Brevet FR2468244A1 — publié le 19810430

- 1 _ Circuit de commutation pour balais à courant élevé dans une machine dynamo-électrique L'invention concerne les machines dynamo-électriques k courant continu et plus particulièrement une telle machine dans la- quelle des courants élevés sont transmis par des balais. Les machines à courant continu classiques utilisent des balais électrographitiques ou en carbone qui supportent une densité de courant maximale de 7,75 à 15,5 Amp/cm2 sous une chute de ten- sion approximative de 1 volt* Les machines courantes a courant continu comportent des petits pales et enroulements à pales de commutation, situés entre les pôles principaux utilisés pour créer des différences de potentiel dans les conducteurs soumis k la commutation, de telle sorte que le courant de ces conduc- teurs s'inverse de façon presque linéaire. Cette disposition est appelée commutation linéaire. Dans ces conditions, les den- sités de courant et de puissance sont réparties uniformément dans le volume total des balais. De légères déviations depuis la commutation linéaire idéale produisent des densités non- uniformes de courant et de puissance, qui sont aisément admises par le matériau formant la masse du balai. Une nouvelle génération de machines à courant continu, à grande intensité et faible tension, en cours de développement, nécessite des transferts, par contacts glissants, de densités de courant de 150 à 300 Amp/cm2 sous des chutes de tension de moins de 200 millivolts. De telles caractéristiques de trans- fert de courant peuvent être obtenues en utilisant des balais en métalgraphite fonctionnant soit dans l'air, soit, s'il se peut, dans une atmosphère commandée de bioxyde de carbone humide. Pendant un intervalle de coupure de courant, cependant, lorsque le courant de barre de rotor diminue du niveau normal de fonctionnement k zéro, l'inductance de fuite de barre de rotor induit une tension additionnelle barre - balai -2- ce qui tend à maintenir le courant de barre constant. mesure que la surface du contact balai sur barre diminue et que la résistance de contact correspondante s'accroit, la densité de puissance à ce contact s'accroit brusquement de quelques di- zaines à quelques centaines et plus de watts par cm2. de telles densités de puissance sur l'interface balai sur barre, le constituant métal du balai métal graphite fond et se dépose sur la surface de la lame de collecteur. Ainsi, une mince zone d'appauvrissement se forme sur la surface du balai, débutant à l'extrémité arrière et s'étendant vers l'extrémité avant. L'ex- tension de l'appauvrissement se révèle une fonction compliquée de la pellicule se formant en surface, de la puissance volumi- que et du mouvement du balai. Un tel appauvrissement est indésirable pour plusieurs raisons: 1. La résistance de contact de balai et, par suite, la chute de de tension au balai sont accrues. 2. Un appauvrissement substantiel en métal conduit à un mauvais contact mécanique accroissant de ce fait la résistance d'in- terface. Les accroissements de dép8ts dans l'intervalle isolant entre barres adjacentes du collecteur peuvent con- duire au court-circuitage de ces barres. 3. Les caractéristiques de commutation découlant de l'appauvris- sement dépendent fortement de la charge en raison de leur sensibilité à l'énergie emmagasinée dans l'inductance de fuite des barres de rotor. Par suite, un établissement d'arc sur le bord arrière, peut ou non se produire, sous un cou- rant de charge donnée en fonction de l'étendue de l'appau- vrissement existant au moment de l'établissement du courant de charge. -3- 4. En raison des caractéristiques variables de balai, associées à la formation de l'appauvrissement, les précisions de ren- dement sont, au mieux, des approximations. Bien que l'établissement d'arcs au bord arrière puisse être efficacement éliminé en utilisant un balai électrographitique classique au bord arrière-pour absorber l'énergie en excès de fuite de barre, cette technique ne s'est pas montrée une solu- tion entièrement satisfaisante au problème de l'appauvrisse- ment. L'appauvrissement des balais.en métal graphite se pro- duit encore lorsqu'ils sont utilisés avec un balai électro- graphitique de bord arrière. De plus, la dissipation