Brevet FR2239036A1 — publié le 19750221

La'présente invention se rapporte aux machines élec trodynamiques, et concerne plus particulièrement des enroulements amortisseurs, ou un dispositif d'enroulements amortisseurs, ou un dispositif de barres amortisseuses, pour les rotors des gros turbo-générateurs. Les puissances des turbo-alternateurs ont été considé rablement augmentées au cours de ces récentes années par des per fectionnements apportés dans leurs dispositifs de refroidissement, lesquels ont permis d'obtenir une plus forte puissance de sortie par unité de volume et d'accroitre ainsi la capacité d'une machine de dimension donnée, Cette augmentation, toutefois, a été princi palement due aux perfectionnements des dispositifs de refroidisse ment en régime permanent, qui ont peu d'effet sur ltélévation de la température de la machine en cas de fonctionnement en secours ou en cas de perturbations.Ces conditions de fonctionnement sont généralement de courte durée et ltélévation de température qui en résulte est principalement fonction du courant et du nombre de' conducteurs par cm, et de la capacité thermique de la machine. Le relèvement de la capacité nominale d'une machine de dimension donnée par le perfectionnement de son refroidissement en régime permanent, n'affecte donc pas nécessairement son rendement dans les conditions de fonctionnement en secours, et il est possible qu'unie machine dont le rendement est entièrement satisfaisant dans des conditions normales, puisse atteindre des températures dangereuses ou provoquant des détériorations dans des conditions de fonctionnement en cas de perturbation.La dimension et les puissances de ces très gros générateurs continuant à augmenter, ce problème devient plus rigoureux. Une marche en service de secours particulièrement grave qui peut provoquer une dangereuse surchauffe du rotor, est un défaut entre conducteurs de phase ou entze conducteurs de phase et de neutre de la ligne sur laquelle la machine est branchée, ou aux bornes de latmachine. Un tel défaut produit un état de déséquili bre et crée le passage de courants de phase inverse dans le stator de l'appareil. L'onde de flux associée provoque la circulation de courants induits de grandeur élevée et de fréquence double de ligne dans la surface et les enroulements de rotor ainsi que dans les bagues de retenue, la surface de rotor agissant comme le rotor d'une machine à induction ayant un glissement de 2,0 en raison de l'onde de flux à rotation inverse.Les courants déséquilibrés de ligne en régime permanent peuvent également produire une surchauffe du rotor de la même manière. La grandeur de ces courants induits de phase inverse dans le rotor peut être très élevez et peut produire des températures suffisamment élevées pour détériorer le rotor. L'effet de chauffage de ces courants induits est, naturellement, proportionnel au carré de l'intensité du courant et du temps de son passage (12 2t), et les normes industrielles actuelles exigent que les gros générateurs supportent un chauffage de phase inverse équivalent à 122t = 10 sans dommage.Cette condition requise est difficile à satisfaire avec les machines des plus grandes dimensions construites actuellement, et des machines encore plus grandes peuvent ntêtre pas capables de satisfaire à cette condition requise de la norme avec les constructions actuelles de rotors. On rencontre parfois un autre problème dans l'usage des gros turbo-alternateurs pour alimenter un réseau électrique ayant des condensateurs en série dans ses lignes. Dans un tel réseau, des oscillations synchronisées sur:fréquence sous-multiple, peuvent être excitées par des opérations de commutation, ou autres phénomènes transitoires. Ces oscillations sont habituellement comprises dans les limites de 20 à 40 hertz sur un réseau de 60 hertz, et peuvent être éliminées par amortissement par la resistance duré- seau, le régime d'amortissement croissant avec la résistance. S'il n'existait aucune résistance dans le réseau,'les oscillations persisteraient indéfiniment.La résïstance totale disponible dans le réseau pour amortir ces oscillations est la résistance de la ligne. de transmission elle-même, plus la résistance du générateur. Les courants oscillants synchronisés sur fréquence sous-multiple passant dans l'enroulement de stator du générateur produisent une onde de flux dans I'entrefer; de la même basse fréquence. Cette