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EXCITATRICE DONT ON PEUT FAIRE VARIER IA TENSION DANS UN DOMAINE ETENDU. - Les très hautes tensions utilisées sur les lignes de transport d'énergie, et les hautes tensions utilisées dans les 'réseaux de câbles sou- terrains, produisent souvent des puissances réactives magnétisantes considé- rables. Lorsque le circuit est en charge, il en résulte une amélioration du cos #, mais lorsque le circuit est à faible charge ou même à vide, cette puissance réactive excite les alternateurs qui n'ont, par suite, besoin que d'un très faible courant d'excitation.
Les excitatrices à tension variable dans le rapport de un à quatre ou de un à cinq ne sont parfois pas assez souples et il faut prévoir des rhéostats d'excitation d'alternateurs, encom- brants et coûteux, qui absorbent une puissance notable en pure perte. 11
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est donc intéressant de pouvoir réaliser des excitatrices à tension variable dans un rapport pouvant atteindre par exemple un à dix ou même un à vingt.
Les excitatrices à grand rapport de tension sont encore plus intéressantes pour les condensateurs synchrones destinés à régler la tension de grands re- seaux, et susceptibles d'absorber aussi bien que de fournir de la puissance ré- active magnétisante.
La présente invention a pour objet de réaliser une dynamo dont on puisse modifier la tension dans un domaine étendu, plus particulièrement une dynamo qui soit capable de fournir une tension très faible par rapport à sa tension normale; ce qui est avantageux quand on l'utilise par exemple com- me excitatrice.
Le rotor de la machine conforme à la présente invention est iden- tique aux rotors des machines à courant continu ordinaire. le stator est dou- ble c'est-à-dire qu'il est formé de deux stators élémentaires S-,et Sa mis côte à côte et décalés l'un par rapport à l'autre dans le sens de l'axe de rotation de la machine, comme l'indique la coupe ci-jointe (Fig.1). Les cir- cuits magnétiques ont une réluctance aussi faible que possible.
Les circuits ou enroulements inducteurs ont une faible insistance ohmique.
Un des stators S1 a une surface d'épanouissements polaire beau- coup plus petite que l'autre, S2' il est muni d'une excitation shunt et ne comporte pas de rhéostat d'excitation, si bien que lorsque l'excitatrice tour- ne à sa vitesse de régime, ce stator induit dans le rotor une force électromo- trice sensiblement constante.
L'autre stator S est muni d'une excitation shunt, et comporte un rhéostat d'excitation. Sa surface d'épanouissements polaires étant beaucoup plus grande que celle de S1 il peutinduire dans le rotor une force électro- motrice très supérieure.
Quand on veut obtenir une très faible tension de l'excitatrice, on excite le stator S2 dans un sens tel qu'il induise dans le rotor une ten- sion de sens opposé à celle induite par S1' la tension aux balais b1 b2 est la somne algébrique des deux tensions élémentaires.
Si on veut obtenir la tension maximum on excite les deux stators dans le même sens pour que les for- ces électromotrices induites s'ajoutent* @
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Une telle machine peut fonctionner de façon stable aussi bien dans le cas où les deux tensions composantes sont de même sens, que dans celui où e elles sont de sens contraire, On peut le montrer de la façon suivante
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Soit 01 il ., 01 VI (fig.it) le système d'axes auquel est rapportée la caractéristique 00 Cl du premier stator Si, qui ne comporte pas de rhéostat
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d'excitation. Dans ce système la droite 01 B 31 représente la caractéristique des inducteurs, la tangente de l'angle A, 01 Bi étant égale à leur résistance ohmique.
Soit 0 la - Os Va (fig.2*) le système d'axes auquel est rapportée la caractéristique 0 C du deuxième stator S2.
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Si l'on suppose que la dynamo doive fournir une tension V - 2, la droite Ci 31 coupe la droite V..2 au point ,81 , le courant d'excitation du premier stator 81 sera 01 Il auquel correspond la force électromotrice Il Ci, égale à 6,4 sensiblement induite dans le rotor pas S1.
La tension aux balais étant égale à 2, il faut que le deuxième sta- tor S2 induise une tension en sens inverse de celle du premier et égale à 4,4;
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cette force éleotromotrioe est AI OU Fig.2t) le courant d'excitation corres- pondant est Og Ag , la caractéristique des inducteurs correspondant à la ten- sion 7*8 est donc la droite og Ba , et la tangente de l'angle g 02 B est égale à la résistance des inducteurs et du rhéostat.
