Brevet FR2522187A1 — publié le 19830826

La présente invention concerne un rhéostat automatique à résistance liquide pour le démarrage de moteurs électriques, réalise en version rotorique ou en version statorique, aussi bien dans le domaine des basses tensions, que des moyennes tensions c'est-à-dire des tensions stator pouvant varier par exemple entre 2000 et 7000 V entre deux phases. Dans les rhéostats et démarreurs automatiques à résistance liquide connus à ce jour, et plus particulièrement des démarreurs statoriques, une résistance liquide variable, constituée par une solution électrolytique, est insérée par phase dans l'alimentation stator du moteur à cage. Dans les dispositifs connus à ce jour, cette résistance liquide est rendue variable et automatiquement décroissante au cours du démarrage par différents procédés mettant en oeuvre soit l'augmentation automatique de la conductivité d'un électrolyte aqueux avec la température, réalisable par exemple dans une chambre thermovariable et dans ce cas la température du tube électrolytique délimité par la chambre s'élève par effet joule, soit par un accroissement de la surface des électrodes en regard suite à une action mécanique réalisable par exemple par un moteur électrique d'entraînement faisant plonger plus ou moins ces électrodes dans un électrolyte ou les relevant plus ou moins . I1 est également connu de realiser une variation automatique de niveau dans un compartiment electrodique à l'aide d'une pompe injectant le liquide électrolytique contenu dans un second compartiment qui constitue le réservoir. Dans les cas précités, la résistance insérée R est liée, avec une bonne approximation, à la résistivité f de I'électrolyte et à la surface S des électrodes par la relation R = 1/S 1 étant l'espacement entre électrodes.Cette formule n'est qu'approchée puisqu'une polarisation gazeuse sur les électrodes est inévitable et que le passage du courant dans un électrolyte obéit aux effets de champ. En fin de démarrage, lorsque le couple moteur est suffisant, la résistance R insérée par phase est éliminée par un court-circuiteur temporisé de sorte que la chute de tension U = Ri qu'elle apportait s'annule, i étant l'intensité du courant traversant la cellule de l'électrolyte. La figure I représente le schéma électrique à réaliser dans le cas d'un démarrage statorique, les trois phases 1, 2, 3 sont isolées électriquement entre elles, tandis que dans un démarreur rotorique il y a un point neutre eonmun. La ligne est 'nmmandée par un sectionneur 4 et un contacteur 5 puis un relais thermique 6. Cloaque phase 1, 2, 3 traverse ensuite le rhéostat automatique 7 et aboutit au moteur 8. Dans le domaine des rhéostats liquides fonctionnant en moyenne tension, c' est-à-dire, des tensions stator pouvant atteindre 7000 Volts entre phases, il est nécessaire de réaliser une parfaite isolation électrique entre le mécanisme de commande et le circuit de puissance. Les dispositifs connus à ce jour présentent l'inconvénient de ne pas réaliser cette isolation électrique parfaite requise entre phases aux moyennes tensions électriques. La présente invention qui concerne un démarreur de moteurs électriques utilisable en basse et moyenne tension vise à supprimer cet inconvénient.Elle est caractérisée par la mise en oeuvre d'un fluide diélectrique, l'air surpressé, et ou par la mise en oeuvre du vide d'air, total ou partiel, en tant que moyen mécanique pour faire varier automatiquement et progressivement la résistance liquide insérée par phase en faisant varier continûment le niveau de l'électrolyte entre deux électrodes en regard. La présente invention est caractérisée en outre par la mise en oeuvre du fluide surpressé, fourni par exemple par un compresseurpompe à vide alimenté par un moteur électrique, dans un compartiment étanche, et commandant ainsi la montée de l'électrolyte résistif entre deux électrodes métalliques situées dans un compartiment électrodique communiquant avec le compartiment étanche. I1 est également