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COUPLAGE POUR EVITER DANS LES CASCADES A COLLECTEUR L'AUTO- EXCITATION DE FREQUENCE ETRANGERE AU RESEAU "
On sait que par auto-excitation d'une cascade, com- posée d'un moteur asynchrone et d'une machine à collecteur en cascade, on entend l'état pour lequel est engendrée dans la partie secondaire de la cascade, une tension dont la grandeur et la fréquence ne sont pas déterminées par la grandeur et la fréquence de la tension imprimée au réseau primaire de la cascade. En cas d'auto-excitation, les courants correspondant à la tension du réseau et ceux correspondant à la tension d'auto-excitation, qui ont une fréquence différente, se super- posent dans l'ensemble de l'installation.
Le courant d'auto-
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excitation possède secondairement la fréquence de la ten- sion d'auto-excitation; sa fréquence primaire est égale à la somme ou à la différence de cette fréquence et de la fréquence de rotation de la machine asynchrone. Le courant excité du réseau possède primairement la fréquence du réseau et secondairement la fréquence de glissement.
Une auto-excitation est également possible lorsqu'il n'exis- te pas d'autres sources de tension dans le réseau, c'est- à-dire lorsque l'ensemble du courant est déterminé par la tension d'auto-excitation. Dans ce dernier cas l'auto-excita- tion peut être désirable, mais en général elle est nuisible, car elle influence très défavorablement la commutation dela machine à collecteur et détermine de fortes pertes addition- nelles.
La machine à collecteur en cascade est le siège de l'auto-excitation mentionnée. Lorsqu'un champ, tout d'abord supposé seulement, de cette machine détermine dans l'induit une tension de rotation de grandeur et de phase telles, que le courant excitateur provoqué par cette tension possède la grandeur et la phase correspondant au champ supposé, ce champ peut effectivement exister et 1'auto-excitation est possible. Dans l'exécution de la supposition, il faut admet- tre la tension imprimée par le réseau comme non existante, toutes les résistances inductives doivent être introduites avec leur valeur en cas de fréquence d'auto-excitation.
La production effective de l'auto-excitation dépend de ha- sards dont on ne traitera pas. Comme la machine à collecteur en cascade doit en cas d'auto-excitation, fournir sa propre énergie de magnétisation et celle de la machine asyn-
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chrone, le risque d'auto-excitation est peu probable dans les couplages en cascade auxquels, lors du fonction- nement avec la fréquence du réseau, la totalité de l'éner- gie de magnétisation doit être amenée du réseau et qui tra- vaillent en conséquence sans compensation de phase. Par contre le risque d'auto-excitation est imminent dans des installations qui fonctionnent avec compensation de phases et qui, même en cas de marche avec la fréquence du réseau, engendrent elles-mêmes leur énergie de magnétisation.
La présente invention ne se rapporte qu'à des cascades à collecteur dans lesquelles l'excitation de la machine à collecteur en cascade est alimentée par une ten- sion qui, dans toutes les limites de réglage, est propor- tionnelle à la tension des bagues collectrices du moteur principal. Les installations avec couplage série de l'en- roulement excitateur et celles qui tirent leur énergie exci- tatrice du réseau soit exclusivement, soit principalement , en se servant d'une machine alimentée par le rotor, n'entrent pas en ligne de compte.
L'invention a pour objet un couplage dans lequel le genre décrit d'auto-excitation est empêché du fait que dans le circuit excitateur est intercalé un dispositif dont la résistance diffère notablement, pour chaque fréquence s'écartant de la fréquence de glissement, de la résistance en cas de fréquence de glissement.
Comme dans les installations qui fonctionnent avec compen- sation de phase, le circuit excitateur est calculé de manière qu'avec la fréquence de glissement déterminée par le nombre de tours, la machine à collecteur puisse engendrer elle-même
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l'énergie de magnétisation de la cascade, la probabilité que ce circuit puisse engendrer son énergie de magnétisa- tion même avec une autre fréquence, donc avec auto- excitation, est très faible, lorsque, déjà avec une fréquence ne différant que peu de la fréquence de glisse- ment, la résistance du circuit excitateur possède une valeur notablement autre qu'avec la fréquence de glisse- ment.
