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"TRANSFORMATEUR A COURANTS ALTERNATIFS, EQUILIBRE POUR
LES APPLICATIONS DE L'ARC ELECTRIQUE"
La présente invention se rapporte la création d'un appareil à réglage interne de la puissance disponible pour la transformation équilibrée de courants alterna- tifs monophasés ou polyphasés en courants alternatifs d'un nombre quelconque'de phases et destinés séparément à l'alimentation d'appareils monophasés, à arc devant fonc- tionner de préférence à puissance constante.
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La puissance dépensée pour l'alimentation des différents arcs est répartie d'une façon égale sur les différentes phases primaires quel que soit le régime de fonctionnement du transformateur.
La demande de brevet déposée le 10 Décembre
EMI2.1
1926 en FRANCE par le même inventeur sous le numéro de (,'!J. d1Z' j1"''- pevs.ebxl S&.-&49-, permettait la transformation équi- l / lï'i' / ' / ' ,.:.'" ; librée des courants alternatifs polyphasés en courant monophasé, pour les applications thermiques de l'alectri- cité en général, et les applications de l'arc en parti- culier, avec un fonctionnement à puissance constante dans le circuit secondaire monophasé.
La constance de la puissance dans le circuit secondaire était obtenue dans la demande de brevet précitée par la séparation des deux enroulements, primaire et se- condaire, respectivement polyphasé et monophasé, montés sur une carcasse circulaire en tôles feuilletées, à l'in- térieur de laquelle tourne un rotor portant un enrouler ment amortisseur équilibrant la charge sur les phases de l'enroulement primaire.
Le transformateur spécial faisant l'objet de la présente invention est d'une construction beaucoup plus simple que la machine précédente et est basé sur l'utilisation partielle en charge, dans un système d'en- roulements polyphasés ou monophasés formant le secondaire du transformateur, du flux engendré par un autre système d'enroulements polyphasés ou monophasés formant le pri- maire.
Les deux systèmes d'enroulements sont bobinés l'un contre l'autre sur une armature circulaire établie
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de préférence en tôles feuilletées, et à l'intérieur ou à l'extérieur de laquelle est placée une autre armature portant un amortisseur électrique équilibrant la charge sur les phases des enroulements primaires dans le cas où les charges des enroulements secondaires sont déséqui- librées. L'une des armatures tourne par rapport à l'autre à la vitesse du synchronisme.
Les dessins annexés montrent, à titre d'exemple, un cas particulier de la transformation de courants tri- phasés en courant monophasé.
La fig. 1 est une vue schématique d'un transforma- teur conforme 4 l'invention alimentant un appareil de soudure à arc.
La fig. 2 est une coupe d'un transformateur à deux pôles,
La fig. 3 montre schématiquement la disposition des spires des enroulements.
La fil 4 est une coupe suivant la ligne IV-IV de la fig. 2.
La fig. 5 montre un diagramme d'un transformateur ordinaire.
La fig. 6 montre le diagramme d'un transformateur conforme à l' invention.
La fig. 7 montre schématiquement une autre disposi- tion de l'invention.
La fig. 8 montre la disposition des spires de l'un des enroulements.
La fig. 9 est une courbe de variation de force électromotrice.
La fig. 10 montre une variante du transformateur.
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La fig. 11 est une vue d'une autre variante.
La fig. 12 montre une dernière variante.
La fig. 1 montre un transformateur conforme à. l'invention alimentant un appareil de soudure à l'arc
1. Les enroulements triphasés primaires du transformateur sont indiqués en 2, l'enroulement monophasé en 3 et le rotor en 4. Le rotor 4 porte indépendamment d'un enroule- ment amortisseur 50, un autre enroulement 51 excité par l'intermédiaire des bagues et frotteurs 5 et 6, par un courant continu provenant d'une source quelconque 7.