possible suivant la présente invention d'utiliser le même compresseur-pompe à vide en aspirant l'air du compartiment électrodique comportant également deux électrodes métalliques communiquant avec le compartiement étanche et contenant l'électrolyte résistif dont le niveau s'élève entre les électrodes métalliques lorsque la pression au-dessus du liquide s'abaisse.Tout autre fluide diélectrique que l'air, comme par exemple l'azote, l'hélium ainsi que tout autre moyen que le compresseur, corne par exemple une bouteille de gaz comprimé, sont egalement utilisables sans pour autant que l'on sorte de l'objet de laprésente invention. Le dispositif de commande de niveau liquide suivant la présente invention, caractérise un démarreur à résistance électrolytique liquide utilisable en basse et moyenne tension, jusqu'à 7000 V environ entre phases, et hautement fiable tant dans son fonctionnement propre que pour la sécurité du démarrage du moteur. A titre d'exemple non limi tatif, et afin de mieux décrire la portée de la presente invention, l'auteur met en oeuvre l'appareillage suivant, dont les dessins annexés permettront de bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 2 est une vue d'ensemble en perspective du démarreur statorique moyenne tension objet de la présente invention. Il comporte en particulier trois bacs 9, 10 et 11, un par phase, contenant l'elec- trolyte liquide constituant la resistance variable R. La figure 3 est une vue suivant coupe AA d'un bac. Chacun des trois bacs est réalisé en matériau isolant épais, résistant à la température et aux milieux généralement très alcalins constituant l'electro- lyte, préférentiellement en polyéthylene basse-pression ou en polypropylène, sans que la nature de ces matériaux soit limitative de la présente invention. Le bac tel que 9 par exemple comporte essentiellement un compartiment 12 étanche par construction et communiquant par sa partie basse avec un compartiment électrodique 13 muni de deux électrodes métalliques en regard 14 et 15 réalisées avantageusement en acier nickelé, de hauteur totale utile égale par exemple à 1,220 mètre. Le compartiment étanche 12 est séparé du compartiment électrodique 13 par une paroi 12' soudée étanche, réalisée dans le même matériau que le bac 9 et s'arrêtant par exemple à 170 mm du fond. La paroi 12' comporte à hauteur 150 mm de son bord inférieur un tube 13', réalisé en polypropylène de diamètre intérieur 22 mm par exemple, de hauteur 750 mn. Le tube 13' permet de faire communiquer le liquide électrolytique 16 contenu dans le compartiment étanche 12 avec l'espace au-dessus du niveau 32' de l'électrolyte contenu dans le compartiment électrodique 13. il est terminé à sa partie supérieure par un T perce de trous inférieurs et fermé à ses extrêmités. Le bac 9 contient un électrolyte aqueux résistif 16 jusqu'à hauteur du niveau 820, lequel est introduit dans le bac par le trou circulaire 17 pouvant recevoir un bouchon'vissé. Les deux électrodes 14 et 15 comportent respectivement les écrans isolants 18 et 19, constitués par exemple par du polyprolylène profilé et maintenus par des entretoises isolantes 20 et 21, dont l'écartement est égal par exemple à 275 mm et réalisées avantageusement en polyamide 6,6. La figure 4 est une vue détaillée de l'appareillage de la figure 2 comportant un compresseur d'air 22, alimenté par un moteur électrique 23 et fournissant au compartiment étanche 12 un air surpresse à chaque démarrage. Le même compresseur 22 peut être monté indifférem ment en pompe à vide, dans ce cas le raecordement se fait entre la buse d'entrée 41 et le compartiment électrodique 13, et c'est le vide partiel au-dessus du liquide 16 qui fait monter celui-ci. Le compresseur 22 à l'arrêt assure le maintien d'une pression égale à la pression atmos phérique dans les deux compartiments 12 et 13, ce qui permet le remplissage de l'ensemble soit 300 litres par exemple d'électrolyte ]6 par bac environ, ceci sans opérations spéciales bien que l'ensemble comporte un