Brevet FR2317801A1 — publié le 19770204

L'invention concerne une machine synchrone amortie pour marche en convertisseur avec des moyens dtaf faiblissement des phénomènes oscillatoires ou pendulaires. I1 est bien connu que les machines synchrones travaillant en alternateurs pour marche en convertisseur tendent à produire des mouvements oscillatoires ou pendulaires lorsque des tensions inverses engendrées par des moteurs ou des batteries entrent en action dans le circuit à courant continu, comme cela peut être le cas par exemple dans les réseaux à bord des navires. Pour affaiblir de tels phénomènes indésirables, on peut insérer dans le circuit de courant triphasé une inductance additionnelle suffisamment importante en guise d'élément supplémentaire ; mais cette inductance a une influence négative sur le facteur de puissance (réduction de la puissance de l'alternateur) de la machine synchrone avec comme conséquence une augmentation désavantageuse de la réactance de commutation. I1 a été constaté que dans les machines synchrones à cage d'amortissement normalement dimensionne, le champ transversal de la machine peut varier bien plus rapidement en cas de variations de charge que le champ longitudinal de la machine celui-ci réagissant relativement ientement en fonction de la constante de temps de l'enroulement d'excitation. Ce phénomène es- expliqué plus en détail dans un cas d'application à un réseau de bord représenté schématiquement sur la figure 1. Un alternateur synchrone 2 entraîné par une machine motrice 1 à vitesse variable (turbine, moteur diesel) alimene)par l'intermédiaire d'un redresseur en pont àcourant triphasé 3, des moteurs 4 à courant continu montés en parallèle par exemple des moteurs de v'Lhicules) ainsi qu'une batterie de bord 5.De tels alternateurs synchrones sans balais avec redresseurs montés en aval sont pratiquement sanS entretien et peuvent fonctionner à bien plus grande vitesse que les alternateurs à collecteur à ccurt continu et ont donc bien mieux utiliss de sorte qu'ils peuvent aussi êtr plus petitement dimensionnes que des dynamos classiçues a courant continu G collecteur. De tels alternateurs synchrones à haute utilisation ont une charge linéique en courant relativement forte et ont donc des valeurs de réactances synchrones élevées Xa et X dans le sens longitudinal et le sens transversal. Comme q dans les conditions de marche évoquées, l'alternateur synchrone travaille souvent bien en dessous de sa tension nominale et que le circuit magnétique n'est pas saturé dans une vaste plage de fonctionnement en raison de la variation de la vitesse de rotation, le rapport entre les réactances synchrones Xd et X rapportées à la tension donnée de l'alternateur, et celles q existant dans les alternateurs synchrones saturés travaillant à la tension nominale, est encore fortement augmenté. On a représenté sur la figure 2 le diagramme de tension stationnaire d'une machine synchrone à pôles massifs pour le cas de charge. Les réactances synchrones Xd= XqS p. U. déterminent l'angle de déphasage interne se produisant à charge stationnaire et la puissance nécessaire à l'excitation. Avec la charge de redresseur donnée comme exemple sur la figure 1, le courant de charge J est peu déphasé en arrière de la tension aux bornes U. L'excitation de l'alternateur synchrone corresponaant à ce cas de charge avec le courant J est caractérisée par la tension de roue polaire E p A charges variables, les réactances synchrones transitoires X'd, , Xi pour les champs transversal et lon q gitudinal deviennent agissantes. Aux flux magnétiques interconnectés à l'enroulement d'excitation dans l'axe longitudinal (axe - d) et l'axe transversal (axe - q) correspondent immédiatement "les tensions transitoires t E' q et E' d qui additionnées géométriquement donnent la tension E'.Dans le cas de charge stationnaire suivant la figure 2, le courant d'excitation en charge est environ 5,5 fois plus élevé qu a vide conformément au rapport Ep/U. A vide, J = O et U = E' = E' = E p q p Eh charge, le flux interconnecté à l'enroulement d'excitation dans l'axe longitudinal de la roue polaire se réduit à environ la moitié de la valeur à vide conformément à E' /U. Le flux cor q