Brevet FR2171997A1 — publié le 19730928

La présente invention concerne les machines électriques et plus particulièrement, un dispositif d'excitation d'une machine synchrone utilisant l'énergie de l'harmonique trois et des harmoniques d'ordres plus élevés du champ d'entrefer. I1 existe un dispositif d'excitation pour machine synchrone comportant un enroulement d'induit un enroulement polyphasé sup plementaire, mis en commun avec le précédent, et dont chaque phase est composée de bobines séparées et dont le nombre de paires de piles est le triple de celui de l'enroulement d'induit, et un enroulement d'excitation, alimenté à travers un redresseur à partir dudit enroulement supplémentaire. Ledit dispositif d'excitation utilise l'énergie de l'harmonique trois et des harmoniques d'ordres plus élevés du champ magnétique d'entrefer. On sait que souvent, pour améliorer les caractéristiques de la machine proprement dite comme de son dispositif d'excitation, on fait appel non seulement à l'énergie des harmoniques supérieurs du champ mais aussi à celle de l'onde fondamentale du champ d'entrefer.L'apport complémentaire d'énergie du champ à fréquence fondamentale améliore les performances de la machine, étant donné qu'il facilite le changement nécessaire de la puissance électrique du dispositif d'excitation en fonction de la charge, permet un meilleur fonctionnement du dispositif d'excitation sous de faibles charges et à vide dans les conditions de dispersion de dimensions et de la forme de l'entrefer, dues à la fabrication ou à l'utilisation, et améliore 1' auto-excitation initiale. En cas d'utilisation partielle de l'énergie du champ à fréquence fondamentale la manière la plus avantageuse et la plus interessante du point de vue technologique de réaliser la phase de l'enroulement supplémentaire alimentant l'enroulement d'excitation à travers les redresseurs est celle pour laquelle le champ résultant induit dans ladite phase non seulement une f.e.m. de fréquence harmonique trois et d'ordres plus élevés, mais également une certaine f.e.m. de fréquence fondamentale. A cet effet on supprime volontairement une partie de spires ou de bobines dans la phase de l'enroulement supplémentaire classique, destiné à être le siège seulement d'une f.e.m. de fréquence harmonique trois et d'ordres plus élevés, mais dans lequel on ne prévoit pas l'apparition d'une f.e.m; induite par la fréquence fondamentale du champ. L'équilibre mutuel des f.e.m. de fréquence fondamentale, in duites dans diverses parties de la phase1 s'en trouve perturbé et une f.e.m. de cette fréquence y apparaît. La part relative de la fréquence fondamentale dans le champ d'entrefer résultant dépassant de beaucoup celle des harmoniques supérieurs, on ne doit retrancher du circuit électrique de phase de l'enroulement supplémentaire, pour assurer la-valeur requise de la f.e.m. de fréquence fondamentale, qu'une portion peu considérable de celui-ci. Aussi, l'énergie de fréquence harmonique trois et d'ordres plus élevés, fournie par la phase et qui est Si nécessaire à l'autorégulation d'excitation, ne subit-elle qu'une diminution faible.Les inconvénients de la conception existante du circuit de phase de l'enroulement supplémentaire sont indiqués ci-après. Ainsi, le fait d'éliminer une partie, quoique peu considérable, de la phase du circuit électrique se solde par une baisse de rendement de la machine. Dans un certain nombre de cas il est utile pour des raisons technologiques de laisser dans les encoches la partie de l'enroulement à supprimer de manière à les conserver uniformément remplies ce qui conduit à un certain surdimensionnement. Le but de l'invention est d'éliminer les inconvénients précités. L'invention se propose de réaliser un dispositif d'excitation d'une machine synchrone, utilisant l'énergie de fréquences harmoniques supérieures et de fréquence fondamentale du champ, qui soit de cons traction simple et qui présente des caractéristiques énergétiques accrues. Le but proposé est atteint en ce que dans au moins une phase de l'enroulement supplémentaire au moins une de ses bobines présente un nombre de spires réduit par rapport à celui du reste des bobines de ladite phase, le nombre de spires de ladite bobine pouvant être éventuellement réduit à zéro. Il est avantageux de placer sur l'induit de la machine un second enroulement supplémentaire, constitué par des bobines complétant les zones de phase du premier enroulement supplémentaire, et de raccorder ce second enroulement par l'intermédiaire d'un redresseur soit du côté courant continu à l'enroulement d'excitation, soit directement et en opposition au premier enroulement supplémentaire. Il est également avantageux de relier le second enroulement supplémentaire en triangle ouvert et de le raccorder au premier enroulement - supplémentaire. Le dispositif