onde de flux tourne donc en sens inverse'par rapport au rotor qui tourne à vitesse synchrone dans le sens direct, et produit des courants de basse fréquence dans la surface et les en-roulements du rotor. En fait, l'appareil devient alors un générateur d'induction à glissement négatif, tirant une puissance réactive du réseau pour la magnétisation.La résistance du générateur apparaît donc au réseau comme une résistance négative et la résistance totale disponible pour amortir les oscillations synchronisées sur fréquence sous-multiple se trouve réduite à l'avenant. Cette réduc- tion tend à faire persister les-oscillations, et si la- résistance t négative du générateur est assez élevée, elle peut même être cause de l'accroissement de la grandeur des pscillations, ce qui naturellement est hautement préjudiciable. On peut améliorer cette condition en réduisant la résistance du rotor, de sorte que la résistance négative apparente du générateur diminue, et que effet amortisseur augmente. Les deux problèmes, obits de la précédente discussion, sont affectés par I'enroulement amortisseur habituellement monté sur les rotors des gros générateurs, puisque ces enroulements ont tendance jusqu'à un certain point à protéger le rotor des courants de phase inverse, et également à réduire la résistance effective du rotor en formant des parcours de courant deEfaible résistance. Toutefois, les enroulements d'amortisseur utilisés jusqu'à pré- sent n'ont pas été très efficaces pour l'une ou l'autre de ces fins. Deux types généraux d'enroulements amortisseurs ont été utilisés. Selon l'un de ces types, une barre conductrice d'amortisseur est placée dans les encoches du rotor sous des cales en alliage non magnétique qui ont une résistance relativement élevée, et tr-ans- mettent une faible intensité de courant,alors que la barre amortisseuse elle-même est relativement profonde à l'intérieur de l'encoche. Dans l'autre type, une cale et unie barre amortissause combinées, en alliage conducteur, sont disposées proches de la surface du rotor mais toujours à l'intérieur de l'encoche. Aucun de ces types d'amortisseur classiques n'a eu beaucoup d'effet sur les deux problèmes en discussion. com Selon la présente invention, une machine électrodynami que trend un rotor constitué d'un corps essentiellement cylindrique; qui est pourvu de groupes d'encoches longitudinales séparées par des parties de masse polaire ; des enroulements disposés dans ces encoches pour produire des pâles magnétiques dans les parties de masse polaire ; un dispositif amortisseur comprenant des conducteurs longitudinaux de faible résistance disposés axialement au corps de rotor et s'étendant radialement au-dessus de la surface de ce corps ; et des moyens destinés à connecter électriquement ces conductéurs longitudinaux à proximité de leurs extrémités. Pratiquement, l'enroulement amortisseur assure une protection très efficace des surfaces du rotor et des enroulements en vue de réduire l'échauffement par les courants de phase inversa, et d'assurer une faible résistance, amortisseur qui réduit appréciablement la résistance négative du générateur pour faciliter ltamortissement des oscillations synchronisées sur fréquence sous multiple dans le réseau. Le nouvel enroulement amortisseur consiste en un certain nombre de barres longitudinales de faible résistance, assemblées par des connexions à leurs extrémités pour former un enroulement amortisseur en court-circuit. Les barres étendent axialement sur la totalité de la longueur du rotor, et radialement audelà de la surface cylindrique de ce dernier. Les barres s'étendent aussi circonférentiellement sur une région importante de la surface.Les barres sont constituées d'une matière de faible résistance, de solidité mécanique suffisante, telle que le cuivre au béryllium ou un alliage d'aluminium, et peuvent être placées dans les encoches du rotor' afin de servir de cales ainsi que de barres,amortis- seules. De préférence, des barres longitudinales sont aussi placées dans les masses polaires du'rotor, de sorte qu'effectivement, la totalité de 'la surface du rotor se trouve protégée.En raison' de leur prolongement radial au-delà de la surface du rotor, les barres amortisseuses assurent une protection très efficace, et les courants induits restent en dehors de la surface du rotor; tandis qu'en raison de leur faible résistance, l'échauffement produit dans les