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" PERFECTIONNEMENTS AUX SYSTEMES DE REGULATION- "
La présente invention vise des systèmes de régulation automati-- que et plus particulièrement des régulateurs électriques de tension comportant des Impédances non-linéaires.
Ce dernier terme est employé dans le texte qui suit pour désigner toute impédance dont la valeur diminue quand on fait croi- tre la tension à ses bornes- De nombreux corps simples ou composés à coeffi- oient de température positif, rentrant dans cette catégorie mais leur idole- tance ne varie que très lentement et dépend de la température ambiante* Il en résulte que ces corps ne conviennent pas aux régulateurs automatiques à fonc- tionnement rapide et, de préférence,
indépendant de la température ambiante*
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La Société demanderesse a cependant constate que le nouveau type d'impédance non linéaire dont la fabrication est décrite dans le brevet belge 352.309 s'applique très bien aux régulateurs automatiques.
La présente invention vise donc des systèmes de régulation au- tomatique comportant des impédances non linéaires*
Suivant une forme de réalisation de l'invention particulière- ment applicable aux régulateurs de tension, on prévoit un dispositif régula- teur pourvu d'un enroulement principal et d'un système d'excitation auxiliaire comportant un enroulement différentiel en série avec un élément d'impédance non-linéaire*
Suivant une autre forme de sa réalisation, la présente inven- tion prévoit un régulateur de tension permettant de compenser la saturation magnétique et rendre ainsi le flux proportionnel à la f. e.m.
- Ce régulateur peut être avantageusement appliqué aux moteurs shunts à courant continu pour en maintenir constante la vitesse de rotation* Dans les wagons frigorifiques par exemple, l'énergie électrique est fournie par une génératrice entraînée par les roues de la voiture- Cette énergie est évidemment disponible à une tension essentiellement variable de sorte qu'il est impossible de l'utiliser directement sans prévoir un régulateur spécial.
Dans les moteurs shunts ordinaires, tels que les moteurs entraînant les ventilateurs , la tension ap- pliquée doit équilibrer d'une part, la f.c.e.m. du moteur, d'autre part la chute ohmique dans l'armature* Or la f.c.e.m. développée par un moteur est toujours égale , à une constante près, au produit du flux par la vitesse du moteur* Il en résulte donc que la vitesse ne sera pas constante si le flux n'est pas maintenu proportionnel à la tension appliquée* La présente inven- tion vise justement un régulateur spécial comportant une impédance non-liné- aire, dont il a été déjà question plus haut,
et permettant de compenser la saturation du moteur de manière à assurer une relation' linéaire entre le flux et la tension appliquée* Il est tien entendu que l'application de ce régula- teur spécial n'est nullement limité aux moteurs shunts* En effet le régula- teur en question peut 'btre avantageusement utilisé pour combattre les effets de saturation magnétique dans de-autres moteurs éleotriques à courant continu ou alternatif tans les appareils de mesure comportant des circuits magnéti-
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ques, dans des bbblne4 noyau ferromagnétique, etc....
Su1vt '-! -.m.tre fO:t'%l1e de ria118ati n' de cette invention le .
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moteur pourvu d'un régulateur de tension à impédance non-linéaire, est alimenté par une génératrice série à travers un système spécial d'amorçage* Quand la vitesse de rotation de la génératrica croît, la tension à ses bornes croit éga- lement, mais comme le flux dans le moteur croît proportionnellement à la tensino appliquée, la vitesse tend à se maintenir constante-
On comprendra mieux les caractéristiques nouvelles et les avan- tages de l'invention en se référant à la description suivante et aux dessins qui l'accompagnent, donnés simplement à titre d'exemple non limitatif,
et dans lesquels t
La Fig.1 représente une forme de réalisation s'appliquant au ré- glage de la tension d'une génératrice à courant continu à vitesse variable*
La Fig-2 représente une autre forme de réalisation applicable au réglage de la tension de débit d'un transformateur alimenté par une source à tension variable-
La Fig.3 représente schématiquement une variante de l'invention particulièrement applicable à un moteur à courant continu*
La Fig*4 reproduit deux courbes caractéristiques faisant voir comment une résistance non linéaire permet de réaliser parfaitement les condi- tions désirées*
La Fig.5 représente schématiquement une autre variante de l'in- vention,
et la fig.6 reproduit une caractéristique de fonctionnement du dispo- sitif objet de cette variante*
La Fig.7 représente une variante de la Fig.5.
Dans le dispositif de la Fig.1, la génératrice à courant continu 1 fonctionne à vitesse variable, étant entraînée de toute manière appropriée, par exemple par un essieu de traction 2 Cette génératrice 1 est pourvue d'un système d'excitation comportant un enroulement shunt principal 3 et un enroule- ment shunt différentiel 4 relié en série avec une résistance 5 à caractéristique non-linéaire et à action instantanée (par exemple une résistance du genre dé- crit dans le brevet 352.309 de la société demandasses)
On peut se représenter comme suit le fonctionnement du dispositif de la Fig.1:
Les variations de vitesse de la roue 8 entraînent des variations de tension de la génératrice 1, et il y a augmentation de celle-ci lorsque la vitesse augmente* La tension aux bornes du circuit comprenant l'enroulement dit
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férentiel 4 et la résistance spéciale 5 augmente donc, ce qui diminue la va- leur de la résistance du dispositif 5, de sorte que 1'intensité de courant passant dans l'enroulement différentiel ou en opposition 4 augmente.
