Brevet FR2541832A1 — publié le 19840831

Compensateur tournant L'invention concerne le réglage de lténergie réactive d'un réseau électrique. Pour régler l'énergie réactive d'un réseau électrique il est connu d'utiliser des compensateurs synchrones ou des selfs saturables. Les selfs saturables créent des harmoniques car le matériau magnétique qui les compose est soumis à un champ variable 9 ces harmoniques sont indésirables car étant renvoyés sur le réseau, la tension alternative de celui-ci n'est plus sinusoldafe. D'autre part les compensateurs synchrones ayant des puissances de plusieurs dizaines ou centaines de MVA sont des machines chères car leur construction est analogue à celle d'un alternateur ; de telles machines ne se justifient que pour des puissances importantes, d'au moins 20 MvÂr. La présente invention a pour but le réglage de l'énergie réactive par une machine tournante de conception plus simple et plus robuste qu'un compensateur synchrone La présente invention a pour objet un compensateur tournant carac- térisé par le fait que le stator est de type classique, que le rotor est du type à pôles saillants et a un circuit magnétique constitué par des tales a plus grande perméabilité que celles du stator, les tôles ayant une plus grande perméabilité dans le sens radial et les pôles ayant des corps polaires saturables magnétiquement uniquement par le champ rnagnétisant produit par les enroulements du stator, et que-l'entrefer entre le stator et le rotor est le plus petit possible compte tenu des impératifs mécaniques dépendant du diamètre du rotor, le compensateur fonctionnant dans la zone de saturation de sa caractéristique courant-tension. L'invention va être décrite à l'aide d'un exemple de réalisation illustré par les figures annexées dans lesquelles - la figure 1 est une coupe transversale d'un rotor du compensateur tournant de l'invention, - la figure la représente un détail D de la figure 9, la figure 2 représente un pôle du rotor de la figure 1, - la figure 3 est une coupe longitudinale du rotor -selon une coupe III=1II d'un pôle de la figure 1, - la figure 4 est une coupe longitudinale du rotor selon une coupe IV-IX entre deux pôles de la figure 1. Le compensateur tournant de l'invention comprend un stator et un rotor. Le stator est constitué, comme celui. d'une grande machine synchrone multipolaire classique, drun circuit magnétique et d'un enroulement polyphasé connecté au réseau-électriqne. Le circuit magnétique du stator est constitué, de manière classique, de tôles minces à cristaux orientés dont la plus grande perméabilité est dans le sens du laminage. Le rotor est du type à poles saillants, mais il présente des partieu- laites qui seront indiquées ci après, au cours de la description des figures. Le compensateur tournant de l'invention fonctionne dans la zone de saturation de sa caractéristique tension coupant, les pôles étant à la saturation sous l'effet du champ magnétique créé par les enroulements du stator ; ceci impose que l'entrefer entre le stator et le rotor soit le plus petit possible, compte tenu des impératifs mécaniques et notamment du diamètre du rotor. La figure 1 représente un demi rotor en coupe transversale dans le cas dune machine à 6 pôles. Le roter est constitué de segments de tôles découpés dans des tôles minces à cristaux orientés de qualité supérieure à celle des tôles du stator ; l'épaisseur des tôles est de 0,35 mm par exemple, et les faces des tôles sont isolées par un vernis. Les tôles ayant leur plus grande perméabilité dans le sens de laminage, les segments de tôle sont découpés de manière à présenter cette plus grande perméabilité dans le sens radial du rotor. Les segments de tôte sont empilés avec recouvrement d'une couche à l'autre autour d'un arbre 9 ; elles constituent ainsi la jante et les pôles du rotor, les pôles ne comportant pas d'enroulement d'excitation. Dans la figure 1 on peut distinguer deux types de segments de tôles ; un premier type T1, compris entre deux lignes radiales A, comportant deux demi-pôles séparés par un espace interpôles I, et un deuxième type T2, compris entre deux lignes radiales B, comportant un pôle P et un demi espace interpôles de chaque côté du pôle.Chaque couche de l'empilage de tôles est donc constitué soit par 6 segments de tôles du