compartiment étanche.Le compresseur 22 comporte une vanne de règlage de débit d'air 24. Le raccordement vers les bacs 9, 10 et Il se fait par le jeu des tuyauteries 25, 26 et 27, au droit des compartiments étanches respectifs tel que 12, et dans lesquels l'air surpressé peut donc arriver. Les écrans isolants 18 et 19 laissent à découvert une section supérieure 28 et 29 respectivement et une section inférieure 30 et 31 des deux électrodes 14 et 15. De sorte que le compartiment électrodique 13 peut être amené à deux états de niveau d'électrolyte, un niveau bas 32 situé à la cote 820 mm par exemple par rapport au fond du compartiment électrodique 13, ce qui permet de créer une résistance liquide de section apparente Sl = 338 cm2, sur une longueur utile d'électrode égale à 185 mm, et un niveau haut 32' à la cote de 1035 mm par exemple par rapport au fond du compartiment électrodique 13, ce qui permet de créer une seconde résistance liquide de section apparente S2 = 780 cm2.Quant au compartiment étanche 12 servant de compartiment de commande, il est amené également à deux états de niveau d'électrolyte, un niveau haut 32 qui est naturellement le même que le niveau bas pour le compartiment électrodique 13 et un niveau bas 32". Si nous appelons dH la différence des niveaux 32 et 32" et dH' la différence des niveaux 32' et 32, ces différences sont liées entre elles par l'équation : SdH = S'dH' S étant la section, par exemple constante, du compartiment étanche 12 et S' la section supposée constante egalement, du compartiment électrodique 13. Les bacs 9, 10 et 11 sont remplis d'un électrolyte alcalin convenable 16, par exemple du carbonate de sodium en solution aqueuse à 4,5 Z en poids par volume et dont le niveau de remplissage au repos est a la cote 820 mm par rapport au fond du compartiment électrodique 13. L'électrolyte aqueux est surmonté d'une nappe d'huile minérale consistante réduisant considérablement toute évaporation d'eau. Ce remplissage permet, outre le mouillage de la section Sl le mouillage d'une section supérieure S'2 de 215 cm2 par électrode, constituée par les portions supérieures nues et immergées 33 et 34 des deux électrodes. A l'équilibre le niveau 32 de l'électrolyte 16 est le même dans les deux compartiments 12 et 13 du bac 9. Dans une expérience l'auteur a procédé au démarrage d'un moteur à cage 8 de 1000 Kw fonctionnant en 50 PPS sous 6600 V, ceci en utilisant le schéma électrique de la figure 1. La temporisation de la vanne 24 étant réglée par exemple à 9 secondes, l'air surpressé pourra circuler à 1,013 bar.A l'instant t = O où le contacteur de ligne 5 est enclenché, le moteur 23 alimentant le compresseur 22 se met en route et l'air surpressé pénétrant dans les compartiments étanches, dont le compartiment 12 du bac 9, en pousse l'électrolyte qui affleurait au niveau bas 32 jusqu' au niveau haut 32' dans le compartiment électrodique mettant ainsi en parallèle une résistance liquide R2 avec la résistance liquide RI, ce qui a pour effet de permettre à l'intensité de démarrage ID de croître progressivement et automatiquement, puisque la résistance Rl insérée au départ, et constituée par les tubes electrolytiques de section Sl = 338 cm2 et S2 = 215 cm7 et de longueur 275 mm égale à l'espacement entre les deux électrodes 14 et !5, se trouve divisée progressivement, par exemple jusqu a sa valeur moitié, par suite de la montée continue du liquide. Cette montée de liquide est arrêtée automatiquement lorsque le niveau haut 32' est atteint, à la cote 1035 mn par exemple par rapport au fond du bac 9, par suite de la présence d'un contrôleur de niveau magnétique flottant constitué par un aimant torique 35 actionnant un relais scellé à lame souple qui coupe le moteur 23 du compresseur 22. Un second contrôleur de niveau 36 identique au précédent contrôle le niveau bas 32. Il est place à la cote par exemple de 720 mm par rapport au fond du bac et empêche la soufflante 22 de se mettre en route si le liquide n'affleure pas exactement à