Brevet FR2493063A1 — publié le 19820430

La présente invention concerne les machines Elec- triques plus particulièrement une machine électrique synchrone supraconductrice. L'invention peut être utilisée.pour l'étude et la mise au point de machines électriques synchrones supraconductrices de grande et moyenne puissance. La machine électrique synchrone supraconductrice objet de l'invention, peut être utilisée le plus utilement en tant que moteur électrique pour des dispositifs d'entraînement dont la charge varie rapidement. On connaît une machine électrique à courant continu (soir DE 2027673) qui comporte un enroulement de compen sation équilibrant le couple électromagnétique de réaction de l'induit appliqué à un enroulement d'excitation supra conducteur Cette machine apporte la solution de principe au problème de la compensation de la réaction de l'induit. Cependant, les charges variables sur l'arbre font varier la valeur du couple électromagnétique agissant sur l'enroulement supraconducteur. I1 est donc nécessaire de prévoir un réglage ininterrompu de l'intensité du courant passant a travers l'enroulement de compensation en onction de la valeur du courant dans l'enroulement de l'induit pour obtenir une compensation quelle que soit la charge. Un tel réglafge doit être réalisé sans iaertie êtant denné qu'un désalignement (retarâ et avance) des courants dans les enroulements d compensation et de l'induit ne peut être teléré.Dans le cas contraire, même une absence momentanée de compensation du couple de réaction de l'induit provo tuerait la destruction des appuis de l'enroulement supraconducteur cause des contraintes mécaniques élevées. De tentatives ont é faites pour résoudre ce problème. On connaît par exemple une machine électrique (voir certificat d'auteur d'URSS n 396792) dans laquelle la compensation du couple de réaction de l'induit est assurée à l'aide de deux enrouleinents montés mobiles l'un par rapport a l'autre. Dans cette machine électrique, l'enroulement d'excitation (inducteur) est constitué de deux enroulements dont l'un est supraconducteur et dont l'autre joue le rôle de compensateur.L'enroulement supraconducteur est situé à l'intérieur de l'induit tournant, tandis que le second enroulement est disposé à l'extérieur de cet induit. Dans le but de compenser le couple de réaction de l'induit et de supprimer les efforts agissant sur l'enroulement supraconducteur monté dans un cryostat, cet enroulement est monté de manière à pouvoir tourner par rapport au second enroulement (enroulement de compensation).Dans le cas d'un changement de charge dans cette machine, il y a lieu d'assurer une variation correspondante de l'angle de rotation de l'en- roulement supraconducteur par rapport à l'enroulement de compensation, ce qui entraîne des difficultés considé- rables d'utilisation et de conception sutout d cause de l'inertie mécanique du cryostat avec l'enroulement supraconducteur. On connaît aussi une machine électrique synchrone (voir certificat d'auteur d'URSS N 369659) dans laquelle on a prévu une compensation automatique du couple de réac- tion de l'induit. Cette machine comporte un inducteur avec un enrou- lement d'excitation supraconducteur , un enroulement compensateur et un dispositifs de prise de courant com- prenant un collecteur et des balais La dispositif de compensation est un enroulement compensateur réparti monté immobile par rapport à l'inducteur et ayant un nombre de paires de pôles égal à celui des paires de poles de la machine. C?t enroulement de compensation est monté en série, par l'intermédiaire du collecteur et des balais qui sont fixes par rapport à l'induit, avec l'enroulement de l'induit, les axes des phases de l'enroulement compensateur étant décalés d'un angle de 180 par rapport à ceux des phases de l'enroulement de l'induit. Pour réduire la tension entre les phases collectrices, on a proposé de relier l'enroulement de l'induit à l'enroulement compensateur par l'intermédiarie de transformateurs de courant. Dans cette machine électrique, le courant de réac tion de l'induit tourne en synchronisme avec l'inducteur et, pour le compenser, il faut créer un contre-flux tournant de l'enroulement compensateur. L'enroulement compensateur de cette machine est immobile par rapport à l'induit et constitué par le collecteur et le groupe de balais. C'est ce dernier qui forme, du nombre total des spires de l'enroulement collecteur, le nombre voulu de phases. Lorsque l'inducteur et l'enroulement compensateur qu'il supporte sont en rotation, le groupe de balais est immobile par rapport à l'induit et, en conséquence, les phases de l'enroulement compensateur qui sont disposées éntre eux sont également