La suppression de l'auto-excitation agit encore plus sûrement lorsqu'on tient compte non seulement dela valeur, mais aussi dela direction du changement de résis- tance avec une fréquence autre que la fréquence de glis- sement. Pour une autre fréquence, il dépend du coupla- ge que le dispositif auxiliaire comporte de préférence une résistance plus grande ou plus petite qu'avec la fréquence de glissement. En effet, le dispositif peut être couplé aus- si bien en série qu'en shunt aux bornes excitatrices de la machine à collecteur en cascade.
Or d'après la présente invention le dispositif auxiliaire doit comporter, avec un couplage shunt, pourchaque fréquence différente de la fréquence de glissement, une résistance plus faible qu'a- vec la fréquence de glissement, et on se servira comme dispositif de ce genre, d'un moteur synchrone ou asynchrone tournant à vide connecté au circuit excitateur de la ma- chine à collecteur.
La fig. 1 du dessin ci-joint montre un exemple d'exécution. 1 désigne le réseau primaire, 2 le moteur asynchrone avec bagues collectrices 3; 4 désigne la machine à collecteur en cascade qui peut être accouplée directement ou être actionnée indépendamment. 5 désigne l'enroulement excitateur qui est représenté, à titre d'exemple, avec couplage en triangle, mais pour lequel on peut employer
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d'autres couplages. 6 désigne le moteur proposé d'après l'invention et qui peut, par exemple, être un moteur asyn- chrone. Avant la production de l'auto-excitation, la fré- quence de rotation de ce moteur est approximativement éga- le à la fréquence de glissement du moteur principal, et par contre, sa résistance apparente est donnée par le rap- port de la tension des bornes au courant de marche à vide.
Tant qu'il conserve sa vitesse initiale, il représente pour toute autre fréquence, une résitance notablemept moindre, car par rapport à cette fréquence il fonctionne avec glissement, et prend par suite un courant beaucoup plus élevé. En conséquence, bien qu'en raison de sa résis- tance relativement élevée le moteur 6 n'influence presque pas le courant de la fréquence de glissement, il repré- sente pour le courant d'auto-excitation une très faible résistance couplée en parallèle à l'enroulement excitateur 5. Le courant d'auto-excitation passera en conséquence, pour la partie de beaucoup la plus grande, par le moteur 6 et seule une fraction passera par l'enroulement exci- tateur 5. Le moteur 6 ("moteur d'aspiration") aspire le courant d'auto-excitation.
En conséquence pour un courant donné de l'enroulement 5, la chute de tension sur le che- min allant de la machine à collecteur 4 jusqu'aux points de branchement du moteur 6, est beaucoup plus grande que si ce moteur n'existait pas; la tension de la machine à collec- teur induite par un courant donné de l'enroulement 5 doit donc, pour entretenir le courant de cet enroulement, être beaucoup plus élevée que sans adjonction du moteur 6 ; enconséquence avec des dimensions correspondantes de ce mo- teur, l'auto-excitation sera de nouveau supprimée au moment de sa production. Comme l'auto-excitation ne peut pas se
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développer, on ne court pas risque que le moteur d'aspiration adopte la vitesse correspondant à la fréquence d'auto- excitation, ce qui troublerait son fonctionnement.
En con- séquence, la supposition faite au début, qu'il conserve sa vitesse initiale même en cas de production de l'auto-exci- tation, est exacte. Comme directive pour le calcul du moteur d'aspiration on peut dire que son courant de ma- gnétisation doit être aussi faible que possible et son courant de court-circuit aussi élevé que possible.
La disposition est particulièrement efficace lorsque l'enroulement excitateur dela machine à collecteur en.,cascade n'est pas alimentée directement par les bagues collectrices du moteur principal, mais avec in- tercalation d'une machine excitatrice. La fig. 2 montre un exemple d'exécution. Les chiffres de référence 1 à 5 désignent les mêmes organes que dans la fig. 1 ; 6 dési- gne la machine excitatrice qui peut également être accou- plée au moteur principal, ou être actionnée indépendamment.
