Brevet FR2478395A1 — publié le 19810918

La présent einvention se rapporte à un alternateur électrique adapté à la puissance de la turbine. L'énergie du vent et l'énergie hydraulique, lorsqu'on les convertit en énergie mécanique avec une turbine du type à pale assurent un rapport normal entre la puissance et le cube de la vitesse. Un alternateur électrique couplé à une telle turbine doit satisfaire trois conditions de base. Premièrement la courbe normale de la puissance en fonction de la vitesse pour l'alternateur doit couper la courbe de la puissance en fonction de la vitesse pour la turbine de façon à assurer un point d'exploitation stable autour de la vitesse nominale. Deuxièmement le système ne doit pas présenter de couple statique de façon à pouvoir démarrer sans aide extérieur et enfin il ne doit pas demander d'entretien pour la durée de vie nominale de l'ensemble. C'est un objet de l'invention de fournir un ensemble alterna- teur électrique à deux étages pour convertir l'énergie mécanique provenant d'une turbine entraînée par le vent ou une turbine hydraulique en énergie électrique. Ce système comprend: un alternateur d'excitation et un alternateur principal, l'alternateur d'excitation consistant en des aimants permanents montés sur le carter du système et en un rotor monté, de façon à pouvoir tourner, sur un arbre qui tourillonne dans le carter, ce rotor est fait en matériau non magnétique pour éliminer le couple d'engrénement et de couplesstatiques associés à une excitation par aimant permanent et comporte un bobinage monophasé réparti tout autour de sa circonférence; l'alternateur principal consiste en un bobinage statorique triphasé sur noyau magnétique monté sur le carter et en un rotor type polaire monté, de façon à pouvoir tourner, sur l'arbre et présentant un bobinage bobiné sur un noyau magnétique; un pont redresseur est monté sur l'arbre tandis que des premiers moyens relient électriquement le bobinage monophasé au pont redresseur et que des seconds moyens relient électriquement le pont redresseur au bobinage du rotor de l'alterna- teur principal, ce qui fait que la rotation de l'arbre résultant de l'énergie mécanique qui y est appliquée crée une énergie électrique triphasée à partir du bobinage statorique. Il existe toute une série d'applications possibles pour le système de l'invention. Par exemple dans le cas de chauffage dans le Grand Nord o on dispose de l'énergie du vent, le système peut se monter sur une tour équipée d'une turbine mue par le vent et être relié en permanence à des éléments chauffants de sorte que l'énergie du vent peut se convertir en eau chaude dans la mesure o le vent est disponible. Ce chauffage peut être alimenté par courant triphasé si la source froide est proche ou par courant continu si la source froide est lointaine. Le présent système s'applique également pour le pompage de l'eau, en ce que l'énergie du vent transformée en courant continu, rendue possible dans l'exemple décrit ci-dessus peut s'appliquer à une pompe à moteur à aimant permanent en courant continu ou une pompe à moteur série dans un puits pour permettre de disposer d'eau lè o l'on dispose de vent. Le présent système peut s'utiliser avec une turbine à eau type à aube sous hauteur de chute d'eau constante (énergie fournie par un petit barrage); ce système peut s'utiliser pour fournir une fréquence approximativement stable si on utilise un contrôleur électrique pour maintenir la puissance de sortie et la puissance d'entrée égale en shuntant la puissance i sortie pour chauffer quelque chose (m'me une rivière) lorsqu'on n'a pas besoin par ailleurs de cette puissance de sortie. Si l'on dispose de vent et/ou d'eau et si l'énergie produite n'est pas utilisable sur le site, on peut également la convertir en une autre énergie, généralement par des moyens chimiques comme l'électrolyse. D'autres caractéristiques avantages de l'invention seront mieux comprises à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure I est un graphique représentant une courbe de la puissance en fonction de la vitesse pour expliquer le principe de base de l'invention; et La figure 2 est une représentation schématique en coupe du système installé en accord avec l'invention. 2 478395 La figure 1 représente un rapport normal entre la puissance et le cube dela vitesse lorsqu'on utilise une turbine du type à pale pour convertir l'énergie du vent et l'énergie hydraulique en énergie mécanique. C'est-àdire que si Pm = puissance mécanique disponible à la vitesse u et PMn puissance mécanique disponible à la vitesse nominale *wn' on a P mn n La figure 2 représente le système alternateur électrique à deux étages réalisé en accord avec l'invention, o l'énergie mécanique à l'entrée, comme on peut l'obtenir à partir d'une turbine du type décrit ci-dessus est amenée en A et o on peut prélever à la sortie en B une énergie électrique triphasée. Le numéro de référence 10 désigne de façon générale un carter fermé pour le système alternateur électrique à deux étages. Les sections d'extrémité opposées 12 et 14 du carter 10 supportent les ensembles de roulement à billes 16 et 18 respectivement, dans lesquels tourillonne un arbre 20 entraîné à son extrémité 22 du fait qu'il est correctement relié à une turbine (non représentée). Le carter 10 enferme unalternateur d'excitation 24 et un alternateur principal 25. L'alternateur d'excitation consiste en un ensemble aimant perma- nent 