premier type, soit par 6 segments de tale du deuxième type, les types de segments de tôles étant alternés d'une couche à l'autre. Dans chaque couche les segments de tôles sont pratiquement jointifs, selon les lignes radiales A ou B, ce qui permet d'une part d'augmenter la résistance mécanique de la jante et d'autre part de réduire, dans les pôles, l'entrefer entre segments d'une même couche. Les segments de tôles étant découpés dans des tôles dont les faces sont isolées, les couches sont donc isolées entre elles, ce qui permet de réduire les pertes en surface dans les épanouissements polaires 8, pertes provoquées par la modulation de l'induction dans l t entreSery entre stator et rotor, due à l'ouverture des encoches stator. Comme cela est représenté figures 3 et 4, le rotor est constitué par de petits paquets 12 de tôles magnétiques, c'est-à-dire par un petit nombre de couches de tôles, pris en "sandwich' entre des tôles 13 en acier de caractéristiques mécaniques plus élevées que les tôles des segments. Ces tolets sont en acier magnétique ou amagnétique selon les caractéristiques magnétiques que l'on désire obtenir. Les tôles 13 sont circulaires, les espaces interpôles n'étant pas découpés. Elles ont donc meme diamètre que celui qui correspond à deux pôles diamétralement opposés. Sur toute la longueur du rotor les espaces interpôles I sont fermés par une plaque 9, non métallique, en verre stratifié par exemple, formant un carénage du rotor, les tôles 13 servant de support aux plaques 9.De cette manière on rend la surface extérieure du rotor lisse, ce qui permet de réduire les pertes par frottement de l'air lorsque le rotor est en rotation. La figure la représente à grande échelle un détail D de la figure 1, relatif à la plaque 9. Le serrage des tôles du rotor est assuré par des goujons magnétiques 4 dans la jante et par des tirants amagnétiques 5 dans les pôles bien entendu on peut remplacer les tirants par des goujons, ou encore n'utiliser que des tirants dans la jante et dans les pôles. Les épanouissements polaires 8 comportent des trous 7, entre les deux cornes 10 et il de chaque pôle, dans lesquels sont logés des barres d'amortisseurs destinés à accroître la stabilité dynamique de la machine et permettre un démarrage asynchrone de celle-ci sous tension réduite. La figure 2 représente un pôle Pdu rotor a plus grande échelle. Entre les flancs 2 du pôle et immédiatement au-dessous des épanouissements polaires 8, des découpes 3 sont ménagées dans les segments de tôle ; ces découpes permettent de créer des zones de saturation magnétique dans les tôles constituant les poles pour confiner la plus grande partie du champ magnétique dans l'épanouissement polaire, et d'obtenir ainsi la caractéristique U = f (T), tension en fonction du courant, souhaitée pour la machine, cette caractéristique présentant une zone de saturation Pour pouvoir ajuster les caractéristiques magnétiques de la machine au cours des essais, certaines des découpes 3 sont prévues pour recevoir un matériau magnétique afin de supprimer partiellement ou totalement l'effet de ces découpes.Afin de pouvoir introduire le matériau magnétique dans les découpes 3 prévues à cet effet, sur toute la longueur des pôles, les tôles 13 présentent également des découpes, correspondant uniquement à celles prévues dans les tôles pour recevoir un matériau magnétique ; les tôles 13 ne comportent que ces découpes afin de ne pas diminuer leur résistance mécanique. Les pôles ne comportant pas d'inducteur, le compensateur tournant de l'invention fonctionne donc par saturation des corps polaires. La machine est démarrée en fonctionnement asynchrone grâce à la présence des amortisseurs, et amenée à une vitesse proche du synchronisme. Le couple synchronisant d'une telle machine étant dû à la réluctance des pôles, est fonction de ses réactances synchrones directes Xd et transversale Xq. Comme la réactance directe Xd varie très rapidement avec la saturation des corps polaires, donc avec la tension aux bornes du stator de la machine, des découpes 6 sont prévues afin d'assurer une saturation également dans l'axe transversal des pôles de manière que la réactance transvérsale Xq diminue en même temps que la réactance directe Xd, pour conserver un couple synchronisant plus élevé que le couple de