Son enroulement excitateur 7 est alimenté de manière connue en passant par une combinaison 8 de résistances ohmiques et inductives. L'enroulement 7 peut aussi être divisé en plu- sieurs enroulement. 9 désigne le " moteur d'aspiration " con- necté aux bornes del'enroulement 5. Coma dans le couplage de la fig. 2, toutes autres conditions étant égales, la chute de tension qui est provoquée par le courant aspiré par le moteur, dans le circuit de l'induit de la machine à collecteur 4 jusqu'à ses bornes excitatrices, est beau- coup plus grande que dans le couplage dela fig. 1, l'auto-
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excitation est supprimée dmanière encore plus efficace.
Le moteur 9 peut aussi être connecté aux bornes de l'en- roulement excitateur 7 dela machine excitatrice.
Mais il existe aussi d'autres possibilités de réa- liser l'idée de l'invention. Une disposition qui avec tou- te autre fréquence que celle excitée du réseau, possède une résistance moindre qu'avec cette fréquence, est re- présentée par le réseau même auquel des machines synchro- nes ou asynchrones sont connectées en permanence.
C'est pourquoi l'auto-excitation peut aussi être supprimée d'après la présente invention du fait que le réseau est connecté lui-même en parallèle en un point du circuit excitateur alors que l'excitation n'est pas connectée aux bagues collectrices du moteur principal, mais aux bagues collectrices d'un moteur auxiliaire asynchrone, excité du réseau, et couplé mécaniquement ou électriquement au mo- teur principal, Les nombres de tours du moteur principal et ceux du moteur auxiliaire doivent être en rapport in- verse du nombre deleurs pôles. La fig. 3 montre un exemple d'exécutiton. 'Les chiffres de référence 1 à 5 désignent les mêmes organes que dans la fig. 1; 6 désigne le moteur asyn- chrone accouplé au moteur principal.
Abstraction faite de la faible chute de tension dans les deux machines, la ten- sion des bagues collectrices du moteur auxiliaire est, en ce qui concerne la grandeur et la phase, dans un certain rapport constant avec la tension des bagues collectrices du moteur principal 1 ; en conséquence, pour les phénomènes dûs à l'excitation par le réseau, le fanctionnement du couplage est le sème que celui du couplage de la fig. 1. Mais un
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courant déterminé par une tension d'auto-excitation de la ma- chine 4 ne peut passer à l'enroulement excitateur 5 que par la voie du rotor et du stator de la machine 2, des barres collec- trices primaires et du stator et du rotor de la machine 6.
Mais comme pour ce courant d'auto-excitation le réseau
1 représente approximativement un court-circuit, ce court-circuit aspire, de la même manière que dans les cou- plages précédents, la plus grande partie du courant et empêche en conséquence l'auto-excitation. si le dispositif proposé est couplé en série avec le circuit excitateur, il faut, pour empêcher l'auto- excitation, que ce dispositif possède pour toute fréquence autre que la fréquence de glissement, une résistance beau- coup plus élevée qu'avec cette fréquence. D'après l'in- vention, on peut employer comme dispositif de ce genre, un moteur asynchrone qui est entraîné à la fréquence de glissement double dans le sens de rotation des ampère tours statoriques, et dont un enroulement est connecté au cir- cuit excitateur et l'autre aux bagues collectrices du moteur principal.
La fig. 4 montre un exemple d'exécution .
Les chiffres de référence 1 à 5 désignent encore les mêmes organes que dans les figures précédentes; 6 désigne une machine synchrone connectée aux bagues collectrices du moteur asynchrone 1; 7 désigne une machine asynchrone ri- gidement accouplée à cette machine synchrone. Four que la machine 7 tourne à une fréquence de rotation égale au double de la fréquence de glissement, il faut ou bien que le nombre de pôles de la machine 6 soit la moitié de celui
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de la machine 7, ou bien que, pour un autre rapport des nom- bres de pôles, on intercale un engrenage correspondant entre les deux machines. Le nombre de pôles de la machine 7 peut toutefois être choisi indépendamment du nombre de pôles du moteur principal 2.
Avec une fréquence de glisse- ment # du moteur principal, la machine asynchrone 7 tourne à une fréquence de rotation 2 f# tandis qu'une de ses parties, par exemple le stator reçoit une tension de la fréquence de glissement # Lorsque les connexions sont disposées demanière que la succession des phases de cette tension corresponde à la direction de rotation, on induit dans le rotor une tension de la fréquence 2 # # # La grandeur de la tension du rotor est en rapport cons- tant avec la grandeur dela tension du stator; ce rapport ne dépend que du bobinage dela machine 7, mais est in- dépendant de la grandeur dela fréquence de glissement.
