Brevet FR2172130A1 — publié le 19730928

La présente invention concerne un groupe électrique variateur de vitesse, qui comprend deux machines électriques rotatives relies mécani- quement entre elles et dont chacune est reliée au réseau d'alimentation. Le règlage de la vitesse des machines utilisatrices est effectué suivant trois critères. Le premier applique le principe de la commutation des pes, suivant lequel la vitesse varie par échelons. Le deuxième cri tère prévoit l'emploi de plusieurs machines électriques accouplées mécani- quement et (ou bien) électriquement entre elles, et le règlage est contre lé continuellement. Enfin le troisième critère prévoit l'emploi d'une seule machine dont la vitesse est commandée continuellement par un dispositif particulier. Les rbglages précités présentent certains inconvénients de caractère économique et de fonctionnement. En effet, le règlage de vitesse par éche- lons selon le premier critère, tel qu'il est appliqué actuellement, est limité à un petit nombre d'échelons par les difficultés constructives qu'il entraîne. Le réglage à l'aide d'un groupe de machines, par exemple d'un groupe Ward-Léonard, nécessite des dépenses d'installations importan- tes, et par suite est utilisé presque exclusivement pour le réglage des machines de grande puissance.Enfin le réglage d'une seule machine par un dispositif de centrale a l'inconvénient d'avoir un priz encore relativement élev4, car il doit ;tre dimensionné pour contrôler à la limite toute la puissance de la machine. La présente invention a donc pour but de réaliser un groupe électri- que variateur de vitesse qui évite les inoonvénients mentionnés plus haut, c'est-à-dire qui est capable de fournir une vitesse ayant des oaractéris- tiques qui satisfont aux diverses exigences des usagers et oela moyennant le fractionnement du domaine des vitesses en un nombre d'échelons notablement plus grand que icelui qu'on peut obtenir aveo les machines actuelles, et un réglage précis de la vitesse entre les divers échelons. l'objectif précité est atteint par un groupe électrique variateur de vitesse qui comprend deux machines électriques rotatives reliées mécaniquement entre elles et dont chacune est reliée au réseau d'alimentation, et ce groupe est caractérisé en ce qu'une de ces machines est du type dans lequel l'inducteur et l'induit peuvent tourner tous deux autour d'un m & e axes et qu'au moins l'une de ces machines a une vitesse variable par commutation des p81es. On sait que les machines dans lesquelles l'inducteur et l'induit tournent autour d'un même axe sont également appelées couramment machines "birotatives", et l'on utilisera cette expression dans la suite de la des- criptiorw De telles machines ont été largement étudiées dans les publioa tions spéciales. Voir L'Slettrotecnica, n 9, vol 49, 1962: "prude d'une machine birotative à courant continu", par Benito Brunelli. Ces machines birotatives comprennent une partie, qui peut être indifféremment linduo- teur ou l'induit, et qui est accouplée à la machine utilisatrice. De telles machines peuvent être du type fonctionnant en courant continu ou en courant alternatif.La liaison entre les enroulements des parties tournantes et le réseau d'alimentation est assurée par des collecteurs en anneau et des balais rampants. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre d'un exemple de réalisation donné à titre indicatif et non limitatif, et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La fig. 1 représente le schéma électrique des connexions d'un groupe électrique variateur constitué par une machine à courant continu associée à une machine birotative de type asynchrone, pour le règlage par échelons de la vitesse de rotation et pour le réglage précis de la vitesse entre les divers échelon;; La fig. 2 représente le schéma électrique des connexions d'un groupe électrique variateur, constitué par une machine asynchrone associée à une machine birotative à courant continu pour le réglage conformément aux modalités prévues pour la fig. 1; La fig. 3 