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'T''DC'1.'IOI32E.lGIEN'l'S 1,U,'s. SYSTEMES DE BEGLAGE DES CIRCUITS ET MACHINES EJECTRIQ#BS-
La présente invention concerne le contrôle de l'énergie électrique transmise entre diverses machines ou circuits, et son objet essentiel est un système perfectionné pouvant être utilisé pour contrôler, redresser, ou retrans- former en alternatif, le courant échangé entre des circuits ou machines à cou- rant continu et alternatif, et pouvant fonctionner facilement pour changer les relations entre les caractéristiques de ces circuits ou machines.
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L'invention porte aussi sur un proo-ddê perfectionné de contrôle de vitesse pour machines à courant continu et alternatif reliées à un circuit à
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courant alternatif, par un dispositif redresseur, et fonctionnant soit en mo- teurs, soit en génératrices,
Lorsque de la puissance est échangea entre des circuits à courant continu et alternatif, il est fréquemment nécessaire que les caractéristiques électriques de l'un des systèmes soient changées indépendamment des conditions de fonctionnement de l'autre système, Ainsi, par exemple, dans le cas d'une machine à courant continu à vitesse variable, reliée par un dispositif à déchar- ge électronique, à un système à courant alternatif,
il est désirable que la tension de la machine soit variée indépendamment de la tension du circuit à cou- rant alternatif, en vue de contrôler la vitesse de la machine fonctionnant soit en'moteur, soit en récupération. De manière analogue, lorsque de la puissance est échangée entre des systèmes ou circuits à courant alternatif et continu, il est parfois désirable que la tension de l'un des systèmes soit variée pour ef- fectuer un échange convenable de puissance entre les systèmes.
Conformément à l'invention, ces résultats sont obtenus,'soit par variation de la phase d'une tension alternative appliquée à des grilles inter- posées entre la cathode et les anodes du dispositif à décharge électronique par lequel le circuit à courant alternatif est connecté au circuit ou à la machine asservie, soit par variation de la valeur d'une tension continue appliquée, de manière analogue, aux grilles de ce dispositif,
La description qui va suivre, en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple, fera bien comprendre la nature et les avantages de l'invention
La Fig. l'est le schéma des connexions d'un système de contrôle de circuit d'une machine à courant continu, établi conformément à l'invention. la Fig.2 en est une vue de détail.
Les Fig. 3 à 5 sont diverses caractéristiques de fonctionnement du système de la Fig.f. la Fig. 6 est une variante du système pour contrôler la tension de grille du redresseur. la Fig.7 représente l'application de l'invention à une machine connectée de-façon à fonctionner avec une caractéristique série. la Fig.8 représente une variante comportant un dispositif unique pour redresser le courant inducteur et le courant d'induit d'une machine élec- trique à courant continué
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la FIE,9 se rapporte à taie sous-station.
la Fig..0 représente la disposition pour régler simultanément le <# courant de l'induit et des inducteurs d'une machine à courant continu, La Figl1 correspond, à une variante de *La Figelo* la Figéla indique une méthode de réglage des machinas à courant al- ternatif, conformément à l'invention.
Dans le montage de la Fig.l, une machine à courant continu 1 est dis- posée de manière que son induit 8 est relié à une phase d'une ligne polyphasée 3, par un transformateur 4, un tube ou redresseur à vapeur 5, une self 6 et un commutateur inverseur 7; son inducteur 8 est relié à la même phase de la ligne polyphasée 3, par le transformateur 4 et un dispositif à vapeur, représente sous forme d'un redresseur à mercure 9,'muni d'un interrupteur de démarrage 10
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et d'une source de potentiel 116 une source de potentiel 12 et un autre inter- rupteur 13 sont prévus pour mettre en train le fonctionnement du redresseur 5, de manière connue*
La redresseur 5 comprend une cathode à mercure 14,
deux anodes 18 et
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19 et deux grilles 20 et gis la cathode 14 est connectée, par la self 6, l'in- terrupteur 7 et 1' induit 2, au point médian 15 du secondaire du transformateur 4; les anodes 18 et 19 sont connectées respectivement aux bornes Secondaires
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16 et .7,,du transformateur 4; les grilles ,4 et al sont connectées, par des ré- ,distances 2 et 23 respectivement, aux bornes secondaires e4 et 25 d'un trans- formateur Z6; la cathode 14, est connectée au circuit secondaire du transforma- teur 26, en 7.
Le circuit primaire du transforma tour 26 est connecté au cir- cuit 3, par un dispositif de contrôle 28, de type connu; cet appareil 26,jouant le rôle de changeur ou contrôleur de phase, ou de régulateur d'induction, com- prend un rotor 29 sur lequel est enroulée une bobine 30, et un stator qui est muni d'un enroulement polyphasé 31 produisant un champ tournant. Grâce à ces connexions, le contrôleur de phase 8 peut faire varier la tension de grille du tube 6, d'une façon qui peut être facilement comprise en examinant les Fig. 3 à 5.
Sur la Fig. lesvaleurs de la tension appliquée au tube 5 par le transformateur 4, à des instants successifs, sont représentées par les courbes
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a, t et les valeurs de la tension appliquée aux grilles 20 et 81, par le contrô-
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leur de phase 28, aux mêmes instants, sont représentées par la courbe b. Les courbes'a. et b étant décalées de 180', la grille 20 est chargée négativement, quand l'anode 18 est chargée positivement; la grille 21 est chargée négative- ment, quand l'anode 19 est chargée positivement, et la transmission de courant, à travers le tube 5, est ainsi empêchée. la Fig,4 représente la relation établie entre les courbes a & b, quand la phase de la tension de grille est décalée par rapport à celle de la tension anodique, au moyen du changeur de phase 28.