Ces conditions s'opposent à l'augmentation des ampèretours de l'enroulement de champ 3, résultant de l'augmentation de la tension aux bornes de la génératrice 1. La résistance 5 a une courbe d'impédance pratiquement hyperbolique, de sorte que la résistance peut décroître très rapidement avec des tensions appliquées croissantes* Ainsi, des vitesses croissantes de la génératrice 1 entraînent, dans l'enroulement 4, un accroissement de courant assez grand pour provoquer une diminution des ampèretours résultant des deux enroulements 3 et 4 solidairement, et il en résulte qu'on peut maintenir pra- tiquement croissante la tension de la génératrice 1 sur une gamme considérable de vitesses*
Quand la vitesse de la génératrice 1 diminue, la tension tombe et la résistance de l'élément 5 croît,
de sorte qu'il y a retour aux condi- tions normales*
Dans le dispositif de la Fig.2, on a représenté un noyau de transformateur 7 avec enroulement primaire 8 relié à une source de tension variable, par exemple un alternateur 9 à courant alternatif simple, l'enrou- lement secondaire étant connecté de manière à alimenter un appareil d'utili- sation approprié, par exemple des lampes à incandescence 11. Le noyau 7 est igalement pourvu d'un enroulement différentiel 12 en série avec une résistance ou une impédance 15 à caractéristique non-linéaire. L'ensemble est placé aux bornes du primaire 8. L'impédance 13 est de préférence en matière spéciale, came en décrit le brevet précité de la Société demanderesse.
Un rhéostat ré- glable 14 est monté en série avec l'enroulement en Opposition 12 et l'élément 13 pour le réglage de l'intensité du courant.
On peut se représenter comme suit le fonctionnement du disposi- tifs Avec une tension donnée produite par la source 9, les deux enroulements 8 et 12 produisent, dans le noyau, undflux résultant qui induit une tension don- née dans le secondaire 10'. Si l'on suppose que la tension de la source 9 aug- mente, il en est de même du coupant dans l'élément 13 dont l'impédance diminue,, Il y a donc une augmentation disproportionnée de' courant dans l'enroulement 12, ce qui entraîne une augmentation de la réluctance .du circuit magnétique du transformateur 7 @
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Il en résulte que le rapport du flux de fuite du primaire au flux du noyau passant dans l'enroulement secondaire croît* En proportionnant convenablement les divers éléments,
on peut rendre le flux'de fuite pratiquement égal à l'aug- mentation du flux produit par l'enroulement 8 seul sous l'effet d'une augmen- tation de tension, d'où la tendance du système à maintenir constant le flux du noyau*
A propos de la Fig.2, on doit remarquer que l'invention n'est pas nécessairement limitéeau réglage, à valeur constante, de la tension de débit d'un transformateur auquel est appliquée une tension primaire variable! mais on peut aussi l'appliquer dans tous les cas où l'on désire, dans un noyau produire un flux constant à partir d'une tension variable alimentant l'enrou.. lement d'excitation du noyau.
Dans la Fig.3, 21 désigne l'induit d'un moteur à courant continu qu'on doit alimenter par une source à tension variable 22. Ce moteur 21 est prouvu d'un enroulement en dérivation 23 en série avec lequel est branchée la résistance 24 à caractéristique non linéaire.
Le dispositif 24 peut âtre de tout type connu approprié, le mieux étant d'utiliser, comme dans les formes d'application précédentes, les résistances objet du brevet précité*
On peut se représenter comme suit le fonctionnement du disposi- tifs On supposera que la tension du circuit 22 a une valeur telle que l'enrou- lement d'excitation shunt 23 commence à saturer le circuit magnétique du moteur Si cette tension d'alimentation croit, le courant passant dans la résistance 24 augmente, et cette résistance diminue de valeur, de sorte qu'il y a un afflux disproportionné de courant dans l'enroulement en dérivation 23.
En proportion- nant convenablement la résistance 24, on peut faire en sorte que le flux pro- duit par l'enroulement 23 est pratiquement proportionnel aux augmentations de la tension d'alimentation* En conséquence et comme expliqué ci-dessus, la vi- tesse du moteur 1 est maintenue pratiquement constante*
Les limites dans lesquelles on peut obtenir un flux directement proportionné à la tension appliquée sont visibles sur les courbes de la figure 41 La courbe A est la caractéristique calculée de l'élément à caractéristique non-linéaire qui donneràit un flux directement proportionnel à la tension ap- pliquée pour un circuit magnétique ayant une courbe de saturation donnée.
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Comme on le voit dans cette figure, lorsque le courant croît, la valeur de la résistance doit diminuer très rapidement- La courbe B représente la caractéris- tique résistance-courant d'un élément de résistance du type décrit du brevet précité de la Société demanderesse* Comme on le voit, ces courbes sont très voisines l'une de l'autre, de sorte que le flux est pratiquement proportionnel à la tension appliquée*
Pour que le dispositif soit efficace sur une gamme étendue de tensions, il est préférable que la résistance de l'enroulement d'excitation soit aussi petite que possible ! : C'est ce qu'on peut réaliser de différentes façons, par exemple en utilisant des enroulements de champ de très faible ré- sistance.
On peut arriver à ce résultat par divers moyens, par exemple en réa- lisant l'enroulement avec une matière à faible résistivité*
On doit également renarquer que même si le flux dans 1'enroule- ment shunt d'un moteur est maintenu directement proportionnel à la tension appliquée, la vitesse du moteur ne demeure pas rigoureusement constante* Ainsi, l'hystérésis du circuit magnétique du moteur introduit certaines erreurs* Elles sent dues au fait qu'avec une augmentation ou une diminution du voltage, le flux suit différentes courbes de saturation, suivant que la tension augmente ou diminue* En outre, avec la plupart des appareils d'utilisation, si on main- tient la vitesse constante pour une tension appliquée variable, cela signifie que le courant doit varier en sens inverse de la tension,
et il en résulte que la chute de tension dans la résistance du moteur, varie aussi en sens Inverse des variations de la tension appliquée- Ce résultat en lui-même entraîne des erreurs, parce que si la vitesse est constante et si le flux varie en propor- %ion directe de la tension appliquée, la chute de tension dans la résistance doit aussi varier en proportion directe de la tension appliquée pour que les rapports de grandeur puissent satisfaire la relation : tension appliquée - f.c.s.m. + la chute dans la résistance*
En outre, du fait que le courant doit changer, la réaction d'in- duit dupe le moteur change également.