ce niveau de départ.Les deux relais reed, situés respectivement à l'intérieur de deux tubes isolants 37 et 3d de longueur convenable et autour desquels coulissent les aimants toriques flottants 35 et 36 se trouvent exactement à hauteur des niveaux bas et haut. Une fois le moteur 23 du compresseur 22 arrêté, l'air surpressé du compartiment étanche 12 s'échappe par le compresseur 22 et la pression s'y met à égalité avec la pression atmosphérique, l'électrolyte redescend dans le compartiment électrodique 13 jusqu'à son niveau bas 32 à la cote 820 mm.Au temps t = tf temps total choisi comme durée de dtnar- rage, le court-circuiteur 7 A se ferme par le relais temporisé 7 B réglé sur tf et le moteur 8 qui a acquis un couple moteur suffisant est alimenté directement par le secteur au travers du disjoncteur de ligne 5, puisque la résistance variable 7 est maintenant shuntée par le court-circuiteur 7 A. La durée tf du démarrage, liée aux caractéristiques électriques et mécaniques du moteur est reglable dans une large gamme de temps, sans que cette durée soit limitée en aucune façon. Le compresseur 22 fonctionne avec une surpression d'air de 0,13 bar et un débit maximum de 300 litres/heure permettant la remontée d'une hauteur d'eau de 1,34 m, mais il va sans dire que les caractéristiques du compresseur 22 peuvent varier à volonté sans sortir de l'objet de la présente invention. La vanne 24 réalisée préférentiellement en polychlorure de vinyle rigide, permet, dans l'exemple choisi, et ceci en fonction de son ouverture, de faire varier tf entre 6 secondes et 70 secondes durées correspondant a l'ouverture totale de la vanne et au blocage maximum de celle-ci. Cet intervalle de durées n'est pas limitatif et toutes autres durées de démarrage seraient évidemment accessibles. Les tuyauteries de raccordement 25, 26 et 27, réalisées avantageusement en polychlorure de vinyle rigide, relient la vanne 24 aux compartiments étanches tels que 12 par une buse d'entrée 39 serrée avec un joint de caoutchouc 40 tandis que la buse de sortie 41' du surpresseur est reliée à la vanne 24 par un tuyau au polychlorure de vinyle souple armé maintenu par deux colliers de serrage tels que 42. Le rhéostat de démarrage objet de la présente invention est en outre caractérisé par l'existence d'une zône supérieure S'2 dans le compartiment électrodique 13, zône formée par un tube électrolytique mouillant des surfaces d'électrodes conductrices 33 et 34 et non des isolants. Cette caractéristique présente l'avantage, lorsque le niveau de l'électrolyte s'élève dans le compartiment 13 par suite de la surpression d'air en 12, de ne pas introduire des phénomènes d'arcs électriques ni d'amorçages ce qui est aisément observable en ménageant un hublot en plastique transparent soudé étanche au niveau de la cote 1035 : si l'électrolyte affleurait au temps t = 0 du départ du démarrage au niveau supérieur des isolants 18 et 19 des électrodes 14 et 15, exactement a la cote 720 du fond, lors du processus de démarrage suivant la montée progressive de l'électrolyte 16 dans le compartiment supérieur S?, les parties inférieures 33 et 34 des surfaces nues supérieures 28 et 29 des électrodes verraient pendant des fractions de seconde une densité de courant énorme , ce qui aurait le désavantage immédiat d'une intense polarisation gazeuse et donnerait naissance à l'apparition de phénomène d'arcs electriques par suite de la recombinaison explosive des gaz dus à l'électrolyse suivant la réaction 2 H + 0 = OH2 Ces phénomènes seraient préjudiciables à la qualité du démarrage et au moteur démarré lui-même. L'auteur a observé que la présence du compartiment S'2 supprime totalement ces inconvénients. Le compartiment S'2 peut présenter avantageusement, a titre d'exemple non limitatif, les dimensions suivantes : liquide 16 à hauteur 90 mn au-dessus du niveau supérieur des isolants 18 et 19, largeur 225 mm, la même que celle des électrodes 14 et 15, longueur 275 mm, la même évidemment que l'espacement des électrodes