De même, le déphasage entre: les deux tensions est constant par suite de la commande par une machine synchrone. L'en- roulement excitateur 5 de la machine à collecteur 4, pour autant qu'on ne considère que le processus d'excitation par le réseau, est donc alimentée par une tension qui est en grandeur et en phase, dans un rapport constant avec la tension des bagues collectrices du moteur 2 ; le couplage fonctionne donc de la même manière que le couplage de la fig. 1. La succession des phases des tensions dans la partie secondaire du moteur 7 est, il est vrai, opposée à celle dans la partie primaire, mais cette influence peut être supprimée par une permutation correspondante des con-
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nexions entre les bagues collectrices 8 et l'enroulement excitateur 5.
Mais, s'il se produit dans la machine à collecteur 4 une tension d'auto-excitation de la fréquence fs + ¯ f , il correspond à cette tension aux bagues collec- trices, car le groupe de machines 6 et 7 conserve tout d'abord sa vitesse, une tension de la fréquence 2 f 2- (f2+ ¯f)-f-¯f
L'enroulement excitateur 5 de la machine à collec- teur 4 est donc alimenté par une tension d'autre fréquence que celle que possède la tension de rotation de la machine admise tout d'abord seulement par la pensée ; le champ excité par le courant excitateur ne peut plus entretenir la tension de rotation déterminant l'auto-excitation. La disposition agit commesi le circuit excitateur pour le courant d'auto-excitation possèdait une résistance infini- ment grande; l'auto-excitation est donc impossible.
On peut remplacer la commande par la machine synchrone 6 par une commande au moyen d'un différentiel, qui est actionné d'une part par le moteur principal et d'autre part par un moteur synchrone tournant à la vitesse synchrone du moteur principal. Avec un choix convenable de l'engrenage de transmission et du nombre de pôles du moteur 7, ce moteur tourne de nouveau à une fréquence de glissement double.
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COUPLING TO AVOID IN COLLECTOR CASCADES THE SELF-EXCITATION OF FREQUENCY OUTSIDE THE NETWORK "
We know that by self-excitation of a cascade, made up of an asynchronous motor and a collector machine in cascade, we mean the state for which is generated in the secondary part of the cascade, a voltage of which the magnitude and frequency are not determined by the magnitude and frequency of the voltage printed on the primary network of the cascade. In the event of self-excitation, the currents corresponding to the network voltage and those corresponding to the self-excitation voltage, which have a different frequency, are superimposed throughout the installation.
The auto current
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excitation secondarily possesses the frequency of the self-excitation voltage; its primary frequency is equal to the sum or to the difference of this frequency and the frequency of rotation of the asynchronous machine. The network excited current primarily has the network frequency and secondarily the slip frequency.
Self-excitation is also possible when there are no other voltage sources in the network, ie when the total current is determined by the self-excitation voltage. In the latter case, self-excitation may be desirable, but in general it is detrimental, since it influences the switching of the collector machine very unfavorably and results in large additional losses.
The cascade manifold machine is the seat of the mentioned self-excitation. When a field, initially only assumed, of this machine determines in the armature a rotational voltage of such magnitude and phase, that the exciter current caused by this voltage has the magnitude and phase corresponding to the assumed field, this field can indeed exist and self-excitation is possible. In carrying out the assumption, it is necessary to admit the voltage printed by the network as non-existent, all the inductive resistances must be introduced with their value in case of self-excitation frequency.
The actual production of self-excitation depends on hazards which we will not deal with. As the cascade collector machine must, in case of self-excitation, supply its own magnetization energy and that of the asyn-
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chrone, the risk of self-excitation is unlikely in cascade couplings to which, when operating with the grid frequency, the entire magnetizing energy must be brought from the grid and which work accordingly without phase compensation. On the other hand, the risk of self-excitation is imminent in installations which operate with phase compensation and which, even when operating with the frequency of the network, themselves generate their magnetization energy.
The present invention relates only to manifold cascades in which the excitation of the cascade manifold machine is supplied by a voltage which, within all adjustment limits, is proportional to the voltage of the rings. main motor manifolds. Installations with series coupling of the exciter winding and those which draw their excitation energy from the network either exclusively or mainly by using a machine powered by the rotor, are not taken into account.