barres d'amortisseurs elles-mEmes par les courants induits est de beaucoup inférieur à celui qui serait produit par des courants équivalents dans la surface du rptor. Le nouveau dispositif d'amortissement protège donc efficacement le rotor et réduit considérablement l'échauffement de séquence de phase contraire, par rapport à l'échauffement qui se produit avec les dispositifs amortisseurs classiques, alors que l'amortisseur 'à faible résistance sert égale- ment à réduire la résistance négative de la machina.De toute évidence, l'amortisseur peut être construit pour l'un ou l'autre de ces usages. L'invention sera décrite ci-après, à titre exemple, en référence au dessin annexé, dans lequel -'la figure 1 est une vue en perspective d'une extrémité d'un rotor montrant un exemple de forme de réalisation de l'inven tion ; - la figure 2 est une coupe transversale d'un rotor montrant une autre forme de réalisation de l'invention ; - les figures 3 à 5 sont des vues fragmentaires, en coupe transversale, montrant des formes supplémentaires modifiées de réalisation ; et - la figure 6 est une coupe longitudinale d'une extrémité d'un rotor. La figure 1 représente un rotor 10 de turbo-alternateur, ayant un corps essentiellement cylindrique 12 construit en acier allié habituel et pourvu d'encoches longitudinales 14. Les encoches 14 sont agencées de la manière usuelle par groupes séparés par des parties sans encoches de la masse polaire 16. Les conducteurs d'enroulement 18 sont placés dans les encoches 14 et connectés de manière à former des bobines concentriques afin de constituer les pâles magnétiques dans les parties de masse polaire 16. Les conducteurs 18 peuvent être de toute construction usuelle ou désirée, et to,ut- circuit électrique voulu peut être utilisé. Ainsi que représenté, les conducteurs 18 sont pourvus de conduits longitudinaux 20 pour la circulation d'un gaz réfrigérant, tel que l'hy- drogène. Les conducteurs,18-dépassent les extrémités du corps 12 du rotor et s'étendent circonférentiellement dans les zones d'extrémités afin de compléter les circuits des bobines électriques. De fortes bagues de retenue 22, en acier, du type usuel, sont disposées à chaque extrémité du rotor 10 afin de supporter les têtes du bobinage, et les bagues 22 peuvent être fixées au corps 12 du rotor de toute manière convenable, par exemple par un fort frettage et une clavette de verrouillage, ou de toute autre manière voulue ou usuelle. L' enroulement amortisseur perfectionné selon la pré-sente invention consiste en un certain nombre de barres d1amortis- seuses longitudinales 24. En référence à la figure 1, chacune des barres 24 présente une partie 26 formant cale, destinée à être reçue dans une encoche 14, et retenue en place dans celle-ci par les-épaulements habituels 28 qui obturent partiellement les encoches.La barre 24 présente un col. passant dans l'ouverture dtencoche et une partie d'amortissement 30 qui s'étend radialement au-delà de la surface cylindrique du corps de rotor, ainsi que représenté, dans l'entrefer compris entre le rotor et le stator, et qui, de préférence, s'étend également latéralement ou circonférentiellement, ainsi' que le montrela figure 1, afin de couvrir une partie importante de la zone superficielle du rotor, entre les encoches.Les barres d'amortisseur 24 ont une très faible résistance par rapport à celle de l'acier constituant le corps du rotor, et elles sont de préférence construites en une matière, télle qu'un alliage de cuivre au béryllium ou un. alliage d'alu-' minium, ayant une faible résistance électrique mais une solidité mécanique assez élevée pour supporter les conducteurs 18 durant la rotation à grande vitesse, et les retenir dans les encoches. L'amortisseur aura, une efficacité supérieure si l'étendue radiale des barres 24 au-delà de la surface du rotor n'est pas inférieure à la profondeur de pénétration des courants induits de séquence de phase inverse dont il a été question. Il n'existera aucune interférence entre les barres d'amortisseur et la surface du stator en raison des grands entrefers utilisés dans les gros générateurs auxquels est'principa'lement destinée l'invention. Egalement, du fait de ces grands entrefers, les pertes dans la'denture seront négligeable, bien que I'on puisse former'deys rainures circonférentielles peu profondes dans la surface des barres, si on le juge nécessaire, pour réduire ces pertes. Les barres peuvent être installées dans les encoches 14 et serrées':dens celles-ci .par tous moyens convenables, par 'exemple par un .tube flexible placé dans le fond due l'encoche et mis, sous pression.avec une résine convenable, après la mise en place des barres. On peut appliquer-tous- autres moyens convenables pour ins'érer et serrer 'les barres dans les encoches. Après leur misé en place dans les encoches selon la précédente d'escription, les barres sont électriquement connectées entre elles à'leurs extrémités a'fin de former.un enroulement amortisseur en court-circuit. Cette connexion est exécutée de toute manière appropriée..