Brevet FR2438936A1 — publié le 19800509

La présente invention se rapporte à uremaSine électrique comprenant un rotor, un stator à enroulement polyphasé et un dispositif de commutation permutant sur un autre nombre de phases lorsque la fréquence et/ou l'amplitude reste constante ou varie. Dans de nombreux domaines, on a besoin de systèmes d'entrainement àrégimes de rotation variables avec des moteurs triphasés. Pour pouvoir exécuter avec le minimum de perte le changement de nombre de tours, il est nécessaire que les moteurs soient alimentés avec un courant triphasé à fréquence variable et à amplitude de tension également variable. Ceci peut être réalisé à l'aide de transformateurs rotatifs oude convertisseurs de fréquence statiques. Un domaine d'application particulier d'entraînement de ce type est donné par-les locomotives Diesel électriques comprenant un moteur à courant triphasé, pour lesquesssil est nécessaire que sur un domaine de vitesse large, on puisse rouler avec une force de traction constante ou une puissance constante. I1 est pour cela nécessaire que les moteurs de traction à courant triphasés*t alimentés avec une fréquence et une tension variable. Entre le nombre de tours des moteurs de traction et le nombre de tours du moteur Diesel, il ne doit pas y avoir de relation. directe si bien que le nombre de tours du moteur Diesel peut être réglé en fonction d'exigences données ou de critères secondaires tels que le bruit et les gaz d'échappement, pour donner un rendemment total optimal. Dans les locomotives électriques Diesel à moteurs de traction à courant triphasé, il est connu, pour satisfaire ces exigences de redresser, par un circuit intermédiaire de courant continu, la tension triphasée constante produite par le générateur principal entraîné par le moteur Diesel et ensuite, à l'aide d'un inverseur statique à commutation forcée, de la transformer en une tension triphasée variable en fréquence et en amplitude qui est ensuite disponible pour alimenter les moteurs de traction. Cette technique est coûteuse et les composants nécessaires à sa réalisation, à savoir un redresseur à circuit intermédiaire de courant continu (condensateur de soutien, bobine de de lissage) et un redresseur comprenant des dispositif de commutation,qiisaitlourds et occupent un encombrement important. Dansune autre machine électrique (publication de la demande de brevet allemand après examen 1.960 160, la production du régime de rotation variable pour une fréquence fixe est obtenu par le fait qu'un jeu de balais rotatif, entrainé de l'extérieur et connecté à une bague collectrice glisse sur un commutateur fixe relié à un enroulement de stator. Ce jeu de balais tourne par rapport au rotor avec une différence fixe de régime de rotation si bien que dans le stator on produit un champ tournant à fréquence de rotation contrôlable qui tourne dans le sens voulu et à la vitesse souhaitée.En raison du mouvement relatif perpétuel entre le rotor à balais et le commutateur monté fixe, cette construction est fortement soumise à l'usure. D'autre part, des forces perturbatrices importantes engendrées par la force centrifuge agissent sur le jeu de balais rotatifs et nuisent à la commutation. Le but de la présente invention est donc de créer une machine électrique nouvelle par son principe et sa construction, très peu sensible à l'usure, qui offre de nombreux domaines d'application par son montage simple et peut êtreadaptde à des conditions très différentes, notamment à des nombres de phases différents. Dans unemachine électrique du typ-e précité, ce but est obtenu suivant la présente invention par le fait que le dispositif de commutation est réuni par construction, à moteur pouvant être sélectivement utilisé comme générateur à fréquence variable et amplitude de tension variable pour un nombre de tours sensiblement fixe ou encore comme moteur à vitesse de rotation variable pour une fréquence et une amplitude fixes du réseau d'alimentation et en ce qu'tue est connectée directement à l'enroulement du stator en constituant ainsi une partie fixe de la machine. La machine électrique ainsi créez qui peut constituer un générateur ou un moteur comprend déjà comme unité de construction faisant partie du stator, un dispositif de commutation et peut ainsi être utilisée directement pour résoudre les nombreux problèmes d'entraînement rencontrés dans les techniques d'entratnement par courant triphasé. Un domaine d'application est notamment constitué par les locomotives Diesel électriques à moteur de traction à courant triphasé, la machine électrique servant de générateur principal conforme à l'invention produisant directement trois tensions alternatives décalées de 1200 à tension et fréquence réglables. Ceci permet un entrainement avec une bonne transmission de puissance du moteur Diesel aux roues motrices, indépendamment du rapport entre la vitesse de la locomotive et le régime de rotation du moteur Diesel. En fonctionnement de freinage, cette machine électrique utilisée comme générateur principal peut se transmettre au fonctionnement du moteur et ainsi transmettre la puissance électrique délivrée par les moteurs de traction au moteur Diesel qui fonctionne ensuite, si l'alimentation