The object of the invention is a coupling in which the described kind of self-excitation is prevented by the fact that in the exciter circuit is interposed a device whose resistance differs notably, for each frequency deviating from the slip frequency, from the resistance in case of slip frequency.
As in the installations which operate with phase compensation, the exciter circuit is calculated in such a way that with the slip frequency determined by the number of revolutions, the collector machine can generate itself
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the magnetization energy of the cascade, the probability that this circuit can generate its magnetization energy even with another frequency, therefore with self-excitation, is very low, when, already with a frequency that differs only slightly from the slip frequency, the resistance of the exciter circuit has a value markedly different from the slip frequency.
The suppression of self-excitation works even more reliably when not only the value, but also the direction of the resistance change with a frequency other than the slip frequency, is taken into account. For another frequency, it depends on the coupling whether the auxiliary device preferably has a greater or less resistance than with the slip frequency. In fact, the device can be coupled both in series and in shunt to the exciter terminals of the collector machine in cascade.
However, according to the present invention the auxiliary device must include, with a shunt coupling, for each frequency different from the slip frequency, a resistance lower than with the slip frequency, and we will use as a device of this kind. , a synchronous or asynchronous motor running at no load connected to the exciter circuit of the collector machine.
Fig. 1 of the attached drawing shows an example of execution. 1 designates the primary network, 2 the asynchronous motor with slip rings 3; 4 designates the cascade manifold machine which can be directly coupled or operated independently. 5 denotes the exciting winding which is shown, by way of example, with delta coupling, but for which it is possible to use
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other couplings. 6 denotes the motor proposed according to the invention and which may, for example, be an asynchronous motor. Before self-excitation is produced, the rotational frequency of this motor is approximately equal to the slip frequency of the main motor, and on the other hand, its apparent resistance is given by the ratio of the voltage no-load current terminals.
As long as it retains its initial speed, it represents, for any other frequency, a noticeable less resistance, because compared to this frequency it operates with a slip, and consequently takes a much higher current. Consequently, although due to its relatively high resistance motor 6 hardly influences the slip frequency current, it represents for the self-excitation current a very low resistance coupled in parallel. to the exciter winding 5. The self-excitation current will therefore pass, for the much larger part, through the motor 6 and only a fraction will pass through the exciter winding 5. The motor 6 (" suction motor ") sucks the self-excitation current.
Consequently, for a given current of the winding 5, the voltage drop on the path from the collector machine 4 to the connection points of the motor 6, is much greater than if this motor did not exist. ; the voltage of the collector machine induced by a given current of the winding 5 must therefore, in order to maintain the current of this winding, be much higher than without addition of the motor 6; as a consequence of the corresponding dimensions of this motor, the self-excitation will again be suppressed when it is produced. As self-arousal cannot be
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developed, there is no risk that the suction motor adopts the speed corresponding to the self-excitation frequency, which would disturb its operation.
Consequently, the assumption made at the beginning that it retains its initial speed even when self-excitation is produced is correct. As a guideline for the calculation of the suction motor it can be said that its magnetizing current should be as low as possible and its short-circuit current as high as possible.
The arrangement is particularly effective when the exciter winding of the cascade collector machine is not fed directly from the slip rings of the main motor, but with the insertion of an exciter machine. Fig. 2 shows an example of execution. Reference numerals 1 to 5 denote the same components as in FIG. 1; 6 denotes the exciting machine which can also be coupled to the main motor, or be operated independently.
Its exciter winding 7 is supplied in a known manner via a combination 8 of ohmic and inductive resistors. Winding 7 can also be divided into several windings. 9 designates the "suction motor" connected to the terminals of the winding 5. Coma in the coupling of FIG. 2, all other conditions being equal, the voltage drop which is caused by the current drawn by the motor, in the armature circuit of the collector machine 4 up to its exciter terminals, is much greater than in the coupling of fig. 1, auto
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excitement is suppressed even more effectively.
The motor 9 can also be connected to the terminals of the exciter winding 7 of the exciter machine.
But there are also other possibilities of realizing the idea of the invention. An arrangement which, with any frequency other than that excited from the network, has a lower resistance than with this frequency, is represented by the network itself to which synchronous or asynchronous machines are permanently connected.