pertes. Dans le compensateur tournant de l'invention les ampères tours de magnétisation du circuit magnétique du rotor sont fournis par l'enroulement stator et la zone de fonctionnement est située dans la zone saturée de la caractéristique courant tension de la machine ; dans cette zone de saturation la caractéristique courant-tension doit avoir une pente 8 UX h I la plus faible possible. L'emploi de tôles à haute perméabilité magnétique permet d'obtenir-des zones de saturation les plus franches possible et de réduire la pente ss U// ss I. La puissance réactive absorbée est fonction de la tension d'alimentation du stator ; elle suit donc les variations de la tension d'alimentation. La constitution particulière du rotor permet de supprimer les entrefers de montage entre les pôles et la jante et de réaliser un entrefer entre le stator et le rotor le plus petit possible compte tenu du diamètre d'alésage du rotor ; d'où l'intérêt de choisir un diamètre d'alésage pas trop élevé ; par ailleurs l'intégration des pôles à la jante est mécaniquement très favorable. Un compensateur tournant conforme à l'invention aurait, par exemple, pour une puissance en régime continu de 60 MVA et une vitesse de 1000 tr/min, un diamètre d'alésage de 1900 mm et un entrefer entre stator et rotor de 5 mm. Dans le compensateur tournant de l'invention, seul le stator est ventilé, par exemple à l'aide de deux ventilateurs axiaux montés sur le rotor, à chaque extrémité de celui-ci. Bien~ entendu le rotor peut ne pas comporter d'amortisseurs , 7.e démarrage est fait alors par un moteur de lancement ne fonctionnant que le temps d'amender le rotor à une.vitesse proche du synchronisme. REVENDICATIONS 1/ Compensateur tournant pour compensation de l'énergie réactive d'un réseau électrique, comportant un stator à enroulements polyphasés et un rotor, caractérisé par le fait que le stator est de type classique, que le rotor est du type à pôles (P) saillants et a un circuit magnétique constitué par des tôles à plus grande perméabilité que celles du stator, les toles ayant une plus grande perméabilité dans le sens radial et les pôles (P) ayant des corps polaires saturables magnétiquement uniquement par le champ magnétisant produit par les enroulements du stator, et que l'entrefer entre le stator et le rotor est le plus petit possible compte tenu des impératifs mécaniques dépendant du diamètre du rotor9 le compensateur fonctionnant dans la zone de saturation de sa caractéristique courant-tension. 2/ Compensateur tournant selon la revendication i, caractérisé par le fait que chaque pôle (P) comporte, immédiatement en dessous de son épanouissement polaire (8), des découpes (3) permettant de confiner la plus grande partie du champ magnétique dans des zones des corps polaires afin de saturer les tôles. 3/ Compensateur tournant selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les épanouissements polaires comportent des découpes (6) pour obtenir une diminution de la réactance transversale en meme temps que la réactance directe diminue, pour conserver un couple synchronisant supérieur au couple de pertes. 4/ Compensateur tournant selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les pôles (P) comportent des trous (7) pour loger des barres d'amortisseurs et permettre ainsi un démarrage asynchrone du compen sateur. 5/ Compensateur tournant selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le rotor comporte un arbre (1) et un circuit magnétique constitué de segments de tôles isolées sur leurs deux faces et empilées à recouvrement d'une couche à l'autre, que les pôles (P) sont intégrés à la jante, et que des paquets de tôles constitués par un certain nombre de couches sont pris en sandwich entre deux tôles (13) en acier, magnétique ou non, l'ensemble des paquets de tôles et des tôles (13) formant le circuit magnétique étant pressé par les goujons magnétiques (4) dans la jante et des goujons amagnétiques (5) dans les pôles (P). 6/ Compensateur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les tôles (13) sont circulaires avec meme diamètre que le rotor et quelles servent de support à des plaques (9) non métalliques venant fermer des espaces interpôles (I) afin de donner au rotor l'aspect d'un rotor lisse et réduire ainsi les pertes par frottement de l'air.