Cependant, toutes ces erreurs sont rela- tivement faibles, et si le flux du moteur est directement proportionnel à la tension appliquée, la vitesse reste assez constante pour tous les besoins pra- tiques*
Si on le désire, on peut ajouter un enroulement série 25 au mo-
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tour, de manière à pallier aux variations de vitesse dues aux variations de charge ,
au cas où l'on désire associer au moteur une charge variable*
Il est bien évident qua les moyens permettant de maintenir le flux proportionnel à la tension d'alimentation peuvent 'être également appli- qués aux dispositifs et appareils de mesure dans lesquels il est souvent inté- ressant de maintenir constant le rapport flux sur tension*
Dans la réalisation de la Fig.5, 31 désigne l'induit d'une gé- nératrice série à courant continu destinée à 'être commandée à des vitesses va- riant dans de larges limites, par tous moyens appropriés, par exemple par l'es- sieu d'un véhicule*
L'induit 31 peut être accouplé à la roue 32, par exemple de fa- çon directe au moyen d'un axe 33- La génératrice 1 comporte un enroulement de champ série qui peut être mis directement en circuit avec le moteur:
mais on a représenté, dans le circuit du moteur, une connexion à pont de Wheastone à quatre branches, de conductibilité unidirectionnelle, constitué ici par,des redresseurs à une alternance 36. Le but de cette connexion est d'assurer que la génératrice amorcera toujours sa tension, quel que soit son sens de rota- tion; et on voit qu'avec cette connexion, le courant dans l'enroulement série 34 doit toujours 'être de même sens indépendamment de la polarité de l'induit 31.
On doit comprendre cependant que cette disposition représente simplement un des moyens applicables pour assurer l'amorçage de la génératrice, et qu'on peut utiliser tous les moyens propres à assurer ce résultat, par exemple des moyens mécaniques propres à assurer un sens de rotation de l'induit indépendant du sens de rotation de la source primaire, ou un dispositif de'balais déoala- bles sur l'induit de la génératrice série, ou tous autres moyens équivalents* Les redresseurs 35 peuvent être de tout type désiré, par exemple du type oxy- cuivre.
La génératrice 31 doit de préférence fonctionner dans toute la gamme de ses régimes dans un état de saturation, de sorte que sa tension aux bornes doit être sensible aux variations de son excitation*
La figure associe à la génératrice 31, un moteur 36 commandé par cette génératrice- Ce moteur peut, sous sa forme la plus simple, être un moteur à courant continu à excitation shunt, de dimensions et de caractéristiques lui permettant de fonctionner sans saturation sur une gamme donnée des tensions ap- pliquées- Un tel moteur tend de lui-même à fonctionner pratiquement à une vi-
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tesse constante pour une charge appliquée déterminée dans toute la gamma des tensions appliquées- Cela provient du fait que, avant que se produise la sa- turation du flux magnétique,
son flux est en relation linéaire avec la tension appliquée! il croit lorsque cette tension augmente, et par conséquent la f.c. s.m. du moteur croît pratiquement comme la tension appliquée, ce qui évite au moteur toute nécessité de ohanger de vitesse. On doit cependant comprendre que cette explication est seulement approximative et que les variations d'induit et de la chute par résistance dans l'induit introduisant des erreurs.
Toutefois, la Société demanderesse préfère utiliser un moteur com- portant des moyens spéciaux de compensation pour les effets de saturation, de aorte que, ce moteur tende à fonctionner pratiquement à vitesse constante sur vue gamme de tensions appliquées assez grande pour que la saturation se produi- se* C'est un moteur de ce genre qui a été déjà. décrit plus haut dans la Fig.3.
Ce moteur comportât en série avec un enroulement shunt, un élément de résistant à caractéristique non-linéaire,, Un tel élément de résistance se caractérise par le fait que sa résistance éleotrique diminue lorsque le courant augmente! et en proportionnant convenablement cette résistance, il est possible que le courant d'excitation shunt croisse avec la tension appliquée non proportionnellement à cette tension, de sorte que le flux, dans le moteur 36, est pratiquement pro- portionnel à la tension appliquée, même avec uue forte saturation magnétique dans ce moteur.
L'élément de résistance offrant cette propriété est représentée en 37, en série avec l'enroulement shunt 38 du moteur 36. Cette résistance peut être établie suivant les données du brevet précité de la Société demanderesse*
Cette matière offre la propriété que sa résistance électrique diminue instantanément et suivant une loi exponentielle, lorsque l'intensité de courant croît, et que cet effet est pratiquement indépendant des variations de résistance de la matière constituante*
Il est également avantageux de donner au moteur 36 un enroulement 39 de champ série relativement faible,
pour protéger ce moteur contre toute dé- térioration lors du démarrage et lorsque la génératrice fonctionne à vitesse relativement faible* On expliquera le jeu de cet enroulement série de moteur en marne temps qu'on exposera ici le fonctionnement du dispositif objet de l'in- vent! on.
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On vbit donc que le moteur 36 est un moteur à courant continu spécial à enroulement compound, avec exitation shunt prédominante et champ sé- rie relativement faible* Tout dispositifde charge approprié, par exemple un compresseur de machine à froi& 40, est alimenté par le moteur 36'
Dans ces conditions, le fonctionnement du dispositif représenté Fig.5 est le suivant On supposera que la source primitive de rotation, c'est- à-dire la roue 32 démarre et que sa vitesse croit à partir du repos.