Avec cette nouvelle rela- tion, les grilles et les anodes du tube 6 sont simultanément chargées de poten- tiel négatif pendant des intervalles de temps représentés par t, t', et t", et un courant, représenté par les courbes o, est transmis à travers le tube 5, à une tension qui est très inférieure à la tension secondaire maximum du trans- formateur 4.
Lorsque la différence de phase entre les courbes a et b est di- minuée au moyen du changeur 28, les intervalles de temps : pendantlesquels le courant est transmis à travers le tube 5, et la tension à laquelle ce courant est transmis, sont augmentés jusqu'à ce que,les tensions de grille et d'anode étant en phase, l'onde ou la sinusoïde complète soit redressée, et le courant est alors transmis approximativement à la tension secondaire complète du trans- formateur 4* Par suite, la valeur instantanée de la tension du circuit prinai- pal ,à laquelle la transmission de courant à travers le tube 4 est mis en train, est déterminée par la phase de la tension de grille,
Quand on'désire interrompre le circuit entre la ligne 3 et la ma- chine 1,
le changeur de phase 28 est actionné pour amener les tensions de gril- le et d'anode à la relation de phase représentée par la Fig.3. Le tube 5 et son appareil de contrôle servent ainsi, non seulement à redresser ou à transformer en alternatif, le courant transmis entre le circuit 3 et la machine 1, et à varier la tension à laquelle ce courant est transmis, mais aussi à interrompre le circuit transmettant le courante , Au lieu de varier la phase de la tension de grille, pour contrôla* les connexions et la relation de'tension entre les circuits continu et alterna- tif, on peut évidemment obtenir un résultat analogue au moyen d'une tension à pne seule direction, appliquée aux grilles 20 et 21,
de manière à déterminer le
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point de l'onde alternative auquel la transmission de courant est mise en train à travers le tube 4.
.Les résistances 22 et 23 sont intercalées dans les circuits de gril- le ou de contrôle du tube 5, pour limiter le courant transmis par ces circuits la self 6 est connectée dans le circuit d'induit du moteur 1, pour amortir les
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pulsations du 'courant transmis à travers le tube 5,--et améliorer les caracté- ristiques de vitesse-couple de la machine. L'effet de cette self est représenté par les courbes .Q.!.. de la Fig.5 correspondant aux,courbes q de la Fig,4, Lors- que la différence de phase entre les courbes a et b diminue, les courbes 0' se recouvrent l'une l'autre, et un courant continu, de valeur approximativement constante, est transmis à la machine 1.
Lorsqu'on désire actionner la machine 1, soit comme moteur, soit comme génératrice, le rotor 29 du régulateur 28 ,et le commutateur-inverseur 7 de l'induit 2 du moteur, peuvent être enclenchés, ainsi qu'il est représenté
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schématiquement sur la F3.g., en vue d'assurer que le commutateur 7 ne puisse être actionné que lorsque les tensions de grille et d'anode du tube 5 sont op- posées, et que le circuit, entre le transformateur 4: et la machine 1, est in-
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terrompu* Sur la Fig.2, un levier de contrôle 32, articulé en 33, est muni de deux sections conductrices isolées, qui sont respectivement agencées pour en- gager l'une, les contacts 34 â 37, et l'autre, les contacts sa à 41;
le contact 34 est relié au contact 36, le contact 35 au contact 40, le contact 38 au con- tact 37, et le contact 39 au contact 41, Avec ces connexions, le courant peut
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être amené à l'enroulement d'induit 2 par des conducteurs 3 et 43*
Le levier 32 est rappelé vers sa position de coupure représentée, par des moyens convenables, en l'espèce un ressort 44' avec lequel il est relié par une liaison flexible 44, passant sur une poulie de renvoi 45 et sur une
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poulie 46 accouplée au rotor 29 du changeur de phase 28. Au lieu du système de la Fig.g , on peut utiliser d'autres moyens convenables pour varier la diffé- rence de phase entre les tensions de grille et de plaque du régulateur 28 sur 180 électriques.
En supposant le levier 32 dans sa position représentée et le rotor
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H9 réglé pour produire une différence de phase de 180 électriques entre les 0
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tensions de grille et de plaque du tube 5, la machine 1 peut être accélérée comme moteur, en amenant le levier 32 vers la droite, en connectant ainsi la machine 1 au circuit secondaire du transformateur 4, par le tube 5, et décalant la phase de la tension de grille de ce tube, de manière à augmenter graduelle- ment le couple de la machine. la transmission du courant à la machine peut être interrompue ou coupée en amenant le levier dans sa position moyenne, en coupant ainsi/le cir- cuit d'induit de la machine, d'abord au tube 5, ensuite au commutateur-inver- seur;
en outre, la machine peut être amenée à créer du courant et à fournir ce courant à la ligne 3, à travers le tube 5, en déplaçant le levier 32 vers la gauche, de façon à renverser les connexions d'induit et à diminuer la diffé- rence de phase entre lès tensions de grille et de plaque du tube 5.
Bien entendu, la machine 1 peut être actionnée en moteur en dépla- çant le levier 32 dans l'un. ou l'autre sens par rapport à la position repré- sentée, et lorsqu'on ne désire pas actionner la machine 1 à la fois comme mo- teur et comme génératrice, le courant transmis par le.tube 5 peut être contrôlé uniquement par le changeur de phase 28.
Sur la Fig.6, le circuit de contrôle'de vitesse et de récupération, qui présente diverses analogies avec le-précédent, diffère de celui-ci en ce que le circuit primaire du transformateur 4 est connecté à une ligne monophasée 47, et en ce que le courant est fourni au contrôleur de phase 28 par un appa- reil 48 de transformation de phase comprenant un enroulement primaire polyphasé 49 connecté à la ligne 47 et à un condensateur 50, et relié inductivement à un enroulement secondaire 51 qui est connecté à l'enroulement statorique 31, du contrôleur de phase 28.
