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"Dispositif de régulation de vitesse applicable à la traction électrique."
La présente invention a pour objet un dispositif de régulation économique de la vitesse des dynamos à courant continu, tant8t motrices et tant8t génératrices. Il est particulièrement applicable à la traction.
On connaît bien les dispositifs de commande utili- sant en période le démarrage et généralement en marche motrice, l'excitation série des moteurs, Puis on sait également obtenir le freinage par la disposition d'une ten- sion convenable aux bornes de l'enroulement inducteur. pour tous ces modes de contrôle, une résistance dite stabilisatrice a toujours été nécessaire, onipeut consulter à ce sujet la communication de Gratzmuller à la Société française des électriciens en octobre 1929, bulletin
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n 98, tome 9.
D'autre part, l'emploi do moteurs compound à deux enroulements inducteurs distincts est connu; l'un des en- roulements est excité en dérivation sur le réseau; l'autre, en série avec l'induit, est toujours traversé à chaque ins- tant par le courant seul de celui-ci.
Des applications ont été faites en France,
L'excitation sous la tension du réseau, A côté de certains avantages, n'est pas sans Inconvénients car elle nécessite un fil fin des enroulements inducteurs.
Dahs le brevet français Gratzmuller, n 643.048 du 27 octobre 1927 et ayant pour titre "Dispositif de régu- lation de dynamos de traction", il a été prévu différents dispositifs d'excitation différentielle pour parvenir à une caractéristique compound et ayant pour but de réduire la période transitoire d'établissement du courant dans les inducteurs qui sont constitués par un soûl enroulement alimenté par ses extrémités.
Dans le brevet français Gratzmuller n 704.054 du 27 septembre 1930 pour "Procédé de régulation de dynamos de tradtion", il a été décrit des variantes de procédé utilisant le moteur compound à deux enroulements distincts et avec disposition, aux bornes de l'un des enroulements inducteurs, d'une tension eomme algébrique de deux tensions comme dans les brevets ci-dessus. Cette tension différentielle est en effet la somme algébrique de deux tensions l'une # a crois- sant avec les courants dans l'induit de la dynamo dite principale, l'autre # b indépendante et réglable.Elle peut être fournie par une dynamo excitatrice excitée elle-même par une source quelconque, de façon partielle ou totale d'une façon composite. Mais, il a été signalé que l'enroule- ment série peut être très réduit.
De plus, il a été aussi décrit l'emploi d'une tension différentielle pour limiter les différences des courants dans les induits des dynamos
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produisant les couples de traction ou de freinage.
La présente invention a pour objet un perfectionne- ment aux dispositifs de réglage prévus aux deux brevets ci- dessus .
Il consiste à utiliser pour la période du démarra- ge, c'est-à-dire, la mise en vitesse, l'excitation purement série des moteurs, par les procédés connus pour aboutir ensuite à un régime stable ou décroissant de vitesse, et disposer la somme algébrique des tensions # a croissante avec le courant dans A induit principal, et la tension # b indépendante de i et réglable, non pas aux extrémités de l'inducteur série, mais sur une partie de cet enroulement, l'autre partie étant toujours traversée par le courant 1 de l'enroulement principal. Les connexions sont faites de façon que dans la marche motrice de A, Ï a et Ïb s'ajoutent arithmétiquement, Cela conduit à constituer un circuit fermé comportant une partie de l'enroulement inducteur.
Ainsi que dans les deux brevets ci-dessus, on appellera dynamo principale A toute dynamo dont le couple moteur ou résistant intervient directement dans le mouvement du véhioule; toute autre dynamo dora dite dynamo auxiliaire ou excitatrice suivant son emploi* Dans la mesure du possible, les notations employées aux brevets précédents sont conservées, U désignera le réseau alimentant directement les véhicules sous la tension U; T et G seront les deux p8les de la ligne d'alimentation.
Supposant (fig. 1) d'abord le cas d'une seule dynamo principale. Soit A son induit. Son induteur est toujours en série avec lui; la partie K de cet enroulement sera toujours traversée par le courantde l'enduit princi- pal A ou une fraction de celui-ci, la partie H sera toujours traversée par le courant 1 représenté par la flèche en traits pleins i ou une fraction de celui-ci si H est shunté pendant la marche motrice. Nais dans la suite, H fera partie
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d'un circuit fermé par une dérivation p contenant ou non une résistance inductive ou non inductive. Dans ce circuit fermé on pourra intercaler les tensions Ïa et Ïb. La caractéristique compound sera ainsi obtenue permettant de régler la vitesse économiquement et de la diminuer en variant la tension Ïb réglable à volonté.
Un premier mode de réalisation est représenté à titre d'exemple sur la figure 1. A est l'induit principal, K et H les deux parties de l'enroulement série. Le moteur est supposé amené à la vitesse convenable par l'un des procédés connus. Tous les contacteurs sont d'abord supposés ouverts.
Il faut fermer les contacteurs 5, 2 et 1 pour intercaler dans la dérivation fermée sur U le rhéostat R1 de démarrage progressivement court-circuité par les contacteurs 3 et 4. La dynamo fonctionne alors en moteur série traversée par le courant i Indiqué par exemple par les flèches en traits pleins i. Les inducteurs E ou K peuvent être alors shuntés partiellement pour augmenter la vitesse. On intercale ensuite la dynamo ab entraînée à vitesse approximativement constante de manière quelconque; pour cela, le contacteur 5 est ouvert, et l'on formera un circuit dérivé sur H par fermeture du contacteur 6. La dérivation peut contenir une résistance.