Aussitôt que démarre la roue 32 entrainant la génératrice 31, celle-ci tend à s'amorcer par suite de son magnétisme résiduelt et comme la résistance du circuit compor- tant l'induit 36 du moteur et son enroulement d'excitation série 39, est rela- tivement faible, il passe un courant d'intensité relativement forte qui augmen- te l'excitation, et par conséquent élevé la tension de la génératrice série 31.
Si l'enroulement série 39 n'existait pas, et si la machine continuait à fonc- tionner à faible vitesse, la forte intensité et la tension élevée produites par la génératrice 31 pourraient endommager ou marne brûler le moteur, parce que son induit court-circuit pratiquement l'enroulement shunt et par conséquent empé- che le moteur de tourner. Cependant, l'enroulement série 39 fournit le flux né- cessaire pour que le moteur tourne et amorce sa f.c.e.m. C'est là l'objet principal de l'enroulement série 39, c'est-à-dire qu'il'est prévu simplement pour assurer la rotation du moteur 36 et limiter le courant qui le traverse.
Après le démarrage du moteur 36 et 1'établissement de sa force contre élector- motrice, l'enroulement shunt 38 augmente graduellement ses effets jusqu'à ce qu'il ait un rôle prédominant dans l'excitât! on du moteur 35. En même temps, des que la f.c.e.m. du moteur 36 devient appréciable, le courant passant dans la génératrice série diminue, et par conséquent agit pour réduire la tension de cette machine* A une vitesse donnée, par exemple une vitesse de la roue 32 %or- raspondant à la vitesse de 15 milles à l'heure du véhicule, il s'établit un équilibre pour lequel le moteur 36 fonctionne à vitesse pratiquement normale et à débit pratiquement normal*
Si maintenant la vitesse de la roue 32, et par conséquent celle de la génératrice 31 augmente,
sa tension augmente évidemment, et par suite des caractéristiques de vitesse constante du moteur 36, le courant dans le circuit série comprenant le moteur 31 diminue, ce qui tend à réduire ou à arrêter l'aug. mentation de tension de la génératrice 31 résultant de son augmentation de vi-
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tasse* De la sorte, il est possible d'obtenir un fonctionnement sûr pour une gamme de vitesse extrêmement étendue de la génératrice* On voit aussi que ce fonctionnement sur une large zone de variations de vitesse de la source pri- maire de rotation, est rendu possible par l'action mutuelle de la génératrice et du moteur, dont chacun offre les caractéristiques nécessaires- D'une façon générale,
cas caractéristiques sont telles que la tension de la génératrice augmente avec sa vitesse et diminue avec son intensité, tandis que la vitesse du moteur reste pratiquement constante pour une gamme étendue de variations des tensions appliquées,
La caractéristique de fonctionnement reproduite sur la Fig.6 est la courbe de la vitesse de la génératrice en fonction des vitesses du moteur* D'après cette courbe, on voit que, pour un rapport des vitesses voisin de 1/5, la vitesse du moteur s'écarte de sa valeur moyenne dans une très petite pro- portion (en un plus ou en moins- La chute de vitesse au delà de la bosse, qu'on voit à l'extrémité gauche de la courbe,
montre comment 1'enroulement sé- rie du moteur agit pour maintenir une faible vitesse au régime lent de la géné- ratrice*
Dîme certaine cas il peut être avantageux de remplacer l'élément de résistance non-linéaire par une baterrie d'accumulateurs qui se comporte came une résistance à caractéristique "négative"-
Dans la dernière figure, 41 désigne un mobile dont la vitesse de rotation varie dans de grandes limites, par exemple une roue de tramway (la vitesse d'une telle roue varie couramment dans des proportions de 1 à 5)- Cette roue entraîne, par liaison mécanique directe,
une génératrice à courant continu 42 à excitation série 43' L'enroulement 43 est relié au circuit d'in- duit de la génératrice 42 par l'intermédiaire d'un redresseur à deux alternan- ces 44 afin que la tension de la génératrice s'amorce indépendamment du sens de rotation- C'est là une chose importante pour les systèmes commandés par es- sioux, puisque le sens de rotation de cet essieu est réversible- Grâce au re- dresseur le courant d'excitation est toujours de marne sens, indépendamment de la porarité de l'induit de la génératrice 42, et en conséquence cette machine peut s'amorcer sur son aimantation résiduelle, indépendamment du sens initial de rotation' Il est avantageux , mais non nécessaire,
de donner à la généra- triee des pbles en acier u carbone, pour qu'elle ait beaucoup de magnétisme
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résiduel et que son aimantation ne soit pas exposée à s'inverser facilement* La génératrice 42 peut toujours être pourvue d'un enroulement de commutation 45 si on le désire-
En série avec l'induit et l'enroulement d'excitation série de la machine 42 est disposé l'induit d'un moteur à courant continu 46 accouplé mé- oaniquement pour entrainer une charge quelconque à vitesse pratiquement cons- tante ou variant relativement peu, par exemple un ventilateur ou un compresseur de machine à froid 47, etc.-*- Le moteur 46 est de préférence pourvu d'un en- roulement à faible excitation série 48,
destiné à produire un champ suffisant pour que le moteur 46 commence à tourner sous les faibles tensions de la géné- ratrice 42, quand celle-ci commence à fonctionner- Dans de telles conditions, le courant produit par la génératrice 42 passe par le chemin de faible résis- tance comportant son excitation série et l'induit du moteur 46 et, si on n'a- vait pas prévu des moyens de provoquer la rotation initiale du moteur, le cou- rant pourrait atteindre 200 à 300% de l'intensité de plaine charge et détério- rer ce moteur* Grâce aux moyens prévus, il est produit, dès qu'il commence à tourner, une f.c.s.m.
qui limite l'intensité du courant* pour ces faibles va- leurs de la tension, une excitation shunt ordinaire ne pourrait pas produire un flux suffisant pour mettre en route le moteur tsvant le passage du courant excessif échauffant exagérément le moteur-
Il est généralement pourvu d'un enroulement shunt 49 avec résis- tance série 50 offrant une caractéristique non-linéaire (du genre par exemple des résistances couvertes par le brevet 352.309 de la Société demanderesse).