fixes. La composition des sections de l'enroulement qui font partie de chacune des phases change continuellement.Le fait d'alimenter 11 enroulement compensateur en courant alternatif permet de produire un flux magnétique qui tourne par rapport à l'enroulement de l'induit et qui est fixe par rapport à 11 inducteur. La fonction du collecteur et du groupe de balais dans cette machine électrique synchrone-consiste à commuter les spires de l'enroulement et à former les phases de l'enroulement compensateur à la différence de la fonction du redresseur dans une machine à courant continu. Pour pouvoir fermer les circuits des phases de lten- roulement de l'induit par l'intermédiaire des circuits de l'enroulement compensateur, on doit disposer d'un appareillage sensible de protection dans le circuit de chacune des phases de l'enroulement de l'induit pour le cas oû il se produit une rupture quelconque ou un courtcircuit dans une section de l'enroulement compensateur. Sans provoquer une coupure du circuit de l'enroulement de l'induit, la rupture ou le court-circuit provoque la déformation du champ de l'enroulement compensateur et la diminution de sa valeur, ce qui ne peut être toléré. La présence d'un groupe de balais et d'un collecteur,de même que le fait qu'ils fonctionnent en courant alternatif, compliquent la structure de la machine et en réduisent la fiabilité. Par ailleurs, on ne peut alimenter l'enroulement compensateur par l'intermédiaire de transformateurs de courant dans le but de réduire la tension entre les plaques,du collecteur étant donné que l'insertion des transformateurs dans les circuits d'alimentation de l'enroulement compensateur provoque un retard dans le changement du champ compensateur par rapport à celui du champ de l'induit à cause de l'inertie électrique des transformateurs de courant. Tout ceci ne fait que compliquer la construction et la mise en oeuvre de .la machine, tandis que sa fiabilité est moindre. L'invention vise à mettre au point une machine électrique synchrone dont la fiabilité soit augmentée grâce à une amélioration de la structure de l'enroulement de compensation et des moyens d'alimentation de celui-ci. La machine électrique synchrone suivant l'invention comporte un enroulement polyphasé d'induit, un inducteur supraconducteur et un enroulement--eompensateu-r- polyphasé réalisé sous la forme de sections et ayant chacune de ses phases reliée en série, par l'intermédiaire d'un contact glissant avec l'une des phases de l'enroulement de l'induit, est caractérisée en ce que chacune des sections de l'enroulement compensateur comporte des conducteurs de toutes les phases, chacune des phases de l'enroulement compensateur étant couplée à un redresseur distinct de sorte qu'elle est parcourue par un courant unidirectionnel. Grâce au fait que chacune des sections de l'enroulement compensateur comporte un ensemble de conducteurs de toutes les phases, que ces sections sont alimentées de façon individuelle par l'intermédiaire de redresseurs et qu'elles sont couplées en série avec les phases de l'enroulement de l'induit, qu'il en résulte que le courant total du conducteur composé de chaque section est constant et proportionnel au courant de l'induit à tout instant, tout en créant une compensation sans inertie et automatique du couple de réaction de l'induit. Un tel mode de couplage des phases des enroulements de compensation et d'induit fait qu'ils sont parcourus par un même courant, si bien que tout changement survenant dans les paramètres de phase de n'importe lequel de ces enroulements entraîne un: changement du courant qui les parcourt. De cette manière, le système utilisé pour la protection de l'induit protège en même temps l'enroulement de compensation de sorte qu'on n'a pas besoin de dispositifs supplémentaires de protection de ce dernier. L'absence du commutateur de sections et d'un organe engendrant les phases de 1'enroulement compensateur (voire l'absence d collecteur fonctionnant en courant alternatif) concourt à simplifier la construction de la machine et à augmenter sa fiabilité. Il est intéressant de réaliser la machine électrique synchrone, objet de l'invention, de telle sorte que chaque phase de l'enroulement compensateur soit divisée en deux branches réunies entre elles en parallèle et en opposition et connectées à des redresseurs séparés. Un tel mode de conception est pari'culièrement approprie pour les machines à basse tension: il permet de réduire le nombre d'éléments constituant le redresseur en augmentant ainsi la fiabilité. Dans les machines de grande puissance, il est utile de transposer entre eux les conducteurs de différentes phases de l'enroulement de compensation. S'agissant du