La fig. 2 représente une coupe du transforma- teur bobiné à deux pôles, comportant une carcasse 8 munie des encoches 9 destinées à porter les deux enroulements 2 et 3 de la fige 1. Le rotor 4 est du type à pôles saillants et comporte un amortisseur en cage d'écureuil 10, et un enroulement excitateur à courant continu 11, Il est à remarquer qu'une partie seulement des encoches 9 a été représentée sur la fig. 2.
L'utilisation partielle du flux primaire dans l'enroulement secondaire en charge est basée sur une dif- férence de section des spires primaires et secondaires ainsi qu'il est indiqué sur la fig. 3. Le cadre secon- daire 12 faisant partie de l'enroulement secondaire 3 de la fig. 2, avec ses prises 14, enveloppe uniquement la section de fer du rotor 4 tandis que le cadre 13 faisant partie de l'enroulement primaire 2, avec ses prises 15 enveloppe la section de fer du rotor 4, et une section d'air environnant.
La fig. 4 est une coupe du transformateur sui- vant la ligne 1V-1V de la fig. 2. Sur la fig. 4 on distin-
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que la différence de longueur et par conséquent de section des enroulements 2 et 3. Cette différence peut également être répartie d'une façon égale de chaque côté de la carcasse 8.
La réluctance du circuit magnétique de l'enrou- lement secondaire 3 est uniquement due au fer et à l'entrefer du transformateur, tandis que la réluctance de l'enroulement primaire 2 comprend également la reluc- tance de la section d'air embrassé.A vide, la tension d'alimentation primaire, constante, engendre un flux pri- maire, tournant et constant, dont le circuit magnétique comprend le circuit 17 dans l'air et le circuit 16 dans le fer. Le rapport des réluctances de ces deux circuits est très grand, le fer du transformateur n'étant pas satu- ré, et la plus grande partie du flux primaire passe ainsi dans l'enroulementsecondaire 3.
Lorsque le circuit secondaire 3 est fermé par l'arc 1 de la fig. 1, le courant secondaire qui prend naissance tend à s'opposer au passage du flux primaire suivant le chemin 16. Cet effet équivaut, physiquement, à une augmentation de reluctance du chemin magnétique 16 c'est-à-dire à une diminution des rapports des reluctan- ces des chemins 17 et 16, et à une diminution du flux utile primaire traversant le secondaire du transformateur.
Dans le diagramme général des transformateurs représenté par la fig. 5,20 désigne la force électromo- trice secondaire en charge, 21 la direction du courant secondaire i, 22 la chute de tension ohmique Ri, 23 la chut de tension réactive Li, et 24 la force électrorao- trice à vide. Si l'on applique ce diagramme au transfor-
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mateur de la fig. 4, on obtient le diagramme représente en fig. 6, en-remarquant que l'angle de déphasage entre la tension et le courant est nul dans l'arc et la chute de tension ohmique 22 négligeable par rapport à la chute de tension réactive 23 due en grande partie au flux empruntant le chemin magnétique 17 de la fig. 4.
Le courant secondaire est représenté, à une constante près, par la ligne 23 et la caractéristique de variation de ce courant en fonction de la force électro- motrice en charge est ainsi donnée par le cercle 25 de la fig. 6, montrant que pour des valeurs de la tension d'amorçage 24, comprises entre deux et trois fois la ten- sion en charge 20 aux bornes de l'arc, la puissance peut être considérée comme pratiquement constante dans larc.
La fig. 7 représente le schéma d'une autre dis- position de l'invention, utilisant le principe des auto- transformateurs. Les enroulements primaires triphasés sont indiqués par la référence 26, une dérivation 27 est prise sur une phase 28 de 26 pour l'alimentation de l'appareil de soudure 1. Le rotor 4 est du même type que celui¯ de la fige 1.
Plusieurs dérivations sur les différentes pha- ses peuvent également être prises, dans, le cas d'alimen- tation de plusieurs appareils à arc.
La fig. 8 représente la disposition des spires de l'enroulement de la phase 28 de la fig, 7, le cadre 30 correspondant aux spires 27 et le cadre 29 aux autres spires de la phase 28.