Le transformateur de phase 48 est prévu pour produire un champ tournant dans le stator du contrôleur de phase 28. Le fonctionnement de ce sys- tème peut être facilement compris en se reportant à ce qui a été dit au sujet du système de la Fig.l, Avec les connexions d'excitation représentées Fig.l à 6, la machine 1 fonctionne comme moteur ou comme génératrice avec des caracté- ristiques shunt.
Dans le système représenté Fig.7, l'enroulement inducteur 8 est ali- menté par un transformateur série 52 relié à un conducteur du transformateur 4.
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Grâce à cette connexions, l'excitation de l'inducteur est approximativement proportionnelle au courant d'induit de la machine, Pour faciliter la récupéra- tion, il est désirable qu'un condensateur 53, ou autre moyen équivalent, soit relié aux bornes du secondaire du transformateur 4, afin d'assurer que l'in- ducteur 8 soit excité quand le courant d'induit est nul. la valeur de cette ex- citetion est bien entendu déterminée par le condensateur 53. la Fig.8 représente un système un peu différent des précédents. Dans ce système, le courant est échangé entre la ligne monophasée 47 et les enroule- ments d'excitation et d'induit du moteur 2, par un tube redresseur unique 54 et un transformateur 55 comprenant des circuits secondaires 56 et 57.
L'enroulement inducteur 31 du régulateur de phase 28, est connecté à l'enroulement secondaire
57, par un appareil de déphasage comprenant un condensateur 58 et une self 59; les circuits des grilles 20 et Si sont connectés directement à l'enroulement de rotor 30, du régulateur d'induction 28.
Le secondaire 56 fonctionne de manière à transmettre le courant en- tre la ligne 47 et l'enroulement d'induit 2, à travers des conducteurs 60 et 61 le tube 54, le conducteur 62, le commutateur 7, le conducteur 63, la self 6, et le'conducteur 64; le circuit secondaire 57 transmet du courant à l'enroulement inducteur 8 par des conducteurs 65 et 66, le tube 54 et les conducteurs 67, 68 et 69. Si l'on désire faire marcher la machine 1 avec des caractéristiques-sé- rie, les conducteurs 65 et 66 sont connectés à un transformateur série analogue au transformateur 52 de la Fig.7, au lieu du secondaire 57 du transformateur 55 Le fonctionnement du système représenté Fig.8 peut être facilement compris sans explications supplémentaires.
Dans le système de la Fig.9, le courant est échangé entre un cir- cuit à courant polyphasé 70 et un circuit à courant continu 71, par des trans- formateurs 72 et 73, un redresseur 74, une self 75, un commutateur-inverseur 76 une bobine de commande 77, un relais polarisé 78, et un transformateur d'entre- phases 79 relié entre les points médians des circuits secondaires des transfor- mateurs 72 et 73, pour assurer une division convenable du courant entre ces transformateurs.
Un régulateur d'induction 80, comprenant un enroulement de stator polyphasé 81 relié au circuit à courant alternatif 70 et un enroulement de
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rotor polyphasé 82 relié, par des transformateurs 83 et 83', à des grilles 84. et 87, est prévu pour contrôler le potentiel des grilles du redresseur 74, à la manière expliquée précédemment.
Les déplacements du régulateur 80 sont effectués par un moteur 88 connecté au circuit de charge à courant continu du redresseur 74, par un com- mutateur-inverseur 89, une résistance 90, et une batterie 91 qui est utilisée pour actionner le moteur 88 et le dispositif de contrôle de phase 80, de façon à maintenir la tension du circuit de charge à courant continu, à une valeur dé- terminée par la tension de la batterie. la .relais polarisé 78 comprend la bobine de commande 77, des contacts 93 à 96, et une pièce 'de contact 97 coopérant avec les contacts 93 à 96, pour contrôler l'excitation des solénoïdes 99 et 100 qui assurent le fonctionnement des commutateurs 89 et 76.
Un enclenchement ou "interlock" 151 est actionné par le moteur 88, pour assurer que les tensions de grille et d'anode du tube 74 soient en opposition quand les commutateurs 89 et 76 sont actionnés. Une charge auxiliaire, représentée par une résistance 152, est reliée aux bornes du cir- cuit -à courant, continu du redresseur, pour faciliter le fonctionnement du relais polarisé 78, quand le transport ou le transfert de puissance du circuit 71 au circuit 70, est mis en train. Une charge, en l'espèce une locomotive électrique 153, est relié-eau circuit continu 71.
Les commutateurs 89 et 76, et la pièce de contact 97, occupant les positions de gauche, et le fonctionnement du tube 74- ayant été mis en train par .le fonctionnement de son interrupteur de démarrage, on conçoit que les variations de la valeur de la tension redressée au-dessus et au-dessous de la tension de la batterie, font passer le courant à travers le circuit d'induit du motour 88, dans des-sens opposés, en actionnant ainsi constamment le moteur 88 et le dis- positif de contrôle de phase 80, de manière à rendre la tension redressée égale à celle de la batterie. Lorsque ces deux tensions sont égales, le moteur 88 est fixe.
Pendant que les machines constituant la charge, marchent en moteur, la tension continue du redresseur est ainsi maintenue automatiquement à une valeur approximativement égale à celle de la tension de la batterie.
Pendant la' période de transition entre la marche en moteur et la marche en régénération, des machines constituant la charge, quand la tension
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de ces machines devient supérieure à celle de la batterie, le courant est fourni du circuit 71; .à travers la résistance 152, à la bobine de commande de relais
77, pour amener la pièce de contact 97 en engagement avec les contacts 95 et 96 par le comnutateur 89, la résistance 90, et la batterie 91, au circuit d'induit du moteur 88, afin d'amener l'interlock 151 en engagement avec ses contacts coopérants.
La résistance 90 est prévue pour limiter la décharge de la batte- rie, quand la tension des machines constituant la charge, est inférieure à celle de la batterie* Tant que les commutateurs 89 et 76 sont fermés sur leurs positions de gauche, aucun courant n'est amené du circuit 71, par le redresseur 74, au circuit alternatif 70.
