Brevet FR2495398A1 — publié le 19820604

La présente invention concerne les systèmes d'excitation pour les grandes machines dynamoélectriques refroidies par fluide, et elle porte plus particulièrement sur les systèmes d'excitation statiques. La puissance nominale des systèmes d'excitation pour les grandes machines dynamoélectriques, comme les grou- pes turbo-alternateurs employés dans les réseaux électri- ques, a augmenté en même temps que la puissance nominale des alternateurs eux-mêmes. Les premiers systèmes d'excita- tion comportaient des sources d'énergie électrique tournan- tes, telles qu'une génératrice à courant continu séparée entraînée par l'arbre du turbo-alternateur, qui fournissaient le courant d'excitation aux enroulements inducteurs tour- nants par l'intermédiaire de bagues et de balais. Une autre technique a consisté à employer une excitatrice à courant alternatif entraînée par le turbo-alternateur, avec redresse- ment et commande de la tension d'excitation dans des batte- ries de redresseurs fixes externes. Une autre technique enco- re a consisté à employer des redresseurs à diodes montés sur le rotor. Dans ces configurations, l'ensemble de la source d'énergie à redressement tourne et la commande est effectuée au moyen de liaisons par flux électromagnétique avec les composants tournants. Le brevet U.S. 3 768 502 présente un exemple d'un système d'excitation comportant des moyens de redressement tournants. Une catégorie distincte de systèmes d'excitation est qualifiée de "statique", du fait que la source d'énergie d'excitation ne tourne pas, mais est fixe ou statique. Un système d'excitation composée du type statique est décrit par exemple dans le brevet U.S. 3 702 965. Ce brevet décrit un système d'excitation qui reçoit de l'énergie à la fois à partir d'enroulements de potentiel et d'enroulements de cou- rant, d'o l'emploi de l'expression "source composée". Les enroulements de courant fournissent de l'énergie électrique au système d'excitation sous la dépendance du courant de sor- tie de l'enroulement de stator de l'alternateur, c'est-à-dire de l'enroulement de sortie de la machine principale. Les enroulements de potentiel fournissent de l'énergie électri- que au système d'excitation sous la dépendance de la tension aux bornes des enroulements du stator. De tels systèmes d'excitation à source composée présentent des rapports de réponse d'environ 3,5 ou mieux. Les enroulements de poten- tiel de telles machines se trouvent de façon caractéristique dans les encoches de stator et sont placés sur l'enroulement principal du stator, mais en étant isolés de cet enroule- ment. D'autre part, les enroulements de courant pour le système d'excitation entourent généralement chacune des pha- ses, habituellement au nombre de trois, des conducteurs de l'enroulement de sortie de stator. Il est cependant possible d'employer des systèmes d'excitation plus simples, en particulier lorsqu'un rapport de réponse élevé n'est pas exigé. On trouve par exemple la description d'un système d'excitation simple dans le brevet U.S. 3 132 296. Cependant, le système d'excitation de ce brevet porte uniquement sur l'utilisation du troisième harmo- nique et des harmoniques supérieurs de la fréquence fonda- mentale du flux magnétique du rotor. Les systèmes du type décrit dans ce brevet ne sont pas utilisables en pratique pour de grandes machines dynamoélectriques. (On utilise ici l'expression "grande machine dynamoélectrique" pour dési- gner une machine dont la puissance nominale est supérieure à environ 50 MW.) Le troisième harmonique ou un autre harmo- nique supérieur n'est pas capable de fournir une puissance suffisante au système d'excitation pour produire des niveaux aussi élevés de puissance utile de l'alterna- teur. Contrairement aux exigences de refroidissement des grandes machines, les exigences de refroidissement pour les composants du système d'excitation d'une machine n'employant que le troisième harmonique ou des harmoniques supérieurs du flux magnétique du rotor, sont minimales. Cependant, cer- tains composants du système d'excitation de grandes machines nécessitent un refroidissement pour fonctionner de façon effective et fiable pendant de longues durées. Conformément à un mode de réalisation pecommandê de l'invention, un système d'excitation statique pour une grande machine dynamoélectrique refroidie par fluide, comportant un enroulement inducteur tournant et un circuit magnétique de stator équipé d'un ensemble d'enroulements principaux dispo- sés dans des encoches de ce circuit magnétique de stator, comprend un enroulement d'excitation qui est disposé dans les mêmes encoches destator, de façon qu'un courant alter- natif soit induit dans l'enroulement d'excitation par l'action