de la haute puissance à l'intérieur du balai électrographitique ac- crolt la température du corps de ce balai jusqu'à des niveaux inacceptables. Pour remédier à ces défauts, l'invention concerne un circuit de commutation pour machine dynamo-électrique à courant con- tinu ayant un stator et un rotor, des conducteurs dans ce rotor, connectés électriquement aux lames de collecteur, et des balais qui établissent de façon intermittente un contact physique et électrique avec ces lames de collecteur, ce cir- cuit de commutation comportant un premier balai, une première lame de collecteur, un premier balai auxiliaire disposé pour entrer en contact avec cette première lame de collecteur avant que le premier balai ne se sépare de celle-ci, un dispositif redresseur connecté électriquement en série avec ce premier balai et le premier balai auxiliaire, et une source de force électro-motrice qui produise un courant dans ce circuit qui soit sensiblement égal au courant circulant entre la première lame de collecteur et le premier balai et qui amène ce courant à zéro lorsque ce premier balai se sépare de cette première lame de collecteur. L'invention va maintenant être décrite, à titre d'exemple, -4- avec référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un rotor à courant continu et d'un circuit de commutation; - les figures 2 et 3 sont des mêmes schémas à différents moments et positions de rotor; et - la figure 4 est un dessin schématique d'une variante de circuit de commutation. En se reportant aux figures 1 à 3, il y est représenté, de façon schématique, un circuit de commutation pour une machine dynamo-électrique à courant continu dans laquelle des courants élevés, dans la gamme de 155 à 310 Amp/cm2, sont transférés à travers une commutation à contacts glissants avec des chutes de tension inférieures à 200 millivolts. Le circuit de commutation pour réduction de la production d'arcs de bord aux balais, lorsqu'ils quittent les lames de collecteur, se compose d'un redresseur 1 pour courants forts, connecté en série avec une source de force électromotrice dé- signée de façon générale par 3, qui produit un courant qui est contraint à zéro par une force électromotrice décroissant rapi- dement, lorsque le balai se sépare de la lame de collecteur. La source de force électromotrice peut être obtenue extérieure- ment à la machine, cependant dans les modes de réalisation préférentiels, des conducteurs dans le champ de frange polaire sont utilisés pour produire la force électromotrice souhaitée. La figure 1 représente schématiquement une partie d'un rotor d'une machine dynamo-électrique ayant des conducteurs 5, 7 et 9 disposés à l'intérieur de façon à traverser un champ de flux produit par des pôles du stator (non représentés). Des forces ou tensions électromotrices, désignées ci-après par fem, sont -5- représentées par E5, E7 et E9, qui produisent respectivement des courants 15, I7 et I9 dans les conducteurs 5, 7 et 9 lors- qu'ils se meuvent à la vitesse V. L'impédance d'une charge est désignée par RL et le courant circulant à travers cette charge est désigné par IL. Des lames de collecteur 15 et 25, 17 et 27, et 19 et 29 sont représentées comme électriquement connectées aux conducteurs 59 7 et 9, respectivement. Un balai principal à multi-éléments 31 est représenté en cours de contact avec la lame de collecteur 17 et un balai principal à multi-éléments 33 est représenté en cours de contact avec la lame de collecteur 27. Un balai auxiliaire 35 est représenté en contact avec la lame de collecteur 17 et isolé physiquement du balai 31. Ce balai auxiliaire 35 est aussi connecté électriquement à des balais auxiliaires 37 et 39, qui sont représentés en cours de contact avec les lames de collecteur 19 et 29, respectivement, Un circuit série est formé comprenant les balais auxiliaires , 37, 39, les lames de collecteurs 17, 19, 29 et le conduc- teur 9, le balai 31 et le dispositif redresseur 1. Ce conduc- teur 9 est choisi de façon que lorsque le bord arrière du balai 31 approche le bord arrière de la lame de collecteur 17, un courant I9 s'établisse dans le circuit en série. Ce courant est réduit à zéro par une fem qui diminue rapidement, E9, produite dans le conducteur 9 par un champ de frange