Dès que l'interlock 151 engage ses contacts, le solénoïde 99 est excité par le courant fourni par le circuit 71, et les commutateurs 89 et 76 sont actionnés et amenés à leurs positions représentées, en inversant ainsi les connexions entre le redresseur et le circuit à courant continu, et en permettant la transmission du courant du circuit 71 au circuit 70, à une tension détermi- née par la batterie 91, ainsi qu'il a été expliqué précédemment.
Si les connexions des machines constituant la charge, sont chan- gées pour mettre fin à la récupération, le courant est fourni par la batterie 91 à la bobine 77, par l'inducteur du moteur 88, d'une façon tendant à amener la pièce de contact 97 sur les contacts 93 et 94. Si ce courant est insuffisant pour actionner le relais, une interconnexion rapide des contacts 93 et 94 par la pièce 97, est réalisée au moyen du ressort 98. En même temps, le courant est amené à l'induit du moteur 88, de manière à amener l'interlock 151 en engage- ment avec ses contacts coopérants, en excitant ainsi la bobine de solénoïde 100 et en amenant les commutateurs' 89 et 76 dans une position convenable pour la marche en moteur.
Dans les exemples précédents, le réglage des machines à courant continu est effectué par le changement de la tension appliquée aux bornes de leur induit. Pour obtenir une marge de réglage plus étendue, on peut en même temps changer la tension qui alimente les inducteurs de ces machines
Dans le système représenté Fig.lO, la machine à courant continu 101 comprend l'enroulement d'induit 102 relié, par des enroulements 104 et 105
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d'un transformateur 106, des anodes 107 et la cathode 108 d'un tube à vide 109, d'une réactance, 110 et d'un commutateur..-inverseur 111, à une ligne polyphasée 103, et un enroulement inducteur 112 relié, par les enroulements 104' et 105 du transformateur 106,
et les anodes Ils et la cathode 114 d'un tube 115, à la ligne polyphasée 103.
,Le tube 115 est muni de grilles 116 reliées aux bornes de l'enrou- lement de transformateur 104, par des résistances 117, et avec la source de courant usuelle 118 et l'interrupteur 119, pour l'amorçage de l'arc. Le tube 109 est muni d'une source de courant 120 et d'un interrupteur 121, pour son amorçage, et de grilles 122 qui sont reliées, par des résistances 123, au cir- cuit secondaire d'un transformateur de'potentiel 124.
Un régulateur d'induction 125, comprenant un enroulement de rotor 126 relié au circuit primaire du transformateur'184, et un enroulement de sta- tor 127 relié à la ligne 103, sont prévus pour contrôler la relation de phase entre les tensions de grille et d'anode des tubes 109.et 115. Lesanddee 113 du tube 115 , et les grilles 122 du tube 109; sont connectées en ordre inverse au circuit secondaire du transformateur de potentiel 124, Avec ces connexions, les tensions' d'induit et d'inducteur de la machine loi, varient en sens opposés sous l'effet du fonctionnement du régulateur 125.
En supposant que le rotor du régulateur 125 occupe une position dans laquelle les potentiels des grilles 122 sont opposés à ceux des anodes 107, et'les potentiels des anodes Ils sont en phase avec ceux des grilles 116, aucun courant n'est transmis à travers le circuit d'induit de la machine 101, tandis qu'un courante maximum est transmis à travers les inducteurs 112 de la machine, et la machine est au repos. Si l'on veut accélérer la machine, le ré- gulateur d'induction 125 est actionné, de manière à avancer la phase de la ten- sion appliquée par. ce régulateur aux grilles du tube 109 et aux anodes du tube 115.
Dans ces conditions, la tension appliquée au circuit d'induit 102 est augmentée, celle qui est appliquée au circuit inducteur 112 est diminuée, et la machine est accélérée, jusqu'à une vitesse dépendant des amplitudes de ces tensions d'inducteur et d'induit. Un ralentissement de la machine est pro- duit, en amenant le rotor du régulateur d'induction à sa position primitive.
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Dans le système représenté Fig.ll, le potentiel des grilles 116 est contrôlé par un régulateur de phase 128 au rotor 129 duquel elles sont connectées, par des résistances 117 et un transformateur de potentiel 130.
Le régulateur 128 comprend un enroulement de stator polyphasé 131 relié à la ligne 103, de façon à produire un champ magnétique tournant, dans un sens opposé à celui du champ produit par l'enroulement polyphasé 127; lès rotors des régulateurs 125 et 128 sont accouplés ensemble, par un arbre 132 muni d'un volant à main 133, pour varier les tensions d'inducteur et d'induit en sens opposés, ainsi qu'il a été expliqué précédemment.
Les tubes 109 et 115 peuvent être remplacés par un.tube unique, comme dans la Fig.8, lorsque le transformateur 106 est muni de circuits se- condaires séparés, pour alimenter différentes anodes.
Le réglage des machines électriques à l'aide de redresseurs à débit réglable peut également être appliqué aux machines à courant alternatif.
Au lieu de les alimenter à travers les redresseurs, comme dans le cas du cou- rant continu, on peut réaliser ce réglage conformément à la Fig. 12, à l'aide de selfs agissant soit en bobines de réactance, soit en auto-transformateurs. la Fig.12 représente un moteur d'induction 201 qui est muni d'un enroulement secondaire 207 et d'un enroulement primaire );102. relié aux phases
203 et 204 d'une ligne polyphasée, par des réactances 205 et 206, respective- ment.
