 27 25 28 25 supérieures 29 30 30 29 Uombre de bobines dans A' 2 2 4 2 2 4 Nombre de bobines dans A" 3 3 1 3 3 1 15 Les numéros d'encoche des segments supérieurs dans les faisceaux positifs et négatifs de phases sont indiqués dans le tableau, les deux lignes inférieures montrant que la même solution est utilisée dans les deux agencements • pour réduire le déséquilibre. Ainsi le faisceau de phase A' qui comporte le plus grand nombre de bo-20 bines contient dans les deux cas deux bobiies de chacun des circuits 1 et 2, mais quatl-e bobines du circuit 3« En correspondance, l'autre faisceau de phase comportant un nombre inférieur de bobines contient dans les deux modes d'enroulement trois bobines de chacun des circuits 1 et 2, mais seulement une bobine du circuit 3. 25 Le tableau précédent montre que la numérotation des circuits 1, 2 et 3 est purement arbitraire et que d'autres numérotations peuvent être choisies, y compris•une inversion de la numérotation utilisée arbitrairement. En ce qui concerne les performances des deux enroulements 30 101 et 109j il est à noter que la tension unitaire de l'un des. circuits parallèles d'une phase est égale au rapport entre la tension à vide engendrée dans ledit circuit et la tension nominale de la phase correspondante et constitue une mesure du déséquilibre en grandeur de tension entre ledit circuit et ladite phase. De même, 35 le déphasage entre la tension à vide engendrée dans un circuit et la tension nominale de la phase constitue line mesure de l'angle de phase du déséquilibre de tension entre ledit circuit et ladite phase. En outre, 1' "échauffement relatif" dams l'enroulement de sta- COPY 72 09324 7 2128887 -tcrï^-est égal au rapport entre la perte par effet Joule (ï^R) due au courant de charge (et à des courants de circulation du fait du déséquilibre de tensions et de réactances entre les différents cir-' cuits), et la perte par effet Joule (I2r) due seulement au courant 5 de charge réparti uniformément. Les performances de la phase A des enroulements IOI et 109 sont indiquées dans le tableau II ci-dessous. TABLEAU II Enroulement IOI Enroulement 109 10 Circuit I 2 II" 2 I G-randeur de tension (unitaire) ' 0,9997 0,9976 1,0027 1,0018 0,9995 0,9987 Angle de phase de tension(degré) + 0,1082 +0,0244 -0,1321 +0,0800 +0,0605 -0,1408 15 En ce qui concerne les performances mesurées par l'échauffé- ment relatif, défini plus haut, dans l'enroulement, il est évident que 11 échauffement relatif est fonction du pas des bobines ainsi que d'autres facteurs de conception, comme le flux nominal par pôle et par encoche. Dans une conception particulière, 1'échauffe-20 ment relatif dans le circuit présentant le plus fort degré d'e-chauffement pour les deux;'enroulements respectifs IOI et 109 a été indiqué dans le tableau III ci-dessous. Le pas polaire dans une ma-, chine à 45 encoches et à deux pôles est de 45/2 ou 22,5» TABLEAU III 25 Pas de bobinage Echauffement relatif Enroulement Enroulement IOI 109 15/22,5 1,058 1,067 16/22,5 1,103 I,m 30 17/22,5 1,050 1,153 18/22,5 1,071 ' 1,138 19/22,5 1,027 ' 1,089 20/22,5 1,045 1,074 21/22,5 1,087 I,H3 35 On voit par conséquent que, pour l'enroulement IOI, l'échauf- fement relatif est minimal lorsque le pas de bobinage est de 19/22,5. Les valeurs de déséquilibre de tension et d'échauffement relatif indiquées plus haut ne se prêtent pas par elles-mêmes a une compaCOPY 72 09324 8 2128887 raison facile avec d'autres modes d'enroulements tels que ceux des brevets américains précités qui font intervenir un plus grand nombre d'encoches et qui donnent par conséquent plus de facilité de réglage des séquences de bobines pour réduire le déséquilibre. 5 Pour un générateur comportant un nombre relativement petit d'encoches, à savoir 45 dans le cas présent, il est excessivement difficile d'obtenir des valeurs du type indiqué ci-dessus puisque plus le nombre des encoches du stator est petit, moins les bobines d'un faisceau de phase peuvent être subdivisées en plus d'un circuit 10 par pôle de manière que des circuits puissent être branchés en parallèle sans qu'il se produise de courants de circulation importants. BAD ORIGINAL 72 09324 2128887 RaVEHDICATIONS 1)- i»iachine dynamoélectrique caractérisée en ce- qu'elle comprend un enroulement triphasé et un stator à 45 encoches, chaque phase de 1 ' enroulement: comportant trois circuits "branchés en parallèle 5 et repartis dans deux sections reliées en série et respectivement disposés dans un grand faisceau de phase contenant 8 bobines et un petit faisceau de phase de polarité opposée et contenant 7 bobines, un aesdits circuits comprenant quatre bobines dans le grand faisceau de phase et une bobine dans le petit faisceau de phase, 10 toutes ces bobines étant reliées en série, tandis que les deux autres circuits comprennent chacun deux bobines dans le grand faisceau de phase et trois bobines dans le petit faisceau de phase, toutes ces bobines étant reliées en série, et en ce que les séquences de bobines desdits circuits sont agencées pour réduire le 15 déséquilibre entre circuits. 2)- i>iachine dynamoélectrique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que, les circuits de chaque phase étant désignés par 1» 2 et 3» la séquence des circuits dans le grand faisceau de phase est 1,3,3,3,2,2,1,3 et en ce que la séquence des circuits dans 20 le petit faisceau de phase est 2,2,I,I,3,Ij2. 3)- Machine dynamoélectrique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que, lesdits circuits étant désignés par 1,2 et 3, la séquence des circuits dans le grand faisceau de phase est 1,3,3,1,2,3,2,3 et en ce-que la séquence des circuits dans le pe- 25 tit faisceau de phase est 2,2,3»I»I»2,I. t bad original