Brevet FR2143570A1 — publié le 19730209

La présente invention concerne le domaine de la technique des mesures sur des objets tournants et, plus particulièrement, un mesureur de résistance d'isolement du rotor d'une machine synchrone sans balais. I1 existe un mesureur de résistance d'isolement de la partie tournante d'un montage, en particulier du rotor d'une machine synchrone puissante sans balais, comportant un bloc mesureur de résistance d'isolement, une source d'alimentation et un organe de couplage entre le rotor de ladite machine et le bloc mesureur de résistance d'isolement, raccordé à travers un commutateur. Ledit mesureur utilise pour organe de couplage les bagues de contact auxquelles s'appliquent pendant les mesures les balais commandés par un électro-aimant alimenté à partir de la source d'alimentation. Le mesureur existant présente un certain nombre de désavantages, dont la présence de contact glissants implique une contrainte supplémentaire, tout en abaissant la qualité de mesures ; les poussières conductrices accumulés sur les balais et les bagues ont pour effet de réduire la résistance d'isolement de la machine les parties tournantes du mesureur exigent, elles aussi, des soins particuliers et peuvent compromettre les mesures par leur grippage et autres causes ; l'information n'est pas continue il y a impossibilité d'utiliser ledit mesureur dans les circuits de protection. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients ci-dessus. La présente invention vise la mise au point d'un mesureur de résistance d'isolement du rotor d'une machine synchrone sans balais permettant une précision de mesure élevée, mesureur qui soit d'un emploi simple et capable de mesurer la résistance d'isolement rapidement, en charge, tout en présentant des dimensions axiales faibles. Le problème posé est résolu par le fait que l'organe de couplage entre le rotor de la machine synchrone sans balais et le bloc mesureur de résistance d'isolement présente un alternateur synchrone muni d'un redresseur tournant et d'une excitatrice, l'enroulement d'excitation de l'alternateur synchrone avec le redresseur tournant et ltenroulement d'induit de l'excitatrice étant connectés en série entre le point neutre du circuit roto rique de la machine synchrone sans balais et la masse mécanique du rotor, des résistances étant branchées en parallèle sur le redresseur tournant, alors que la source d'alimentation, dans l'une des positions du commutateur, celle correspondant à la mesure de la.résistance d'isolement, se trouve connectée à l'enroulement d'inducteur de l'excitatrice, l'instrument de mesure du bloc mesureur étant raccordé (suivant la position dudit commutateur) soit à l'enroulement d'induit.de l'alternateur synchrone, soit à l'enroulement d'inducteur de l'excita- trice, et, dans la position du commutateur correspondant à la signalisation du claquage d'isolement, ledit instrument de mesure se trouvant raccordé à l'enroulement d'induit de l'alternateur synchrone. Dans l'organe de couplage l'enroulement d'excitation de l'alternateur synchrone peut être shunté par une diode branchée en opposition avec le redresseur tournant, et dans le bloc mesureur l'instrument de mesure à cadran bilatéral se trouve connecté (dans une des position du commutateur) aux pôles de même nom de deux redresseurs shuntés par des résistances et reliés entre eux en série et en opposition, l'un desdit redresseurs étant raccordé à l'enroulement d'induit de l'alternateur synchrone, et l'autre à l'enroulement d'inducteur de l'excitatrice. La fonction du point neutre du circuit rotorique de la machine synchrone sans balais peut être réalisée par le point milieu d'un mesureur de tension à induction introduit dans le circuit rotorique de la machine synchrone. Par souci de réduction des dimensions axiales du mesureur de tension à induction et de l'ensemble du dispositif il y a intérêt à réaliser l'enroulement d'induit dudit mesureur de tension à induction sous forme d'un enroulement triphasé à 2/4 couches et à loger ses connexions frontales dans un même plan perpendiculaire à l'axe de rotation de l'induit. Le mesureur selon l'invention se caractérise par une fiabilité élevée et permet une utilisation plus simple des systèmes d'excitation sans balais des machines synchrones puissantes dont les circuits rotoriques ne sont pas en liaison électrique avec les parties immobiles. I1 est possible de réaliser, à l'aide dudit