Ces réactances 205 et 206 prévues pour contrôler la vitesse du moteur
201, sont établies de façon que le degré de leur saturation soit varié, au moyen de dispositifs à décharge électronique représentés sous forme de re- dresseurs à vapeur de mercure 208 et 209 munis, respectivement, de grilles 210 et 211, 212 et 213. les' anodes 214 et 215 du tube 208 sont reliées aux bornes oppo- sées de la réactance 206, et la cathode 216 du tube 208 est reliée au point médian de la self 206, par une réaotance 216' destinée à amortir les pulsa- tions dans le courant de charge du tube 208. Une batterie 207 et un interrup- teur 218 sont prévus, comme d'usage, pour l'amorçage du tube 208.
Les grilles 210 et 211 sont connectées au circuit secondaire d'un transformateur 219, par des résistances 220 et 221 destinées à limiter le courant de grille; le point médian du circuit secondaire étant relié à la cathode 216.
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Le tube 209 est connecté de manière analogue; ses anodes 222 et 223 reliées aux bornes opposées de la self 205 ; sa cathode 224 reliée au point médian de la self.205, par une autre self 225; ses grilles 212 et 213 reliées par des résistances 226 et 227 ,au circuit secondaire d'un transformateur 228, sa cathode 224 reliée au point médian de ce 'circuit. Son fonctionnement est amorcé par une batterie 229 et un interrupteur 230.
Pour régler les potentiels de grille des tubes 208 et 209, on a prévu, à titre d'exemple, un régulateur d'induction 231. Cet appareil comprend un enroulement de stator polyphasé 232 qui est connecté aux phases 203 et 204 de la ligne polyphasée, et un enroulement de rotor dont une phase est connec- tée au circuit primaire du transformateur 219, et l'autre phase au circuit primaire du transformateur 222.
Avec ces connexions, les tensions de grille des deux tubes 208 et 209 peuvent être décalées par rapport aux tensions d'aiodes de ces tubes, au moyen du changeur de phase 231, lorsque les tensions de grilles et d'anodes des tubes 208 et 209 sont en opposition, aucun courant n'est transmis à tra- vers ces tubes, et la réactance des selfs 205 et 206 est relativement faible en raison de leur degré élené de saturation qui est dû aux courants alterna- tifs alimentant le stator du moteur 201 et qui correspond à une faible valeur de la perméabilité du fer.
Les courants de charge des tubes 208 et 209 augmentent lorsque leurs tensions de grilles et d'anodes sont amenées, progressivement, en phase l'une avec l'autre, et atteignent leur valeur maximum quand les tensions ont la même phase ; les courants traversant les redresseurs agissent sur les réactan- ces comme des courants' d'auto-transformateurs produisant dans les enroulements de 205 et 206 des forces contre-électromotrices. Les réactances 205 et 206 semblent posséder alors une très forte impédance* leur saturation est très faible*
Les tubes 208 et 209 fournissent ainsi un moyen simple et sûr pour modifier le courant qui alimente le stator 202.
On conçoit. que les tensions de grilles des tubes 208 et 209 peuvent être réglées de toute autre façon con- venable,. et par exemple au moyen d'une source à courant continu qui est uti- lisée de manière connue, pour agir sur les tensions de grille. Toutefois, l'u- tilisation du changeur de phase 231 présente l'avantage de supprimer la né-
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cossit d'une source séparée de courant de contrôle.
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'T''DC'1.'IOI32E.lGIEN'l'S 1, U,' s. EJECTRIQ CIRCUITS AND MACHINERY TUNING SYSTEMS # BS-
The present invention relates to the control of electrical energy transmitted between various machines or circuits, and its essential object is an improved system which can be used to control, rectify, or convert back to AC, the current exchanged between circuits or machines. direct and alternating current, and can easily operate to change the relationships between the characteristics of these circuits or machines.
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The invention also relates to an improved speed control proo-dê for direct and alternating current machines connected to a circuit.
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alternating current, by a rectifying device, and operating either as motors or as generators,
When power is exchanged between direct current and alternating current circuits, it is frequently necessary that the electrical characteristics of one of the systems be changed independently of the operating conditions of the other system, thus, for example, in the case of a variable speed direct current machine, connected by an electronic unloading device, to an alternating current system,
it is desirable that the voltage of the machine be varied independently of the voltage of the ac circuit, in order to control the speed of the machine operating either as a motor or as recovery. Similarly, when power is exchanged between AC and DC systems or circuits, it is sometimes desirable that the voltage of one of the systems be varied to effect a proper exchange of power between the systems.
In accordance with the invention, these results are obtained either by varying the phase of an alternating voltage applied to grids interposed between the cathode and the anodes of the electronic discharge device by which the alternating current circuit is connected. to the circuit or to the servo-controlled machine, either by varying the value of a direct voltage applied, in a similar manner, to the gates of this device,
The description which follows, with reference to the appended drawing, given by way of example, will make the nature and advantages of the invention clearly understood.
Fig. is the circuit diagram of a circuit control system of a direct current machine, established in accordance with the invention. Fig.2 is a detail view.
Figs. 3 to 5 are various operating characteristics of the system of Fig.f. Fig. 6 is a variant of the system for controlling the rectifier gate voltage. Fig.7 shows the application of the invention to a machine connected so as to operate with a series characteristic. Fig. 8 represents a variant comprising a single device for rectifying the inductor current and the armature current of an electric machine with direct current
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the FIE, 9 relates to the sub-station.
Fig..0 represents the arrangement for simultaneously adjusting the <# current of the armature and of the inductors of a direct current machine, Figl1 corresponds to a variant of * La Figelo * Figéla indicates a method of adjusting the alternating current machinas, in accordance with the invention.