en carburant est régulée, à titre de "freins moteur". En plus de la possibilité d'utiliser la machine conforme à l'invention comme générateur principal sur les locomotives Diesel électriques à moteur de traction à courant triphasé, la machine conforme à l'invention peut également titre appliquée avantageusement à d'autres domaines de la technique, plus particulièrement si l'on demande des régimes de rotation variables et/ou un fonctionnement à deux ou quatre cadrans pour des puissances importantes, notamment pour l'entratnement des systèmes de laminage, les techniques de transport ou analogue. Le dispositif de commutation relié à titre d'unité de construction à la machine assure la jonction des connections principales de la machine aux extrémités de l'enroulement du stator dans un ordre de succession prédéterminé dans le temps. Le nombre de phases, la fréquence et l'amplitude de tension déterminés par le nombred'rbulements du stator, leur disposition respective et le nombre de tours de la machine ainsi que par l'écoulement dans cette dernière, peuvent être rendus variables à l'aide du dispositif de commutation et avec peu de perte. D'une manière avantageuse, la fréquence et l'amplitude de la tension de sortie du générateur varient, pour un régime de rotation fixe et une exitation constante, de zéro jusqu'à au moins la fréquence de la tension de phases ou jusqu'à la valeur de la tension de phases. Ainsi, la machine conforme à l'invention convient particulièrement dans une utilisation comme génératrice principale pour les locomotives électriques Diésel à moteur de traction à courant triphasé. Dans une autre configuration avantageuse, le dispositif de commutation comprend une pluralité de thyristors pouvant être aimés au moyen d'un dispositif de commande, à des moments déterminés et dans un ordre de succession donné et pouvant 8treéteints par commutation normale. Dans une autre configuration avantageuse, le dispositif de commutation peut comprendre toutefois un système de commutation électromagnétique avec une pluralité de contacts galvaniques actonnés au moyen de cames. Dans le cas d'un système de commutation électromécanique, pour un fonctionnement en génératrice, la fréquence de la tension de sortie peut dépasser la fréquence de la tension de phase résultant du nombre de tours. Pour le fonctionnement en moteur, on peut envisager un dépassement du régime de rotation maximal, prédéterminé par la fréquence d'alimentation. Avantageusement, les cames sont disposées sur un arbre à cames qui est entraîné à l'aide d'un moteur auxiliaire réglé par un dispositif de commande. La commande est avantageusement exécutée en fonction de la différence entre le nombre de tours de la machine et le nombre de tours de l'arbre à cames. L'amplitude de la tension de sortie pour un fonctionnement en génératrice, peut être réglée par une variation de ltexitation de la machine. La machine peut être entraînée, dans son ensemble, soit par un système de commutation à thyristors soit par un système de commutation électromécanique lui-même commandé par un moteur. Dans le cas d'un système de commutation à thyristors, il faut disposer d'une commande par valves différentes pour le fonctionnement en moteur et le fonctionnement en génératrice, tandis qu'une machine équipée d'un système de commutation mécanique pourra passer, sans disposition particulière, d'un fonctionnement de génératrice à un fonctionnement de moteur et inversement.Comme ceci a été déjà dit, les deux variantes de machine diffèrent encore l'une de l'autre par leur domaine de fréquence et de régime de rotation respectif, c'est à dire, que pour une machine à thyristors, en fonctionnement en génératrice, la fréquence de la tension de sortie doit toujours être inférieure à la tension de phase "résultant de la vitesse de rotation" et en fonctionnement en moteur, le nombre de tours de la machine ne peut pas dépasser le régime de rotation maximal prédéterminé par la fréquence d'alimentation. Dans le cas de la machine équipée d'un système de commutation mécanique, toutes ces restrictions sont supprimées. Un rotor en court circuit devrait avantageusement être utilisé pour un fonctionnement en moteur pur tandis que le rotor à roues polaires doit être utilisé pour un fonctionnement en moteur et un fonctionnement en générateur. La machine peut être équipée d'un rotor à roue polaire ou d'un rotor en court circuit. A ce sujet, on utilise un rotor en court circuit pour les machines qui fonctionnent purement à titre de moteur tandis que les rotors à roues polaires duraient avantageusement être utilisés dans le cas de machines qui fonctionnent à titre de générateur ou selon des cadrans multiples. Les avantages obtenus par la présente invention résident essentiellement dans le fait qu'en premiér lieu, en fonctionnement en générateur, on produit directement et indépendamment du nombre de tours, des tensions alternatives à une ou plusieurs phases à fréquence et amplitude variables, que d'autre part, en fonctionnement de moteur, la machine peut être connectéeà un réseau d'alimentation en courant alternatif fixe au point de vue de sa fréquence et de sa Unsion, le nombre de tours de la machine pouvant être modifié, en