-La figure 1 représente un agencement convenable dont les barres ont une étendue circonférentielle considérable,= chaque extrémité des barres pouvant être pourvue près de son bout de saillies 32 qui sont électriquement soudées ou brasées pour former des connexions électriques, - Avec un dispositif amortisseur tel que celui illustré à la figure 1, en loccurrence de courants de stator de séquence de phase inverse dus à une perturbation non équilibrée, selon la précédente discussion, l'onde de flux associée- induira des courants de circulation dans les barres court-circuitées 24 de faible résistance, et ces courants induits produiront des flux tendant à s'opposer et à annuler le fLux d'entrefer.La surface'et les dents de rotor se trouvent-donc protégées, par les barres d'amortisseurs, des flux qui, pàr ailleurs, y pénétreraient et produiraient un fort échauffement et des pertes élevées. Les-barres d'amortir seur ont une faible résistance, de sorte que l'échauffement produit par les courants circulant dans ces barres est moindre que celui qui serait produit par les courants équivalents circulant dans l'acier de résistance-élevée des dents et du corps de rotor. Ainsi, est offerte une protection très efficace',' réduisant considérablement la température atteinte par les dents et la surface du rotor dans le cas de défectuosité par des séquences de phase inversée, de sorte que le rotor se trouve protégé des détériorations dans ces conditions. Le dispositif amortisseur àfaible résistance a aussi un effet favorable sur les caractéristiques de pertes de séquence de phase inversée en régime permanent, par rapport à une surface magnétique pleine de rotor. L'enroulement d'amortissement ne gêne pas le refroidissement des enroulements 18 de rotor, lesquels peuvent être refroidis de toute manière désirée, par exemple au moyen de conduits longitudinaux 20 pour le ré-frigérant. Les barres d'amortisseur 24-peuvent étre percées radialement en toutes positions désirées, pour la circulation de gaz, permettant le refroidissement du rotor. Selon les indications qui précèdent, les courants de phase inverse négative induisent des courants de circulation dans la surface du rotor et, pour cette raison, il est désirable de protéger les parties de masse polaire 16 aussi bien que les parties à encoches. Cétte protection peut être assurée, ainsi que le montre la figure 2, en utilisant des barres d'amortisseur 34 similaires aux barres 24 précédemment décrites, avec des parties de retenue 36 similaires aux parties formant cales 26 des barres 24, mais qui peuvent être de plus petites dimensions, car il suffit qu'elles soutiennent seulement le poids des barres 34 ellesmêmes.Les barres 34 peuvent être supportées en place sur les parties de masse polaire au moyen d'encoches peu profondes 38 destinées à recevoir les parties de retenue 36 des barres, et les barres peuvent être serrées dans les encoches par les mêmes organes que les barres 24. En référence à la figure 2, les barres 34 peuvent avoir une étendue circonférentielle similaire à celle-des barres 24, de sorte que la totalité de la surface du rotor aussi bien dans les parties de masse polaire que dans les parties à encoches soit pratiquement complètement protégée des flux non synchrones par les amortisseurs.On obtient ainsi une protection très efficace, car le flux du aux courants de séquence de phase inverse ne peut pénétrer dans la surface du rotor,et les pertes dues aux courants de circulation sont confinées aux barres d'amortisseur et sont considérablement réduites en raison de la faible résistance de l'enroulement amortisseur. Dans certains cas, une protection moins étendue du rotor peut être acceptable afin de réduire le prix de l'enroulement amortisseur, tout en