Le circuit de l'enroulement 49 et de la résistance 50 est relié directement aux bornes d'induit de la génératrice 42, de sorte que le courant absorbé par ce circuit ne traverse pas l'enroulement série d'excitation 43.
On a déjà vu, par ce qui précède, comment fonctionne un dispo- sitif du genre décrit* Grâce aux perfectionnements apportés à ce dispositif et à ses connexions, la partie du courant du moteur qui croît sous des tensions appliquées croissantes, c'est-à-dire le courant nécessité par l'enroulement d'excitation shunt 49 et la résistance spéciale 50, ne traverse pas l'enroule- ment série d'excitation 43 de la génératrice, et par conséquent n'a aucune in- fluenoe pour augmenter la tension de cette génératrice*
Par suite, la partie du courant du moteur 46 qui diminue avec des tensions croissantes de la génératrice ,c'est-à-dire le courant d'induit
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du moteur 46, traverse entièrement l'anroulement d'excitation série 43 de la
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génératrice 42.
Par acnoéquez4 ce courant décroissant a un effet maximun ten- dant à limiter l'augmentation de tension de la génératrice au-delà d'une vites- se exterminée de oelle-ci, ce qui permet d'accroître la gamme de vitesse de cette génératrice, pour une gamme donnée de tensions de la génératrice, au-delà de la gomme des vitesses qu'on obtiendrait si la connexion était telle que le courant d'excitation shunt du moteur puisse traverser également l'enroulement de champ série de la génératrice
Dans un dispositif de ce genre comportant une génératrice dont la vitesse peut varier de 1 à 5 par exemple, la diminution du courant total re- quis par le moteur, c'est-à-dire par ses circuits d'induit et d'inducteur,
est de 26% environ pour une diminution de 64% du courant d'induit* L'invention uti- lise cette diminution totale de 64% pour améliorer la régulation du système, tandis que, dans le système comportant le passage du courant d'excitation du moteur dans le circuit d'excitation de la génératrice, on utilise seulement une diminution de 26%.
Bien qu'on ait représenté et décrit plusieurs formes de réalisa- tion de l'invention, il est évident qu'on ne désire pas se limiter à ces formes particulière$, données simplement à titre d'exemple et sans aucun caractère restrictif, et que par conséquent toutes les variantes ayant marne principe et même objet que les dispositifs indiquées ci-dessus, rentreraient comme elles dans le cadre de l'invention*
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La présente invention vise des systèmes de régulation électriques comportant des impédances non-linéaires,
Formes de réalisations suivant lesquelles le dispositif auquel on applique le régulateur objet de l'invention, est pourvu d'un enroulement principal et d'un circuit auxiliaire formé d'un enroulement différentiel monté en série avec un élément d'impédance non-linéaire*
Différentes variantes applicables aux moteurs électriques de tou- te nature, aux appareils démesure, aux bobines à noyau ferromagnétique, etc-.* et permettant en particulier de* compenser la saturation magnétique.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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"IMPROVEMENTS TO REGULATION SYSTEMS-"
The present invention relates to automatic regulation systems and more particularly to electrical voltage regulators comprising non-linear impedances.
This last term is used in the text which follows to designate any impedance whose value decreases when the voltage is increased at its terminals. Numerous simple or compound bodies with a positive temperature coefficient, falling into this category but their idol- tance varies only very slowly and depends on the ambient temperature * As a result, these bodies are not suitable for automatic regulators with rapid operation and, preferably,
independent of ambient temperature *
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The Applicant Company has, however, observed that the new type of nonlinear impedance, the manufacture of which is described in Belgian patent 352.309, applies very well to automatic regulators.
The present invention therefore relates to automatic regulation systems comprising nonlinear impedances *
According to an embodiment of the invention which is particularly applicable to voltage regulators, there is provided a regulating device provided with a main winding and an auxiliary excitation system comprising a differential winding in series with an element d. 'non-linear impedance *
According to another embodiment, the present invention provides a voltage regulator making it possible to compensate for the magnetic saturation and thus to make the flux proportional to the f. e.m.
- This regulator can be advantageously applied to direct current shunt motors to keep the speed of rotation constant * In refrigerated wagons for example, electrical energy is provided by a generator driven by the wheels of the car - This energy is obviously available at an essentially variable voltage so that it is impossible to use it directly without providing a special regulator.
In ordinary shunt motors, such as motors driving fans, the voltage applied must balance on the one hand, the f.c.e.m. of the motor, on the other hand the ohmic drop in the armature * However the f.c.e.m. developed by a motor is always equal, except for a constant, to the product of the flux times the speed of the motor * It follows that the speed will not be constant if the flux is not kept proportional to the applied voltage * The present The invention is precisely aimed at a special regulator comprising a non-linear impedance, which has already been discussed above,
and making it possible to compensate for the saturation of the motor so as to ensure a linear relation between the flux and the applied voltage * It is understood that the application of this special regulator is by no means limited to shunt motors * In fact the The regulator in question can be advantageously used to combat the effects of magnetic saturation in other electric motors with direct or alternating current and in measuring apparatus comprising magnetic circuits.
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ques, in ferromagnetic core bbblne4, etc ....