28 qui peut comporter une couronne ou plusieurs et qui est monté sur la paroi interne de l'enveloppe du carter et un rotor 30 monté sur l'arbre 20 pour pouvoir tourner. Le rotor 30 est fabriqué en un matériau non magnétique pour éliminer le couple d'engrènement et le couple statique habituellement associés à une excitation par aimant permanent. Le rotor 30 comporte un bobinage monophasé 32 réparti tout autour de sa circonférence. L'alternateur principal 26 comporte un bobinage statorique triphasé sur noyau magnétique 34 monté sur la paroi interne de l'enveloppe du carter et un rotor 36 type polaire, à pales saillants ou non,monté sur l'arbre 20 de façon à pouvoir tourner. Ce rotor présente un bobinage bobiné sur un noyau magnétique. Il existe également, monté sur l'arbre 20 pour pouvoir tourner, un pont redresseur 38 relié électriquement en 40 et 42 au bobinage monophasé 32 et au bobinage du rotor de l'alternateur principal 36, respectivement. L'ensemble aimant permanent 28 étant en place et le rotor étant en rotation, on dispose dans le bobinage monophasé 30 d'une tension alternative. Cette tension alternative est redressée par le pont redresseur 38 et la tension redressée est proportionnelle à la vitesse c'est-à-dire V = k f U dc mi ou Vdc = tension rectifiée fournie par l'excitatrice m = flux de l'aimant X - vitesse de rotation du système. La tension courant continu est directement appliquée au champ de l'alternateur principal 36 et produit un champ de magnétisation f proportionnel à son amplitude (en négligeant la saturation) soit fg 2 k2Vdckik2*mw Donc, le bobinage triphasé 34 présente une tension proportionnelle à fg et à>. V Y et V k1 k2k23 2 donc la tension triphasée produite est proportionnelle à (flux magnétique permanent) et w 2 (vitesse du système) et à la constante physique k1k2k3 - k. En sortant dans la figure 2, on peut accéder à la tringlerie mécanique 44 à travers l'enveloppe du carter 10 pour détasser la couronne magnétique 28 à l'intérieur du carter pour l'éloigner du rotor 30. La référence 46 représente également un élément qui permet de déplacer un shunt magnétique entre la couronne d'aimant permanent 28 et le rotor 30 ou entre les aimants eux-miemes dans le cas o il y a plus d'une couronne magnétique. Les éléments 44 et 46 sont deux moyens d'affaiblir le flux provenant des aimants pour autant qu'il s'agisse du rotor tournant 30. L'un ou l'autre de ces moyens de pilotage suffit pour piloter la courbe puissance de l'alternateur. Pour une vitesse d'exploitation w, on peut modifier V à l'aide de l'un ou des deux moyens 44 ou 46 de pilotage de f. m Pour adapter l'alternateur à la turbine, on maintient la puissance électrique de sortie de l'alternateur reliée à une impédance fixe. Si on calcule la puissance électrique fournie à la sortie P, son expression mathématique est e2 4 P V = Kw e - z et celle de la courbe normale est-P 4 - = ( w) (voir figure 1) P w en n On peut donc voir que les courbes de la puissance d'entrée et de la puissance de sortie présentent un point d'exploi- tation stable. Bien entendu diverses modifications peuvent ftre apportées par l'homme de l'art aux dispositifs qui viennent d'etre décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS a. Système alternateur électrique à deux étages pour convertir l'énergie mécanique fournie par une turbine entraînée par le vent ou une turbine hydraulique en énergie électrique, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison: un carter, un alternateur d'excitation et un alternateur principal dans ledit carter; un arbre qui peut tourner dans ledit carter; ledit alternateur d'excitation comprenant des aimants permanents montés sur ledit carter et un rotor supporté, de façon à pouvoir tourner, sur ledit arbre, ledit rotor étant fait en matériau non magnétique pour éliminer le couple d'engrènement et le couple statique associés à l'excitation par aimant permanent, ledit rotor comprenant un bobinage monophasé réparti sur sa circonfé- rence; ledit alternateur principal comprenant un bobinage stato- rique triphasé sur noyau magnétique monté sur ledit carter et un rotor type polaire supporté, de façon à pouvoir tourner, sur ledit arbre et présentant un bobinage bobiné sur un noyau magnétique; un pont redresseur monté de façon à pouvoir tourner sur ledit arbre; des premiers moyens reliant électriquement ledit bobinage monophasé audit pont redresseur; et des seconds moyens reliant électriquement ledit pont redresseur audit bobinage dudit rotor de l'alternateur principal, par quoi la rotation dudit arbre résultant de l'énergie mécanique qui y est appliquée produit de l'énergie électrique triphasée à partir dudit bobinage statori- que. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte de plus des moyens situés à l'extérieur dudit carter et reliés audit aimant permanent pour déplacer ledit aimant permanent pour l'éloigner dudit rotor dudit alternateur d'excitation. 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte de plus un shunt magnétique mobile entre ledit aimant permanent et ledit bobinage rotorique dudit alternateur d'excitation pour affaiblir le flux dudit aimant permanent en ce qui concerne ledit rotor de l'alternateur d'excitation. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit aimant permanent consiste en un certain nombre de couronnes magnétiques et en ce que ledit shunt magnétique est disposé entre lesdites couronnes magnétiques.