d'excitation selon l'invention apporte une solution aux problèmes ci-dessus. D'autres caractéristiques de l'invention apparaItront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple la Fig. 1 représente le schéma électrique du dispositif d'excitation d'une machine synchrone utilisant l'énergie de l'harmonique trois de la fréquence fondamentale du champ au moyen d'un enroulement supplémentaire présentant un nombre de spires réduit les Fig. 2a et 2b représentent, respectivement, le schéma électrique d'une seule phase de l'enroulement supplémentaire, formé par le montage en triangle ouvert de trois parties identiques, déca lées de 120 degrés électriques l'une par rapport à l'autre, l'une des bobines de l'enroulement supplémentaires présentant un nombre réduit de spires, et les courbes des f.e.m. de fréquences fondamentales et d'harmonique trois; les Fig. 3a et 3b représentent, respectivement, le schéma électrique de la phase de 1'earoulement supplémentaire avec un nombre réduit de spires, constitué par des bobines identiques, enroulées sur un nombre de pièces polaires triple de celui de l'enroulement principal d'induit, et les courbes de f.e.m. de fréquence fondamentale et d'harmonique trois les Fig. 4a , 4b et 5a et 5b représentent respectivement, les diagrammes vectoriels du circuit de la Fig. 1, pour les f.e.m. dues à la fréquence fondamentale et à l'hamonique trois du champ les Fig. 6a, 6b et 7a, 7b représentent respectivement les diagrammes vectoriels du circuit de la Fig. 2a pour les f.e.m. dues à la fréquence fondamentale et à l'harmonique trois du champ la Fig. 8 représentele schéma électrique du dispositif d'exci tatio e la même machine, muni d'un second enroulement supplémentaire relié du côté continu en parallèle avec le premier enroulement supplémentaire la Fig. 9 est un schéma identique à celui de la Fig. 8, mais avec montage en série des enroulements la Fig. 10 représente un schéma éléectrique du dispositif d'excitation de la même machine, muni d'un second enroulement supplémentaire, composé des bobines complémentaires des zones de phase du premier enroulement supplémentaire et raccordé en opposition avec ce dernier ; et la Fig. il représente l,'une des variantes de réalisation du circuit de la Fig. 10 selon laquelle le second enroulement supplémentaire est monté en triangle ouvert. Le dispositif d'excitation d'une machine synchrone comporte un enroulement d'induit principal 1 (Fig. 1) et un enroulement polyphasé supplémentaire 2, placés en commun. L'enroulement 2 alimente un enroulement d'excitation 4 à travers un redresseur 3. Chaque phase de l'enroulement supplémentaire 2, enroulée sur un nombre de paires de pôles triple de celui de l'enroulement d'induit 1, est le siège des f.e.m. induites de fréquences harmoniques trois et d'ordres plus élevés. De plus, pour attraper le manque d'énergie d'excitation (en marche à vide de la machine et sous charge faible) le champ de l'enroulement supplémentaire reçoit de l'énergie du champ de fréquence fondamentale, due à la surpression d'une partie 5 des spires ou des bobines de la phase dudit enroulement (à la Fig. 1, cette partie 5 de l'enroulement est indiquée en pointillés). Chaque phase de l'enroulement supplémentaire 2 est réalisée soit en reliant en triangle ouvert trois parties identiaues a, b, c, décalées de 120 dégrés électriques dans le champ principal et enroulés à la manière de l'enroulement d'induit principal 1 mais avec un pas voisin du pas diamétral (Fig. 2a), soit en reliant les bobines avec un pas voisin de 1/3 du pas diamétral enroulées sur un nombre de pièces polaires triple de celui de l'enroulement produisant le champ principal (Fig. 3a). La connexion des parties a, b, c de la phase de l'enroulement 2 s'éffectue de façon que la portion de la partie C de l'enroulement 2, représentée en pointillés (Fig. 2a), se trouve éliminée du montage.Comparé au total de spires de l'enroulement supplémentaires 2, le nombre de spires supprimées est peu considérable et ne constitue que quelques foutent, la part relative de la fréquence fondamentale dans le champ résultant étant très au-dessus de celle des harmoniques supérieurs. Dans les enroulements classiques, la somme géométrique des f.e.m. induites par le champ principal est nulle ; aussi, le retranchement du circuit d'un certain nombre de spires, quoique petit, fait-il apparaitre une composante notable de f.e.m. de fréquence fondamentale (Fig. 4a à 7b) qui permet par un choix approprié du nombre de spires à éliminer d'agir dans le sens désirable sur la valeur de la puissance d'excitation, surtout en cas de charges faibles de la machine. La f.e.m. induite de fréquence fondamentale el (Fig. 2b et 3b) correspond alors au vecteur réunissant les points H1 et K1 du diagramme (Fig. 4a à 7a). En même temps, la f.e.m. due au troisième harmonique du