On voit par cette cons- truction qu'à chaque tension que l'an se fixe aux balais de l'excitatrice, cor- -resgond à une valeur bien déterminée de la résistance du rhéostat d'excitation de S2:le fonctionnement de la machine dans ces conditions est stable; si par exemple une perturbation arrive qui tende à faire baisser la tension aux balais cette perturbation peut être la chute de tension ohmique à l'intérieur du ro-
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tor qui apparaît quand la machine est en charge* Le point ,8, vient en B'l (Fige±) tel que la différence des ordonnées de BI et Btl soit égale à la baisse de tension; le point Ai vient en 4tl et le point Ci en C'l- la force électro- motrice du premier stator passe de 6,4 à 6,3 sensiblement:
le point B2(fig.2' ) vient en 8' qui a même ordonnée que Blit le point &2 vient en A.t et le point Ci en C'x ; la force électromotrice du second stator Sa passe de 4,3 à 3sfii la force électromotrice de l'excitatrice passe de 6,4 <" 4#4 m fi à 6,3 - 3'fi = 2,79 cela est dû à ce que le stator SI travaille dans la partie de sa caracté- ristique correspondant à une saturation assez forte du circuit magnétique ,
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tandis que les inducteurs de S2 sont loin d'être saturés. Si la perturbation envisagée avait provoqué une hausse de tension, par le même raisonnement, on voit que l'excitatrice aurait réagi pour ramener la tension à la valeur norma- le.
La marche de la machine est stable tant que le premier stator est saturé et que le deuxième ne l'est pas; le deuxième ne risque pas de se saturer, car dans ce cas, la tension correspondante serait supérieure à celle du premier stator Si et la tension aux balais serait négative, ce qui est absurde; le premier stator est saturé tant que le point C1 est au-delà de 0 par rapport à O1' Au point C correspondent les deux points A et B: le point B1 doit tou- jours être au-delà deB sur la droite O1 B, et par suite la tension minimum du l'excitatrice est celle correspondant au point B c'est-à-dire V - 1. m Cette tension minimum sera d'autant plus faible que la droite O1B sera moins inclinée sur O1 il, c'est-à-dire que les enroulements inducteurs auront une plus faible résistance;
mais il faut en même temps que le deuxième stator ait lui aussi des enroulements inducteurs de faible résistance pour pouvoir fournir l'excitation O2 A correspondant à la tension A 0 - 5 que doit induire le deuxième stator pour obtenir une tension V - 1 aux balais.
Dans le cas où les enroulements inducteurs des deux stators sont reliés aux balais de façon à ce que S1 et S2 fournissent des tensions de même sens, le fonctionnement est également stable, car la saturation de Si est alors très poussée, et la tension qu'il fournit varie très peu en fonction de la variation de tension aux balais, de sorte que la caractéristique de la machine peut être représentée par la courbe O'A C, (Fig.3), et la caractéris- tique des enroulements inducteurs de S2 et de leur rhéostat peut être représen- tée par la droite 0 A; la caractéristique a son origine reportée au point O' telle que 0 0' soit égale à la tension induite par le premier stator ;
droi- te 0 A caractéristique de l'ensemble inducteurs-rhéostat a, au contraire, son origine en 0, et on voit immédiatement que la marche est possible et stable pour tous les points de la caractéristique O'O, parce que, quelle que soit la valeur de l'angle i 0 A il y a un point d'Intersection bien net et un seul en- tre lesdeux courbes.
On voit d'ailleurs que la variation de la force électromotrice induite par S1 correspondant à une variation de tension aux balais ne peut que concourir à la stabilité, puisque S1 est saturé,
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Si une excitatrice était construite avec les caractéristiques des Fig.8 et 2', elle pourrait réaliser une tension variable dans le rapport de 1 à 23;le premier stator peut réaliser 9 et le second 14 et on a vu que la ten- sion minimum possible est 1,
Lorsque les forces électromotrices induites sont de signes con- traires les pôles jointifsdes deux stators sont de polarités différentes, on peut craibre alors qu'il y ait des fuites magnétiques, et qu'une partie du flux passe d'un pôle au pôle jointif de l'autre stator, soit à travers l'air, soit à travers le rotor;
à travers l'air cela ne présente aucun inconvénient; à tra- vers le rotor, ces fuites provoquent un flux longitudinal; en A par exemple, ce flux, fixe par rapport aux stators, tourne dans le rotor et provoque des cou- rants de Foucault dans les tôles car ces dernières sont normales aux lignes de force du flux de fuite. la machine conserve cependant toutes ses caractéristiques, mais le rotor ne tarderait pas à prendre un échauffement dangereux.