assemblées.Dans ces conditions, l'auteur a observé une absence totale d'arcs électriques, ce qui garantit une qualité parfaite du démarrage électrique. L'appareil suivant la présente invention est également carac térisé par des électrodes rectangulaires dont le profil est avantageusement réalisé avec rebords courbés dans les trois dimensions ce qui supprime les effets de pointes et leurs inconvénients, apparition d'arcs électriques et usure locale du métal constitutif des électrodes. La figure 5 fera mieux comprendre le profil et la réalisation des électrodes. Dans l'appareil suivant l'invention, une électrode rectangulaire telle que 14 est un rectangle de dimensions 900 X 200 mm avec rebords de 30 mm, réalisé en acier nickelé. L'électrode 14 comporte à sa partie supérieure une borne 43 en laiton maintenue par une vis 46 le tout étant bloqué et brasé. Un filetage 45 permet de serrer et d'immobiliser l'électrode sur le couvercle du bac 9.La borne 43 est isolée par un tube en polypropylène 44. il va de soi que la forme générale, rectangulaire dans le présent exemple, peut être rendue quelconque sans pour autant sortir du cadre de la présente invention, ainsi elle peut être circulaire et le compartiment électrodique peut être constitué de deux électrodes circulaires et concentriques, et distantes d'un certain intervalle. La présente invention est caractérisée en outre par la mise en oeuvre d'électrolytes alcalins aqueux ou plus complexes, de résistivité variable suivant leur composition, ce qui permet, en modifiant ou non la géométrie des électrodes, d'obtenir un nombre quelconque de possibilités de règlage ohmique des conditions initiales du démarrage qui fixent en définitive la valeur de la résistance R à insérer au départ par phase. A titre d'exemples non limitatifs, il est possible d'utiliser des solutions aqueuses à toutes concentrations d'orthoborate de sodium, de carbonate de potassium, de benzoate de sodium, sans que cette énumération soit limitative, pour couvrir une plage de résistivités à 20eC allant de 2 ohms.cm2/cm environ jusqu'à 1000 ohms.cm2/cm. Des électrolytes ternaires contenant en outre un polyalcool permettent de doubler encore ces valeurs. Une couche d'huile minérale neutre d'épaisseur 6 mm ou plus permet de limiter l'évaporation suivant le procédé décrit dans le Brevet Français n" 2.328.268 appartenant à la demanderesse. De plus, le démarreur à résistance liquide objet de la présente invention est caractérisé par la mise en oeuvre de sécurités de fonctionnement indispensable en basse et moyenne tension électrique. Un thermomètre à contact métal-mercure 47, réglé en usine à une température de consigne fixée d'avance, par exemple 7O0C, et indéréglable, coupe le moteur 23 du compresseur 22 et le disjoncteur de ligne 5 si la température de l'électrolyte 16 atteint ou dépasse 700C, interdisant ainsi le démarrage. Le circuit du relais de puissance servant à commander la coupure est isolé électriquement de la moyenne tension par un transformateur d'isolement. L'auteur a observé que moyennant cette limitation volontaire du démarrage aux températures trop élevées de ltelec- trolyte il est possible de faire passer 1000 A par bac de 300 litres pour une chute de tension de 10.000 Volts maximum entre phases, et ceci sans amorçage.En outre, lorsqu'une coupure à 700C se produit grace au thermomètre a contact 47, une minuterie réglable ne permet le démarrage suivant que plus tard, quand la température de l'électrolyte est compatible avec les conditions de travail prévues. Si le court-circuiteur 7 A reste collé, le moteur 23 du compresseur 22 ne peut démarrer. Si la bobine du court-circuiteur 7 A est grillée, on peut avoir un démarrage trop long ; un contact temporisé incorporé, en série avec la bobine du contacteur de ligne 4 condamne le démarrage. Au cas où le relais reed, tel que celui situé en 37, contrôlant le passage de l'électrolyte au niveau haut n'aurait pas fonctionné, une temporisation réglée a l'avance coupera automatiquement et de toute façon le moteur électrique 23 du compresseur 22. Au cas où pour une raison quelconque le moteur électrique 23 ne se couperait pas, le liquide électrolytique 16 du compartiment étanche 12 continuerait à être repoussé vers le compartiment électrodique 13 mais il ne pourrait pas déborder par suite de la présence du tube 13'. Quatre isolateurs porcelaine situés sous chaque bac apportent une surisolation avantageuse en évitant tout cheminement d'électrolyte par suintement par exemple et un bac de rétention permet de retenir toute fuite d'électrolyse. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande de la variation de niveau liquide 32 dans un compartiment 13 caractérisé par l'insufflation d'un fluide diélectrique, l'air, dans un compartiment étanche 12 communiquant avec le compartiment à commander 13. 2. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé par la variation automatique et progressive de la résistance d'un électrolyte 16 liquide vue par deux électrodes 14 et 15 ou plus plongeant dans cet électrolyte 16 par suite de la variation du niveau de celui-ci. 3. Dispositif suivant les revendications 1 et 2 caractérisé par une isolation électrique parfaite entre plusieurs bacs 9, 10 et 11 différents contenant un électrolyte liquide 16 commandé en niveau par l'insufflation d'un fluide diélectrique, l'air, fourni par un compresseur 22 alimenté par un moteur électrique 23. 4. A titre de produit industriel, tout rhéostat à résistance liquide, statorique ou rotorique, fonctionnant en basse et moyenne tension 6000 V et plus par phase, utilisant comme système de commande de la variation automatique de la résistance insérée l'insufflation d'un fluide diélectrique selon les revendications 1, 2 et 3 5. Rhéostat statorique ou rotorique basse et moyenne tension à résistance liquide réalisé suivant les dispositifs des revendications 1, 2, 3 et 4 et caractérisé par un compartiment étanche 12 et un compartiment électrodique 13 formés par une même cuve isolante 9 par phase dans le cas du démarreur statorique et une cuve unique dans le cas du démarreur rotorique. 6. Rhéostat statorique basse et moyenne tension à résistance liquide réalisé selon la revendication 5 et caractérisé par un compartiment électrodique muni de deux électrodes 14 et 15 en acier nickelé plongeant dans un électrolyte liquide 16 et dont les zones nues actives peuvent se trouver à leur partie inférieure 30 et 31 et à leur partie supérieure 33 et 34, leur partie médiane étant électriquement isolée de l'électrolyte et le niveau de départ 32 de l'électrolyte 16 affleurant sur une hauteur suffisante la surface supérieure active, une telle disposition assurant une absence totale de phénomènes d'arcs électriques. 7. Rhéostat statorique basse et moyenne tension suivant la revendication 6 et caractérisé par le contrôle des niveaux de l'elec- trolyte dans le compartiment anodique en début et en fin de démarrage par 2 aimants toriques 35 et 36 coulissant dans deux tubes isolants creux 37 et 38 munis d'un relais reed. 8. Rhéostat statorique basse et moyenne tension caractérisé par le réglage en valeur initiale de la résistance liquide par la mise en oeuvre simultanée ou non de la géométrie des électrodes et de la résistivité de l'électrolyte, oralisé selon la revendication 7. 9. Rhéostat statorique selon la revendication 8 caractérisé par les sécurités de fonctionnement électrique et autres, comportant un thermomètre à contact métal mercure 47 empechant tout démarrage pour une température trop élevée de l'électrolyte, un court-circuiteur 7 A shuntant automatiquement la résistance liquide variable en fin de démarrage, une temporisation préréglée en durée et coupant le secteur après une durée fixée d'avance, un tube de déversement 13' garantissant l'impossibilité de débordement de l'électrolyte, un transformateur d'isolement séparant les circuits relais de la commande du circuit de puissance, des isolateurs de porcelaine sous chaque cuve et un bac de rétention par cuve.