représente d'une - façon partiellement schématique le schéma électrique des connexions d'un groupe électrique variateur constitué par une machine asynchrone associée à une machine birotative également asyn~ chrone, pour le règlage par échelons de la vitesse et pour le réglage continu de la vitesse. La fig. 4 représente le schéma électrique d'un groupe électrique variateur conforme à la fig. 3, dans lequel la machine asynchrone et la machine birotative sont assembles de façon à former une machine unique; La fig. 5 représente le schéma électrique du groupe de la fig. 3, dans lequel l'inducteur et l'induit de la machine birotative sont du type à enroulement, le réglage précis étant assuré par un rhéostat; La fig. 6 représente le schéma électrique du groupe de la fig. 3, dans lequel la machine asynchrone et la machine birotative sont assemblées de façon à former une machine unique; La fig. 7 représente la machine de la fig. 4 réalise suivant un système s'étendant axialement. On voit sur la fig. I une ligne d'alimentation 1 triphasée à 50 z, à laquelle, par les convertisseurs statiques 2 3, sont reliés respectivement l'induit 4 et llindicteur 5 d'une machine à courant continu. Des deux convertisseurs statiques 2, 3 au moins un est du type contrôlé. Pour simplifier la description, on supposera dans la suite que le convertisseur de l'induit 4 est le seul contr81é. Cet induit 4 est lié mécaniquement à l'une des parties rotative de la machine birotative 6 qui est du type asynchrone. On suppose que cette dernière machine comprend un induit en cage d'écureuil et un inducteur à enroulement qui est disposé pour la commutation du nombre de pâles.Dans ce but, les enroulements de l'inducteur de la machine birotative aboutissent à des anneaux 7 qui, par des balais rampants, sont reliés à un commutateur de p8les 8. Quand on agit sur le commutateur 10, le commutateur de pôles 8 peut être relié à un redresseur de courant Il, ou bien à l'inverseur de phase 9 et par suite au réseau d'alimentation à tension alternative triphasée 1. L'inverseur de phase 9 a pour but de permettre l'inversion du mouvement du champ tournant de la machine birotative. C'est là une technique permettant dti merser le mou vementz Le groupe décrit ci-dessus fonctionne de la fanon suivante.On suppose mulon veut obtenir un réglage de la vitesse depuis O jusqu'à 4500 tours/ lins Dans ce ca8s il convient de prévoir une machine birotative avec commutation de deux à quatre poless et une machine à courant continu à 1500 tours/Mine Si l'on veut règler de O à 1500 tours/min la vitesse de l'arbre entraîné 12, lié à la machine utilisatrice, on place le commutateur 10 dans la position permettant d'envoyer un courant continu dans l'inducteur de la machine birotative. Le commutateur 8 peut être placé dans une position quelconque, mais de préférence dans la position qui permet le passage du courant continu dans tous les enroulements de l'inducteur de la machine birotative 6.Par exemple, si cette dernière est disposée pour la commutation triangle-double étoile, il est préférable que la position du commutateur 8 oorresponde au triangle. Comme l'inducteur est parcouru par un courant continu, la machine birotative se comporte comme un joint élastique, avec un glissement qui dépend de la charge. Pour une vitesse supérieure à 1500 tours/min et inférieure à 3000 tours/min, on place le commutateur 8 pour la version à quatre pôles, si bien que l'induit de la machine birotative prend une vitesse voisine de 1500 tours/min, relativement à l'inducteur. Comme l'inducteur est entrainS par la machine à courant continu, celle-ci peut lui communiquer une vitee- se progressivement variable de O à 1500 tours/rain (par intervention sur la tension d'induit), si bien que l'arbre entraîné 12 tourne à une vitesse variable de 1500 à 3000 tours/min. il est évident qu'à l'instant où l'inverseur de phase 9 et le commutateur 10 sont placés dans la position I, la machine birotative tend à accélérer sensiblement pour passer à une vitesse relative de 1300 tours/ min entre