Il est facile de remédier à cet inconvénient en remplaçant, dans la partie du rotor non utilisée entre les deux stators, les tôles magnétiques par un corps isolant (pour éviter les courants de Foucault) et non magnétique: un papier Imprégné quelconque. Près de l'axe deux flux de fuite de sens inverse tendront à passer, ils se neutraliseront mutuellement et la résultante sera très faible ; de plus en cet endroit la vitesse linéaire du métal est petite et lespertes par courants de Foucault seront de peu d'importance.
Ces pertes au- ront lieu au moment où l'excitatrice a une faible tension et débite un courant très faible, seul cas où les pôles jointifs sont de sens contraire, et par sui- te au moment où des pertes par effet Joule dans le rotor sont minima, il n'y a donc pas lieu de les craindre*
Pour avoir un grand rapport entre les tensions minimum et maximum, il faut que la résistance ohmique des inducteurs soit faible ; parsuite, quand l'excitatrice fonctionne à la tension maximum, on risque d'avoir une intensité trop forte dans les inducteurs du premier stator qui n'a pas de rhéostat ; en même temps qu'une énergie notable est perdue, l'enroulement prend un échauffa- ment excessif.
Pour remédier à cet inconvénient, la présente invention prévoit la modification suivante dans le montage des enroulements inducteurs de S1 et S2'
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cette modification est représentée sur les Fig. 5 & 5' des dessins joints, lors- que lesforces électromotrices des deux stators s'ajoutent pour donner une ten- sion très élevée, leurs enroulements inducteurs sont montés en série comme l'in- dique la fige 5' avec une résistance supplémentaire R; dans ce cas le montage de l'enroulement II du deuxième stator est potentio-métrique: le rhéostat le court-circuite d'abord, puis au fur et à mesure que sa résistance est augmentée il fait apparaître aux bornes de l'enroulement 11 une tension de plus en plus grande.
La Fig.5montre les connexions normales des enroulements inducteurs pour passer du système de la fig.5à ceux de la fig. 5', et pour régler à la valeur voulue le rhéostat, on peut utiliser le dispositif à plots représenté fig.6, où les mêmes chiffres indiquent les mêmes organes que sur les fig. 5 et 5'.
Les Fig. 7, 8 & 9 prévoient la variation régulière de tension, ainsi que le passage du code de connexions pour la marche en tensions soustrac- tives, à celui pour la marche en tensions additives, par la simple manoeuvre d'un commutateur, sans qu'il en résulte la nécessité de réglage soigné.
La Fig.7montre le mode de connexions pour la marche en tensions soustractives;
La Fig. 8, montre le mode de connexions pour la marche en tensions additives;
La Fig.9, montre un commutateur complet permettant d'effectuer les réglages et les modifications de connexions.
Sur la Fig.7, A & B sont les bornes positives et négatives reliées aux balais de l'excitatrice 1; l'enroulement inducteur I de la première partie S1 de l'excitatrice fonctionne à l'état saturé; cet enroulement est relié, en 9, au balai positif, et en 1 au balai négatif. L'enroulement II de la deuxième par- tie S de l'inducteur de l'excitatrice, est relié, d'une part en 3 au balai né- gatif, d'autre part en 2 au bras mobile E d'un dispositif qui comprend un rhéos- tat 4-5, une lame conductrice 5-6 et un potentio-mètre 11-10. Les points 4 & 10 sontreliés respectivement aux balais positif et négatif.
On voit que, quand on déplace E de 4 à 5, on diminue progressivement le couranttraversant II, par 1' interposition d'une résistance mise en série; puis, quand le bras E se déplace de 5 à 6, le même enroulement est progressivement court-circuité par le potentie- @
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mètre 11-loe la résistance 4-5 restant d'ailleurs reliée au bras E par la lame conductrice 5-6* la Fig.a représente le mode de connexions pour la marche en tensions additives. L'enroulement 1 est relié, à l'une de ses extrémités 9, au balai po- sitif, et à son autre extrémité 1 au bras F.