La dynamo excitatrice ab a deux enroulements inducteurs; l'un ef est traversé seulement par le courant i de l'induit A ou une partie de celui-ci si of est shunté l'autre cd peut être soumis à une tension mU régable, m étant généra- lement inférieur à 1.
De plus cd peut avoir un rhéostat R2 dans son circuit.
Il y a lieu de noter qu'il sera bon d'opérer de la façon suivante:
Au moment où la dérivation P est fermée par 6, la tension Ïa développée dans ab doit de préférence tendre à produire une chute obmique au moins égale à celle qui
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était produite par le courant total ou partiel i qui passait dans H. C'est purement une question de dimensionnement du de nombre de spires/et ou d'un shunt, de sorte que le courant I dans l'enroulement H ne puisse qu'être augmenté par la fer- meture de 6. Alors seulement le circuit de l'enroulement cd sera fermé sur la tension mU, pour produire la tension Ïb dans ab. On augmentera la tension aux bornes de cd, le courant I augmentera jusqu'à stabilisation de la vitesse.
Au delà d'une certaine valeur de l'excitation produite par ce, le courantes'inversera (flèche pointillée) et le couple de A deviendra résistant si l'on désire; le courant dans le pont ±passera de I - i à I + i et il y aura récupération sur le réseau. Mais alors Ï a changé de signe et la force électromotrice de ab est Ïb-Ïa. On peut diminuer la vitesse du véhicule jusqu'à ce que la valeur maxima du flux de la dynamo A soit atteinte.
Il sera préférable pour abaisser un peu cette vitesse, de séparer le circuit a b H p de la dérivation sur le réseau contenant A. En effet, dans ke pont G ab A T, les forces électromotrices de ab et A sont de signes contraires.
Pour y parvenir, il suffit de créer par le contacteur 7 une dérivation 7 reliant directement l'extrémité de K avec la borne a. La dérivation 7 pourra d'ailleurs contenir une résistance pouvant être court-circuitée ultérieurement. On ouvre alors le contacteur 2 et le circuit a b H est indé- pendant. A chaque instant, le courant dans ab est I.
2 variante (fig. 2). L'induit ab est introduit dans la dérivation p. Tous les contacteursétant supposés ouverts, le processus est sensiblement le même pour le dé- marrage en moteur excité en série par fermeture des mon- tacteurs 1, 5, et 2 avec intercalation du rhéostat de démar- rage R1. Ce rhéostat est progressivement mis en court-circuit par les contacteurs 3 et 4, A est alors en moteur série, son courant 1 (flèche en traits pleins) traverse seul A, K
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et H. On ouvre alors le contacteur 2, la dynamo ab alors excitée par le courant i représenté par la flèche en traits pleins, produit la tension qui, par fermeture de 6 doit tendre plutôt à augmenter le courant I dans H.
La dynamo ab est alors excitée par l'enroulement cd au moyen d'une diffé- rehce de potentiel mU. Mais si l'on augmente l'excitation par cd jusqu'à inverser le courant i dans A, le nouveau courant est indiqué par la flèche! pointillée, on constate que le courant à travers ab devient I + i tandis que dans la marche motrice il était I - i,
Pour éviter cela, il fagut séparer le circuit H ab ce qui est obtenu en fermant une dérivation P1 qui peut être résistante temporairement entre K et G par le contacteur 71 On ouvre alors 5, la courant dans ab est alors la seul courant I de H. On peut alors mettre on court circuit par le contacteur 8, la résistance R2 de la dérivation Pl. Il sera préférable de faire cette opération avant d'exciter cd.
Tous les procédés d'excitations différentielles a et Ïb prévus dans les brevets français n 643.048 et 704.054 sont naturellement applicables aux schémas des figures 1 et 2.
Enfin, il faut remarquer que grâce à la fraction K de l'enroulement série toujours traversé par le courant i, la tension Ïb peut être conservée seule.
Autrement dit, pour stabiliser la vitesse ou la réduire, il suffit de disposer dans une dérivation ± sur H une tension mU réglable ou non, avec intercalation d'un rhéostat.
Cas de plusieurs moteurs.- Les moteurs étant supposés démarrés par l'un des procédés connus et amenés avec les couplages convenables à la vitesse convenable, on pourra passer à la marche en compound par excitation au moyen de dynamos ab de chacun des enroulements H1; H2 de chacune . des dynamos principales A1, A2.
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Les courants i dans les dérivations comportant les induits pourront être égalisés en utilisant une excitation différentielle ainsi qu'expliqué au brevet français n 704.054.
Par exemple dans le cas de deux dynamos A1 et A2 en parallèle, les enroulements excitateurs des dynamos excitatrices a1, bl et a2 b2 des enroulements H des dynamos principales peuvent comporter des enrolements g h représentés par exemple figure 1, celui g1, hl de la dynamo fil bl étant parcouru par le courant i2 de l'induit A2 et celui g2 h2 relatif à a2 b2 par le courant il de A, de telle façon que la différence des ampères-tours des enroulements er et gh seule intervienne avec prédominance de ef.
Dans l'exposé des différents couplages, on ne représentera pas ces enroulements g h pour simplifier.
D'ailleurs, on sait que d'autres solutions sont applicables.
Pour simplifier et faciliter la compréhension des différents schémas qui constituent les figures suivantes, il n'est représenté, le plus souvent, que les appareils nécessaires pour comprendre les explications données quand on passe d'un schéma au suivant.
Pour simplifier une mise en court-circuit pro- gressive par contacteurs pourra être remplacée par la mise en court-circuit par un seul contacteur; par exemple dans le cas d'une résistance à mettre en court-circuit progressivement.