mesureur - une mesure périodique de la résistance d'isolement des circuits rotoriques par rapport à la masse, là où cela est pré vu par le mode d'emploi - une signalisation permanente d'un claquage d'isolation, avec localisation approximative du défaut - la mesure continue de la tension d'excitation de la machine synchrone - la protection contre le claquage d'isolation à la masse. Pour mieux dégager l'idée de l'invention, on trouvera dans ce qui suit une descrip tion plus détaillée des exemples de réalisation du mesureur selon l'invention , en référence aux dessins annexés, dont la fig. 1 représente le schéma électrique de principe du mesureur de résistance d'isolement et de tension du rotor d'une machine synchrone sans balais selon l'invention la fig. 2, le schéma électrique de principe du même mesureur dans lequel l'enroulement d'excitation de l'alternateur synchrone est shunté par une diode et l'instrument de mesure du bloc mesureur présente un cadran bilatéral la fig. 3, le schéma électrique de principe du mesureur selon la fig. 2 dans lequel la fonction du point neutre est faite -par le point milieu de l'enroulement d'inducteur du mesureur de tension ;; la fig. 4, le schéma de connexion de l'enroulement d'induit du mesureur de tension à induction. Comme l'indique la fig. 1, le mesureur de résistance d'isolement du rotor 1 d'une machine synchrone sans balais 2 comporte un bloc mesureur de résistance d'isolement 3 avec une source d'alimentation 4, un organe de couplage 5 entre le rotor 1 de ladite machine et le bloc mesureur de résistance d'isolement 3, raccordé par un commutateur 6, et un mesureur de tension à induction 7. L'organe de couplage S se présente comme un alternateur synchrone 8 allié à un redresseur tournant 9 et à une excitatrice 10, l'enroulement d'excitation Il de l'alternateur synchrone 8 avec le redresseur tournant 9 et l'enroulement d'induit 12 de l'excitatrice 10 étant montés en série entre le point neutre 13 du circuit du rotor 1 et la masse mécanique du rotor 1, point 14. La partie tournante 15 de l'organe de couplage 5 est en liaison mécanique avec le fer du rotor 1. Le redresseur tournant 9 est réalisable en pont simple, comme indiqué à la fig. 1, ou bien en autre montage quelconque, par exemple en doubleur5 etc. Il est shunté en partie (voir fig. 1) cu en totalité (ce qui n'est pas représenté à la fig. 1) par des résistances 16. En position Iî du commutateur 6 visible à la fig. 1 la source d'alimentation 4 (il est souhaitable qu'elle soit stabilisée en courant) se trouve raccordée à l'enroulement d'inducteur 17 de l'excitatrice 10 et l'instrument de mesure 18, à l'enroulement d'induit 19 de l'alternateur synchrone 8. En position I du commutateur 6, la source d'alimentation 4 est débranchée de l'enroulement 17. Le reste du montage est le même. En position 0 du commutateur 6, l'instrument 18 n'est plus connecté à l'enroulement 19 mais à un enroulement 20, disposé sur l'inducteur de l'excitatrice 10 et dont le rôle peut être rempli soit par un enroulement à part, comme l'indique la fig. 1, soit par l'enroulement d'inducteur 17 lui-même. La source dali- mentation 4 est coupée. En position C du commutateur 6, l'instrument 18 se trouve raccordé à l'enroulement 19 avec un limiteur 21 réalisé à l'aide de diodes à semi-conducteur ou suivant un autre schéma. La source d'alimentation 4 est débranchée. Le mesureur de tension à induction 7 possède un enroulement d'inducteur 22 monté sur la partie tournante 15 de l'organe de couplage et réuni au positif et au négatif du circuit du rotor 1. Le montage fixe du mesureur 7 comprend un enroulement d'induit 23 et un instrument de mesure 24 connectables de n'importe quelle manière classique tant avec un redresseur 25, comme indiqué à la fig. 1, que sans celui-ci. Suivant la position du commutateur 6 le mesureur peut fonctionner à l'un des quatre régimes suivants : li - mesure de la résistance d'isolement ; I2 - mesure du signal parasite 0 - détermination du sens du courant parasite ; C - signalisation du claquage d'isolation. La mesure de la résistance d'isolement (le commutateur 6 est en position 11) s'opère de la façon suivante. Un certain courant d'excitation provenant de la source 4 passe à travers l'enroulement 17 de l'inducteur de l'excitatrice 10 et dans l'enroulement d'induit en rotation 12 de l'excitatrice 10 ; une certaine f.