Il est bien évident'que les 'cadres 29 et 30 de la fig. 8 ainsi que les cadres 12'et 13 de la fige 3
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peuvent comporter un nombre de spires 'quelconque pour permettre l'obtention de la tension secondaire désirée.
La partie des cadres se trouvant dans l'air est repré- sentée sur les figures avec une forme rectangulaire mais l'invention n'est pas limitée à cette disposition parti- culière.
Les deux autres phases de l'enroulement tripha- sé 26 peuvent être bobinées soit à longues spires analo- gues à 29 soit à courtes spires analogues à 30.
La soudure à l'arc nécessite pour faciliter le travail de l'opérateur un amorçage facile de l'arc, qui ne peut être obtenu en courant alternatif que par une courbe de force électromotrice analogue à celle repré- sentée sur la fig. 9, où les changements de polarité sont très brusques.
L'utilisation partielle du flux primaire aide à l'obtention de cette courbe de force,;électromotrice.
Cette obtention peut encore être favorisée par un bobi- nage des enroulements en utilisant une encoche par pôle et par phase. La présente invention n'est d'ailleurs pas limitée à ce cas spécial et il est évident que l'on peut employer un nombre et une forme quelconque d'encoches par pôle et par phase, ainsi que toute disposition des enroulements dans les encoches et une forme quelconque des têtes des bobines.
Le rotor 4 du transformateur spécial des fig. 1 et fig, 7 peut être soit du type à pôles saillants repré- senté sur la fig, 2 soit du type cylindrique analogue à celui des moteurs asynchrones ordinaires. Il porte à sa périphérie un système conducteur 50 à grande'conductibi-
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lité, constitué soit par un enroulement en court-circuit, une cage d'écureuil, ou un cylindre de cuivre. Le rotor
4 peut également porter un enroulement excité par un cou- rant continu, pour permettre l'élévation du facteur de puissance du transformateur. La longueur du rotor 4 peut êtrâ égale soit à la longueur des @pires secondaires 3 soit à la longueur des spires primaires 2.
D'après la fig. 4 le rotor 4 est indiqué égal à la longueur de la carcasse 8 :
Pour la fusion d'électrodes de différents diamètres, la soudure à l'arc nécessite dès-courants et par suite des puissances secondaires variables. Dans ce but, la présente invention indiqué quelques dispositifs qui sont tous basés sur une variation de l'utilisation partielle du flux primaire en charge.
Un premier dispositif est obtenu avec le trans- formateur de la fig. 4 par exemple, en faisant varier l'induction primaire, par variation du nombre de spires primaires. Le nombre de spires secondaires peut également être rendu variable pour conserver un-rapport de trans- formation constant.
La fig. 10 représente une vue schématique d'un transformateur conforme à l'invention comportant des enrou- lements triphasés 2 également répartis des deux côtés de la carcasse 8, un enroulement monophasé 3 et un rotor 4, Le réglage de la valeur de la puissance secondaire dispo- nible, est obtenu en déplaçant, par un système mécanique convenable, suivant l'axe de la machine, les deux groupes de couronnes concentriques de tôles feuilletées 34 et 35, 36 et 37. Dans le cas où le rotor aurait la longueur des
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spires primaires les couronnes 35 et 37 serviraient seules au réglage.
La fig. 11 est une vue schématique d'un trans- formateur avec un réglage par une couronne 38 en tôles feuilletées venant glisser sur la partie extérieure de la carcasse 8; le diamètre intérieur de la couronne 38 étant le même que le diamètre extérieur de 8.
Pour le démarrage du rotor du transformateur la disposition de la présente invention est directement utilisable. En effet si l'on considère la fig. 4, le cir- cuit magnétique 17 de fuite augmente la self-induction du primaire et par suite le rotor démarre comme un moteur ordinaire à cage d'écureuil branché sur un autotransfor- mateur.