Su1vt '-! -.m. be fO: t '% l1e of ria118ati n' of this invention.
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motor provided with a voltage regulator with non-linear impedance, is supplied by a series generator through a special starting system * When the speed of rotation of the generator increases, the voltage at its terminals also increases, but as the flux in the motor increases in proportion to the tensino applied, the speed tends to remain constant -
The new features and the advantages of the invention will be better understood by referring to the following description and to the accompanying drawings, given simply by way of non-limiting example,
and in which t
Fig. 1 shows an embodiment applying to the voltage regulation of a variable speed direct current generator *
Fig-2 shows another embodiment applicable to the adjustment of the output voltage of a transformer supplied by a variable voltage source.
Fig. 3 schematically represents a variant of the invention particularly applicable to a direct current motor *
Fig * 4 reproduces two characteristic curves showing how a nonlinear resistance allows to achieve perfectly the desired conditions *
Fig. 5 schematically shows another variant of the invention,
and fig. 6 reproduces an operating characteristic of the device which is the subject of this variant *
Fig.7 shows a variant of Fig.5.
In the device of FIG. 1, the direct current generator 1 operates at variable speed, being driven in any suitable manner, for example by a traction axle 2 This generator 1 is provided with an excitation system comprising a winding main shunt 3 and a differential shunt winding 4 connected in series with a resistor 5 having a non-linear characteristic and instantaneous action (for example a resistor of the kind described in patent 352.309 of the applicant company)
The operation of the device in Fig. 1 can be represented as follows:
Variations in the speed of the wheel 8 cause variations in the voltage of the generator 1, and there is an increase in the latter when the speed increases * The voltage at the terminals of the circuit comprising the said winding
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differential 4 and the special resistance 5 therefore increases, which decreases the value of the resistance of the device 5, so that the intensity of current flowing through the differential or opposing winding 4 increases.
These conditions oppose the increase in the amperours of the field winding 3, resulting from the increase in voltage across generator 1. Resistor 5 has a nearly hyperbolic impedance curve, so that the resistance can decrease very quickly with increasing applied voltages * Thus, increasing speeds of generator 1 cause, in winding 4, an increase in current large enough to cause a decrease in the amperreturns resulting from the two windings 3 and 4 integrally, and As a result, the voltage of generator 1 can be kept almost increasing over a considerable range of speeds *
When the speed of generator 1 decreases, the voltage drops and the resistance of element 5 increases,
so that there is a return to normal conditions *
In the device of FIG. 2, there is shown a transformer core 7 with primary winding 8 connected to a variable voltage source, for example an alternator 9 with simple alternating current, the secondary winding being connected so as to supplying power to a suitable operating device, for example incandescent lamps 11. The core 7 is also provided with a differential winding 12 in series with a resistance or an impedance 15 having a non-linear characteristic. The assembly is placed at the terminals of the primary 8. The impedance 13 is preferably made of a special material, as described in the aforementioned patent of the Applicant Company.
An adjustable rheostat 14 is mounted in series with the opposing winding 12 and element 13 for the adjustment of the current intensity.
The operation of the devices can be represented as follows. With a given voltage produced by the source 9, the two windings 8 and 12 produce, in the core, a resulting flux which induces a given voltage in the secondary 10 '. Assuming that the voltage at source 9 increases, so does the cutting edge in element 13, the impedance of which decreases. There is therefore a disproportionate increase in current in winding 12. , which leads to an increase in the reluctance of the magnetic circuit of the transformer 7 @
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As a result, the ratio of the leakage flux of the primary to the flux of the core passing through the secondary winding increases * By suitably proportioning the various elements,
the leakage flux can be made practically equal to the increase in the flux produced by winding 8 alone under the effect of an increase in voltage, hence the tendency of the system to keep the flux constant. of the core *
With regard to Fig. 2, it should be noted that the invention is not necessarily limited to the adjustment, at constant value, of the output voltage of a transformer to which a variable primary voltage is applied! but one can also apply it in all the cases where one wishes, in a core producing a constant flux starting from a variable tension feeding the winding of excitation of the core.
In Fig. 3, 21 designates the armature of a direct current motor which must be supplied by a variable voltage source 22. This motor 21 is proved to have a bypass winding 23 in series with which the circuit is connected. resistor 24 with non-linear characteristic.
The device 24 can be of any suitable known type, the best being to use, as in the previous forms of application, the resistors which are the subject of the aforementioned patent *
The operation of the devices can be represented as follows. Suppose that the voltage of circuit 22 has a value such that the shunt excitation winding 23 begins to saturate the magnetic circuit of the motor If this supply voltage increases , the current flowing in the resistor 24 increases, and this resistance decreases in value, so that there is a disproportionate inflow of current in the shunt winding 23.
By suitably proportioning the resistor 24, it can be made so that the flux produced by the winding 23 is substantially proportional to the increases in the supply voltage. Accordingly and as explained above, the speed of motor 1 is kept practically constant *
The limits within which we can obtain a flux directly proportional to the applied voltage are visible on the curves of figure 41 Curve A is the calculated characteristic of the element with non-linear characteristic which gives a flux directly proportional to the voltage ap - plied for a magnetic circuit having a given saturation curve.
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As can be seen in this figure, when the current increases, the value of the resistance must decrease very rapidly. Curve B represents the resistance-current characteristic of a resistance element of the type described in the aforementioned patent of the Applicant Company. * As can be seen, these curves are very close to each other, so that the flux is practically proportional to the applied voltage *
In order for the device to be effective over a wide range of voltages, it is preferable that the resistance of the field winding is as small as possible! : This can be achieved in different ways, for example by using very low resistance field windings.