é.m. prend naissance, qui subit le redressement dans le redresseur 9. La tension redressée, issue du redresseur 9, s'applique à l'isolement entre enroulements et masse du rotor là travers l'enroulement d'excitation 11 de l'alternateur synchrone 8 ; l'effet en est que cet enroulement est parcouru par un courant dont l'intensité est fonction de la résistance d'isolement.Lorsque l'enroulement 11 traversé par le courant est en rotation par rapport à l'enroulement d'induit 19 de l'alternateur synchrone 8, ce dernier devient le siège d'une f.é.m. proportionnelle au courant dans l'enroulement 11, donc dépendant, elle aussi, de la résistance d'isolement. Cette f.é.m. se mesure par l'instrument 18 qui peut être gradué en unités de résistance. Le circuit constitué par le redresseur 9 et l'enroulement 11 étant inséré entre les points équipotentiels par rapport à la tension du circuit du rotor 1, ce qui a lieu pour une distribution uniforme de la résistance d'isolement, ladite tension est sans incidence sur les indications de l'instrument 18. Si la distribution de la résistance d'isolement n'est pas uniforme, la tension du circuit du rotor 1 produit un signal parasite qui peut être évalué de la manière suivante. En position I1 du commutateur, on peut lire la résistance d'isolement Ro sur l'échelle de résistance et à la fois la tension U0 sur celle de tension. Le commutateur 6 est passé sur la position I2. La source d'alimentation 4 étant débranchée, le courant dans l'enroulement 11 n'est dû qu'à la tension du circuit du rotor 1, c'est-à-dire qu'il représente un courant purement parasite. Lors de la rotation de l'enroulement 11, une f.é.m. est induite dans l'enroulement 19 et l'instrument 18 mesure la tension parasite U. L'effet du courant parasite est fonction de son sens qui à son tour tient à l'emplacement du point vicié ou défaut à résistance plus faible, par rapport au circuit du rotor 1. Pour déterminer le sens du courant parasite, le commutateur 6 est amené sur la position 0. Dans ce cas, si le point vicié ou défaut est plus proche du positif du circuit du rotor 1 et que le sens de branchement du redreSseur 9 est celui de la fig. 1 le courant parasite passe du point 14 vers le point 13 par les diodes du redresseur 9 en évitant l'enroulement 12. Le courant dans l'enroulement 12 étant nul l'instrument 18 raccordé à l'enroulement 20 est à zdro. Dans ce cas la valeur précise de la résistance se calcule à partir de la valeur mesurée à l'aide de la formule suivante où R11 est la résistance du circuit de l'enroulement 11. Si le point vicié est plus proche du négatif du circuit du rotor 1, le courant parasite circule du point 13 vers le point 14 à travers les résistances 16 et l'enroulement 12.Le résultat en est que lors de la rotation de l'enroulement 12 parcouru du courant par rapport à l'enroulement 20, une f.é.m. se produit dans celui-ci et l'instrument 18 fournit une indication autre que zéro. Dans ce cas le calcul de la valeur précise de résistance s'effectue par la formule où R16 est la valeur totale de résistances 16 R12 est la résistance de l'enroulement 12. La résistance d'isolation est mesurée périodiquement, chaque mesure ne prenant pas plus de 20 s (la lecture des instruments et l'enregistrement des indications fournies en positions li, 12, O du commutateur). Le reste du temps, entre deux mesures consécutives, le mesureur fonctionne en avertisseur de claquage d'isolation (le commutateur 6 se trouve en position C). En l'absence du claquage, la source d'alimentation 4 étant coupée, la déviation de l'instrument 18 est nulle ou peu considérable. En cas de claquage sur le positif du circuit du rotor 1, le courant dans l'enroulement il passe sous l'effet de la tension du circuit du rotor 1 du point 14 vers le point 13 ; la valeur de ce courant est maximum, étant donné que la résistance du circuit est minimum. D'une manière respective, la déviation de l'aiguille de l'instrument 18 sera maximum et le limiteur 21 va la limiter au point de tomber dans la zone de signalisation marquée de "+" sur le cadran de l'instrument 18 (le cadran n'est pas représenté à la fig. 1). En cas de claquage sur le négatif du circuit du rotor 1 le courant dans l'enroulement 11 circule sous l'effet de la tension dudit circuit 1 du point 13 vers le point 14 à travers les ré- sistances 16 et l'enroulement 12 ; la valeur de ce courant est inférieure à celle du courant en cas de claquage sur le positif du fait de la résistance du circuit augmentée. La déviation de