les parties tournantes. Pour éviter cela, on peut par exemple faire fonctionner la machine à courant continu en génératrice, en inversant le courant d'excitation ou la tension d'induit, - pour obtenir un règla ge de O à 1500 tours/min, pour la faire ensuite fonctionner sn moteur pour les vitesses supérieures à 1500 tours/min, jusquta 3000 tours/min. La commutation de polarité du courant continu sert également dans les problèmes d'inversion du mouvement de l'arbre entrainé 12.Enfin, pour faire varier la vitesse de 3000 à 4500 tours/min, on procède comme indiqué plus haut, en plaçant le commutateur 8 dans la position n qui correspond à la version à deux piles Ce qui précède s'applique également au groupe de la fig. 2 où pour simplifier le tracé, on a groupé dans le bloc 13 le commutateur de pales et l'inverseur de phase, ainsi que le commutateur d'alimentation en courant continu de l'inducteur de la machine asynchrone 14, tandis que le bloc 15 comprend le convertisseur statique contrtléa par lequel on alimente la machine birotative 16 et la machine asynchrone 14 quand celle-ci doit fonctionner en joint, où plus exactement doit entre presque bloquée. Dans cette variante également, on prévoit un commutateur de polarité de la machine birotative pour le fonctionnement de cette dernière en géné ratrice, afin d'éviter les augmentations brusques de vitesse déjà mentionnées, à l'instant où l'on effectue la commutation des pales, ainsi que pour inverser la rotation de l'arbre entraîné. Dans la variante de la fig. 3, on prévoit une machine asynchrone de type traditionnel 17 avec commutation 2-4 paies et une birotative asyn ohrone 18 avec commutation 8-16 p8les. On choisira évidemment le nombre des piles d'après les exigencés des utilisateurs. Sn outre, la machine possèdant le plus petit nombre de pôles sera de préférence la machine birotative, contrairement à l'exemple de la figo 3. On a indiqué en 19, 20 deux bloos qui comprennent deux commutateurs de pales, et deux commutateurs permettant l'alimentation en courant continu par un convertisseur statique 21.On prévoit également dans ces blocs 19 et 20 des commutateurs respectifs de phases, pour permettre le fonctionnement en génératrice d'une machine par rapport à l'autres L'alimentation en courant continu d'une des deux machines 17 et 18 permet de bloquer l'une par rapport à l'autre indépendamment dé l'inévitable glissement. On se rend compte intuitivement que le règlage de la vitesse par le groupe déjà décrit de la fig. 3 se fait par échelons. Si l'on suppose en effet qu'on envoie du courant continu dans la machine 18 (c'esst-a-dire qu'on bloque l'inducteur relativement à l'induit), on obtient les deux vitesses n1 i 1500 tours/min et n2 " 3000 tours/min par la commutation des paies de la machine 17. Si au contraire on envoie du courant continu à la machine 17, on obtiént les vitesses n3 " 750 tours/min et n " 375 tours/min, qui peuvent entre obtenues par commutation des pôles de la machine birotative 18.Dans le cas où les machines 17 et 18 fonctionnent toutes deux en moteur, les vitesses qu'on peut obtenir sont n5 a1 + n3 " 2250 t/min n6 n n1 + n4 = 1875 t/min, n7 n2 + n3 " 3750 t/min n8 - n2 + n4 i 3375 t/min. Si la machine birotative 18 fonctionne en génératrice, les vitesses qu'on peut obtenir par commutation de pales sont les suivantes: n9 I n1 - n3 1 750 t/min n10 " n1 - n4 n 1125 t/min, n11 = n2 . n3 n 2250 t/min n12 n n2 -n4 ;; 2625 t/min On constate ainsi que l'on obtient dix vitesses différentes avec des échelons de 313 tours/min, entre O et 3750 tours/mine Si l'on dReire régler progressivement la vitesse de l'arbre entrainé 22, entre un échelon et le suivant, il suffit d'insérer un convertisseur de fréquence 23, par exemple dans l'alimentation de la machine birotative 18, comme indiqué en petits traits sur la fig. 3. ^ Suivant une forme préférée de réalisation, on peut incorporer les deux machines composant le groupe en une seule, comme indiqué fig. 4. Dans cette figuret on a indiqué en 24 l'induit en cage d'écureuil d'une