De même, l'ouverture d'un circuit par contacteur pourra être précédée par l'introduction d'une résistance qui ne para pas représentée, de même aussi en ce qui concerne le shuntage d'un enroulement par un shunt inductif qui peut comporter plusieurs shunts successifs, etc.
Les schémas des figures 3, 4,5, 6, 7 rappellent le démarrage série parallèle de deux moteurs par la méthode du pont. On suppose d'abord tous les contacteurs ouverts.
Par fermeture de 3 la résistance R1 de démarrage est intercalée avec les deux moteurs A1, K1, Hl et A2, K2,
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H2 entre T et G: Les contracteurs 1 et 2 fermés successivement éliminent la résistance R1.
Figure 4: Un forme 4 et 5 qui introduisent dans les dérivations 4 et 5 respectivement sur H1 et H2, des shunts inductifs non figurés.
Figure 5: On ferme 6 et 7, co qui met les résis- tances R2 et R3 en dérivation sur la réseau.
Figure 6; On ouvre 8, les deux moteurs sont en dérivation sur le réseau par les résistances R2 et R3 Les contacteurs 4 et 5 sont ouverts pour mettre pleine excitation dans H1 et H2.
Figure 7; Les contacteurs 8 et 9 mettent R2 et R3 en court-circuit. On peut alors augmenter la vitesse on shuntant à nouveau Hl et H2 par les contacteurs 4 et 5, ce qui n'est pas figuré.
Il y a lieu de noter que le passage par les connexions représentées sur les figures 5, 6 et 7 peut être aussi rapide qu'on le désire.
Marche-compound. '- si les inducteurs H1 et H2 sont shuntés il faudra commencer par les déshunter.
La figure 8 suppose que l'opération est déjà faite.
La fermeture des contacteurs 10 et 11 forme les circuits de a1, b1 et a2, b2 sur Hl et H2 intercalant respectivement à lourd bornes les tensions des excitatrices a1, b1 et a1, b2.
Le schéma ne représente aucun des détails des nombreuses excitations différentielles précédemment exposées. Le processus exposé pour les figures 1 ou 2 pourra, par exemple, être suivi.
A noter que ci$ d1 et c2, d2 doivent être disposés sous la même tension ou encore être en série; on règle ces excitations pour avoir la vitesse désirée. Elle sera d'ailleurs minima lorsque les flux dans H1 et H2 seront marima.
Figure 9: Pour abaisser davantage la vitesse,
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il faut passer au couplage série des induits, La fermeture du contacteur 12 intercale la résistance R4 entre les moteurs qui sont ainsi tous deux dans une même dérivation sur le réseau.
L'introduction ae la résistance R4 n'influence aucunement les courants dans A1 et A2.
Figure 10: Les contacteurs 8 et 9 sont alors ouverts. Des dispositions sont prises pour réduire le plus vite possible les excitations par les courant Il et 12 passant par H1 et H2 à une valeur minimum par les tensions Ï b1 et Ïb2 dues aux enroulements c1, dl et c2, d2 des deux excitatrices a1, b1, et a2, b2. figures 11: La résistance R4 est alors progressive- ment mise en court-cirouit par un seul contacteur 13 au schéma. On abaisse alors la vitesse en augmentant à nouveau les excitations des excitatrices a1, b1, et a2, b2.
Quand les flux inducteurs des dynamos a1, b1 et a2, b2 sont maxima, la vitesse maxima économique est atteinte.
Figure 12; Pour aboutir à une vitesse plus basse ou presque à l'arrêt, par fermeture de 14 on intercale R5 en dérivation sur le réseau. On ouvre alors 15, ce qui sup- prime la tension du réseau sur les moteurs et l'on met pro- gressivement R5 en ourt-circuit par fermeture des contacteurs 16 et 17.
L'arrêt définitif peut être alors obtenu par un frein mécanique qui peut d'ailleurs être commandé électrique- ment.
On peut d'ailleurs parvenir à l'arrêt après la disposition du schéma de la figure 8, sans utiliser la anise en série des moteurs. On met alors (fig. 13) par fermeture de 14, la résistance R5 en dérivation sur les deux moteurs en parallèle. Cela n'influence aucunement les courant i et i2 dans A1 et A2. Par ouverture de 15 on supprime la tension surles deux moteurs et les dynamos A1 et 22 débitent en
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parallèle sur R5. On. met progressivement R5 en court-circuit par 16 et 17.
La figure 14 représente d'ailleurs une autre -manière de passer du couplage parallèle au couplage série peut être plus générale.
Figure 14; Supposant les contacteurs 3, 4, 17 et 18 fermés, 13 ouvert, les moteurs A1 et A2 en oompound en parallèle sur le réseau à la vitesse minima, c'est-à-dire à pleine excitation. On ouvre alors dans l'ordre 17,18 et 3, ce qui supprime la tension U sur la dynamo A1. On forme alors rapidement 13. La dérivation contenant A2 débite sur la résistance R5. On réglo alors les manoeuvres pour que les excitations de a1, bl et a2, b2 tendent vers le minimum permettant de disposer la tension par moteur, et pendant que l'excitation baisse, on court-circuits progressivement R5 par 17 et 18.
On excite alors a1, b1 et a, b2 jusqu'au maximum et le freinage est terminé comme précédemment expliqué pour la figure 12 et par.le frein mécanique.
Manifestement, le procédé représenté sur la figure 14 peut être généralisé pour introduire dans une dérivation sur le réseau U contenant un nombre quelconque de dynamos principales en série un groupe composé aussi d'une ou plusieurs dynamos en série.
Il faut noter que dans ces successions de conno- xions prévues aux schémas, la marche motrice n'est à aucun instant supprimée pendant la période de marche motrice.