In the assembly of Fig.l, a direct current machine 1 is arranged so that its armature 8 is connected to a phase of a polyphase line 3, by a transformer 4, a tube or steam rectifier 5, a choke 6 and a changeover switch 7; its inductor 8 is connected to the same phase of the polyphase line 3, by the transformer 4 and a steam device, represented in the form of a mercury rectifier 9, fitted with a start switch 10
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and from a potential source 116, a potential source 12 and another switch 13 are provided to start the operation of the rectifier 5, in a known manner *
The rectifier 5 comprises a mercury cathode 14,
two anodes 18 and
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19 and two grids 20 and gis the cathode 14 is connected, by the choke 6, the switch 7 and the armature 2, to the midpoint 15 of the secondary of the transformer 4; the anodes 18 and 19 are respectively connected to the Secondary terminals
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16 and .7, of transformer 4; the gates, 4 et al are connected, by re-, distances 2 and 23 respectively, to the secondary terminals e4 and 25 of a transformer Z6; cathode 14, is connected to the secondary circuit of transformer 26, at 7.
The primary circuit of transforma tower 26 is connected to circuit 3, by a control device 28, of known type; this apparatus 26, playing the role of phase changer or controller, or of induction regulator, comprises a rotor 29 on which a coil 30 is wound, and a stator which is provided with a polyphase winding 31 producing a field turning. Through these connections, the phase controller 8 can vary the grid voltage of the tube 6, in a way that can be easily understood by examining Figs. 3 to 5.
In Fig. the values of the voltage applied to tube 5 by transformer 4, at successive instants, are represented by the curves
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a, t and the values of the voltage applied to the gates 20 and 81, by the control
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their phase 28, at the same instants, are represented by curve b. The curves'a. and b being shifted by 180 ', the gate 20 is negatively charged, when the anode 18 is positively charged; the grid 21 is negatively charged, when the anode 19 is positively charged, and the transmission of current, through the tube 5, is thus prevented. Fig, 4 shows the relationship established between the curves a & b, when the phase of the gate voltage is shifted with respect to that of the anode voltage, by means of the phase changer 28.
With this new relationship, the grids and anodes of tube 6 are simultaneously charged with negative potential for time intervals represented by t, t ', and t ", and a current, represented by the curves o, is transmitted through tube 5, at a voltage which is much lower than the maximum secondary voltage of transformer 4.
When the phase difference between curves a and b is reduced by means of the changer 28, the time intervals: during which the current is transmitted through the tube 5, and the voltage at which this current is transmitted, are increased up to 'so that, with the gate and anode voltages in phase, the full wave or sine wave is rectified, and the current is then transmitted approximately to the full secondary voltage of the transformer 4 * Hence, the value instantaneous voltage of the main circuit, at which the current transmission through tube 4 is initiated, is determined by the phase of the gate voltage,
When you want to interrupt the circuit between line 3 and machine 1,
the phase changer 28 is operated to bring the grill and anode voltages to the phase relationship shown in Fig.3. The tube 5 and its control device thus serve, not only to rectify or to transform into alternating, the current transmitted between the circuit 3 and the machine 1, and to vary the voltage at which this current is transmitted, but also to interrupt the circuit transmitting the current, Instead of varying the phase of the gate voltage, in order to control the connections and the voltage relation between the DC and AC circuits, one can obviously obtain a similar result by means of a voltage single direction bolt, applied to grids 20 and 21,
so as to determine the
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point in the alternating wave at which current transmission is initiated through tube 4.
.The resistors 22 and 23 are interposed in the grill or control circuits of the tube 5, to limit the current transmitted by these circuits, the inductor 6 is connected in the armature circuit of the motor 1, to dampen the
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pulsations of the current transmitted through tube 5, - and improve the speed-torque characteristics of the machine. The effect of this choke is represented by the curves .Q.! .. of Fig. 5 corresponding to the curves q of Fig, 4, When the phase difference between curves a and b decreases, the curves 0 'overlap each other, and a direct current of approximately constant value is transmitted to machine 1.
When it is desired to actuate the machine 1, either as a motor or as a generator, the rotor 29 of the regulator 28, and the inverter switch 7 of the armature 2 of the motor, can be engaged, as shown.
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schematically on the F3.g., in order to ensure that the switch 7 can only be actuated when the gate and anode voltages of the tube 5 are opposed, and that the circuit, between the transformer 4: and machine 1 is in-
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interrupted * In Fig. 2, a control lever 32, articulated at 33, is provided with two isolated conductive sections, which are respectively arranged to engage one, the contacts 34 to 37, and the other, the contacts its at 41;
contact 34 is connected to contact 36, contact 35 to contact 40, contact 38 to contact 37, and contact 39 to contact 41. With these connections current can
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be brought to the armature winding 2 by conductors 3 and 43 *
The lever 32 is returned to its cut-off position shown, by suitable means, in this case a spring 44 'with which it is connected by a flexible connection 44, passing over a return pulley 45 and over a
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pulley 46 coupled to rotor 29 of phase changer 28. Instead of the system of Fig.g, other suitable means may be used to vary the phase difference between the gate and plate voltages of regulator 28 over 180 electric.
Assuming lever 32 in its shown position and rotor
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H9 set to produce a phase difference of 180 electrical between the 0
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grid and plate voltages of tube 5, machine 1 can be accelerated as a motor, by moving lever 32 to the right, thus connecting machine 1 to the secondary circuit of transformer 4, through tube 5, and shifting the phase of the grid voltage of this tube, so as to gradually increase the torque of the machine. the current transmission to the machine can be interrupted or cut by moving the lever to its middle position, thus cutting / the armature circuit of the machine, first at tube 5, then at the reversing switch ;
furthermore, the machine can be made to create current and supply this current to line 3, through tube 5, by moving lever 32 to the left, so as to reverse the armature connections and decrease the phase difference between grid and plate voltages of tube 5.
Of course, the machine 1 can be operated as a motor by moving the lever 32 in one. or the other direction with respect to the position shown, and when it is not desired to operate the machine 1 as both a motor and a generator, the current transmitted by the tube 5 can be controlled only by the phase changer 28.
In Fig. 6, the speed control and recovery circuit, which has various analogies with the previous one, differs from it in that the primary circuit of the transformer 4 is connected to a single-phase line 47, and in that the current is supplied to the phase controller 28 by a phase transforming apparatus 48 comprising a polyphase primary winding 49 connected to line 47 and to a capacitor 50, and inductively connected to a secondary winding 51 which is connected to the stator winding 31, of the phase controller 28.