Afin d'augmenter le couple au démarrage, les noyaux 34 de la fig. 10 peuvent être munis d'une cage d'écureuil résistante, et pour le démarrage il suffira d'avoir les noyaux 34 et 36 respectivement en regard des carcasses 35 et 37.
Il est à noter que le transformateur conforme à l'invention peut ainsi être employé comme moteur d'induction.
En définitive, la disposition la plus intéres- sante de l'invention est donnée par la fig. 12 où l'en- roulement primaire 3 est bobiné sur deux stators 8 et 40 et où l'enroulement secondaire 2 est bobiné sur le stator 8 seulement.
La machine comporte duex rotors l'un 4 à cage d'écureuil peu-résistante, fixe sur l'arbre, et l'autre 42 à cage d'écureuil résistante, pouvant se déplacer sui- @
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vant l'axe de la machine.
On peut également supprimer la cage d'écureuil du rotor 42 tout en restant dans l'esprit de l'invention.
Il est bien évident que la présente invention pourrait comporter un ou plusieurs des dispositifs décrits précédemment ou en général tout dispositif permettant de faire varien le rapport de reluctance des circuit ma- gnétique 16 et 17 de la fig. 4.
Les dispositifs précédents quoique décrits pour le cas d'un transformateur triphasé-monophasé à deux pô- les peuvent être appliqués à des transformateurs à courant polyphasés à un nombre quelconque de pôles et donnant plusieurs courants secondaires utilisés pour plusieurs arcs.
La présente invention s'étend également à la transformation d'un courant monophasé soit en courant mo- nophasé soit en courants polyphasés à puissance constante ainsi que la disposition spéciale d'un transformateur dont le rotor porterait les enroulements primaires et secon- daires et le stator, l'amortisseur.
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"ALTERNATIVE CURRENT TRANSFORMER, BALANCED FOR
APPLICATIONS OF ELECTRIC ARC "
The present invention relates to the creation of an apparatus with internal adjustment of the available power for the balanced transformation of single-phase or polyphase alternating currents into alternating currents of any number of phases and intended separately for the supply of electricity. Single-phase arc devices which should preferably operate at constant power.
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The power expended for supplying the various arcs is distributed equally over the various primary phases regardless of the operating conditions of the transformer.
The patent application filed on December 10
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1926 in FRANCE by the same inventor under the number of (, '! J. D1Z' j1 "'' - pevs.ebxl S & .- & 49-, allowed the transformation equi- / lï'i '/' / ',. :. '"; free from polyphase alternating currents in single-phase currents, for thermal power applications in general, and arc applications in particular, with operation at constant power in the single-phase secondary circuit .
The constancy of the power in the secondary circuit was obtained in the aforementioned patent application by the separation of the two windings, primary and secondary, polyphase and single phase respectively, mounted on a circular carcass in laminated sheets, inside. of which rotates a rotor carrying a damping winding which balances the load on the phases of the primary winding.
The special transformer which is the object of the present invention is of a much simpler construction than the previous machine and is based on partial use under load, in a polyphase or single phase winding system forming the secondary of the transformer. , of the flux generated by another system of polyphase or single-phase windings forming the primary.
The two winding systems are wound against each other on an established circular frame
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preferably in laminated sheets, and inside or outside of which is placed another armature carrying an electric damper balancing the load on the phases of the primary windings in the event that the loads of the secondary windings are unbalanced. One of the reinforcements rotates relative to the other at the speed of synchronism.
The appended drawings show, by way of example, a particular case of the transformation of three-phase currents into single-phase current.
Fig. 1 is a schematic view of a transformer according to the invention supplying an arc welding apparatus.
Fig. 2 is a cross section of a two pole transformer,
Fig. 3 schematically shows the arrangement of the turns of the windings.
The wire 4 is a section along the line IV-IV of FIG. 2.
Fig. 5 shows a diagram of an ordinary transformer.
Fig. 6 shows the diagram of a transformer according to the invention.
Fig. 7 schematically shows another arrangement of the invention.