De même, le freinage n'est à aucun instant interrompu pendant les connexions successives.
Bien entendu, tous les couplages comportant un nombre quelconque de dérivations avec plusieurs moteurs en série par dérivation, peuvent être employés. Une unité motrice peut être constituée, non pas par un moteur, mais par deux moteurs en série, couplés d'une manière permanente, tout au moins dans la marche 'compound.
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Dans le cas où deux moteurs sont connectés en série pour constituer une unité motrice ou génératrice compound, les enroulements H1 et H2 peuvent être contigus et la tension de l'excitatrice ab disposée dans un cirouit p qui comprend Hl et H2.
A titre d'exemple, un mode de réalisation est re- présenté par le schéma de la figure 15 où deux moteurs A1, K1, H1 - A2, K2. H2 sont supposés former une unité motrice, de bornes extrêmes M et N. Le démarrage sera effectué avec excitation:série.
Ainsi que représenté, les enroulements Hl et H2 étant contigus, pour la marche compound le circuit local qui sera fermé par le contacteur 6, peut ne comporter qu'une excitatrice ab pour les deux moteurs, excitatrice placée soit dans le pont auxiliaire p, soit dans le pontiinitial A , K1, H1, H2, K2, A2, comme représenté à titre d'exemple, ab sera excité comme précédemment.
Les flèches ±,en trait plein représentent les courants lors de la marche motrice; les flèches pointillées 1 représentent le courant inversé lors de la récupération; I est le courant d'excitation dans les enroulements H1 et H2. En résumé tout se passera comme si A1 et A2 ne formaient qu'un seul induit, les inducteurs K1 et K2 un seul enroulement K toujours en série et H1 et H2 un seul enroulement H.
Comme précédemment, on pourra séparer entièrement le circuit a b ± lorsqu'on passera à la marche en compound.
Bian entendu, tous les couplages ordinaires entre moteurs peuvent être réalisés avec les unités motrices com- portant deux ou plus de deux induits en série, d'une manière permenante en compound.
Dans tous les schémas, il est de toute évidence que lorsqu'on a séparé entièrement les circuits a b, H, p ainsi que prévu, par la fermeture du contacteur 7 (fig. 1,2) les circuits a, b, H; p ne figurent plus aux différents
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schémas de changement de couplage (fig. 6 à 14) donnés ci- dessus à titre d'exemple.
Bien entendu, la succession des connexions peut être facilement établie par un cylindre contrôleur par un arbre à cames, par contacteurs commandés par un cylindre de contrôleur ou par des combinaisons de ces dispositifs.
On peut même, en utilisant les contrôleurs normaux de démarrage en série-parallèle, réaliser les connexions supplémentaires de marche on compound par un contrôleur sup- plémentaire. L'adaptation des appareils existants est ainsi sauvegardée.
Enfin, il est bon de signaler que dans les diffé- rentes opérations, à chaque instant, le couple moteur ou résistant des dynamos principales peut être varié par shuntate des enroulements K ou par shuntago des enroulements inducteurs des dynamos ab intervenant dans la production des tensions Ïa,
Il est évident que les procédés connus de démarrage automatique s'adaptent naturellement au démarrage avec ex- citation série,
Quel que soit le nombre de dérivations sur le réseau comportant chacune plusieurs dynamos en série et fonctionnant en moteurs eux-mêmes excités en série, on peut passer à la marche en compound par simple disposition des tensions Ïa et Ïb sur les enroulements H.
Si l'on ne veut pas changer le nombre de moteurs par dérivation sur le réseau, on peut aussi parvenir à l'arrêt.
1 Par débit sur le réseau à travers une résistance au besoin progressivement réduite à zéro.
2 Par débit sur une résistance placée d'abord en dérivation sur le réseau puis formant avec les dynamos principales un circuit séparé du réseau.
3 Par réduotion, progressive à zéro de cette résistance.
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Par exemple dans le cas de deux moteurs démarrés en série parallèle pour lesquels on veut freiner en utilisant seulement le couplage série, et que l'on suppose à grande vitesse, on pourra passer à la marche en compound et débiter sur le réseau par une résistance progressivement réduite à 0. en intercalera alors une résistance R5 en dérivation (fig. 12) on séparera les moteurs du réseau par ouverture du contacteur 15 et l'on mettra en court-circuit progressif R5 par fermeture des contacteurs 16 et 17 pour atteindre sensi- blement l'arrêt.
Au fond, la manière d'obtenir la caractéristique compound revient à passer au procédé d'excitation composite déjà prévue aux breveta français n 643.048 et n& 704.054 pour parvenir à une dynamo compound semi-directe avec bénéfice des dispositions prévues aux brevets ci-dessus.
Les dispositions des figures 1 et 2 permettent de passer aux oaractéristiques compound sans coupure des dérivations sur le réseau. On entend par là que les ampères- ours inducteurs croissent avec le courant 1 d'induit A grâce à l'enroulement K comme dans la dynamo compound ordinaire mais, aussi, parce que la tension Ïa fait croître aussi les ampères-tours avec i dans l'enroulement H; disposition déjà réalisée dans le brevet n 704.054.
On obtient ainsi un couple C analogue E celui d'une dynamo compound directe soit
C = K (NI - ni)± N et n étant les nombres de spires des enroulements H et K.
Si NI et n sont choisis convenablement, le couple peut rester peu variable parce que si 1 augmente le premier facteur diminue alors que le 2ème augmente. Si le fer n'est pas saturé, le couple C varie proportionnellement au produit (NI-ni) ni forme où l'on reconnaît le produit de deux facteurs dont la somme est constante si le f er n'est pas saturé.