machine birotative asynchrone dans laquelle l'inducteur 29-a a ses enroulements reliés au réseau d'alimentation par des anneaux et frotteurs 25 et un commutateur de pâles et de phase 26. On aperçoit en 27 un bloc comprenant un commutateur de piles et de phase pour alimenter les enroulemonts du stator 28 de la machine asynchrone. L'inducteur 29b de cette ma- chine asynchrone est solidaire de l'inducteur 29a de la machine birotative, et est séparé magnétiquement de ce dernier. Le fonctionnement de ce groupe est identique à celui du groupe de la fig. 3. En effet, pour bloquer ici encore l'induit 24 relativement à l'inducteur 29a ou bien l'inducteur 29b relativement au stator 28 on prévoit l'envoi d'un courant continu redresse à partir du convertisseur 30 et qui, par des commutateurs appropriés compris dans les bloos 26 et 27 est envoyé dans l'inducteur 29a ou le stator 28. Si l'on veut obtenir un réglage précis de la vitesse, on peut prévoir dans l'alimentation de l'inducteur 29a (ou du stator 28), un convertisseur de fréquence 31 indiqué en petits traits. Pour le réglage précis de la vitesse, on peut employer non seulement un convertisseur de fréquence, mais encore un rhéostat connecté & l'induit d'une des deux machines formant le groupe. Sur la fig. 5, le rhéostat est indiqué en 32 et est connecté à l'induit d'une machine birotative asyn- chrone 40 par un commutateur de piles 41.L'induit doit être évidemment du type à enroulement, pour permettre de réaliser la connexion avec le rhéostat par des anneaux et frotteurs 33. L'inducteur de la machine birotative 40 est connecté au réseau par des bagues et frotteurs 42 et par un commutateur de pSlestet de phase 43. Le commutateur 41 sert à obtenir le mante nombre de piles dans l'induit de la machine birotative 40 et dans l'inducteur de cette machine, ce dernier étant fixé par le commutateur 43. Pour le reste, on prévoit un commutateur de poles et de phases 44 pour la machine asynchrone 45 et un convertisseur statique 46 pour alimenter en courant continu les inducteurs de la machine birotative 40 ou asynchrone 45s afin de faire fonctionner l'une ou l'autre en joint. La forme de réalisation de la fig. 5 n'est pas appliquée habituellement, par suite de la forte perte d'énergie dans le rhéostat, qui résulte elle-meme des variations importantes de vitesse. Comne ces variations de vitesse sont très limitées dans la présente version, les pertes restent contenues dans des limites modestes. Si l'on reprend l'exemple d'une machine à 2-4 et à 8-16 paies, on peut constater en effet que ces variations sont comprises dans des intervalles de 375 tours/min, et par suite nécessitent un rhéostat de petite dimension. Les deux machines de la version de la fig. 5 peuvent titre groupées en une seule, comme indiqué fig. 6. Dans cette figure, on a indiqué en 47 le stator de la machine asynchrones qui est alimenté par le réseau à travers un commutateur de pales et de phases 48. On a indiqué en 49b l'induit en cage dtécureuil qui fonctionne en liaison avec ce stator. Cet induit est solidaire de l'inducteur 49a de la machine birotative du type à enroulement, dont les enroulements sont connectés au réseau d'alimentation par les bagues et frotteurs 50 et un commutateur de pales et de phases 51. L'induit 52, également du type à enroulement, est connecté au rhéostat 34 par les frotteurs et bagues 35 et un commutateur de piles 53. On peut ns- turellement réaliser de façon bobinée l'induit 49b et le relier etectri- quement au rhéostat 24s tandis que l'induit 52 est en cage d'écureuil. Dans ce cas, toutes les bagues sont montées sur la partie tournante inter médiaire. Les machines qui composent le groupe de réglage des fig. 4 et 6 peuvent, au lieu d'avoir une structure radiale, prendre une forme allongée axialement afin d'viter un encombrement radial excessif quand c'est néces- saine. Sur la fig. 7, on a indiqué respectivement en 36 et 37 le stator et le rotor d'une machine asynchrone traditionnelle, et l'on a indiqué respec- tivement en 38 et 39 l'inducteur et l'induit