l'aiguille de l'instrument 18 sera ainsi moindre et limitée à la zone marquée de n sur le cadran. Pour une meilleure précision de signalisation du claquage et une mesure plus simple de la résistance d'isolement il est utile de faire appel au dispositif représenté à la fig.2. Dans ce cas dans l'organe du couplage l'enroulement d'excitation 11 de l'alternateur synchrone 8 est shunté par une diode 26 montée en opposition avec le redresseur 9. Pour l'instrument 18, on fait appel à un appareil à courant continu auquel sont adjoints un instrument de mesure 27 à cadran bilatéral et deux redresseurs 28 et 29 qui en position c du commutateur 6 (régime de signalisation du claquage) sont shuntés par des résistances 30 et 31. Dans cette position du commutateur 6 la source d'alimentation 4 est coupée ; l'enroulement d'induit 19 de l'alternateur 8 est relié à travers le redresseur 28 à l'instrument 27 ; étant donné qu'audit instrument 27 est en même temps connecté, par le redresseur 29, l'enroulement d'inducteur 17 de l'excitatrice 10, les deux redresseurs 28 et 29 se trouvent réunis entre eux en série et en opposition, leurs Pôles libres étant raccordés à l'instrument. En position du commutateur 6, celle de mesure de la résistance d'isolement, l'instrument 27, le redresseur 29 et les résistances 30 et 31 sont débranchés des enroulements 17 et 19, le redresseur 28 est raccordé à l'instrument 18 et la source d'alimentation 4, à l'enroulement 17. En régime de mesure, le fonctionnement du mesureur est analogue à celui décrit selon la fig. 1 pour la position 1 du commutateur. En position C du commutateur 6 et en cas de claquage sur le positif, le fonctionnement du mesureur est identique à celui décrit à propos de la fig. 1 à cette différence près que la claquage est signalé par l'instrument 27 sur lequel se ferme le courant passant du redresseur 28 par la résistance 31. Le sens de branchement du redresseur et de l'instrument sont tels que la déviation de l'aiguille du dernier est du côté positif. En cas de claquage sur le négatif, le courant sous l'effet de la tension du circuit du rotor 1 passe du point 13 vers le point 14 par la diode 26, en évitant l'enroulement 11, et ensuite par les résistances 16 et l'enroulement 12. Le résultat en est que par la rotation des enroulements 11 et 12, seul l'enroulement 17 devient le siège d'une f.é.m. et que l'en- roulement 19 ne l'est pas. Ladite f.é.m. à travers le redresseur 29 et la résistance 30 produit dans l'instrument 27 un courant en sens inverse qui fait dévier son aiguille du côté négatif. Pour estimer l'influence de la tension du circuit du rotor 1 sur les résultats de mesure, il faut en position du commutateur 6, simultanément avec la mesure de la résistance d'isolement Ro (lue sur l'échelle de résistance) mesurer aussi la tension respective U0 (lue sur l'échelle de tension de l'instrument 18) et, en position C du commutateur 6, la valeur du signal U. Pour U > 0 le calcul de la valeur précise de la résistance d'isolement s'effectue par la formule Pour U où A et B sont les coefficients expérimentaux (ou calculés) Kn0 ; R22, la résistance de l'enroulement 22. Par construction, le point neutre 13 peut être d'un accès difficile comme c'est le cas, par exemple, du montage redresseur de la machine synchrone sans balais 2, monté en étoile avec neutre. Il est possible dans ce cas, pour permettre le fonctionnement du mesureur, de réaliser un point neutre artificiel à l'aide de deux résistances d'une valeur ahmique relativement faible. Pourtant on aura à trouver une place supplémentaire sur le rotor pour les installer et à écouler la chaleur qu'elles vont dissiper, ce qui rendra la machine plus compliquée et plus encombrante. Pour réduire l'encombrement de l'ensemble du mesureur, on utilise comme point neutre du circuit du rotor 1 le point milieu 32 de l'enroulement d'inducteur 22 du mesureur de tension à induction 7, comme on le voit à la fig. 3. Le fonctionnement du mesureur dans ce cas est analogue à celui selon la fig. 2 à cette différence près que le rôle du point 13 est tenu par le point 32 et que dans les formules pour le calcul de la résistance d'isolement le coefficient K est égal à 0,25. Pour des raisons constructives il est commode de réaliser d'un seul tenant la partie tournante 15 du mesureur et, par le fait même, de situer les enroulements 17, 19, 20 et 23 dans un corps unique. Si de plus, par souci de réduire les ondulations