Remarquant de plus que dans la marche génératrice, le couple électrique à fournir par dynamo est plus petit et
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que le flux augmente dans la marche génératrice parce que les chutes ohmiques de tension d'inversent dans l'induit et en ligne, on conçoit que le courant 1 dans la dynamo en géné- ratrice est beaucoup plus petit qu'en moteur pour accéléra- tions égales en valeurs absolues.
On conçoit qu'il peut être possible de freiner avec récupération en employant un seul couplage de dynamos excitées en compound ou tout au moins de diminuer pour le freinage, le nombre de changements de couplages utilisés dans la marche motrice et de plus la possibilité de ne pas faire intervenir la variation de b pendant la récupération ou tout au moins de ne faire subir à Ïb qu'un petit nombre de variations.
Mais alors l'intérêt de bien utiliser le cuivre inducteurs devient manifeste et on sait que: a) les tensions Ïa et Ïb peuvent être produites dans un seul induit de dynamo excitatrice, excitée elle-même dans un premier enroulement par le courant 1 dans un deuxième par une tension vb réglable empruntée à une source quelconque. b) on peut, dans un seul induit d'excitatrice, développer la somme des deux tensions à et Ïb en oxcitant unseul enroulement inducteur de cette excitatrice par la somme algébrique de deux tensions vb et va l'une va croissante avec 1 et développée dans une sous-excitatrice,, excitée elle- même parun enroulement inducteur traversé par le courant 1 de l'induit A, l'autre vb réglable et prise d'une source quelconque.
c) Mais une excitatrice unique peut, dans son induit ab développer les tensions Ïa Ïb et Ïcen introduisant dann un enroulement Inducteur unique les tensions vb va prévues ci-dessus et en plus une tension v engendrée dans une petite dynamo auxiliaire ou sous-excitatrice entraînée à une vitesse proportionnelle à la vitesse des roues, (Lorsque la vitesse baisse, la tension (vb-vc) augmente, Lorsque
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avec dimunu tion de Ïa,la tension de l'induit de l'excita- trice ab prend une certaine valeur correspondant à la limite acceptable, cette tension peut agir sur un relais introduisant les résistances de freinage en dérivation sur le réseau puis aussitôt supprimant les connexions avec le réseau.
S'il y a intérêt à ne pas faire trop grande le nombre de spires de l'enroulement K pour ne pas augmenter les pertes Joule, il ne faut pas renoncer pendant un temps très court au moyen puissant de limiter les surintensités en augmentant temporairement les ampères-tours dans cet enroulement. C'est précisémant le cas pendant le changement de couplage des moteurs de parallèle en série pendant la récupération par exemple lors du changement prévu aux figures 10, 11 et 12 ou 14. Cela pourra se faire soit par suppression d'un shunt, préalablement établi sur l'enroule- ment K aux autres régimes, soit par addition d'un certain nombre de spires de faible section, soit par un changement de oouplage des spires sur l'enroulement K etc..
Dans le même but de hâter l'établissement du flux réduit, on peut employer l'introduction ou l'augmentation d'une résistance dans la dérivation 2 prévue aux figures 1 et 2, c'est-à-dire dans le circuit fermé sur une partie de l'enroulement inducteur des dynamos principales.
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"Speed regulation device applicable to electric traction."
The present invention relates to a device for economically regulating the speed of direct current dynamos, sometimes driving and sometimes generating. It is particularly applicable to traction.
We know well the control devices using in period the starting and generally in driving mode, the series excitation of the motors, Then we also know to obtain the braking by the provision of a suitable voltage at the terminals of the winding. inductor. for all these control methods, a so-called stabilizing resistance has always been necessary, one can consult on this subject the communication from Gratzmuller to the French Society of Electricians in October 1929, bulletin
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n 98, volume 9.
On the other hand, the use of compound motors with two separate inductor windings is known; one of the windings is excited in shunt on the network; the other, in series with the armature, is always crossed at each instant by the current alone of the latter.
Applications have been made in France,
The excitation under the voltage of the network, besides certain advantages, is not without disadvantages because it requires a fine wire of the inductor windings.
Dahs the French patent Gratzmuller, n 643.048 of October 27, 1927 and having the title "Device for regulating traction dynamos", various differential excitation devices have been provided to achieve a compound characteristic and with the aim of reducing the transient period of establishment of the current in the inductors which are constituted by a coil winding supplied by its ends.
In the French Gratzmuller patent n 704.054 of September 27, 1930 for "Method of regulating traditional dynamos", it has been described process variants using the compound motor with two separate windings and with arrangement, at the terminals of one of the windings inductors, of a voltage as algebraic of two voltages as in the above patents. This differential voltage is in fact the algebraic sum of two voltages, one # a increasing with the currents in the armature of the so-called main dynamo, the other # b independent and adjustable. It can be supplied by an exciter dynamo itself excited by any source, partially or totally in a composite manner. But, it has been reported that the series winding can be very small.
In addition, the use of a differential voltage has also been described to limit the differences in the currents in the armatures of the dynamos.
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producing traction or braking torques.
The object of the present invention is to improve the adjustment devices provided for in the above two patents.
It consists in using, for the period of starting, that is to say, the setting up of speed, the purely series excitation of the motors, by known methods in order then to result in a stable or decreasing speed regime, and have the algebraic sum of the voltages # a increasing with the current in A main armature, and the voltage # b independent of i and adjustable, not at the ends of the series inductor, but on one part of this winding, the other part being always crossed by the current 1 of the main winding. The connections are made in such a way that in the driving process of A, Ï a and Ïb are added arithmetically. This leads to constitute a closed circuit comprising a part of the inductor winding.