maintenant la température du rotor dans des limites de sécurité et très considérablement au-dessous des températures qui pourraient être atteintes en l'absence deux enroulement amortisseur efficace. A cette fin, on peut utiliser une barre d'amortisseur 40, représentée à la figure 3. La barre 40 présente une-partie 42 formant cale, similaire à la partie 26 déjà décrite, et étend radialement au-delà de la surface du corps de rotor, mais sans aucun prolongement latéral ou circonférentiel.Cet agencement présente l'avantage d'éliminer tous problèmes mécaniques dus aux parties latérales en porte-à-faux des barres d'amortisseur 24 de la figure 1, et exige également une quantité considérablement moindre de l'alliage coûteux à faible résistånce. On peut donc obtenir de cette manière une réduction appréciable du prix' de revient avec peu de sacrifice dans l'efficacité de la protection, car les barres 40 s'étendent-radialement au-delà d'e la surface de la barre de rotor suffisamment pour empêcher la pénétration dans la surface de rotor de la plus grande partie du flux nonsynchrone. La figure 4 représente une barre d'amortisseur pourvue de parties 46 disposées latéralement, d'épaisseur et d'étendue latérale réduites par rapport aux barres 24, alors que la figure 5 représente des barres 48 d'amortisseur similaires avec des parties latérales 50, relativement étroites, de manière à être pratiquement espacées des barres adjacentes, ainsi que représenté Les barres que montrent les figures 4 et 5 représen- tent des modèles intermédiaires dont la protection est un peu plus étendue que celle de la figure 3, afinct réduire plus efficacement les températures de surface de rotor, mais dont les problèmes mécaniques posés par les parties latérales non supportées des barres sont moins rigoureux que dans le cas des barres 24 de la figure 1, et une économie considérable est ainsi réalisée.Il est évident que d'autres modèles de barres d'amortisseur peuvent égalament être utilisés, et que ltune quelconque de ces barres peut être placée seulement dans les encoches de rotor comme à la figure 1, ou à la fois dans les encoches et'les masses polaires, comme à la figue 2. Ainsi qutil a déjà été dit, il est nécessaire de connecter les barres d'amortisseur les unes aux autres à leurs extrémités ou à proximité de celles-ci, afin de former un enroulement amortisseur en court-circuit ainsi qu'un parcours de faible résistance pour les courants, pour les maintenir hors des bagues de retenue aux extrémités du rotor. Un moyen, à cette fin, représenté à la figure 1, consiste en prolongements 32 sur les barres, que l'on peut réunir ensemble. Un autre moyen de connecter les barres, représenté à la figure 6, qui peut être désirable dans certains cas, particulièrement avec des bagues de retenue non magnétique , ou avec des barres d'amortisseur séparées par un espacemént appréciable, telles que celles représentées aux figures 3, 4 et 5. La figure 6 représente une coupe longitudinale de l'extrémité d'un rotor montrant le corps 12 faisant corps avec une partie d'arbre 13. Les têtes des conducteurs 18 dépassent les encoches du corps, elles sont disposées circonférentiellement dans la zone d'extrémité et sont supportées par la bague de retenue 22. En référence à la figure 6, les barres d'amortisseur 52-, qui peuvent être de l'une quelconque des constructions illustrées aux figures à 5, s'étendent longitudinalement jusqu'à l'extrémité du corps 12 du rotor, et sous la bague de retenue 22.Une bague de court-circuitage 54 en cuivre ou autre matière de faible résistance, est insérée dans la surface interne de la bague dtex- trémité 22, et est disposée de manière à encercler et à s'engager sur toutes les barres d'amortisseur 52, afin de les connecter électriquement ensemble à leurs extrémités. La bague de retenue 22 peut être fixée en place par le frettage habituel ou par d'autres moyens, de façon à être retenue solidement en place et à maintenir la bague 54 en contact sur et efficace avec les barres d'amortisseur 52. Il est maintenant évident que l'invention offre un dispositif amortisseur perfectionné pour les rotors de gros turboalternateurs, qui protège efficacement la surface et les pointes des dents du rotor, ainsi que les enroulements, e's courants induits qui produiraient un échauffement excessif. Le nouvel enroulement amortisseur permet donc aux machines de dimension supérieure à celles actuellement construites de satisfaire aux normes pour leur f-onctionnement en cas de défectuosités de séquence de phase inverse.