L'enroulement II est relié, à l'une de ses extrémités 3 au bras F, et à son autre extrémité 2, avec une résistance R laquelle est reliée au balai négatif de l'excitatrices. Le bras F peut se déplaça' sur les plots du rhéostat potentiométrique, reliés respectivement en 8 et 7 aux balais positif et négatif.
On voit qu'en déplaçant le bras F de 7 à 8, la tension aux bornes de l'enroulement II, part de zéro, croît de façon continue, la résistance R s'oppo- sant à tout échauffement dangereux; tandis que la tension aux bornes de l'en- roulement 1 décroît,
Les réglages représentés schématiquement sur les Fig.? et 5 comme effectués par les bras E & F, ainsi que par le passage du mode de connexions de la Fig.7 à celui de la Fig.8, se font, en réalité, au moyen de la manoeuvre du bras 00 du commutateur représenté Fig.9, L'extrémité 1 de l'enroulement I, est reliée aux plots 1 & les et l'extrémité 2 de l'enroulement II est reliée aux plots 2 et 2', et son extrémité 3, aux plots 3 et 3'.
Les extrémités des rhéos- tat et potentiomètre sont indiquées par les mêmes chiffres que sur les 7 et 8; le balai négatif de l'excitatrice est relié au plot i-i, et l'extrémité g de la résistance R, au plot g-g.
On voit que, lorsque le bras 00 se déplace sur la moitié gauche du commutateur, le contact met en liaison les plots 3, 1 & i-i', et le contact 6 le plot 2 et le rhéostat 4-11, ou le plot z, la lame 5-6 et le potentiomètre 11- 10. Lorsque le bras OC se déplace sur la moitié droite de ce commutateur, met en liaison 2' et g'-g' et 1', 3' et les plots du rhéostat 7 - 8'
En principe, l'excitatrice de la présente invention ne présentera pas un grand avantage dans la marche avec régulateur de tension à action rapide;
une excitatrice ordinaire, en effet, peut fonctionner d'une façon stable avec un régulateur de tension genre Tirrill la partie instable de sa caractéristique, en raison de la rapidité du Tirrill qui n'attend pas pour agir en sens inverse, que l'excitatrice se soit désamorcée ou qu'elle ait atteint une tension excessi- ve.
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Cependant, on peut prévoir l'action du Tirrill sur le rhéostat, com- me dans le cas d'une excitatrice ordinaire, avec l'un ou l'autre montage indi- qué plus haut (Fig. 5 & 5') la passage d'un montage à l'autre étant obtenu au moyen d'un relais voltmétrique qui mesure la tension moyenne aux bornes de l'ex* citatrice, et qui, lorsque cette tension moyenne est inférieure à une certaine valeur V1' provoque le montage pour tension minimum, et lorsque la tension moyen- ne est supérieure à une certaine valeur V2' provoque le montage pour tension ma- ximum; la valeur V2 sera choisie nettement supérieure à V1 pour que le passage ne se produise pas trop fréquemment.
Un simple examen descourbes des figures 2 et 2' montre que ce résul- tat peut être facilement obtenu.
Pour réduire les ampères-tours inducteurs nécessaires, et la tension minimum possible il sera avantageux de prendre la réluctance des circuits magné- tiques aussi faible que possible, par exemple en prenant un faible entrefer, et en choisissant convenablement les tôles.
Pour augmenter la stabilité dans la marche à faible tension ou à ten- sions différentielles, on pourra prendre des tôles dont la courbe de magnétisme ait un coude aussi prononcé que possible, cet la stabilité est d'autant plus grande que la différence est plus nette entre le premier stator qui est saturé et le second qui ne l'est pas,
Enfin la dynamo de l'invention peut être munie de pôles de oonmuta- tion et s'il y a lieu de pôle de compensation comme les excitatrices ordinaires.
Il est à remarquer que cette dynamo permet une tolérance beaucoup plus grande dans la construction du rhéostat que les excitatrices dont les in- ducteurs contiennent des cales de saturation! en effet dans ce dernier cas la droite caractéristique du rhéostat coupe la caractéristique de l'excitatrice sous un angle très faible, ce qui exige une grande précision dans la construction du rhéostat afin de ne pas avoir de désamorçage de la machine, ou, du moins, de ne pas a voit une variation de tension trop grande du passage d'un plot au sui- vante