As in the two patents above, the main dynamo A will be called any dynamo whose driving or resistive torque is directly involved in the movement of the vehicle; any other dora dynamo called auxiliary dynamo or exciter according to its use * As far as possible, the notations used in the preceding patents are kept, U will designate the network supplying the vehicles directly under voltage U; T and G will be the two poles of the supply line.
Assuming (fig. 1) first the case of a single main dynamo. Let A be its induced. His inducer is always in series with him; part K of this winding will always be crossed by the current of the main plaster A or a fraction of it, part H will always be crossed by the current 1 represented by the arrow in solid lines i or a fraction of that - here if H is bypassed during power operation. Born in the sequel, H will be part of
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of a closed circuit by a branch p containing or not an inductive or non-inductive resistance. In this closed circuit, the voltages Ïa and Ïb can be inserted. The compound characteristic will thus be obtained, making it possible to regulate the speed economically and to reduce it by varying the voltage Ïb which can be adjusted at will.
A first embodiment is shown by way of example in FIG. 1. A is the main armature, K and H the two parts of the series winding. The motor is supposed to be brought to the proper speed by one of the known methods. All contactors are assumed to be open first.
Contactors 5, 2 and 1 must be closed in order to insert in the bypass closed on U the starting rheostat R1 progressively short-circuited by contactors 3 and 4. The dynamo then operates as a series motor through which the current i Indicated for example by arrows in solid lines i. The E or K inductors can then be partially shunted to increase the speed. The dynamo ab driven at approximately constant speed is then inserted in any way; for this, contactor 5 is open, and a branch circuit will be formed on H by closing contactor 6. The branch circuit may contain a resistance.
The exciter dynamo ab has two inductor windings; one ef is crossed only by the current i of the armature A or a part of it if of is shunted the other cd can be subjected to an adjustable voltage mU, m being generally less than 1.
In addition cd can have a rheostat R2 in its circuit.
It should be noted that it will be good to operate as follows:
When the lead P is closed by 6, the voltage Ïa developed in ab should preferably tend to produce an obmic drop at least equal to that which
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was produced by the total or partial current i which passed through H. It is purely a question of dimensioning of the number of turns / and or of a shunt, so that the current I in the winding H can only be increased by the closing of 6. Then only the circuit of the winding cd will be closed on the voltage mU, to produce the voltage Ïb in ab. The voltage at the terminals of cd will be increased, the current I will increase until the speed stabilizes.
Beyond a certain value of the excitation produced by this, the current will invert (dotted arrow) and the couple of A will become resistant if one wishes; the current in the bridge ± will pass from I - i to I + i and there will be recovery on the network. But then Ï has changed sign and the electromotive force of ab is Ïb-Ïa. The vehicle speed can be reduced until the maximum value of the dynamo A flux is reached.
It will be preferable to lower this speed a little, to separate the circuit a b H p from the branch on the network containing A. Indeed, in ke bridge G ab A T, the electromotive forces of ab and A are of opposite signs.
To achieve this, it suffices to create through contactor 7 a branch 7 directly connecting the end of K with terminal a. The bypass 7 may also contain a resistor that can be short-circuited later. Contactor 2 is then opened and circuit a b H is independent. At each instant, the current in ab is I.
2 variant (fig. 2). The armature ab is introduced into the derivation p. All the contactors being assumed to be open, the process is more or less the same for starting with a motor excited in series by closing of switches 1, 5, and 2 with the interposition of the starting rheostat R1. This rheostat is progressively short-circuited by contactors 3 and 4, A is then in series motor, its current 1 (arrow in solid lines) only crosses A, K
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and H. Contactor 2 is then opened, the dynamo ab then excited by the current i represented by the arrow in solid lines, produces the voltage which, by closing 6 should tend rather to increase the current I in H.
The dynamo ab is then energized by the winding cd by means of a potential difference mU. But if we increase the excitation by cd until the current i is reversed in A, the new current is indicated by the arrow! dotted, we see that the current through ab becomes I + i while in the driving process it was I - i,
To avoid this, it was necessary to separate the circuit H ab which is obtained by closing a branch P1 which can be temporarily resistant between K and G by the contactor 71 We then open 5, the current in ab is then the only current I of H We can then short circuit by contactor 8, the resistor R2 of the bypass Pl. It will be preferable to do this before energizing cd.
All the differential excitation processes a and Ïb provided for in French patents n 643,048 and 704,054 are naturally applicable to the diagrams of Figures 1 and 2.
Finally, it should be noted that thanks to the fraction K of the series winding still traversed by the current i, the voltage Ïb can be maintained on its own.
In other words, to stabilize the speed or reduce it, it suffices to place in a branch ± on H an adjustable voltage mU or not, with the intercalation of a rheostat.
Case of several motors.- The motors being supposed to be started by one of the known methods and brought with the suitable couplings at the suitable speed, it is possible to switch to running in compound by excitation by means of dynamos ab of each of the windings H1; H2 of each. of the main dynamos A1, A2.
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The currents i in the derivations comprising the armatures can be equalized by using a differential excitation as explained in French patent no. 704,054.
For example in the case of two dynamos A1 and A2 in parallel, the exciter windings of the exciter dynamos a1, bl and a2 b2 of the H windings of the main dynamos can include gh enrollments shown for example in figure 1, that g1, hl of the dynamo wire bl being traversed by the current i2 of the armature A2 and that g2 h2 relative to a2 b2 by the current il of A, in such a way that the difference of the ampere-turns of the windings er and gh alone intervenes with the predominance of ef.
In the description of the various couplings, these windings g h will not be represented for the sake of simplicity.
Moreover, we know that other solutions are applicable.