enregistrant peu de perte, par la commande du nombre de tours du champs tournant. Plus particulièrement dans le cas de l'utilisation de la machine à titre d'une génératrice principale sur les locomotives Diesel électriques à moteur de traction à courant triphasé, les avantages de la présente invention résident dans le fait que les composants tels qu'un redresseur, un circuit de lissage, les inverseurs à commutation force et les bobines de lissage généralement interposés entre le générateur et les moteurs de traction, peuvent être supprimés. Le générateur conforme à l'invention comprend en effet une machine multiphases à dispositif de commutation intégré à thyristors ou électromécanique et est dans son ensemble plus grand que les générateurs triphasés habituels de même puissance.Toutefois, par les simplifications amenées par la présente invention, plus particulièrement par la suppression circuit intermédiaire à courant continu et du système de commutation compliqué de l'inverseur, ainsi que par la simplification des ensembles de lissage, le générateur conforme à l'invention est d'un prix de revient beaucoup moins élevé que les dispositifs analogues utilisés jusqu'à présent dans la technique de transmission de puissance à des locomotives électriques Diesel à moteur de traction à courant triphasé, ce générateur étant par ailleurs plus léger et moins encombrant. D'une manière analogue, la suppression d'un dispositif de commutation réalisé par l'intermédiaire de contacts à balais est avantageux. Les problèmes mécaniques rencontrés dans ce cas au niveau des jeux de balais rotatifs, qui sont dus aux variations de la force d1application des balais en cas de variation du nombre de tours, à la modification de la force centrifuge exercée sur chacun des balais et à la variation résultant de l'usure de la masse desdit balais, entraient des problèmes de commutation considérables ainsi qu'une usure beaucoup trop importante du dispositif de commutation. La réalisation du dispositif de commutation avec des éléments de commutation àcontacts ou à semi-conducteurs et l'intégration du système de commutation dans la machine électrique à titre de partie constituante fixe de cette dernière,aribuneoenmLrbannn demandant peu d'entretien et bfflnt une construction extremement compacte. L'invention sera seaux comprise, et d'autres buts, caractéristiques détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels - la figure 1 est une représentation schématique en cotte d'une machine équipée d'un dispositif de commutation à thyristors - la figure 2 est une vue en coupe d'un dispositif de commutation électromécanique - la figure 3 est un schéma de circuit des enroulements de stator et des valves à thyristor du dispositif de commutation - la figure 4 montre le schéma de circuit des enroulements de stator et des éléments de contact du dispositif de commutation électromécanique - lare5(a,c)montre les passages de tension u = f (t) de la machine équipée d'un dispositif de commutation à thyristor pour un fonctionnement en générateur - laf4Fre6(a,b,c,4mmheles passages de tension de la machine équipée d'un dispositif de commutation électromécanique pour un fonctionnement en générateur - la figure 7 montre les passages de tension de la machine équipée d'un dispositif de commutation à thyristos pour un fonctionnement en moteur. Comme le montrent les figures 1 à 4, la machine électrique est configuréeen machine triphasée avec un rotor à roues polaires à excitation d'origine externe. Le rotor 1 est fixé sur l'arbre 2 et est excité de l'extérieur par l'intermédiaire des bagues de frottement 3. Le stator 4 avec un enroulement 5 à 12 phases est fixé dans le carter 6 de la machine. Les paliers 7 de l'arbre 2 se trouvent dans deux plaques de coussinets 8 qui sont relie au carter 6. La plaque de coussinet de droite comprend des orifices ou des interruptions spéciales qui permettent la connexion des extrémités de l'enroulement 9 avec le dispositif de commutation 10 ou 10' logé à l'intérieur du carter 6. A la figure 1, le dispositif de commutation est essentiellement composé de thyristors. Ce dispositif de commutation comprend également un corps de refroidissement qui est avantageusement refroidi par un ventilateur Il fixé à l'arbre 2 de la machine. L'allumage des thyristors s'effectue à partir de l'unité de commande qui est disposée, dans l'exemple de la figure 1, à l'extérieur de la machine. Les connexions principales électriques de la machine sont désignées en R, S et T. A la figure 2, le dispositif de commutation 10' est formé d'une pluralité de contact de commutations galvaniques qui peuvent être actionnées par l'intermédiaire d'un système de camp ou d'un système à cames et poussoirs. L'entraînement de l'arbre à cames est réalisé à l'aide du moteur auxiliaire 13 dont le nombre de tours est à nouveau commandé par l'intermédiaire d'un organe de réglage. La figure 2 montre également un mode de réalisation dans lequel l'organe de réglage peut être monté à l'extérieur de la machine, ceci n'étant toutefois pas indispensable. La structure de l'ensemble mécanique du dispositif de commutation est généralement connue et n'a donc pas besoin d'etre décrite plus en détail. La figure 3 