respondant à la tension transitoire E'd et dominant par sa grandeur, se dtveloppe transversalement par rapport à l'axe de la roue polaire. En cas de variations rapides de charge, l'enrou- lement d'excitation s'oppose tout d'abord à une variation du flux qui lui est interconnecté. Le flux dans l'axe de la roue polaire ne se modifie donc que relativement lentement en fonction des constantes de temps efficaces du champ longitudinal de l'enroulement d'excitation. Les temps se situent, suivant la charge, entre les constantes de temps de marche à vide ' (quelques dixièmes de seconde) et les constantes de temps de court-circuit T'd (quelques-secondes sur les machines de dimension moyenne). Par contre, sur un rotor entièrement feuilleté, sans enroulement amortisseur, le champ transversal peut se former sans retard et, s'il y a une cage amortisseuse de dimension normale, ce champ transversal se forme en fonction des constantes de temps subtransitoires qui se montent à environ le dixième seulement des constantes de temps efficaces du champ longitudinal. Ainsi quand on enclenche une charge, E' q conserve d'abord sa valeur correspondant à la tension de marche à vide U et ne décrot que relativement lentement vers la valeur stationnaire E' q indiquéesur la fulgure 2. Par contre la valeur E'd peut monter très rapidement de sorte qu'il est bien compréhensible que l'alternateur synchrone voit sa tension aux bornes augmenter malgré une augmentation de puissance fournie instantanée important / lorsquton enclenche une charge et cette tension aux-born 1'état de charge stationnaire qui s 1établit finalement et la tension aux bornes tépendënt du réglage ultérieur de l'excitation de l'alternateur. Ainsi pour maintenir constante la tension U en charge, il faut un courant d'excitation plus grand du facteur E /U et, par contre, si p le courant d'excitation ne change pas, la tension en charge di- minue à peu près du même facteur. Une action sur l'excitation n'a qu'une influence insignifiante sur le phénomène de montée en tension transitoire. Pour empocher cette montée en tension, l'excitation devrait être diminuée considérablement au premier instant par une contre-excitation, puis être augmentée conformément au rapport Ep/U. Une régulation de tension de ltalter- nateur ne peut que diminue) mais non supprimer cet effet de montée transitoire en tension dans le cadre de la puissance exis tante'dru circuit d'excitation. Avec un alternateur compoundé l'augmentation transitoire de tension peut mtme être plus grande, car l'augmentation d'excitation entre en jeu immédiatement avec l'à-coup de courant de charge. Par suite de la montée transitoire en tension, des phénomènes oscillatoires apparaissent en cas de tensions inverses efficaces dans le circuit de courant continu conforme à la figure 1. En effet, aussi longtemps que la tension de l'alternateur est inférieure à la tension continue, l'alternateur synchrone 2 marche à vide. A tension de l'alternateur plus élevée, le redresseur en pont 3 devient conducteur, de sorte que le circuit de airant continu reçoit une puissance active de l'alternateur synchrone 2. L'alternateur synchrone, lorsque la charge devient effective réagit par une montée en tension transitoire qui provoque un à-coup de courant dont l'importance est déterminée par la tension différencielle efficace engendrée. Immédiatement après, la tension de l'alternateur diminue. Dès qu'elle tombe en dessous de la tension inverse, le redresseur en pont 3 bloque à nouveau, de sorte que l'amenée de courant est supprimée et que l'alternateur synchrone travaille à vide, pendant que sa tension, à la suite du faible flux subsistant dans l'axe longitudinal (correspondant à E'q) diminue brusquement. Puis, en raison de l'excitation efficace, il se produit une nouvelle montée en tension qui atteint la valeur de la tension inverse, de-sorte que le processus décrit se reproduit. Sur les alternateurs synchrones sars cage amortisseuse, le champ transversal peut se développer sans retard, comme signalé ci-dessus, ce qui conduit à des à-coups de courant particulièrement abrupts. Dans les alternateurs synchrones équipés d'une cage amortisseuse usuelle la formation du champ transversal et, par