de l'enroulement inducteur tournant, et l'enroule- ment d'excitation est connecté de façon à réagir à la pre- mière fréquence harmonique du flux magnétique du rotor. Le système d'excitation comprend en outre un transformateur qui couple l'enroulement d'excitation à des moyens de redresse- ment qui fournissent du courant continu à l'enroulement inducteur tournant, et le transformateur est de préférence disposé dans le chemin du fluide de refroidissement de la machine. Le système d'excitation de l'invention est simple et fiable. De plus, le système d'excitation de l'invention ne nécessite pas d'enroulements de courant et il est donc moins coûteux que le système d'excitation à source composée L'invention a donc pour but de réaliser un système d'excitation simple, économique et fiable pour une grande machine dynamoélectrique. L'invention a également pour but de réaliser un système d'excitation ayant une réponse initiale élevée. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent respectivement: Figure 1: une représentation schématique, partiel- lement électrique et partiellement mécanique, montrant le système d'excitation de l'invention; et Figure 2: un schéma représentant plus particuliè- rement le transformateur d'excitation. La figure 1 montre le système d'excitation de l'invention employé dans une grande machine dynamoélectrique consistant en un alternateur du type utilisé dans les réseaux électriques pour produire de l'énergie. L'alterna- teur comprend une enveloppe ou une enceinte extérieure 15, qui peut être mise sous pression, dans laquelle un fluide de refroidissement tel que de l'hydrogène circule pour refroi- dir la machine. L'enceinte sous pression 15 contient un sta- tor 11 de structure classique, tel que celui décrit dans le brevet U.S. 3 702 965 précité. La structure du stator com- prend de façon caractéristique un grand nombre de tales découpées, en forme-de secteur, qui sont empilées de façon à former une structure cylindrique creuse dort la périphérie intérieure présente un certain nombre d'encoches longitudina- les dans lesquelles sont disposés les enroulements princi- paux 12. C'est à partir des enroulements principaux 12 que la puissance électrique utile de l'alternateur est fournie par l'intermédiaire d'isolateurs de traversée à haute ten- sion 22. Un rotor 19 est placé à l'intérieur de la partie cylindrique creuse de la structure de stator 11, et ce rotor est de façon caractéristique accouplé à une turbine à vapeur ou à tout autre élément moteur. Des joints 27 sont disposés de façon à maintenir le fluide de refroidissement 28 à l'intérieur de l'alternateur. Le rotor 10 consiste en une pièce métallique forgée cylindrique de grande taille dans laquelle on a découpé des encoches longitudinales. Ces encoches contiennent de façon caractéristique au moins deux enroulements inducteurs 13. Ce sont ces enroulements induc- teurs 13 qui sont alimentés par le système d'excitation de l'invention. Les enroulements inducteurs 13 produisent un flux magnétique dirigé radialement qui coupe les enroule- ments principaux 12 pendant la rotation, ce qui produit la puissance électrique utile voulue. Du fait des grandes quantités d'énergie électri- que que produisent lesmachines dynamoélectriques du type représenté sur la figure 1, les moindres pertes dans le fonctionnement de la machine peuvent être très coûteuses et produire à l'intérieur de la machine de grandes quantités d'énergie thermique qu'il faut extraire pour assurer le fonctionnement fiable à long terme demandé par l'utilisation prévue. C'est pour de telles raisons que les enroulements principaux 12 sont de façon caractéristique refroidis avec un liquide de refroidissement tel que de l'eau. Ceci est relativement facile à réaliser à cause de la nature fixe des enroulements principaux. Cependant, il est également néces- saire de refroidir le rotor 10. On accomplit ceci de façon caractéristique en faisant circuler dans le rotor un fluide de refroidissement 28, consistant en un gaz tel que de l'hydrogène. L'hydrogène est préférable car, outre le fait qu'il est capable d'absorber et de transporter de grandes quantités d'énergie thermique, sa densité réduit les pertes aérodynamiques dans la machine. Des ventilateurs (non représentés) montés sur le rotor et d'autres moyens classi- ques de circulation de fluide font circuler le fluide de refroidissement 28 dans des refroidisseurs 19 qui sont disposés dans des d8mes 16 et 17 au sommet de l'alternateur. Ce sont ces refroidisseurs 19 qui extraient la chaleur du fluide de refroidissement avant qu'il soit renvoyé vers l'intérieur du carter principal de l'alternateur, et en particulier avant qu'il soit renvoyé vers l'entrefer situé entre le rotor 10 et le stator 11. On va