To simplify and facilitate understanding of the various diagrams which constitute the following figures, it is usually shown only the devices necessary to understand the explanations given when moving from one diagram to the next.
To simplify, progressive short-circuiting by contactors can be replaced by short-circuiting by a single contactor; for example in the case of a resistor to be short-circuited progressively.
Likewise, the opening of a circuit by contactor may be preceded by the introduction of a resistor which does not appear to be shown, the same also with regard to the shunting of a winding by an inductive shunt which may include several successive shunts, etc.
The diagrams of Figures 3, 4,5, 6, 7 recall the parallel series starting of two motors by the bridge method. Assume first that all contactors are open.
By closing 3 the starting resistor R1 is interposed with the two motors A1, K1, Hl and A2, K2,
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H2 between T and G: The contractors 1 and 2 closed successively eliminate resistance R1.
Figure 4: A form 4 and 5 which introduce into the leads 4 and 5 respectively on H1 and H2, inductive shunts not shown.
Figure 5: We close 6 and 7, co which puts the resistors R2 and R3 in bypass on the network.
Figure 6; We open 8, the two motors are bypassed on the network by resistors R2 and R3. Contactors 4 and 5 are open to put full excitation in H1 and H2.
Figure 7; Contactors 8 and 9 short-circuit R2 and R3. The speed can then be increased by shunting Hl and H2 again by contactors 4 and 5, which is not shown.
It should be noted that the passage through the connections shown in Figures 5, 6 and 7 can be as fast as desired.
Walk-compound. '- if the inductors H1 and H2 are shunted, it will be necessary to start by removing them.
Figure 8 assumes that the operation is already done.
The closing of the contactors 10 and 11 forms the circuits of a1, b1 and a2, b2 on Hl and H2 intercalating the voltages of the exciters a1, b1 and a1, b2 respectively at heavy terminals.
The diagram does not represent any of the details of the many differential excitations previously discussed. The process set out for Figures 1 or 2 could, for example, be followed.
Note that ci $ d1 and c2, d2 must be placed under the same voltage or be in series; these excitations are adjusted to have the desired speed. It will also be minimum when the flows in H1 and H2 are marima.
Figure 9: To lower the speed further,
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it is necessary to switch to the series coupling of the armatures. The closing of the contactor 12 interposes the resistor R4 between the motors which are thus both in the same branch on the network.
The introduction of resistor R4 does not influence the currents in A1 and A2 at all.
Figure 10: Contactors 8 and 9 are then open. Measures are taken to reduce as quickly as possible the excitations by the currents Il and 12 passing through H1 and H2 to a minimum value by the voltages Ï b1 and Ïb2 due to the windings c1, dl and c2, d2 of the two exciters a1, b1 , and a2, b2. figures 11: Resistor R4 is then progressively shorted by a single contactor 13 in the diagram. The speed is then lowered by again increasing the excitations of the exciters a1, b1, and a2, b2.
When the inducing fluxes of dynamos a1, b1 and a2, b2 are maximum, the maximum economic speed is reached.
Figure 12; To achieve a lower speed or almost at a standstill, by closing 14, R5 is inserted as a bypass on the network. 15 is then opened, which removes the voltage from the network on the motors and R5 is gradually put into short circuit by closing contactors 16 and 17.
The final stop can then be obtained by a mechanical brake which can moreover be controlled electrically.
It is also possible to come to a standstill after the arrangement of the diagram of FIG. 8, without using the series of motors. We then put (fig. 13) by closing 14, the resistor R5 in shunt on the two motors in parallel. This does not influence the currents i and i2 in A1 and A2 at all. By opening 15, the voltage on the two motors is removed and dynamos A1 and 22
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parallel on R5. We. progressively puts R5 in short-circuit by 16 and 17.
FIG. 14 moreover shows another way of switching from parallel coupling to series coupling, which may be more general.
Figure 14; Assuming contactors 3, 4, 17 and 18 closed, 13 open, motors A1 and A2 in parallel oompound on the network at minimum speed, that is to say at full excitation. We then open in the order 17, 18 and 3, which removes the voltage U on the dynamo A1. One then quickly forms 13. The shunt containing A2 debits on the resistor R5. The maneuvers are then adjusted so that the excitations of a1, bl and a2, b2 tend towards the minimum making it possible to have the voltage per motor, and while the excitation decreases, R5 is progressively short-circuited by 17 and 18.
A1, b1 and a, b2 are then excited to the maximum and the braking is terminated as previously explained for FIG. 12 and by the mechanical brake.
Obviously, the method shown in Fig. 14 can be generalized to introduce into a branch on the U network containing any number of main dynamos in series a group also composed of one or more dynamos in series.
It should be noted that in these successions of connections provided for in the diagrams, driving is at no time suppressed during the period of driving.
Likewise, braking is not interrupted at any time during successive connections.
Of course, all the couplings comprising any number of branches with several motors in series by branch, can be used. A motor unit can be constituted, not by one motor, but by two motors in series, permanently coupled, at least in the compound mode.
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In the case where two motors are connected in series to constitute a motor unit or compound generator, the windings H1 and H2 can be contiguous and the voltage of the exciter ab disposed in a circle p which comprises H1 and H2.
By way of example, one embodiment is represented by the diagram of FIG. 15 where two motors A1, K1, H1 - A2, K2. H2 are supposed to form a motor unit, with end terminals M and N. The start will be performed with excitation: series.
As shown, the windings H1 and H2 being contiguous, for the compound operation the local circuit which will be closed by the contactor 6, may include only one exciter ab for the two motors, exciter placed either in the auxiliary bridge p, or in the initial ponti A, K1, H1, H2, K2, A2, as shown by way of example, ab will be excited as before.