conséquent l'apparition d'une montée en tension aux bornes de la machine n'est empêchée que dans le premier laps de temps, c'est-à-dire dans la période de temps subtransitoire, mais, par contre, dans la période de temps transitoire conzécutive, il se produit une montée en tension semblable à celle qui se produit dans une machine synchrone non amortie de sorte que le régime des à-coups de courant ne peut être qu'adouci, La raison pour laquelle les alternateurs synchroner fonctionnant avec redresseur sont souvent fabriqués sans amortissement st que du fait de l'augmentation de la réactance subtransitoire liée à l'absence d'amortissement, les à coups maximum de courant se produisant en cas de court-circuits du - c8té courant continu sont imintenus à un niveau plus bas de sorte que même en cas d'un court-circuit le redresseur n'est pas mis en danger. L'invention a , par conséquent, pour objet une machine synchrone particulièrement adaptée à une marche en convertisseur qui ne crée pas de surtensions perturbatrices au cours de processus transitoires et qui évite ainsi les àcoups de courant favorisant les phénomènes oscillatoires ou pendulaires. Ce- résultat est atteint conformément à l'invention par le fait qu'on a prévu dans l'inducteur un dispositif amortisseur de cnamp transversal, dont la constante de temps transitoire est adaptée à celle de l'enroulement d'excitation produisant un champ lonbitudinal. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description de modes de réalisation pris comme exemples, mais non limitatifs,et et illustrés par le dessin annexé, sur lequel la figure 3 représente un inducteur avec enroulement d'excitation spécial et dispositif amortisseur de champ transversal les figures 4a, 5a et a sont des vues frontales de modes de réalisation suivant la figure 3 les figures 4b, 5b et 6b sont des coupes longitudinales des modes de réalisation suivant les figures 4a, 5a, et 6a les figures 7a et 7b représentent des inducteurs entièrement bobinés en triphasé avec parties de l'enroulement d'excitation servant d' amortisseur de champ transversal les figures 8a et 8b représentent des inducteurs entièrement bobinés en diphasé avec parties de 11 enroulement d ' excit ation servant d'amortisseur de clamp transversal la figure 9a représente le plan.*c'enroulement d'un inducteur à encoches disposées ae fanon intermittente et à enrouleent d'excitation diphasé (rotor à pôles massifs) la figure 9b représente le acrema de montage de l'inducteur suivant la figure 9a la figure 10 représente une connexion à boucles de culasse pour les barres d'amortissement, à réactance de fuite augmentée les figures lia et llb représentent respective ment unie vue frontale et une vue longitudinale d'un dispositif à bouc' bouclèsd'amortissement de champ transversal avec anneaux en tôle enlacés les figures 12, 13 et 14 représentent des variantes de réalisation de connexions de barres d'amortissement avec anneaux en tôles enlacés les figures 15 à 17 représentent différentes formes de connexions à boucles de culasse, où la section de culasse de l'inducteur sert de noyau magnétisant. Dans la représentation schématique de la figure 3 on a prévu, dans l'inducteur, sur l'axe longitudinal d , un enroulement d'excitation 6 et sur l'axe transversal q, perpendiculaire au précédent, un enroulement amortisseur 7 spécial en court-circuit pour l'amortissement transversal. Les figures 4a et 4b représentent, pour un inducteur à quatre pôles et entièrement feuilleté > la disposition de l'enroulement d'excitation 6 et de l'enroulement amortisseur constitué par des barres relativement épaisses. Les barres d'amortissement 7 placées au milieu du pole dans deux encoches voisines ont une section qui représente 30 à 50 % de la section en cuivre de l'enroulement d'excitation 6. Ces barres forment des boucles d'amortissement du champ transversal fermées avec leurs éléments d'assemblahe 7a en forme de segments ou de cadres soudés (figures 5a, 5b). Au lieu des encoches à moitié fermées illustres sur la figure 4a pour les barres d'amortissement 7, on peut, conformément aux figures 6a et 6b, placer ces barres d'amortissement 7 dans des encoches fermées. En ce cas, il est prévu au milieu de