maintenant considérer le système d'excita- tion lui-même et sa relation avec les autres composants de l'alternateur. La caractéristique essentielle du système d'excitation de l'invention consiste dans le jeu d'enroule- ments 14a, 14b et 14c. Les enroulements peuvent être cons- titués par une ou plusieurs barres conductrices disposées dans les encoches de stator. Ces enroulements sont les enroulements de source de potentiel du système d'excitation et on les désigne plus généralement par l'appellation "barres P". Ces enroulements sont placés dans les encoches de stator en compagnie de l'enroulement principal 12. Cependant, le courant que doivent acheminer les enroulements de barres P est notablement inférieur au courant des enrou- lements principaux de stator eux-mêmes. Les enroulements de barres P acheminent de façon caractéristique des courants inférieurs à environ 2000 A. Ces enroulements de barres P (qui sont désignés de façon générale par le numéro de réfé- rence 14) sont placés dans les encoches d'une manière sem- blable à celle indiquée dans le brevet U.S. 3 702 965 préci- té. Ils consistent de façon caractéristique en barres de cui- vre uniques situées à des intervalles de 1200 autour de la circonférence intérieure du stator de l'alternateur. L'une de ces trois barres P est située dans l'encoche qui se trou- ve au sommet dans un stator d'alternateur horizontal. Dans ces conditions, les 1200 inférieurs de la structure de stator demeurent ouverts et se prêtent mieux à l'introduc- tion de la pièce de forge qui constitue le rotor, pendant le montage de l'alternateur. A une extrémité, tous les enroule- ments de barres P sont référencés à une masse correspondant au neutre, de façon à être disposés selon une configuration électrique en étoile. On réalise de préférence cette fonc- tion en sortant les connexions des enroulements de barres P du dôme 16 vers un circuit 25, par l'intermédiaire d'un isolateur de traversée 23. Le circuit 25 remplit les fonc- tions classiques consistant en une protection par fusibles et par disjoncteur pour les enroulements de potentiel 14, à la fois individuellement et collectivement. A l'autre extré- mité de l'alternateur, c'est-à-dire à l'extrémité de sortie, les enroulements de barres P 14 sont couplés directement au transformateur d'excitation 18. Ce transformateur est envi- sagé ci-après de façon plus détaillée. Les conducteurs de sortie du transformateur sortent de l'enceinte sous pression de l'alternateur au niveau du d8me 17, par un isolateur de traversée 24, de façon à coupler le transformateur d'excita- tion au pont redresseur 20. Le pont redresseur fournit de l'énergie à courant continu à des balais fixes, et ensuite à des bagues 21 qui tournent avec le rotor 10. Les balais sont habituellement en carbone. Ainsi, l'énergie électrique qui est induite dans les enroulements de barres P sous forme de courant alternatif est appliquée à l'entrée du transforma- teur d'excitation 18, après quoi elle est redressée et appliquée à l'enroulement inducteur, en tant que source pour le flux magnétique tournant. Du fait que le magnétisme rési- duel du rotor 10 n'est généralement pas suffisant pour l'amorçage de l'alternateur, comme il est bien connu, d'autres circuits électriques (non représentés) sont généra- lement présents pour appliquer du courant électrique aux bagues 21 pendant la phase initiale du démarrage de l'alter- nateur. Cependant, l'alternateur est ensuite auto-excité. La figure 2 montre plus particulièrement la struc- ture détaillée du transformateur d'excitation 18. En parti- culier, le primaire 29 du transformateur est de préférence branché en étoile et le secondaire du transformateur d'exci- tation est branché en triangle. L'une des économies impor- tantes que permet de réaliser le système d'excitation de l'invention consiste en ce qu'il supprime la nécessité de certains circuits réactifs linéaires de grande taille. Du fait que les tensions du système d'excitation ne dépendent plus directement du courant de sortie, ces réactances de limitation de courant dans le circuit de barres P ne sont plus nécessaires. Au lieu de ceci, on peut obtenir une réactance appropriée par le flux de fuite dans le transfor- mateur d'excitation lui-m8me. Cette réactance de fuite est indiquée par les inductances 26a, 26b et 26c représentées à l'intérieur du cadre en pointillés sur la figure 2. Par conséquent, la représentation faite à l'intérieur du cadre en pointillés constitue un circuit équivalent simplifié, et il n'est pas nécessaire que les inductances 26a, 26b et 26c soient établies séparément. Comme indiqué ci-dessus, il est souhaitable que les enroulements de barres P 14 n'acheminent pas des cou- rants de forte intensité, c'est-à-dire des courants