This is why the self-excitation can also be suppressed according to the present invention because the network is itself connected in parallel at a point of the exciter circuit while the excitation is not connected to the slip rings. of the main motor, but to the slip rings of an asynchronous auxiliary motor, energized from the network, and mechanically or electrically coupled to the main motor, The numbers of revolutions of the main motor and those of the auxiliary motor must be in inverse relation to the number of their poles. Fig. 3 shows an example of execution. 'Reference numerals 1 to 5 denote the same members as in FIG. 1; 6 designates the asynchronous motor coupled to the main motor.
Apart from the small voltage drop in both machines, the tension of the slip rings of the auxiliary motor is, with regard to magnitude and phase, in a certain constant relation to the tension of the slip rings of the main motor 1 ; consequently, for the phenomena due to the excitation by the network, the fanctivation of the coupling is the same as that of the coupling of FIG. 1. But a
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current determined by a self-excitation voltage of machine 4 can only pass to the exciter winding 5 through the rotor and stator of machine 2, the primary busbars and the stator and the machine rotor 6.
But as for this current of self-excitation the network
1 represents approximately a short circuit, this short circuit draws, in the same way as in the preceding couplings, the greater part of the current and consequently prevents self-excitation. if the proposed device is coupled in series with the exciter circuit, it is necessary, in order to prevent self-excitation, for this device to have for any frequency other than the slip frequency, a resistance much higher than with this frequency . According to the invention, one can employ as a device of this kind, an asynchronous motor which is driven at the double slip frequency in the direction of rotation of the ampere stator turns, and of which a winding is connected to the circuit. exciter and the other to the main motor slip rings.
Fig. 4 shows an example of execution.
Reference numerals 1 to 5 also designate the same members as in the previous figures; 6 designates a synchronous machine connected to the slip rings of the asynchronous motor 1; 7 designates an asynchronous machine firmly coupled to this synchronous machine. Oven that the machine 7 rotates at a frequency of rotation equal to the double of the sliding frequency, it is necessary either that the number of poles of the machine 6 is half of that
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of the machine 7, or else that, for another ratio of the number of poles, a corresponding gear is inserted between the two machines. The number of poles of the machine 7 can however be chosen independently of the number of poles of the main motor 2.
With a slip frequency # of the main motor, the asynchronous machine 7 rotates at a frequency of rotation 2 f # while one of its parts, for example the stator receives a voltage of the slip frequency # When the connections are arranged so that the succession of phases of this voltage corresponds to the direction of rotation, a voltage of frequency 2 is induced in the rotor # # # The magnitude of the rotor voltage is in constant relation to the magnitude of the stator voltage ; this ratio depends only on the winding of the machine 7, but is independent of the magnitude of the slip frequency.
Likewise, the phase shift between: the two voltages is constant as a result of the control by a synchronous machine. The exciting coil 5 of the collector machine 4, insofar as only the process of excitation by the network is considered, is therefore supplied by a voltage which is in magnitude and in phase, in a constant ratio with the tension of the slip rings of the motor 2; the coupling therefore operates in the same way as the coupling of FIG. 1. The succession of the phases of the voltages in the secondary part of the motor 7 is, it is true, opposite to that in the primary part, but this influence can be eliminated by a corresponding permutation of the connections.
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connections between the slip rings 8 and the exciter winding 5.
But, if a self-excitation voltage of the frequency fs + ¯ f occurs in the collector machine 4, it corresponds to this voltage at the collector rings, because the group of machines 6 and 7 keeps everything d 'first its speed, a voltage of the frequency 2 f 2- (f2 + ¯f) -f-¯f
The exciting winding 5 of the collector machine 4 is therefore supplied with a voltage of a frequency other than that possessed by the voltage of rotation of the machine admitted at first only by thought; the field excited by the exciter current can no longer maintain the rotational voltage determining the self-excitation. The arrangement acts as if the exciter circuit for the self-excitation current had an infinitely large resistance; self-excitation is therefore impossible.
The control can be replaced by the synchronous machine 6 by a control by means of a differential, which is actuated on the one hand by the main motor and on the other hand by a synchronous motor rotating at the synchronous speed of the main motor. With proper choice of transmission gear and number of poles of motor 7, this motor again runs at double slip frequency.