chaque tôle, une seule barre d'amortissement 7 et les faces internes de toutes ces barres sont réunies ensemble par des anneaux de liaison frontaux 7b pour former une cage amortisseuse. Nais, on peut aussi prévoir pour les barres d'amortissement des formes d'encoches semblables à celles de l'enroulement d'excitation 6. Avec des encoches fermées conformément à la figure 6, les traverses d'encoches 8 viennent rapidement à saturation du fait du champ transversal et sont dès lors inefficaces magnétiquement. A la place d'un bobinage par section de l'inducteur avec l'enroulement d'excitation suivant les figures 4 à 6, et les barres d'amortissement spéciales disposées entre deux sections, on peut, conformément aux figures 7a et 7b employer un enroulement d'excitation triphasé monté d'une manière connue en soi en étoile ou en triangle et réparti régulièrement sur la périphérie rainurée de l'inducteur. L'effet souhaité d'amortissement du champ transversal est obtenu par le fait qu' en cas de couplage en étoile suivant la figure 7a, deux faisceaux de phase 9 sont connectés en parallèle et qu'en cas de couplage en triangle suivant la figure 7b, un faisceau de phase 9 est shunté. le même système est valable pour l'enroulement d'excitation diphasé suivant les figures 8a et 8b. Sur la figure 8a, chacun des deux faisceaux est subdivisé en deux faisceaux partiels A', Atf et B', Bit et ces quatre faisceaux partiels sont réunis ensemble par un conducteur d'équilibrage 10 à la manière d'un couplage en pont, ce conducteur 10 formant un circuit transversal en court-circuit. Sur la figure 8b, les deux faisceaux d'enroulement A et B disposés à 900 électriques l'un de l'autre sont mis en parallèle. Avec les enroulements d'excitation polyphasés avec effet amortisseur du champ transversal, la section totale de cuivre est disponible aussi bien dans l'axe longitudinal d que dans l'axe transversal q, de sorbe que dans les deux cas agit la même constante de temps. Sur les figures 9a et 9b on a dispmw-un enroulement d'excitation diphasé à quatre pôles avec amortissement du champ transversal, dans un rotor à pôles massifs à encoches disposées de façon intermittente et avec un pas N' = 60 encoches. les deux tiers du pas polaire sont rainurés ; il n'y a donc en tout que N - 4b encoches recevant l'enroulement. Les faisceaux partiels A', B' , A", Bit incluent un angle de 600 électriques et par suite les facteurs de bobinage efficaces dans l'axe longitudinal d et l'axe transversal q différent entre eux dans le rapport ff : 1. Plus les zones sans encoches sont étroites, et plus le rapport se rapproche de la valeur 1, c'est -à-dire plus les différences des facteurs de bobinage ou des constantes de tens agissant dans les axes lonEituainal et transversal diminuent. Dans les exemples de réalisation de l'invention décrits ci-dessus, la constante de temps d'amortissement du champ transversal est maintenue grande par le fait que la résistance agissant dans le circuit du champ transversal est calculée petite d'une manière correspondante ; en conséquence ou bien (figures 4 à 6) agissent des sections suffisamment grandes pour les barres d'amortissement 7 et les connexions transversales 7a, 7b, ou bien, dans les exemples de réalisation suivant les figures 7, 8 et 9 agissent des sections appropriées de l'enroulement d'excitation pour les deux axes. Une autre possibilité fondamentale d'obtenir une constante de temps augmentée consiste à accroître artificiellement l'inductivité du circuit transversal. Dans l'exemple de réalisation suivant les figures 8a et 9, on peut par exemple en insérant des inductances additionnelles 11 représentées en traits interronpus sur les conducteurs d'équilibrage 10 augmenter l'inductivité du circuit transversal et par là remonter encore la constante de temps correspondante, On a esquissé sur la figure 10 une forme de réalisation en vue de l'augmentation de l'inductivité du circuit transversal où sont employées des sections d'amortissement relativement faibles. L'inducteur à encoches disposées de façon intermittente et sur lequel l'enroulement d'excitation 6 est bobiné par section est monté sur un arbre à étais longitudinaux 12. Entre les sections partielles rainurées