champ subit, elle aussi, une diminution, quoique faible. La f.e.m. d'harmonique trois du champ se traduit dans ce cas par les vecteurs réunissant les points H3 et K3 des diagrammes (Fig. 4b à 7b). Chaque phase de l'enroulement supplémentaire est le siège des f.e.m. de fréquence fondamentale e1 (Fig. 1) et e3 d'harmonique trois. La partie 5 éliminée de la phase de l'enroulement supplémentaire 2 du montage de la machine mais conservée dans les encoches de celle-ci présente une f.e.m. - el, égale mais opposée à la f.e.m. el induite dans le reste de l'enroulement supplémentaire 2 assurant la part principale du courant d'excitation, et une f.e.m. e3 d'harmonique trois ayant le même sens que la f.e.m. el. Le rapport nécessaire entre les f.e.m. el et e3 s'obtient par déplacement du point neutre. Pour avoir un meilleur rendement de l'enroulement supplémentaire 2 et un meilleur taux d'occupation de la surface de l'induit destinée à le recevoir, on peut ne pas éliminer du processused'exci- tation la partie 5 (généralement supprimée) de l'enroulement supplementaire 2, mais l'utiliser à cette fin. A cet effet, on peut relier la partie supprimable 5 de la phase de l'enroulement supplémentaire 2 à travers un redresseur 6 à l'enroulement d'excitation 4 soit en parallèle (Fig.8), soit en série (Fig. 9) sur la partie non supprimable dudit enroulement supplémentaire 2. L'apport de puissance à l'enroulement d'excitation 4 en sera augmenté. Dans ce cas, la composante due au champ de fréquence fondamentale sera plus marquée.Les enroulements supplémentaires 2 et 5 (Fig. 8,9), placés avec l'enroulement d'induit principal 1 dans les encoches de l'induit, n'ont pas de liaison électrique directe entre eux sur l'induit. Pourtant, certaines parties des enroulements supplémentaires 2 et 5, peuvent être connectées entre elles d'une des plusieurs façons possibles (Fig. 10, 11) pour obtenir une quantité requise d'énergie du champ de fréquence fondamentale. A la Fig. 10, la partie 5 de la phase de l'enroulement supplémentaire 2 est reliée en opposition avec la majeure partie de la phase du même enroulement ce qui conduit à l'addition des f.e.m. dues à la fréquence fondamentale du champ dans les deux parties de l'enroulement : el + el = 2el, et à la soustraction des f.e.m. dues à l'harmonique trois du champ : e3 La Fig. 11 montre le schéma de connexions des parties des enroulements supplémentaires 2 et 5 où la puissance due à la fré quence fondamentale du champ, pour un même nombre de spires dans les parties des enroulements supplémentaires 2 et 5 que dans le montage de la Fig. 10, est autre que celle produite par ce montage, la f.e.m. due a l'harmonique trois dans la partie 5 de l'enroulement monté en triangle ouvert étant compensée et ne venant pas en déduction de celle induite dans la partie principale de l'enroulement supplémentaire 2. Ainsi, la présence d'un second enroulement supplémentaire constitué par des bobines complétant les zones de phase du premier enroulement supplémentaire, permet d'avoir un rapport nécessaire des f.e. m. de différentes fréquences dont dépend le caractère de l'autoré- gulation d'excitation et d'améliorer les caractéristiques énergétiques du dispositif d'excitation, incorporé en l'occurence dans le cas présent à la machine proprement dite. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'excitation d'une machine synchrone, comportant un enroulement d'induit principal, un enroulement polyphasé supplémentaire, disposé en commun avec le précédent et dont chaque phase est constituée par des bobines séparées et dont le nombre de paires de pâles est le triple de celui de l'enroulement d'induit, et un enroulement d'excitation alimenté à travers un redresseur à partir dudit enroulement supplémentaire, caractérisé en ce qu'au moins une des bobines dudit enroulement supplémentaire (2) présente un nombre de spires réduit par rapport à celui du reste des bobines de la même phase, le nombre de spires de ladite bobine pouvant être éventuellement réduit à zéro. 2. Dispositif d'excitation suivant la revendication 1, carac terse en ce que l'induit porte un second enroulement supplémentaire (5), composé de bobines complétant les zones de phase du premier enroulement supplémentaire (2) et connecté par l'intermédiaire d'un autre redresseur (6) au côté continu de l'enroulement d'excitation (4). 3. Dispositif d'excitation suivant la revendication 1, carac térisé en ce que l'induit porte un second enroulement supplémentaire (5), constitué par des bobines complétant les zones de phase du premier enroulement supplémentaire (2) et relié en opposition à ce dernier. 4. Dispositif d'excitation suivant la revendication 1, carac térisé en ce que l'induit porte un second enroulement supplémentaire (5) monté en triangle ouvert et raccordé au premier enroulement supplémentaire (2).