The arrows ±, in solid line represent the currents during driving; the dotted arrows 1 represent the reverse current during recovery; I is the excitation current in the windings H1 and H2. In short, everything will happen as if A1 and A2 formed only one armature, the inductors K1 and K2 a single winding K always in series and H1 and H2 a single winding H.
As before, we can completely separate the a b ± circuit when we switch to walking in a compound.
Of course, all ordinary couplings between motors can be made with motor units comprising two or more armatures in series, in a permanent compound manner.
In all the diagrams, it is evident that when we have completely separated the circuits a b, H, p as planned, by closing the contactor 7 (fig. 1,2) the circuits a, b, H; p no longer appear in the various
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Coupling change diagrams (fig. 6 to 14) given above by way of example.
Of course, the succession of connections can be easily established by a controlling cylinder by a camshaft, by contactors controlled by a controlling cylinder or by combinations of these devices.
It is even possible, by using the normal start-up controllers in series-parallel, to make the additional run or compound connections by an additional controller. The adaptation of existing devices is thus saved.
Finally, it should be noted that in the various operations, at any time, the motor or resistor torque of the main dynamos can be varied by shuntate of the K windings or by shuntago of the inductor windings of the ab dynamos involved in the production of the voltages. Ïa,
It is obvious that the known automatic starting methods naturally adapt to starting with series excitation,
Whatever the number of branches on the network, each comprising several dynamos in series and operating as motors themselves excited in series, it is possible to switch to compound operation by simply arranging the voltages Ïa and Ïb on the windings H.
If you do not want to change the number of motors per bypass on the network, you can also stop.
1 By flow on the network through a resistance if necessary gradually reduced to zero.
2 By flow on a resistor placed first as a shunt on the network then forming with the main dynamos a circuit separate from the network.
3 By reduction, progressive to zero of this resistance.
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For example, in the case of two motors started in parallel series for which we want to brake using only the series coupling, and which we assume at high speed, we can switch to running in a compound and charge on the network by a resistor gradually reduced to 0. a bypass resistor R5 will then be inserted (fig. 12). The motors will be separated from the network by opening contactor 15 and progressive short-circuiting R5 will be made by closing contactors 16 and 17 to reach sensi - definitely the stop.
Basically, the way to obtain the compound characteristic amounts to going to the composite excitation process already provided for in French patents n 643,048 and n & 704,054 to achieve a semi-direct dynamo compound with the benefit of the provisions provided for in the above patents.
The arrangements in FIGS. 1 and 2 make it possible to switch to compound characteristics without cutting the taps on the network. This is understood to mean that the inductor amps increase with the armature current 1 A thanks to the winding K as in the ordinary dynamo compound but, also, because the voltage Ïa also increases the ampere-turns with i in winding H; provision already made in patent No. 704,054.
We thus obtain a torque C similar to that of a direct compound dynamo, i.e.
C = K (NI - ni) ± N and n being the number of turns of the windings H and K.
If NI and n are chosen suitably, the torque can remain little variable because if 1 increases the first factor decreases while the 2nd increases. If the iron is not saturated, the couple C varies proportionally to the product (NI-ni) or form where we recognize the product of two factors whose sum is constant if the iron is not saturated.
Further noting that in generator operation, the electric torque to be supplied by the dynamo is smaller and
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that the flux increases in the generator operation because the ohmic voltage drops reverse in the armature and in line, it is conceivable that the current 1 in the generator dynamo is much smaller than in a motor for acceleration. equal values in absolute values.
It is understood that it may be possible to brake with regeneration by using a single coupling of dynamos excited in compound or at least to reduce for braking, the number of coupling changes used in the driving mode and moreover the possibility of not not involve the variation of b during recovery or at least to subject to Ïb only a small number of variations.
But then the interest of using the copper inductors well becomes manifest and we know that: a) the voltages Ïa and Ïb can be produced in a single armature of the exciter dynamo, itself excited in a first winding by the current 1 in a second by an adjustable voltage vb taken from any source. b) it is possible, in a single exciter armature, to develop the sum of the two voltages Ïb and Ïb by oxidizing a single inductive winding of this exciter by the algebraic sum of two voltages vb and goes one rv increasing with 1 and developed in a sub-exciter ,, itself excited by an inductor winding traversed by the current 1 of the armature A, the other vb adjustable and taken from any source.
c) But a single exciter can, in its armature ab develop the voltages Ïa Ïb and Ïc by introducing into a single inductor winding the voltages v va provided above and in addition a voltage v generated in a small auxiliary dynamo or driven sub-exciter at a speed proportional to the speed of the wheels, (When the speed decreases, the voltage (vb-vc) increases, When
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with a decrease in Ïa, the armature voltage of the exciter ab takes a certain value corresponding to the acceptable limit, this voltage can act on a relay introducing the braking resistors in shunt on the network then immediately removing the network connections.
While it is in the interest of not making the number of turns of the winding K too large so as not to increase the Joule losses, it is not necessary for a very short time to give up the powerful means of limiting overcurrents by temporarily increasing the ampere-turns in this winding. This is precisely the case during the change of coupling of the motors from parallel to series during recovery, for example during the change provided for in figures 10, 11 and 12 or 14. This can be done either by removing a shunt, previously established. on winding K at other speeds, either by adding a certain number of turns of small section, or by changing the coupling of the turns on winding K, etc.
With the same aim of hastening the establishment of the reduced flux, it is possible to use the introduction or the increase of a resistance in the bypass 2 provided in Figures 1 and 2, that is to say in the closed circuit on part of the inductor winding of the main dynamos.