pour l'enroulement 6, sont disposées dans le secteur de chaque pôle (au milieu du pôle) deux boucles annulaires 13 amortisseuses du champ transversal passant à travers l'arbre et ramenées dans des encoches placées à la périphérie de l'inducteur, ces boucles enlaçant la culasse. Les réactances de fuite de ces boucles annulaires sont un multiple de celles des cages d'amortissement usuelles. La magnétisation de culasse des boucles annulaires agit respectivement en direction alternée. Sur les figures lia et llb des boucles amortisseuses 14 allant de pôle en pôle contre les faces frontales sont enlacées autour d'un anneau en tôle comun 15 qui est constitué comme noyau de ruban annulaire et est situé radialement à l'intérieur des têtes de bobine de l'enroulement d'excitation. L'enlacement de l'anneau en tole 15 par les boucles amortisseuses élémentaires 14 est choisi de telle sorte qutil se produit une magnétisation de même sens en direction circonférentielle pour toutes les sections annulaires. De cette manière et même avec un système amortisseur de champ transversal relativement pauvre en cuivre, on peut obtenir du fait de l'inductance de fuite augmentée une constante de temps de circuit transversal fortement augmentée et entièrement suffisante. Les figures 12 à 14 représentent des anneaux en tôle 15, avec boucles amortisseuses 14, disposés diun côté ou des deux côtés. Les connexions 16 esquissées en traits interrompus sur la figure 12 ou bien peuvent être supprimées (voir la figure 13 pour la face frontale inférieure) ou bien peuvent etre placées le long des anneaux de tôle ou bien aussi être enroulées autour des anneaux de tôle dans le sens inverse de celui des boucles amortisseuses 14. Dans ce cas, il en résulte une forme de réalisation représentée sur la figure 14 en développement pour une face frontale de l'inducteur et sur la figure lia en vue frontale. I1 est avantageux, conformément à une autre version de l'invention)d'utiliser en commun comme noyau magnétisant pour les boucles de champ transversal la section existante de culasse de l'inducteur équipé d'encoches et feuilleté. Conformément aux figures 15a et 15b, les éléments constités en boucles annulaires 18 sont placés seulement tous les deux pôles et amenés sur la culasse en forme de boucles doubles, à l'encontre de ce qui se passe sur la figure 10. Les connexions de pôle à pôle sont constituées par des ponts ou segments frontaux de sorte qu'il se produit une magnétisation annulaire pour la culasse d'inducteur. Dans la réalisation suivant la figure 16 les fils de retour des boucles annulaires 19 sont placées dans des évidements spéciaux 20 pratiqués dans la culasse d'inducteur, évidements séparés de l'arbre par des ponts magnétiques intérieurs 21. Ces ponts magnétiques 21 constituent une possibilité d'évitement pour le flux transversal reprisent en traits interrompus. Les ponta magnétiques 21 sont dimensionnés telle sorte qu'ils peuvent agir comme points d'étranglement magnétiques (saturation en cas de processus dynamiques d'équi- libre au cours desquels le champ transversal qui nait de ces processus est refoulé en direction des ponts magnétiques. Une réalisation ayant une action semblable est représentée sur la figure 17 ; dans cette réalisation, au moyen de deux boucles annulaires fermées en forme de V, 22, 23, qui se dressent respectivement contre les secteurs polaires voisins, on obtient un allongement en forme de labyrinthe (esquissé seulement en traits interrompus pour un pôle), des trajets d'évitement 24 pour le champ transversal. REVENI > ICATIONS 1. Machine synchrone amortie pour marche en convertisseur avec des moyens d'affaiblissement des phénomènes oscillatoires ou pendulaires, caractérisée par le fait qu'on prévoit dans l'inducteur un dispositif amortisseur de champ transversal dont la constante de temps transitoire est adaptée à celle de l'enroulement d'excitation engendrant un champ dans le sens longitudinal. 2. Machine synchrone suivant la revendication I avec inducteur bobiné par sections, caractérisée par le fait qu'on &commat;n a prévu comme système d'amortissement de champ transversal un enroulement amortisseur spécialplacé sur l'axe transversal de l'inducteur et en court-circuit. 