de la tension de mesure, l'enroulement 23 avait été rendu triphasé, il serait utile, pour diminuer l'encombrement de l'ensemble du mesureur, de réaliser ledit enroulement 23 sui vant le schéma de la fig.4. Electriquement l'enroulement 23 est à deux couches, mais par construction il en a quatre, grâce à quoi, pour un nombre d + hases égal à 3 et un nombre de pôles multiple de celui de couches par construction, toutes les connexions frontales dudit enroulement ne se coupent pas (la symétrie électromagnétique de l'enroulement étant conservée) et se trouvent dans un même plan perpendiculaire à l'axe de rotation. Cela détermine la dimension axiale du mesureur, ce qui est essentiel pour l'excitation sans balais dans son ensemble. La fig. 4 montre des encoches 1' à 24' du noyau, des cales 33 en matière isolante servant à obturer lesdites encoches et des sorties C1, C2, C3, C4, C5 et C6 de l'enroulement. Les mesureurs selon les fig. 1 et 2 sont réalisables à part l'un de l'autre : l'un pour mesurer la résistance d'isolement, l'autre pour mesurer la tension, l'application de l'un desdits mesureurs n'impliquant point celle de l'autre. Le Laboratoire Industriel d'Energie Electrique a construit et essayé une maquette dudit mesureur en même temps qu'un exemplaire d'essai de celui-ci pour le système sans balais du turbo-alternateur de 200 MW. Les essais de la maquette et de l'exemplaire d'essai ont été satisfaisants. Un autre exemplaire de mesureur pour le turbo-alternateur sans balais de 300 MW est en cours de construction et les études sont terminées portant sur des mesureurs destinés à des machines de 500 à 1200 MW. REVENDICATIONS 1. Mesureur de résistance d'isolement du rotor d'une machine synchrone sans balais comportant un bloc mesureur de résistance d'isolement, une source d'alimentation et un organe de couplage entre le rotor de ladite machine et le bloc mesureur de résistance d'isolement, raccordé à travers un commutateur, caractérisé par le fait que l'organe de couplage (5) présente un alternateur synchrone (8) associé à un redresseur tournant (9) et à une excitatrice (10), l'enroulement d'excitation (11) de l'alternateur synchrone (8) avec le redresseur tournant (9) et l'enroulement d'induit (12) de l'excitatrice (10) étant connectés en série entre le point neutre du circuit du rotor (1) de la machine synchrone sans balais (2) et la masse (14) de ce rotor et des résistances (16) étant montées en parallèle avec ledit redresseur tournant alors que la source d'alimentation (4), dans l'une des positions du commutateur (6), qui est celle de mesure de la résistance d'isolement, se trouve connectée à ltenrou- lement d'inducteur (17) de l'excitatrice (10), l'instrument de mesure (18) du bloc mesureur de résistance d'isolement (3) étant raccordé, suivant la position dudit commutateur (6), soit à l'enroulement d'induit (19) de l'alternateur synchrone (8), soit à l'enroulement d'inducteur (20) de ltexcitatrice (10), et dans une autre position du commutateur (6), qui est celle de signalisation du claquage d'isolation, ledit instrument (18) étant réuni à l'enroulement d'induit (19) de l'alternateur synchrone (8). 2. Mesureur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que dans l'organe de couplage (5) l'enroulement d'excitation (11) de l'alternateur synchrone (8) est shunté par une diode (26) en opposition avec le redresseur tournant (9) et dans le bloc mesureur (3), l'instrument (18) à cadran bilatéral se trouve connecté dans l'une des positions du commutateur (6) aux pôles de même nom de deux redresseurs (28, 29) shuntés par des résistances (30, 31) et reliés entre eux en série et en opposition, l'un desdits redresseurs étant raccordé à l'enroulement d'induit (19) de l'alternateur synchrone (8) et l'autre, à l'enroulement d'inducteur (17) de l'excitatrice (10). 3. Mesureur selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la fonction du point neutre du circuit du rotor (1) d'une machine synchrone sans balais est faite par le point milieu de l'enroulement inducteur (22) du mesureur de tension à induction (7) inséré dans le circuit du rotor (1) de la machine synchrone. 4. Mesureur selon les revendications 1,2 et 3, caractérisé par le fait que ltenroulement d'induit (23) du mesureur de tension à induction (7) représente un enroulement triphasé à 2/4 couches dont les connexions frontales sont logées dans un même plan perpendiculaire à l'axe de rotation de l'induit.