Fig. 8 shows the arrangement of the turns of one of the windings.
Fig. 9 is an electromotive force variation curve.
Fig. 10 shows a variant of the transformer.
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Fig. 11 is a view of another variant.
Fig. 12 shows a last variant.
Fig. 1 shows a transformer conforming to. the invention powering an arc welding apparatus
1. The primary three-phase windings of the transformer are indicated in 2, the single-phase winding in 3 and the rotor in 4. The rotor 4 carries independently of a damping winding 50, another winding 51 excited via the rings. and wipers 5 and 6, by a direct current from any source 7.
Fig. 2 shows a cross section of the wound transformer with two poles, comprising a casing 8 provided with notches 9 intended to carry the two windings 2 and 3 of the pin 1. The rotor 4 is of the salient pole type and comprises a cage damper squirrel 10, and a direct current exciter winding 11, It should be noted that only part of the notches 9 has been shown in FIG. 2.
The partial use of the primary flux in the secondary winding under load is based on a difference in section of the primary and secondary turns as indicated in fig. 3. The secondary frame 12 forming part of the secondary winding 3 of FIG. 2, with its sockets 14, envelops only the iron section of the rotor 4 while the frame 13 forming part of the primary winding 2, with its sockets 15 envelops the iron section of the rotor 4, and a surrounding air section .
Fig. 4 is a section of the transformer taken along the line 1V-1V of FIG. 2. In fig. 4 we distinguish
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than the difference in length and consequently in section of the windings 2 and 3. This difference can also be distributed equally on each side of the carcass 8.
The reluctance of the magnetic circuit of the secondary winding 3 is only due to the iron and the air gap of the transformer, while the reluctance of the primary winding 2 also includes the reluctance of the embraced air section. In no-load condition, the primary, constant supply voltage generates a primary, rotating and constant flux, the magnetic circuit of which comprises circuit 17 in the air and circuit 16 in the iron. The ratio of the reluctances of these two circuits is very large, the iron of the transformer not being saturated, and the greater part of the primary flux thus passes through the secondary winding 3.
When the secondary circuit 3 is closed by the arc 1 of FIG. 1, the secondary current which arises tends to oppose the passage of the primary flux along the path 16. This effect is equivalent, physically, to an increase in reluctance of the magnetic path 16, that is to say to a decrease in the ratios. reluctance of paths 17 and 16, and a reduction in the primary useful flux passing through the secondary of the transformer.
In the general diagram of transformers represented by fig. 5.20 denotes the secondary electromotive force under load, 21 the direction of the secondary current i, 22 the ohmic voltage drop Ri, 23 the reactive voltage drop Li, and 24 the no-load electro-toric force. If we apply this diagram to the transform
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mateur of fig. 4, the diagram shown in FIG. 6, noting that the phase angle between the voltage and the current is zero in the arc and the ohmic voltage drop 22 negligible compared to the reactive voltage drop 23 due in large part to the flux taking the magnetic path 17 of fig. 4.
The secondary current is represented, up to a constant, by line 23 and the variation characteristic of this current as a function of the electro-motive force under load is thus given by the circle 25 of FIG. 6, showing that for values of the starting voltage 24, between two and three times the on-load voltage 20 at the terminals of the arc, the power can be considered as practically constant in the arc.
Fig. 7 represents the diagram of another arrangement of the invention, using the principle of autotransformers. The three-phase primary windings are indicated by the reference 26, a branch 27 is taken on a phase 28 of 26 for the power supply of the welding device 1. The rotor 4 is of the same type as that of the fig 1.
Several taps on the different phases can also be taken, in the case of supplying several arc devices.
Fig. 8 represents the arrangement of the turns of the winding of phase 28 of FIG. 7, the frame 30 corresponding to the turns 27 and the frame 29 to the other turns of phase 28.
It is obvious that the frames 29 and 30 of FIG. 8 as well as frames 12 'and 13 of fig 3
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may have any number of turns to allow the desired secondary voltage to be obtained.