3. Machine synchrone suivant la revendication 2, caractérisée par le fait qu'on a prévu au milieu du pôle entre les sections de l'enroulement d'excitation, des barres d'amortissement à faible résistance ohmique placées également dans des encoches et que ces barres sont réunies électriquement caté frontal, par des connexions à faible résistance ohmique situées radialement à l'intérieur de l'enroulement d'excitation. 4. Machine synchrone suivant la revendication 3, caractérisée par le fait qu'on a prévu deux encoches par pale pour les barres d'amortissement et-que-ces barres d'amortísse- ment sont réunies ensemble par des pièces de connexion à faible résistance ohmique en forme de segment ou de cadre en vue de constituer des circuits d'amortissement fermés. 5. Machine synchrone suivant la revendication 3, caractrisée par le fait qu'on a prévu par pôle seulement une barre d'amortissèment à faible résistance ohmique et placée dans une encoche fermée et que toutes les barres d'amortissement sont réunies ensemble en une cage amortisseuse de champ transversal par des bagues de connexion à faible résistance ohmique placées sur la face frontale et radialement à l'intérieur de l'enroulement d'excitation. 6. Machine synchrone suivant la revendication i, avec inducteur bobiné régulièrement avec l'enroulement d'excitation, caractérisée par le fait que l'enroulement d'excitation est polyphasé, est subdivisé en faisceaux ayant un certain angle l'un par rapport à l'autre et est utilisé comme système d'amortissement de champ transversal. 7. Machine synchrone suivant la revendication 6 à enroulement d'excitation triphasé, caractérisée par le fait que deux des faisceaux montés en étoile sont couplés en parallèle ou que l'un des faisceaux monté en triangle est en court-circuit. 8. Machine synchrone suivant la revendication 1 avec enroulement d'excitation diphasé placé dans des encoches répartie5 irrégulièrement ou d'une manière intermittente le long de la périphérie, caractérisée par le fait que les deux faisceaux de l'enroulemeiit sont en parallèle ou que les deux faisceaux sont subdivisés chacun en deux faisceaux partiels et connectés électriquement en un pont donc le conducteur d'équilibrage en diagonale forme un circuit amortisseur en courtcircuit en direction de l'axe transversal. 9. Machine synchrone suivant la revendication 8, caractériséepar le fait qu'on insère dans le conducteur d'équilibrage une inductance additionnelle. 10. Machine synchrone suivant la revendication avec inducteur à enroulement d'excitation en sections, caractérisée par le fait que le système d'amortissement de champ transversal dans la zone de chaque pôle entre les sections de l'enroulement d'excitation et l'inducteur est constitué sous la forme d'au moins une boucle annulaire entourant la culasse avec réactance de fuite relativement grande et sens magnétisant alterné. 11. Machine synchrone suivant la revendication 10, caractérisée par le fait qu'on a prévu par ple deux boucles annulaires en forme de culasse disposées en V, qui s'étendent respectivement vers les pôles voisins. 12. Machine synchrone suivant la revendication 10 ou 11, caractérisée par le fait que les fils de retour des boucles annulaires, côté culasse, sont placés dans des évidements spéciaux dans la culasse d''inducteur, évidements séparés de l'arbre par des ponts magnétiques situés à l'intérieur et agissant comme points d'étranglement magnétiques. 13. Machine synchrone suivant la revendication 1 avec inducteur à enroulement d'excitation par sections, caractérisée par le fait qu'on a prévu au moins un anneau de tôle contre la face frontale de l'inducteur et que cet anneau est enlacé par des boucles amortisseuses. 14. Machine synchrone suivant la revendication 1 avec inducteur à enroulement d'excitation par sections, caractérisée par le fait que dans le secteur d'un pôle sur deux entre les sections de l'enroulement d'excitation et l'inducteur on a placé des boucles annulaires amenées autour de la culasse et que les boucles annulaires magnétisant dans le même sens sont réunies par des ponts ou segments sur la face frontale, ces segments étant posés à travers les pôles intermédiaires sans bobinage annulaire.