Brevet FR2687860A1 — publié le 19930827

La présente invention concerne les machines dynamoelectriques. L'homme de l'art maîtrise biens aujourd'huis les phénomènes liés au champ magnétique dit de réaction d'induit dans les machines dynamo-électriques. Deux techniques complémentaires combattant ces phénomènes sont connues = l'enroulement de compensation et les polies auxiliaires de commutation. On sait que le champ magnétique de réaction d'induit a pour ef- fet de renforcer l'induction d'un cOté du ptle inducteur et de la diminuer de l'autre coté. Dans les machines de forte puissance quasi-saturées la diminution de l'induction ne peut être contrebalancée par une augmentation équivalentes du fait de la non-linéarité des matériaux saturés. Un enroulement dit de compensations parcouru par le courant d'induit et situé dans des encoches de l'inducteur en vis à vis direct des bobines actives de l'induits permet d'effectuer une neutralisation efficace de celles-ci. Par ailleurs les sous-tensions et les surtensions induites au niveau de chaque bobinage de phase par la réaction d'induit tendent à une prolonaation inopportune du courant dans ces phases lors du changement de polarité du champ inducteur. Ce phénomène est classiquement combattu par des piles auxiliaires de commutation intercalés entre les piles inducteurs et dont le bobinage est parcouru par une image du courant d'induit. L'insertion de ces pâles sur les machines de petite à moyenne puissance ne leur est pas favorable sur tous les plans cars en élargissant l'espace interpolaireq elle augmente la proportion des zones inactives de l'induit et le poids et les pertes dus au circuit de rebouclage magnétique de 1 'inducteur. La puissance massique et l'inertie de la machine sont alors penaliséesS pour une amélioration quelque fois faible du rendement. En outres si la compensation est effective en statique, on observe la persistance de fortes surtensions transitoiress suffisamment brèves heureusement pour ne pas déclencher d'arc intempestif. Beaucoup de machines dynamo-électriques modernes sont interfacées à une tension continue par des composants elec- troniques dont on sait que les caractéristiques et le coOt sont tries pénalises par une élévation de leur tension de claquage. Or les surtensions générées par la réaction d'induit imposent un surdimensionnement à la fois de ces composants et de la tension d'alimentation. Cette dernière doit en effet entre surélevée elle aussi pour éviter des phases de redressement incontrôlables (que 1 'on soit en mode moteur ou en mode générateur) ce qui éloigne des conditions optimales de fonc- tionnement. Comme on l'a vu précédemment1 ni 1 'enroulement de compensation ni les pâles auxiliaires de commutation ne peuvent résoudre complètement ce problème. C'est pourquoi l'invention a pour but de fournir un moyen d'éliminer ou de réduire les surtensions statiques ou transitoires générées dans les bobinages d'induit par la re- action magnétique d'induit1 tout en restant compatible avec les deux moyens décrits précédemment. Ce probleme est résolu en neutralisant deux à deux le couplage magnétique naturel existant entre chaque bobinage de phase de l'induit et les autres bobinages de phase de l'induit, par un couplage magnétique inverse. Les surtensions induites peuvent alors etre complètement éliminées1 ce qui permet de choisir pour la tension d'alimentation et les composants électroniques la valeur de tension strictement nécessaire à l'application. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront avec la description qui va suivre de certains de ses modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins ci-annexéw sur lesquels: - La figure i représente les diagrammes temporels caractéristiques de la réaction d'induit en mode générateur. - La figure 2 représente un exemple de compensation inductive selon l'inventions adapté à une machine à 7 phases. L'efficacité d'un inducteur dépend fortement du profil de l'induction magnétique qu'il génère: il est avantageux que ce profil soit trapézoidal avec des flancs les plus raides possible pour que le flux utile soit maximal. Un premier inconvénient est l'augmentation des pertes par courant de Foucault 7 un deuxième est un effet accru des surtensions induites par la réaction d'induit, un troisième