The part of the frames lying in the air is shown in the figures with a rectangular shape, but the invention is not limited to this particular arrangement.
The other two phases of three-phase winding 26 can be wound either in long turns like 29 or short turns like 30.
To facilitate the work of the operator, arc welding requires easy starting of the arc, which can only be obtained in alternating current by an electromotive force curve similar to that shown in FIG. 9, where the polarity changes are very abrupt.
The partial use of the primary flux helps to obtain this force curve,; electromotive.
This obtaining can be further encouraged by winding the windings using a notch per pole and per phase. The present invention is moreover not limited to this special case and it is obvious that one can use any number and any form of notches per pole and per phase, as well as any arrangement of the windings in the notches and any shape of the coil heads.
The rotor 4 of the special transformer of fig. 1 and fig, 7 can be either of the salient pole type shown in fig, 2 or of the cylindrical type similar to that of ordinary asynchronous motors. It carries at its periphery a conductive system 50 with high conductivity.
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ity, consisting of either a shorted coil, a squirrel cage, or a copper cylinder. The rotor
4 can also carry a winding excited by a direct current, to allow the increase in the power factor of the transformer. The length of the rotor 4 can be equal either to the length of the secondary coils 3 or to the length of the primary coils 2.
According to fig. 4 the rotor 4 is indicated equal to the length of the carcass 8:
For the fusion of electrodes of different diameters, arc welding requires variable currents and consequently secondary powers. For this purpose, the present invention indicates some devices which are all based on a variation of the partial use of the primary flow under load.
A first device is obtained with the transformer of FIG. 4 for example, by varying the primary induction, by varying the number of primary turns. The number of secondary turns can also be made variable to keep a constant transformation ratio.
Fig. 10 shows a schematic view of a transformer according to the invention comprising three-phase windings 2 equally distributed on both sides of the casing 8, a single-phase winding 3 and a rotor 4. The adjustment of the value of the secondary power available - nible, is obtained by moving, by a suitable mechanical system, along the axis of the machine, the two groups of concentric rings of laminated sheets 34 and 35, 36 and 37. If the rotor has the length of
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primary turns the crowns 35 and 37 would be used alone for the adjustment.
Fig. 11 is a schematic view of a transformer with adjustment by means of a ring 38 of laminated sheets sliding over the outer part of the carcass 8; the inner diameter of the crown 38 being the same as the outer diameter of 8.
For starting the rotor of the transformer, the arrangement of the present invention can be used directly. Indeed, if we consider FIG. 4, the magnetic leakage circuit 17 increases the self-induction of the primary and therefore the rotor starts up like an ordinary squirrel cage motor connected to an autotransformer.
In order to increase the starting torque, the cores 34 of FIG. 10 can be provided with a resistant squirrel cage, and for starting it will suffice to have the cores 34 and 36 respectively facing the carcasses 35 and 37.
It should be noted that the transformer according to the invention can thus be used as an induction motor.
Ultimately, the most interesting arrangement of the invention is given by FIG. 12 where the primary winding 3 is wound on two stators 8 and 40 and where the secondary winding 2 is wound on the stator 8 only.
The machine has two rotors, one with a low-resistance squirrel cage, fixed on the shaft, and the other 42 with a resistant squirrel cage, which can move as follows.
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in front of the machine axis.
It is also possible to eliminate the squirrel cage from the rotor 42 while remaining within the spirit of the invention.
It is obvious that the present invention could include one or more of the devices described above or in general any device making it possible to vary the reluctance ratio of the magnetic circuits 16 and 17 of FIG. 4.
The previous devices, although described for the case of a three-phase-single-phase two-pole transformer, can be applied to transformers with polyphase current at any number of poles and giving several secondary currents used for several arcs.
The present invention also extends to the transformation of a single-phase current either into single-phase current or into polyphase currents at constant power as well as the special arrangement of a transformer whose rotor would carry the primary and secondary windings and the. stator, shock absorber.