This can be achieved by various means, for example by making the winding with a material with low resistivity *
It should also be noted that even if the flux in the shunt winding of a motor is kept directly proportional to the applied voltage, the speed of the motor does not remain strictly constant * Thus, the hysteresis of the magnetic circuit of the motor introduced. certain errors * They are due to the fact that with an increase or a decrease in the voltage, the flux follows different saturation curves, depending on whether the voltage increases or decreases * In addition, with most devices of use, if we hand - keeps the speed constant for a variable applied voltage, this means that the current must vary in the opposite direction of the voltage,
and it follows that the voltage drop in the resistance of the motor, also varies in the opposite direction of the variations of the applied voltage- This result in itself leads to errors, because if the speed is constant and if the flux varies in direct proportion of the applied voltage, the voltage drop across the resistor must also vary in direct proportion to the applied voltage so that the magnitude ratios can satisfy the relation: applied voltage - fcsm + the fall in the resistance *
Furthermore, because the current must change, the reaction induced by the motor also changes.
However, all of these errors are relatively small, and if the motor flux is directly proportional to the applied voltage, the speed remains constant enough for all practical needs *
If desired, a 25 series winding can be added to the mo-
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tower, so as to compensate for speed variations due to load variations,
if you wish to associate a variable load with the motor *
It is obvious that the means making it possible to maintain the flux proportional to the supply voltage can also be applied to devices and measuring apparatus in which it is often advantageous to keep the flux to voltage ratio constant *
In the embodiment of Fig. 5, 31 denotes the armature of a series direct current generator intended to be controlled at speeds varying within wide limits, by any suitable means, for example by the axle of a vehicle *
The armature 31 can be coupled to the wheel 32, for example directly by means of an axis 33. The generator 1 comprises a series field winding which can be put directly into circuit with the motor:
but there is shown, in the motor circuit, a connection to a four-branch Wheatstone bridge, of unidirectional conductivity, here constituted by half-wave rectifiers 36. The purpose of this connection is to ensure that the generator will always start. its tension, whatever its direction of rotation; and it is seen that with this connection, the current in the series winding 34 must always be in the same direction regardless of the polarity of the armature 31.
It should be understood, however, that this arrangement simply represents one of the means applicable to ensure the starting of the generator, and that all means suitable for ensuring this result can be used, for example mechanical means suitable for ensuring a direction of rotation of the armature independent of the direction of rotation of the primary source, or a device for movable brushes on the armature of the series generator, or any other equivalent means * The rectifiers 35 may be of any desired type, for example from oxy-copper type.
The generator 31 should preferably operate over the entire range of its regimes in a state of saturation, so that its terminal voltage should be sensitive to variations in its excitation *
The figure associates with the generator 31, a motor 36 controlled by this generator. This motor can, in its simplest form, be a direct current motor with shunt excitation, of dimensions and characteristics allowing it to operate without saturation on a given range of voltages applied - Such a motor tends by itself to operate at practically one speed.
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constant tess for an applied load determined in the whole gamma of the applied voltages - This arises from the fact that, before the saturation of the magnetic flux occurs,
its flux is linearly related to the applied voltage! it increases when this tension increases, and consequently the f.c. s.m. The motor increases almost as the voltage applied, eliminating the need for the motor to change speed. It should be understood, however, that this explanation is only approximate and that variations in the armature and resistance drop in the armature introduce errors.
However, the Applicant Company prefers to use a motor comprising special means of compensation for the effects of saturation, so that this motor tends to operate at practically constant speed over a range of applied voltages large enough for saturation to occur. - se * It is an engine of this kind which was already. described above in Fig. 3.
This motor behaved in series with a shunt winding, a resistance element with non-linear characteristic, Such a resistance element is characterized by the fact that its electrical resistance decreases when the current increases! and by appropriately proportioning this resistance, it is possible that the shunt excitation current increases with the applied voltage not proportional to this voltage, so that the flux, in the motor 36, is practically proportional to the applied voltage, even with a strong magnetic saturation in this motor.
The resistance element offering this property is shown at 37, in series with the shunt winding 38 of the motor 36. This resistance can be established according to the data of the aforementioned patent of the Applicant Company *
This material offers the property that its electrical resistance decreases instantly and according to an exponential law, when the current intensity increases, and that this effect is practically independent of the variations in resistance of the constituent material *
It is also advantageous to give the motor 36 a relatively low series field winding 39,
to protect this motor against any deterioration during start-up and when the generator operates at relatively low speed * The play of this series motor winding will be explained in time that the operation of the device which is the object of the inspection will be explained here. wind! we.
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It can therefore be seen that the motor 36 is a special DC motor with compound winding, with predominant shunt excitation and relatively low series field * Any suitable load device, for example a cold machine compressor & 40, is powered by the motor. 36 '
Under these conditions, the operation of the device shown in FIG. 5 is as follows. It will be assumed that the primitive source of rotation, that is to say the wheel 32, starts up and that its speed increases from rest.
As soon as the wheel 32 driving the generator 31 starts, the latter tends to start as a result of its residual magnetism and since the resistance of the circuit comprising the armature 36 of the motor and its series 39 excitation winding is Relatively weak, it passes a current of relatively high intensity which increases the excitation, and consequently raises the voltage of the 31 series generator.
If the 39 series winding did not exist, and if the machine continued to run at low speed, the high current and high voltage produced by generator 31 could damage or burn the motor, because its armature short- practically circuits the shunt winding and therefore prevents the motor from running. However, the 39 series winding provides the flow necessary for the motor to run and initiate its f.c.e.m. This is the main object of the series winding 39, that is to say that it is provided simply to ensure the rotation of the motor 36 and limit the current passing through it.