groupe de machines décrites prQcédem- ment, dans un pareil cas, lorsque les dimensions du conducteur de l'enroulement compensateur deviennent commensurables avec la distance entre ledit enroulement et l'inducteur, l'emplacement des conducteurs des différentes phases dans la section de l'enroulement compensateur influe sur la forme du champ compensateur et, par conséquent, sur le couple de compensation. Quant au mode de réalisation suivant l'invention de l'enroulement compen sateur, -il permet de reduire les déformations du champ compensateur. Il est très avantageux d'utiliser, dans la machine électrique synchrone suivant l'invention, des redresseurs réversibles par l'intermédiaire desquels les phases de l'enroulement compensateur sont branchées en série sur les circuits des phases des enroulements de 11 induit, l'arbre de l'induit supportant un capteur de couple sensible au signe, dont la sortie est connectée à l'entrée d'un dispositif de commande qui est en liaison électrique avec lesdits redresseurs réversibles. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation, faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la Fig. 1 montre en coupe longitudinale une partie de la machine électrique synchrone selon l'invention;. - la Fig. 2 représente un exemple de réalisation de la section de l'enroulement compensateur de la machine électrique synchrone selon l'invention; - la Fig. 3 représente un mode de connexion des sections voisines de l'enroulement compensateur dont 1'une est représentée a la figure 2; - la Fig. 4 représente le schéma de connexion de l'enroulement de l'induit, de l'enroulement compensateur et des redresseurs de la machine électrique synchrone selon l'invention; - la Fig. 5 représente une autre version du schéma représenté a la figure 42 à utiliser pour des machines de basse tension selon l'invention; ; - la Fig. 6 représente une version du schéma repré- senté à la figure 4, utilisable pour l'inversion de marche de la machine électrique synchrone objet de l'in vention, et - la Fig. 7 illustre la loi du changement dans le temps du courant dans l'enroulement compensateur. La machine électrique synchrone comprend un stator 1 (Fig. 1) supportant un cryostat 2 et un enroulement compensateur 3. A l'intérieur du cryostat 2 sont logés un inducteur supraconducteur 4 et un induit tournant 5 avec son enroulement polyphasé 6 qui est relié, par l'intermédiaire de bagues de contact 7 et de balais 8, à un dispositif redresseur 9 et à l'enroulement compensateur 3. Ce dernier est immobilisé sur le stator 1 et est maintenu à la température normale. Une section 10 (Fig.- 2) de l'enroulement compensateur 3 est constituée par un ensemble de conducteurs 11, 12, 13 de différentes phases. C'est ainsi que le conducteur 11 est branché sur la phase A, le conducteur 12 est sur la phase B, et le conducteur 13 sur la phase C. Comme on le voit à la fig. 2, la section 10 présente une inflexion dans sa partie frontale. Une telle transposition des conducteurs peut suffire si les dimensions de la section 10 sont commensurables avec la distance entre l'enroulement compensateur 3 et l'indicateur 4. Pour les machines de grande puissance, il peut être utile de transposer les conducteurs de phase 11, 12, 13 dans la partie cannelée de la section 10. Les conducteurs de phase 11, 12, 13 (Fig. 3) sont associés en série en cas de haute tension d'alimentation de la machine ou en parallèle en cas de basse tension. Les conducteurs 11 de toutes les sections de l'enroulement compensateur 3 constituent la phase A de cet enroulement, les conducteurs 12 forment la phase B et les conducteurs 13 la phase C. Suivant un mode préférentiel de réalisation de l'invention, le dispositif redresseur 9 se présente sous la forme de trois ponts redresseurs 14, 15, 16 (Fig. 4) sur la diagonale de chacun desquels est branchée l'une des phases A, B, C de l'enroulement compensateur 3. Pour réduire le nombre des éléments du dispositif redresseur 9 dans les machines à basse tension, chacune des phases de l'enroulement compensateur 3 peut être divisée en deux branches 17, 18 (Fig. 5) connectées en parallèle et en opposition à des redresseurs isolés 19, 20. En cas de changement de signe du couple électromagnétique de l'induit (par exemple en cas d'inversion de marche du moteur) on doit modifier le signe du couple électromagnétique compensateur et, pour ce faire, il faut inverser le sens du courant dans l'enroulement compensateur. Suivant un des modes de réalisation de l'invention, on peut y parvenir en rendant réversibles les ponts redresseurs 14, 15, 16. I1 est possible d'utiliser, en guise d'un tel pont redresseur réversible, un convertisseur réversible connu 21 