polaire lorsque le balai 31 se sépare de la lame de collecteur 17e La figure 2 représente le circuit pendant l'intervalle de temps oh le courant I7 ou I9 diminue. La figure 3 représente le circuit au moment o le balai est sur le point de se sépa- rer de la lame collectrice 17. Comme représenté sur la figure 2, la séquence de commutation -6- dans laquelle le courant 17 de barre de collecteur est coupé, débute lorsque la lame de collecteur 17 entre en contact avec le balai auxiliaire 35. Les balais auxiliaires 37 et 39 ont déjà pris contact avec les lames de collecteur 19 et 29, res- pectivement, et ont avancé approximativement d'un demi-pas de lame de collecteur. Le courant I7 venant du conducteur 7 suit maintenant un chemin traversant le circuit série comprenant les balais auxiliaires 35 et 39, le conducteur 9 et le dispo- sitif redresseur 1. Ce chemin de courant peut être suivi seule- ment si la fem dans le conducteur 9 est supérieure à la somme de la chute de tension directe du dispositif redresseur 1 et des chutes de tension résistives du chemin de courant auxi- liaire. Puisque le balai auxiliaire 35 est physiquement isolé du balai 31, le courant I7 peut être amené à zéro en réduisant la fem E9 à zéro lorsque les conducteurs 7 et 9 se déplacent d'un demi-pas de lame de collecteur. Cette fém Eg peut être commandée par un bobinage central interpolaire séparé ou par une soigneuse mise en place des balais 37 et 39 sur les lames de collecteur d'un conducteur dans la région de frange du pôle principal. Dans le circuit illustré par la figure 1, le courant 19 de balai auxiliaire produit un couple utile. Cependant, la perte de puissance associée avec le dispositif redresseur à polari- sation directe 1 peut représenter une partie appréciable de la puissance engendrée par conducteur et la période de conduction du redresseur doit en conséquence être minimisée. Ceci peut être réalisé en choisissant un conducteur 9 dans lequel la polarité de la fém E9 s'inverse juste comme la lame de collec- teur 17 se sépare du balai 31. L'énergie emmagasinée dans les inductances de fuite L, et L2 sera absorbée pendant l'inter- valle de commutation par la fem.de polarisation directe du re- dresseur 1 et la force électromotrice d'opposition fem Eg, qui coopère pour s'opposer au courant circulant à travers le re- dresseur 1 et à travers le circuit. L'énergie inductive emma- -7- gasinée est ainsi consommée en se dissipant dans le redresseur 1 et dans le couple moteur de rotation produit dans le conduc- teur 9. La figure 4 représente un autre mode de réalisation-dans le- quel le circuit renferme un dispositif redresseur 1 et cinq balais auxiliaires 35, 41, 43, 45 et 47, qui entrent en contact respectivement avec les lames de collecteur 17, 51, 53, 55 et 57. Les lames de collecteur 51 et 53 sont connectées à un con- ducteur 59 qui produit un courant I59 avec une fem E59, tandis que les balais auxiliaires 55 et 57 sont connectés électrique- ment à un conducteur 61 qui produit un courant I61 avec une fem E61. Les balais auxiliaires sont connectés électriquement en série dans l'ordre dans lequel ils viennent d'être énumérés et le balai auxiliaire 47 est connecté en série au dispositif redresseur 1. Ce mode de réalisation particulier présente l'avantage d'éliminer les longs conducteurs nécessaires dans l'autre mode de réalisation. Les circuits de commutation décrits ci-dessus possèdent les caractéristiques suivantes: Balais auxiliaires isolés des balais principaux de telle sorte qu'un chemin à basse impédance soit créé pour le courant dans la lame de collecteur qui se sépare du balai principal. Le dispositif redresseur à courant élevé 1 est connecté en série avec la source de fem, un conducteur dans la région de frange, pour empêcher une circulation inverse du courant dans le circuit, lorsque le courant circulant dans ce dernier est amené à zéro. Le circuit, afin de court-circuiter efficacement le courant de commutation du bord arrière, doit fournir une fém auxiliaire pour surmonter la chute de tension directe du dispositif re- dresseur aussi bien qu'une résistance additionnelle dans les conducteurs auxiliaires d'interconnexion. Après que le balai principal se soit séparé de la lame de collecteur, la fem du