After the motor 36 is started and its counter-motor force has been established, the shunt winding 38 gradually increases its effects until it has a predominant role in the excitation! on engine 35. At the same time, as soon as the f.c.e.m. of motor 36 becomes appreciable, the current flowing through the series generator decreases, and therefore acts to reduce the voltage of this machine * At a given speed, for example a wheel speed 32% or- rasponding to the speed of 15 miles at the time of the vehicle, an equilibrium is established for which the engine 36 operates at practically normal speed and at practically normal flow *
If now the speed of the wheel 32, and consequently that of the generator 31, increases,
its voltage obviously increases, and as a result of the constant speed characteristics of the motor 36, the current in the series circuit comprising the motor 31 decreases, which tends to reduce or stop the aug. voltage increase of the generator 31 resulting from its increase in
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cup * In this way, it is possible to obtain safe operation for an extremely wide range of speed of the generator * It can also be seen that this operation over a large zone of variations in speed of the primary source of rotation, is made possible by the mutual action of the generator and the motor, each of which offers the necessary characteristics - In general,
Typical cases are such that the voltage of the generator increases with its speed and decreases with its intensity, while the speed of the motor remains practically constant for a wide range of variations in the applied voltages,
The operating characteristic reproduced in Fig. 6 is the curve of the speed of the generator as a function of the speeds of the engine * From this curve, it can be seen that, for a speed ratio close to 1/5, the speed of the motor deviates from its mean value in a very small proportion (in a plus or minus - The drop in speed beyond the bump, which can be seen at the left end of the curve,
shows how the series winding of the motor acts to maintain low speed at low speed of the generator *
In certain cases it may be advantageous to replace the non-linear resistance element by a battery of accumulators which behaves like a resistance with "negative" characteristic -
In the last figure, 41 designates a mobile whose speed of rotation varies within wide limits, for example a tram wheel (the speed of such a wheel commonly varies in proportions from 1 to 5) - This wheel drives, by direct mechanical connection,
a DC generator 42 with series excitation 43 'The winding 43 is connected to the induction circuit of the generator 42 by means of a two-half rectifier 44 so that the voltage of the generator is 'initiates independently of the direction of rotation- This is important for systems controlled by es- sioux, since the direction of rotation of this axle is reversible- Thanks to the rectifier, the excitation current is always of the right direction , independently of the porarity of the armature of the generator 42, and consequently this machine can start on its residual magnetization, independently of the initial direction of rotation. It is advantageous, but not necessary,
to give the genera- tion of carbon steel pbles, so that it has a lot of magnetism
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residual and that its magnetization is not exposed to be reversed easily * The generator 42 can always be provided with a switching winding 45 if desired-
In series with the armature and the series excitation winding of the machine 42 is arranged the armature of a DC motor 46 mechanically coupled to drive any load at substantially constant or relatively little varying speed. , for example a fan or a cold machine compressor 47, etc. - * - The motor 46 is preferably provided with a 48 series low excitation winding,
intended to produce a sufficient field for the motor 46 to start running under the low voltages of the generator 42, when the latter starts to operate. Under such conditions, the current produced by the generator 42 passes through the path of the generator. low resistance comprising its series excitation and the armature of the motor 46 and, if no means were provided to cause the initial rotation of the motor, the current could reach 200 to 300% of the intensity low load and damage this motor * Thanks to the means provided, it is produced, as soon as it starts to run, a fcsm
which limits the intensity of the current * for these low values of the voltage, an ordinary shunt excitation could not produce a sufficient flux to start the motor t before the passage of the excessive current overheating the motor-
It is generally provided with a shunt winding 49 with a series resistor 50 offering a non-linear characteristic (of the type, for example, of the resistors covered by patent 352.309 of the Applicant Company).
The circuit of the winding 49 and of the resistor 50 is connected directly to the armature terminals of the generator 42, so that the current absorbed by this circuit does not pass through the excitation series winding 43.
We have already seen, from the foregoing, how a device of the type described operates * Thanks to the improvements made to this device and its connections, the part of the motor current which increases under increasing applied voltages, that is - ie the current required by the shunt excitation winding 49 and the special resistor 50, does not pass through the excitation series winding 43 of the generator, and therefore has no influence to increase the voltage of this generator *
As a result, the part of the current of the motor 46 which decreases with increasing voltages of the generator, that is to say the armature current
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motor 46, passes entirely through the series 43 excitation winding of the
EMI12.1
generator 42.
By acnoéquez4 this decreasing current has a maximum effect tending to limit the increase in voltage of the generator beyond a speed exterminated from it, which makes it possible to increase the speed range of this generator. , for a given range of generator voltages, beyond the gum of the speeds that would be obtained if the connection were such that the shunt excitation current of the motor could also pass through the series field winding of the generator
In a device of this type comprising a generator the speed of which can vary from 1 to 5 for example, the decrease in the total current required by the motor, that is to say by its armature and inductor circuits ,
is about 26% for a 64% decrease in armature current * The invention uses this total decrease of 64% to improve the regulation of the system, while, in the system comprising the passage of the excitation current of the motor in the generator excitation circuit, only a decrease of 26% is used.
Although several embodiments of the invention have been represented and described, it is obvious that one does not wish to be limited to these particular forms $, given merely by way of example and without any restrictive character, and that consequently all the variants having the same principle and the same object as the devices indicated above, would come within the scope of the invention as they did *
EMI12.2
R 'E 6 U: u.
E * + -1-1-1-1-1 -: - 1-1-1-1-
The present invention relates to electrical regulation systems comprising non-linear impedances,
Forms of realization according to which the device to which the regulator object of the invention is applied is provided with a main winding and an auxiliary circuit formed of a differential winding connected in series with a non-linear impedance element *
Different variants applicable to all kinds of electric motors, oversized devices, coils with a ferromagnetic core, etc. * and in particular allowing * to compensate for magnetic saturation.
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