- L'amortisseurprésente aussi d'autres avantages, car il protège la machine des effets préjudiciables de tout flux non synchrone pouvant exister, par exemple durant une perte de champ ou autres conditions.Les barres d'amortisseur protègent également les dispositifs d'enroulement inducteur et d'excitation des tensions et courants induits dus au fonctionnement non synchrone ou à des perturbations du réseau. En outre, la fourniture d'un dispositif amortisseur efficace dans les axes aussi bien direct que déphasé , contribue à une meilleure stabilité dynamique et a tendance à réduire l'instabilité entre les générateurs d'un même réseau. L'enroulement amortisseur en cage d'écureuil réduit aussi considérablement les couples pulsatqires de l'arbre, dus au déséquilibre des charges ou à des perturbations. L'enroulement d'~amortisseur peut être construit, selon la précédente discussion, principalement en vue de l'effet de protection destiné à réduire la possibilité d'une surchauffe dangereuse sous conditions défectueuses, ou principalement comme un enroulement à faible résistance en vue de réduire la résistan- ce négative du générateur, et faciliter ainsi l'amortissement des oscillations synchronisées sur fréquence sous-multiple sur le réseau sur lequel la machine est branchée. Dans'certains cas, il peut, naturellement, être désirable de construire l'enroulement amortisseur de manière à obtenir les deux effets autant que possible. REVENDICATIONS 1. Machine électrodynamique comprenant un rotor constitué par un corps pratiquement cylindrique et pourvu de groupes d'encoches longitudinales séparées par des parties de masse polaire, caractérisée par le fait quelle comprend encore des enroulements qui sont disposés dans les encoches afin de constituer des pôles magnétiques dans les parties de masse polaire, et un dispositif amortisseur comprenant des conducteurs longitudinaux de faible résistance s'étendant en direction axiale du corps du rotor et radialement au-dela de la surface de ce dernier, ainsi que des moyens destinés à connecter électriquement ces conducteurs longitudinaux à proximité de leurs extrémités. 2. Machine électrodynamique selon la revendication 1, caractérisée par le fait que certains au moins desdits conducteurs sont disposés sur les parties de masse polaire. 3. Machine électrodynamique selon la revendication 2, caractérisée par le fait que certains autres desdits conducteurs sont disposés et retenus dans les encoches. 4. Machine électrodynamique selon. la revendication 3, caractérisée par le fait que des parties formant cales sont disposées à l'intérieur des encoches afin d'y retenir les enroulements et lesdits conducteurs. 5. Machine électrodynamique selon la revendication 4, caractérisée par la fait que certains autres de ces conducteurs sont disposés sur les parties de masse polaire et sont pourvus de moyens destinés à les retenir en place sur celles-ci. 6. Machine électrodynamique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que lesdits conducteurs s'étendent circonférentiellement sur la surface du corps de rotor et sont espacés sur toute leur langueur. 7. Machine électrodynamique selon la revendication 6, caractéris'ée par le fait que lesdits conducteurs sont disposés dans les encoches et sur les parties de masse polaire, de sorte qu'ils protègent pratiqbement la totalité de la surface du corps de rotor. 8. Machine électrodynamique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que chaque conducteur est pourvu de saillies adjacentes à ses extrémités et connec té électriquement à des saillies correspondantes des conducteurs adjacents. 9. Machine électrodynamique selon la revendication 8, caractérisée par le fait qu'elle comprend des bagues de retenue fixées au corps du rotor aux extrémités de celui-ci, afin de supporter les têtes des enroulements, lesdits conducteurs longitudinaux s'étendant sous les bagues de retenue et étant électriquement connectés les uns aux autres sous ces bagues. 10. Machine électrodynamique selon la revendication 9, caractérisée par le fait qu'une bague conductrice est disposée sur la surface interne de chaque bague de retenue, chacune de ces bagues conductrices étant en contact électrique avec les conducteurs longitudinaux pour les relier ensemble.