montre le montage d'une machine triphasée conforme à l'invention avec un enroulement de stator à 12 phases et un système de commutation à thyristors. Les systèmes de commutation et de protection le cas échéant nécesires des thyristorsTR1.1.R... T12.2.T, ne sont pas représentés. Le montage de la même machine comprenant uniquement des unités de contact électromécanique (KI.R... K12.D) est représenté à la figure 4, d'une manière analogue à la représentation de la figure 30 Le déroulement dans le temps des tensions de la machine est indiqué à la figure 5, dans le cas d'une machine comprenant un système de commutation à thyristors. Les tensions de phase (U11OM1... U110M12) ne dépendent que du nombre de tours et de l'excitation du rotor qui est considérée ici comme une consente. La tension de sortie, en traits forts, de la machine (une seule phase est représentée) résulte de l'allumage de certains thyristors à des moments donnés gracie à l'unité de commande.L'extinction des thyristors s'effectue par commutation normale ou naturelle Les figures 5a à 5c montrent la possibilité de faire varier la fréquence et l'amplitude de la tension de sortie en conservantàla madone un nombre de tours et une excitation constants. Les figures 6a à 6d montrent en analogie à la figure 5, les tensions d'une machine équipée d'un dispositif de commutation électromécanique. Pour faire varier l'amplitude de la tension de sortie, contrairement à la machine à thyristors de la figure 5, il est nécessaire de faire varier l'excitation de la machine. La fréquence de sortie est commandée par le nombre de tours de l'ensemble de commutation à cames. Contrairement à la machine à thyristors, on peut également produire dans ce cas des tensions de sortie qui dépassent la fréquence des différentes tensions de phases (figure 6d). teci est avantageusement obtenu par inversion du sens de rotation de la l'arbre à cames. La figure 7 montre le passage des tensions de la machine dans le cas d'une machine à thyristoà 3 phases, dans un fonctionnement en moteur. Dans ce cas, Ut1... UM12 désignent les tensions de phase de la machine et UR, US et UT les tensions du réseau de courant triphasé. Les segments de courbes représentés en traits pleins représentent l'état allumé des valves. Etant donné que l'allumage des valves ne s'effectue que dans la partie descendante de la tension d'alimentation, il est possible de commander les courants desdites valves et les courants totaux absorbés par la machine en continu et indépendamment du nombre de tours des moteurs. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée aux modes de réali sation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent REVENDICATIONS 1. Machine électrique comprenant un rotor, un stator à enroulement polyphasé et un dispositif de commutation permutant sur un nombre de phases différent pourune fréquence ou une amplitude constantes ou variables, caractérisée en ce que le dispositif de commutation est relié à titre d'unité de construction à la machine pouvant fonctionner sélectivement à titre de générateur à fréquence et amplitude de tension variable pour un nombre de tours sensiblement constant ou à titre de moteur à nombre de tours variable pour une amplitude et une fréquence constantes de 1a tension du réseau d'alimentation et en ce que ledit dispositif de commutation est connecté à l'enroulement du stator directement et à titre de partie constituante de ladite machine. 2. Machine selon la revendicationl,caractérisée en.ce que la fréquence et l'amplitude de la tension de sortie du générateur peuvent varier, pour un nombre de tours fixes et une excitation constante, de zéro jusqu'à au moins la valeur de la fréquence de tension de phase ou la valeur de tension de phase. 3. Machine selon la revendication I, caractérisée en ce que le rotor est soit un rotor à roues polaires soit un rotor en court circuit. 4. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif de commutation comprend une pluralité de thyristor pouvant être aRwmis au moyen d'un dispositif de commande, à des moments donnés et dans un ordre de succession prédéterminé et pouvant être états par commutation naturelle. 5. Machine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le dispositif de commutation comprend un dispositif de commutation électromagnétique avec une pluralité de contacX galvaniquescommandi par des cames. 6. Machine selon la revendication 5, caractérisée en ce que les cames sont disposées sur un arbre à cames qui peut être entrainé à l'aide d'un moteur auxiliaire réglé par un dispositif de commande. 7. Machine selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que la commande s'effectue en fonction de la différence entre le nombre de tours de la machine et le nombre de tours de l'arbre à cames. 8. Machine selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que l'amplitude de la tension de sortie pour un fonctionnement en générateur peut être réglez en faisant varier l'excitation de la machine. 9. Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que le courant du moteur, pour un fonctionnement à titre de moteur, peut être commandé indépendamment du nombre de tours du moteur, pour être réglée sur des valeurs faibles quelconques.