de la machine birotative. On peut constater qu'avec le fractionnement précité du domaine des vitesses en un nombre quelconque d'échelons et avec un réglage continu de vitesse entre les divers échelons, conformement à la présente inventions on peut intervenir sur une fraction de la puissance du groupe, ce qui permet de réduire notablement les dimensions des organes de contr8le. Un autre avantage que l4on peut obtenir avec le groupe selon l'invention consiste à limiter les pointes d'intensite à la mise en marche de l'arbre entrain. On peut obtenir ce résultat par exemple en alimentant d'abord la machine qui est accouplée mécaniquement à la machine birotative, et en alimentant ensuite la machine birotative elle-m8me. En alimentant la machine birotative avec une succession convenable des phases, le champ tournant de cette machine tournera en sens contraire du mouvement de la partie de la machine birotative, déjà entrainée par l'autre machine. On réduit ainsi la vitesse relative entre le champ tournant et l'arbre entrai ne et par suite également ltintensité nécessaire au démarrage. R3VSNDICATIONS 1) Groupe variateur électrique de la vitesse, comprenant deux maohines électriques rotatives reliées mécaniquement entre elles et dont chacune est reliée au réseau d'alimentation, ce groupe étant caractérisé en ce que l'une des machines est du type dans lequel l'inducteur et l'induit tournent tous deux autour d'un même axes et que l'une des machines au moins a une vitesse qui varie par commutation des paies. 2) Groupe variateur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une machine à courant continu associée mécaniquement à une machine birotative du type asynchrone, l'induit et l'inducteur de cette machine à courant continu étant connectés au réseau d'alimentation par l'intermédiaire de convertisseurs statiques dont l'un au moins est du type contrôlés, la machine birotative possédant un inducteur du type à enroulement connecté au réseau d'alimentation par des bagues et frotteurs reliés à un commutateur de pries qui est relié lui-meme au réseau d'alimentation à travers un inverseur de phase, que l'on prévoit sur deux phases de la ligne reliant l'inverseur de phase au commutateur de p8les un commutateur pouvant relier ledit commutateur de piles à un dispositif redresseur qui peut fournir à l'inducteur de la machine birotative un courant continu pour le fonctionnement de la machine birotative en joint. 3) Groupe variateur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une machine asynchrone reliée mécaniquement à une machine birotative également asynchrone, les vitesses de ces deux machines pouvant varier par échelons par commutation de pales. 4) Groupe variateur électrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on prévoit un convertisseur de fréquence inséré dans l'alimen- tation de la machine birotative, pour le réglage précis de la vitesse entre un échelon et le suivant. 5) Groupe variateur électrique selon les revendications 3 et 4 caractérisé en ce que les machines sont groupées dans une machine unique, comprenant à l'intérieur l'induit de la machine birotative supporté avec possibilité de rotation dans le stator de la machine asynchrone, que l'on prévoit entre ce stator et cet induit une partie tournant coaxialement et comprenant un inducteur du type à cage dtécureuil aisalzt face au stator et un inducteur du type à enroulement faisant face à l'induit de la machine birotative, lesquels sont mutuellement solidaires. 6) Groupe variateur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on prévoit un rhéostat connecté à l'induit de l'une des machines formant le groupes pour le réglage précis de la vitesse. 7) Groupe variateur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les machines qui le composent sont groupées dans une machine unique oomprenant ltinducteur de la machine birotative extérieurement a l'induit de cette machine et solidaire axia- lement de l'induit de la machine asynchrone, cet induit étant interieur au stator de ladite machine asynchrone.