est de nécessi- ter un nombre de phases assez élevé pour disposer de la bande passante adéquate. La figure i représente à dessein les diagrammes temporels idéalises d'un exemple de machine possédant 7 phases d'induit. Cet exemple n'est pas équipé de pâles de commutation, ce qui permet aux pâles inducteurs d'être très proches les uns des autres. On supposera que l'induction Bf qu'ils génèrent dans l'entrefer montre une transition monotone entre ses deux valeurs extrêmes, de module T, et que le courant I de l'induit est approximativement centré sous chacun des pôles. Dans ces conditions, l'induit génère un champ propre de réaction dont la composante transversale Bi a l'allure indiquée sur la figure 1 pour un fonctionnement en mode générateur. L'induction totale dans l'entrefer est la somme Bf +Bi et 1 'homme de 1 'art reconnattra la distorsion classique introduite dans les génératrices non satures: l'induction est renforcée à la sortie des pâles inducteurs1 et est diminuée de façon égale à leur entrée. La surtension associée à l'accroissement P peut atteindre des valeurs importantes très défavorables aux montages électroniques. Pour ne pas risquer de fausses interprétations des phe- nomènes, l'homme de l'art prend toujours soin d'identifier exactement le référentiel adapté à chaque situation: - la tension induite dans les bobinages d'induit par l'inducteur est due au déplacement relatif qui existe entre induit et inducteur, et est donc proportionnelle au champ inducteur et à la vitesse relative v entre les deux parties. - la tension induite dans les bobinages d'induit par la réaction d'induit est trop souvent faussement attribuée à l'action du champ Bi sur les bobinages de l'induit, ce qui est impossible puisqu'il n'y a pas de mouvement relatif réel. Cette tension ne peut donc être induite dans chaque phase que par les variations temporelles du courant de 1 'ensemble des phases. Ces variations sont transmises par induction mutuelle naturelle et on montre qu'effectivement elles s'additionnent pour former une tension équivalente à celle que subirait une phase d'induit se déplaçant à la vitesse V dans le champ Bi. On comprend donc qu'il y a une possibilité d'annuler les effets de la réaction d'induit sur l'inducteur même: il faut compenser chaque inductance mutuelle naturelle existant entre une phase et chacune des phases voisines par une inductance mutuelle artificielle de même valeur mais opposées réalisée avec un transformateur à deux enroulements. Chaque enroulement est inséré en série dans le circuit des deux phases que l'on veut isoler magnétiquement, dans un sens tel que la polarité de la tension générée par ce transformateur dans l'une quelconque des deux phases par une variation de courant dans l'autre phase soit inverse de celle qui est générée par l'inductance mutuelle naturelle existant entre ces deux phases La compensation sera exacte si ces deux inductances mutuelles (naturelle et artificielle) sont égales. Une compensation systématique dans une machine à N phases (N étant un entier naturel) demande alors N*(N-1) enroulements car chaque phase doit étire isolée des (N-i) autres phases, et donc un total de N*(N-1)/2 transformateurs à deux enroulements. Ce nombre de transformateurs croit très vite avec N puisqu'il est approximativement proportionnel à son carré. La figure 2 donne un exemple de compensation complète dans une machine à 7 phases. Un premier niveau de transformateurs compense les phases directement voisines avec le transformateur 10, un second compense les phases espacées de deux phases avec le transformateur 11, enfin un troisième niveau compense avec le transformateur 12 les bobinages espacés de trois phases. Il est inutile d'aller plus loin puisque les écarts suivants ont déjà été compensés. On peut être tenté de ne pas effectuer de compensation entre les phases montrant un faible couplage magnétique. Ce couplage est maximal entre phases contiguës puis diminue lorsque l'écart entre les phases augmente, pour tendre vers zéro quand cet écart approche de la quadrature. Ainsi dans l'exemple de la figure 1, l'inductance mutuelle entre les phases 1 et 2 est approximativement zonale 5/7 de l'inductance propre de chaque phase, alors que l'inductance mutuelle entre les phases 1 et 4 en vaut environ 1/7. On