The phase transformer 48 is provided to produce a rotating field in the stator of the phase controller 28. The operation of this system can be readily understood by referring to what has been said about the system of Fig. 1. , With the excitation connections shown in Fig. 1 to 6, machine 1 operates as a motor or as a generator with shunt characteristics.
In the system shown in Fig. 7, the inductor winding 8 is supplied by a series transformer 52 connected to a conductor of transformer 4.
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By virtue of this connection, the excitation of the inductor is approximately proportional to the armature current of the machine. To facilitate recovery, it is desirable that a capacitor 53, or other equivalent means, be connected to the terminals of the machine. secondary of transformer 4, in order to ensure that the inductor 8 is energized when the armature current is zero. the value of this excitation is of course determined by capacitor 53. Fig. 8 shows a somewhat different system from the previous ones. In this system, the current is exchanged between the single-phase line 47 and the excitation and armature windings of the motor 2, by a single rectifier tube 54 and a transformer 55 comprising secondary circuits 56 and 57.
The field winding 31 of the phase regulator 28, is connected to the secondary winding
57, by a phase shifter comprising a capacitor 58 and an inductor 59; the circuits of the gates 20 and Si are connected directly to the rotor winding 30, of the induction regulator 28.
The secondary 56 operates in such a way as to transmit the current between the line 47 and the armature winding 2, through the conductors 60 and 61, the tube 54, the conductor 62, the switch 7, the conductor 63, the choke. 6, and the conductor 64; the secondary circuit 57 transmits current to the inductor winding 8 through conductors 65 and 66, the tube 54 and the conductors 67, 68 and 69. If it is desired to operate the machine 1 with serial characteristics, conductors 65 and 66 are connected to a series transformer analogous to transformer 52 of Fig.7, instead of secondary 57 of transformer 55 The operation of the system shown in Fig.8 can be easily understood without further explanation.
In the system of Fig. 9, current is exchanged between a polyphase current circuit 70 and a direct current circuit 71, by transformers 72 and 73, a rectifier 74, a choke 75, a switch- inverter 76, a control coil 77, a polarized relay 78, and an interphase transformer 79 connected between the midpoints of the secondary circuits of transformers 72 and 73, to ensure a proper division of the current between these transformers.
An induction regulator 80, comprising a polyphase stator winding 81 connected to the AC circuit 70 and a
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polyphase rotor 82 connected, by transformers 83 and 83 ', to gates 84. and 87, is provided to control the potential of the gates of rectifier 74, in the manner explained previously.
The movements of the regulator 80 are effected by a motor 88 connected to the direct current charging circuit of the rectifier 74, by an inverter-switch 89, a resistor 90, and a battery 91 which is used to power the motor 88 and the generator. phase control device 80, so as to maintain the voltage of the direct current charging circuit at a value determined by the voltage of the battery. the polarized relay 78 comprises the control coil 77, contacts 93 to 96, and a contact piece 97 cooperating with the contacts 93 to 96, to control the excitation of the solenoids 99 and 100 which ensure the operation of the switches 89 and 76.
An interlock or "interlock" 151 is actuated by motor 88, to ensure that the gate and anode voltages of tube 74 are in opposition when switches 89 and 76 are actuated. An auxiliary load, represented by a resistor 152, is connected to the terminals of the direct current circuit of the rectifier, to facilitate the operation of the polarized relay 78, when transporting or transferring power from circuit 71 to circuit 70, is set in motion. A load, in this case an electric locomotive 153, is connected-water continuous circuit 71.
The switches 89 and 76, and the contact piece 97, occupying the left-hand positions, and the operation of the tube 74- having been set in motion by the operation of its start switch, it is understood that the variations in the value of the rectified voltage above and below the battery voltage, cause current to flow through the armature circuit of the motor 88, in opposite directions, thus constantly operating the motor 88 and the device. phase control 80, so as to make the rectified voltage equal to that of the battery. When these two voltages are equal, the motor 88 is fixed.
While the machines constituting the load, operate as a motor, the direct voltage of the rectifier is thus automatically maintained at a value approximately equal to that of the voltage of the battery.
During the 'transition period between running in motor and running in regeneration, machines constituting the load, when the voltage
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of these machines becomes greater than that of the battery, current is supplied from circuit 71; .through resistor 152, to the relay control coil
77, to bring the contact piece 97 into engagement with the contacts 95 and 96 by the switch 89, the resistor 90, and the battery 91, to the armature circuit of the motor 88, in order to bring the interlock 151 into engagement with its cooperating contacts.
Resistor 90 is designed to limit the discharge of the battery when the voltage of the machines constituting the load is lower than that of the battery * As long as the switches 89 and 76 are closed in their left positions, no current will exist. 'is brought from circuit 71, via rectifier 74, to AC circuit 70.
As soon as the interlock 151 engages its contacts, the solenoid 99 is energized by the current supplied by the circuit 71, and the switches 89 and 76 are actuated and brought to their positions shown, thus reversing the connections between the rectifier and the circuit with direct current, and by allowing the transmission of the current from the circuit 71 to the circuit 70, at a voltage determined by the battery 91, as has been explained previously.
If the connections of the machines constituting the load are changed to terminate the recovery, the current is supplied by the battery 91 to the coil 77, by the inductor of the motor 88, in a manner tending to bring the part contact 97 on the contacts 93 and 94. If this current is insufficient to actuate the relay, a rapid interconnection of the contacts 93 and 94 by the part 97, is carried out by means of the spring 98. At the same time, the current is brought to motor armature 88, so as to bring interlock 151 into engagement with its cooperating contacts, thereby energizing solenoid coil 100 and bringing switches 89 and 76 to a position suitable for motor operation .