circuit est réduite soit parce que le conducteur se déplace dans une région à flux réduit soit par une modification du flux dans le conducteur produite par des bobinages interpolaires séparés ou bien par une combinaison de ces procédés. Finalement, l'énergie inductive emmagasinée dans le circuit est dissipée dans le dispositif redresseur ou délivrée comme puis- sance utile à la charge. Ce circuit de commutation pour l'absorption de l'énergie de commutation d'une machine dynamo-électrique à courant continu à basse tension et courant élevé permet l'utilisation de tout type de balai à faible résistance, à des densités de courant élevées, sans l'indésirable détérioration des balais et des lames de collecteur. La commande positive de la commutation utilisant une connexion électrique aux circuits auxiliaires à l'intérieur de la machine, améliore la fiabilité et augmente l'uniformité de rendement de cette machine0 Il est sous-entendu que, bien que les modes de réalisation préférentiels aient été décrits en termes particulièrement applicables aux générateurs à courant continu, l'invention est applicable aux moteurs à courant continu aussi bien qu'aux générateurs à courant continu. _9- REVENDICATIONS Circuit de commutation pour machine dynamo-électrique à courant continu ayant un stator et un rotor, des conducteurs dans ce rotor, connectés électriquement h des lames de collec- teur, et des balais qui établissent de façon intermittente un contact physique et électrique avec ces lames de collecteur, ce circuit de commutation étant caractérisé par ceci qu'il comporte un premier balai, une première lame de collecteur, un premier balai auxiliaire disposé pour entrer en contact avec, cette première lame de collecteur avant que le premier balai ne se sépare de celle-ci, un dispositif redresseur connecté électriquement en série avec ce premier balai et le premier balai auxiliaire, et une source de force électromotrice qui produise un courant dans ce circuit qui soit sensiblement égal au courant circulant entre la première lame de collecteur et le premier balai et qui amène ce courant à zéro lorsque ce pre- mier balai se sépare de cette première lame de collecteur. 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un second balai, une seconde lame de collecteur, les première et seconde lames de collecteur étant connectées à l'un des conducteurs du rotor, les premier et second balais étant agencés de telle sorte que le premier balai se sépare toujours de la première lame avant que le second balai se sépare de la seconde lame du collecteur. 3. Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une troisième lame de collecteur, une quatrième lame de collecteur, ces troisième et quatrième lames de collecteur étant connectées à l'un des conducteurs disposés dans le rotor, de façon à produire la force électromotrice, et un second et un troisième balai auxiliaire disposés en contact avec les troisième et quatrième lames de collecteur lorsque le premier balai auxiliaire est en cours de contact avec la première lame de collecteur. -10 _ 4. Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte des troisième et quatrième lames de collecteur connec- tées à l'un quelconque des conducteurs dans le rotor, une cin- quième et une sixième lame de collecteur connectées à un con- ducteur quelconque dans le rotor, un second balai auxiliaire connecté électriquement au premier balai auxiliaire et disposé pour être en contact avec la cinquième lame de collecteur quand le premier balai auxiliaire est en contact avec la première lame de collecteur, un troisième et un quatrième balai auxi- laire connectés électriquement et disposés pour entrer respec- tivement en contact avec les sixième et quatrième lames de collecteur quand le premier balai auxiliaire est en contact avec la première lame de collecteur, un cinquième balai auxi- liaire connecté électriquement en série avec le dispositif redresseur et disposé pour être en contact avec la troisième lame de collecteur lorsque le premier balai auxiliaire est en contact avec la première lame de collecteur, les conducteurs entre les troisième et quatrième lames de collecteur et entre les cinquième et sixième lames de collecteur fournissant la source de force électromotrice.