peut donc éventuellement omettre de compenser des phases éloignées alors que cela reste indispensable pour les phases voisines. I1 est évident aux yeux de l'homme de l'art que le montage de la figure 2 est transposable à un nombre quelconque de phases, impair ou pair. Dans ce dernier cas, le couplage entre deux phases en quadrature est théoriquement nul et ne demande donc pas de compensation. Les transformateurs seront par exemple réalisés avec deux enroulements identiques bobines sur un noyau magnétique à entrefer, l'épaisseur de cet entrefer assurant une valeur précise à l'inductance mutuelle recherchée. L'homme de l'art tiendra compte pour le calcul de la saturation du fait que les effets des courants dans les deux enroulements se retranchent algébriquement: en particulier, pour des phases très éloignées angulairement le champ magnetique interne est deux fois plus élevé que celui produit par une phase unique, car les courants circulant dans les deux enroulements sont égaux et de meme sens trigonométrique. Ce genre de montage résout simultanément un autre problème rencontr dans les machines multi-phasées dont le courant de chaque phase est contrôlé par des étages hacheurs. Si a priori le hachage n'est pas synchrone dans ces différents étaies, il peut se produire des coincidences temporelles ou toutes les phases voisines d'une certaine phase d'induit commutent dans le me me sens au même moment. Le total des tensions induites dans cette phase par le couplage inductif naturel peut alors atteindre des valeurs très importantes et créer des boucles parasites de transfert d'énergie entre phases, dont le bilan total est nul mais qui occasionne des surintensités néfastes. La compensation inductive des phases d'induit permet implicitement de résoudre ce problème. Un effet de la compensation apportée par l'invention est d'augmenter l'inductance propre apparente de chaque bobinage de phase. Elle est par exemple multipliée par 3,5 environ dans le cas de la figure 2. Cette augmentation peut être utile dans le cas d'un étage à hachage du courant et permettre éventuellement d'éliminer l'inductance série néces- saire en temps normal. Elle peut aussi être gênante, par exemple dans le cas d'un alternateur passif à diodes, en ralentissant les transitions de courant pendant les commuta- tisons, il peut alors étire avantageux d'utiliser à nouveau des pâles de commutation, adaptés à la nouvelle valeur de l'inductance des phases d'induit, ou un enroulement de compensation, ou les deux simultanément. L'invention s'applique principalement à la neutralisation des surtensions liées à la réaction d'induit et à la neutralisation des couplages néfastes entre phases dans les machines dynamo-électriques. REVENDICATIONS rf Dispositif atténuant ou éliminant dans les machines dynamo-électriques multi-phasées les sous-tensions et et sur- tensions générées par la réaction d'induit dans les bobinages de phase, caractérisé en ce que chaque inductance mutuelle naturelle existant entre l'un quelconque des bobinages de phase de l'induit et chacun des autres bobinages de phase de l'induit est compensée par une inductance mutuelle artifi- ciel le de même valeur mais de couplage oppose réalisée avec un transformateur à deux enroulements identiques chacun mis en série avec les bobinages de phase qu'ils isolent, dans un sens tel que toute tension générée dans un des deux bobinages par une variation de courant dans 1 'autre bobinage sous l'effet de l'induction mutuelle naturelle soit compensée par une tension égale et de sens opposée issue du transformateur. 2/ Dispositif selon la revendication précédente, dont la compensation est appliquée aux bobinages de phases peu éloignées angulairement les unes des autres, les couplages des bobinages de phase de grand écart angulaire, par exemple proches de la quadrature, n'étant pas compensés. 3f Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes comme part intégrante de l'inductance d'un circuit hacheur contrôlant le courant d'une phase d'induit d'une machine dynamo-electrique, permettant de plus d'éviter les transferts d'énergie parasites entre plusieurs étages hacheurs. 4f Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes en conjonction avec des pâles de commutation ou un enroulement de compensation, ou les deux.