dont les bras sont constitués par des thyristors connectés en parallèle et en opposition. La commande de ce convertisseur peut être effectuée à l'aide d'un dispositif de commande 22 connu approprié largement utilisé dans l'industrie. L'entrée de ce dispositif est connectée à la sortie d'un capteur 23 de couple sensible au signe, qui est monté sur un arbre 24 de l'induit. Le rôle de capteur 23 de couple sensible au signe peut être confié à un capteur connu tel qu'un torsiomètre annulaire -magnétoélastique dont le fonctionnement est basé sur la mesure du changement de perméabilité magnétique de corps ferromagnétiques en fonction des contraintes mécaniques dues aux forces appliquées. La machine électrique synchrone fonctionne comme suit. La machine étant en marche, un couple Electromagné- tique de réaction de l'induit agit sur l'inducteur 4. L'enroulement compensateur 3 engendre un couple agissant sur l'inducteur 4 et compensant le couple du au courant de l'enroulement 6 de l'induit. Chacun des conducteurs de phase 11, 12, 13 de l'enroulement compensateur 3 sont parcourus par des demi-ondes redresses décalées dans le temps iA - iA, iB -iB, iC-iC (Figure 7) provenant des courants de phase de l'enroulement de l'induit. Le courant total dans la section de l'enroulement compensateur 3 est égal à la somme des courants dans les conducteurs de phase dont la valeur moyenne constante est lo . La valeur Io change en correspondance avec la variation des courants de phase de l'enroulement de l'induit ce qui assure la compensation automatique du couple de réac- tion de l'induit dans le cas de charges variables. Dans le cas où l'enroulement compensateur est connecté comme représente à la Fig 5, chacune de ses branches parallèles de phase est parcourue par des demiondes des courants de phase correspondants de l'enroulement d'induit, ces courants étant de sens différent mais, grâce à la connexion opposée desdites branches, le courant total dans le conducteur composé de phase garde le mêm sens et la même valeur que dans le cas précédent. Dans le cas d'une inversion de marche de la machine, le couple de réaction de l'induit change de signe, ce qui impose 3a nécessité d'inverser le signe du couple empensateur créé par l'enroulement compensateur 3. Pour ce faire , on doit inverser le sens des coupants de phase Dans 1 l'enroulement compensateur Ceci est prévu par celui des modes de réalisation d l'invention où les phases de l'enroulement compensate sont alimentées par l'intermédiaire des convertisseurs réversibles 21 qui assurent la sens voule du courant à travers l'enroulement compensateur 3 en fonction du ses d'action du couplc électro- magnétique de l'induit. La commande du conventisseur 21 est effectuée au moyen d'un dispositif de commande 22 qui transforme le signal provenant du capteur 23 de couple sensible au signe. La machine électrique suivant l'invention, comportant un enroulement compensateur de conception perfectionnée, permet de simplirier la comduite de la machine et d'accroître sa fiabilit REVENDICATIONS 1. Machine électrique synchrone supraconductrice, comportant un enroulement (6) polyphasé de l'induit, un inducteur supraconducteur (4) et un enroulement compensateur (3), réalisé sous la forme de sections et relié en série par l'intermédiaire d'un contact glissant à l'enroulement de l'induit, caractérisée en ce que l'enroulement compensateur (3) est polyphasé, ses sections (10) contenant les conducteurs de toutes les phases et chacune des phases dudit enroulement compensateur (3), etant connectée à un redresseur isolé (14, 15, 16) de sorte qu'elle soit parcourue par un courant unidirec- tionnel 2.Machine électrique synchrone selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque phase de l'enrou lement compensateur (3) est divises en deux branches (17, 18) $connectées à des redresseurs isolés (18.20), lesdites branches étant connectées en parallêle et en opposition entre elles. 3. Machine électrique synchrone suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée em ce que les concucteurs (11, 12, 13) des différentes phases de l'enrolement compensateur (3) sont transposés entre eux. 4 Machine électrique synchrone suivant 1 une quelconque des revendications précédeates, caractérisée en ce que l'en y utilise des redresseurs (14, 15, 16) réversibles par l'intermédiaire desquels les phases de l'enroulement compensateur (3) sont reliées en série aux circuits des phases de l'enroulement d'induit (6), l'arbre (24) de l'induit supportant un capteur de couple (23) sensible au signe qui a sa sortie connectée à l'entrée d'un dispositif de commande 522X, celui-ci étant en liaison électrique avec lesdits redresseurs réversibles.