dépassant environ 2000 A. Ceci est très souhaitable du fait qu'il n'est alors pas nécessaire d'employer des moyens de refroi- dissement séparés pour les barres P. Du fait qu'un courant faible dans les barres P est souhaitable dans les grandes machines dynamoélectriques, le transformateur 18 est néces- saire pour que le système d'excitation soit capable de four- nir une puissance électrique suffisante à l'enroulement inducteur 13. Cependant, un avantage important du transfor- mateur de l'invention, comparé à ceux qui ont été employés dans les systèmes d'excitation composée, consiste en ce que l'enroulement à courant élevé du transformateur n'est plus nécessaire, ce qui réduit notablement le coût et la com- plexité de la structure du transformateur, sans parler de sa taille. C'est cette réduction de taille qui facilite l'ins- tallation du transformateur dans les dÈmes destinés au systè- me de refroidissement qui existent à l'heure actuelle sur les grands alternateurs. Une autre solution possible pour réaliser un système d'alternateur dans lequel les barres P sont traver- sées par un courant de niveau faible consiste à augmenter le nombre de barres P par phase de l'alternateur. Ceci ne présente pas de problèmes de conception notables, du fait qu'on dispose habituellement d'un espace approprié dans les encoches de stator des machines de puissance nominale éle- vee. Un avantage important de l'invention résulte du fait qu'il faut maintenant un plus petit transformateur d'excitation 18, car l'enroulement de courant n'est pas nécessaire. Ceci facilite l'installation du Transformateur d'excitation 18 dans le dôme de refroidissement 17, direc- tement dans le chemin de circulation du fluide de refroi- dissement 28 de l'alternateur. Ceci simplifie encore davan- tage la conception de ce transformateur. Le pont redresseur est un pont redresseur tripha- sé à double alternance classique équipé de thyristors, de la manière nécessaire, pour la commande de tension. De plus, le transformateur peut également consister en un jeu de trois transformateurs biphasés, à la place du transfor- mateur triphasé unique qui est représenté. Dans un mode de réalisation avantageux, il existe un couplage magnétique relativement lâche entre le primaire et le secondaire, de façon à établir une réactance de fuite suffisante pour limiter le courant en présence de conditions de défaut à la sortie du système d'excitation. REVENDICATIONS 1. Système d'excitation statique pour une machine dynamoélectrique à refroidissement par fluide comportant un enroulement inducteur tournant (13) destiné à produire un flux magnétique, et un circuit magnétique de stator (11) qui comporte un ensemble d'enroulements principaux (12) disposés dans des encoches dans ce circuit magnétique, caractérisé en ce qu'il comprend: un enroulement d'excita- tion (14) qui est disposé dans les encoches de stator de façon qu'une tension alternative soit induite dans cet enroulement sous l'action de l'enroulement inducteur tour- nant, cet enroulement d'excitation étant connecté de façon à réagir à la fréquence fondamentale du flux magnétique que produit l'enroulement inducteur tournant; un transforma- teur (18) branché à l'enroulement d'excitation; et un redresseur (20) branché au transformateur et branché égale- ment à l'enroulement inducteur tournant de façon à l'ali- menter en courant continu. 2. Système d'excitation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transformateur (18) est disposé dans le fluide de refroidissement de la machine. 3. Système d'excitation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transformateur consiste en trois transformateurs monophasés. 4. Système d'excitation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transformateur consiste en un transformateur triphasé. 5. Système d'excitation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enroulement primaire (29) et l'en- roulement secondaire (30) du transformateur (18) sont en couplage lâche. 6. Système d'excitation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enroulement primaire (29) et l'enroulement secondaire (30) du transformateur sont en couplage serré. 7. Système d'excitation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enroulement d'excitation (14) comprend trois conducteurs sous forme de barres (14a, 14b, 14c) qui sont disposés dans les encoches de stator à des positions uniformément espacées dans le circuit magnétique de stator. 8. Machine dynamoélectrique, caractérisée en ce qu'elle comprend: le système d'excitation selon la reven- dication i; un circuit magnétique de stator (11) avec un ensemble d'enroulements principaux (12) disposés dans des encoches de ce circuit magnétique; et un enroulement induc- teur tournant (13).