In the preceding examples, the adjustment of direct current machines is effected by changing the voltage applied to the terminals of their armature. To obtain a wider adjustment margin, it is possible at the same time to change the voltage which supplies the inductors of these machines.
In the system shown in Fig.lO, the direct current machine 101 comprises the armature winding 102 connected, by windings 104 and 105
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of a transformer 106, anodes 107 and the cathode 108 of a vacuum tube 109, of a reactance, 110 and of a switch ..- inverter 111, to a polyphase line 103, and an inductor winding 112 connected , by the windings 104 'and 105 of the transformer 106,
and the anodes Il and the cathode 114 of a tube 115, at the polyphase line 103.
The tube 115 is provided with grids 116 connected to the terminals of the transformer winding 104, by resistors 117, and with the usual current source 118 and the switch 119, for starting the arc. The tube 109 is provided with a current source 120 and a switch 121, for its initiation, and grids 122 which are connected, by resistors 123, to the secondary circuit of a potential transformer 124.
An induction regulator 125, comprising a rotor winding 126 connected to the primary circuit of transformer 184, and a stator winding 127 connected to line 103, are provided to control the phase relationship between the gate voltages and the anode of tubes 109. and 115. Lesanddee 113 of tube 115, and the screens 122 of tube 109; are connected in reverse order to the secondary circuit of potential transformer 124. With these connections, the armature and inductor voltages of the machine law, vary in opposite directions under the effect of the operation of the regulator 125.
Assuming that the rotor of regulator 125 occupies a position in which the potentials of the gates 122 are opposite those of the anodes 107, and the potentials of the anodes are in phase with those of the gates 116, no current is transmitted through. the armature circuit of the machine 101, while a maximum current is transmitted through the inductors 112 of the machine, and the machine is at rest. If the machine is to be accelerated, the induction regulator 125 is actuated, so as to advance the phase of the voltage applied by. this regulator to the grids of tube 109 and to the anodes of tube 115.
Under these conditions, the voltage applied to the armature circuit 102 is increased, that which is applied to the inductor circuit 112 is decreased, and the machine is accelerated, up to a speed depending on the amplitudes of these inductor voltages and induced. The machine slows down, bringing the rotor of the induction regulator to its original position.
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In the system shown in Fig.ll, the potential of the gates 116 is controlled by a phase regulator 128 to the rotor 129 to which they are connected, by resistors 117 and a potential transformer 130.
Regulator 128 includes a polyphase stator winding 131 connected to line 103, so as to produce a rotating magnetic field, in a direction opposite to that of the field produced by polyphase winding 127; the rotors of regulators 125 and 128 are coupled together by a shaft 132 provided with a handwheel 133, to vary the inductor and armature voltages in opposite directions, as has been explained previously.
The tubes 109 and 115 can be replaced by a single tube, as in Fig. 8, when the transformer 106 is provided with separate secondary circuits, to supply different anodes.
The adjustment of electrical machines using adjustable flow rectifiers can also be applied to AC machines.
Instead of feeding them through the rectifiers, as in the case of direct current, this adjustment can be made in accordance with FIG. 12, using chokes acting either as reactance coils or as auto-transformers. Fig. 12 shows an induction motor 201 which is provided with a secondary winding 207 and a primary winding); 102. connected to phases
203 and 204 of a polyphase line, by reactors 205 and 206, respectively.
These reactors 205 and 206 intended to control the engine speed
201, are established so that the degree of their saturation is varied, by means of electronic discharge devices shown in the form of mercury vapor rectifiers 208 and 209 provided, respectively, with screens 210 and 211, 212 and 213. the anodes 214 and 215 of the tube 208 are connected to the opposite terminals of the reactance 206, and the cathode 216 of the tube 208 is connected to the midpoint of the inductor 206, by a reactance 216 'intended to damp the pulsations in the charging current of the tube 208. A battery 207 and a switch 218 are provided, as usual, for starting the tube 208.
The gates 210 and 211 are connected to the secondary circuit of a transformer 219, by resistors 220 and 221 intended to limit the gate current; the midpoint of the secondary circuit being connected to the cathode 216.
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Tube 209 is connected analogously; its anodes 222 and 223 connected to the opposite terminals of the choke 205; its cathode 224 connected to the midpoint of the choke 205, by another choke 225; its gates 212 and 213 connected by resistors 226 and 227 to the secondary circuit of a transformer 228, its cathode 224 connected to the midpoint of this circuit. Its operation is initiated by a battery 229 and a switch 230.
To adjust the grid potentials of the tubes 208 and 209, an induction regulator 231 has been provided, by way of example. This apparatus comprises a polyphase stator winding 232 which is connected to phases 203 and 204 of the polyphase line. , and a rotor winding, one phase of which is connected to the primary circuit of transformer 219, and the other phase to the primary circuit of transformer 222.
With these connections, the gate voltages of the two tubes 208 and 209 can be offset from the air voltages of these tubes, by means of the phase changer 231, when the gate and anode voltages of the tubes 208 and 209 are in opposition, no current is transmitted through these tubes, and the reactance of the chokes 205 and 206 is relatively low due to their high degree of saturation which is due to the alternating currents supplying the stator of the motor 201 and which corresponds to a low value of the permeability of iron.
The charge currents of the tubes 208 and 209 increase when their gate and anode voltages are gradually brought in phase with each other, and reach their maximum value when the voltages have the same phase; the currents flowing through the rectifiers act on the reactances like the currents of autotransformers producing counter-electromotive forces in the windings of 205 and 206. Reactors 205 and 206 seem to have a very high impedance * their saturation is very low *
Tubes 208 and 209 thus provide a simple and safe way to change the current supplied to stator 202.
We design. that the grid tensions of the tubes 208 and 209 can be adjusted in any other suitable way ,. and for example by means of a direct current source which is used in known manner, to act on the gate voltages. However, the use of the phase changer 231 has the advantage of eliminating the ne-
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Provides a separate source of control current.