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PERFECTIONNEMENTS AUX MACHINES ELECTRIQUES A VITESSE VARIABLE.-
Cette invention concerne les machines électriques à courant continu ou à courant alternatif tournant à la vitesse variable et a pour ob- jet de maintenir la tension de ces machines essentiellement proportionnelle à la tension d'une sourcebase malgré la variation de la vitesse; en plus l'invention a pour objet l'ajustement automatique du rapport de cette pro- portionnalité.
Cette invention a de multiples applications, Une application importante est faite aux équipements électriques des voitures mues par les essieux de la voiture et fournissant l'énergie électrique nécessaire pour l'éclairage et le chauffage de la voiture. Quand la vitesse dépasse une cer-
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taine limite inférieure l'équipement doit fournir aux lampes et aux autres appareils d'utilisation, une tension constants qualle que soit la vitesse de la voiture, et quel que soit le sens de rotation;en plus il doit charger convenablement une batterie d'accumulateurs qui assurera la continuité du débit d'énergie aux vitesses inférieures à la limite mentionnée plus haut, en particulier au repos.
Une autre application est faite aux générateurs, dynamos ou alternateurs, mus par une machine hydraulique dont la vitesse ne peut pas être réglée facilement et varie avec la charge; le dispositif conforme à cette invention permettra de maintenir constante la tension du générateur malgré la variation de la vitesse.
L'équipement objet de cette Invention comporte essentiellement la machine principale, dynamo ou alternateur, générateur ou moteur, mue par l'arbre à vitesse variable, et une métadyne montée sur le même arbre ou un arbre géoaniquement solidaire, et dont les balais secondaires alimentent l'excitation de la machine principale tenais que les balais primaires sont alimentés par la même base*
La métadyne a été l'objet de plusieurs brevets belges, notam- ment du brevet N 358.188 du 15 février 1929 (déposé comne 3e perfectionne- ment au brevet 331.158 du 24 décembre 1925), et elle est décrite dans le Bulletin scientifique de l'Association de l'Institut MONTEFIORE N 4 d'Avril 1931 & Liège.
Le degré de saturation du fer de la machine principale dépend naturellement de la vitesse de rotation à laquelle elle tourne, la satura- tion étant d'autant plus grande que la vitesse est basse pour obtenir une tension déterminée. Si alors on s'arrange pour que le degré de saturation soit le même dans la machine principale et dans la métadyne le rapport de la tension de la machine principale à la tension base sera bien constant; si au contraire on s'arrange pour que le degré de saturation ne soit pas le marne on pourra obtenir un rapport des tensions qui variera dègèrement en fonction de la vitesse suivant une loi arbitrairanent prédéterminée entre certaines limites.
La métadyne pourra ttre quelquefois dotée d' enroulements sta- toriques agissant par leurs ampères tours soit, sur la courant primaire, en @
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général en vue de réduire la puissance que doit fournir la source base, soit sur le courant secondaire pour ajuster l'excitation de la machine principale; les premiers enroulements sont des variateurs primaires et les deuxièmes des variateurs secondaires.
Pour l'intelligence de l'invention elle est illustrée par les figures des planés ci-joints,* la Fig.1 donne le schéma général; les Fig.2 et S donnent des courbes des rapports des tensions en fonction de la vitesse*, les Fig. 4,5 .... 9 donnent des schémas d'applications différentes.
La Fig.l donne le schéma général de l'invention: I est le gé- nérateur principal dont le circuit d'excitation 2 est alimenté par les balais secondaires b,d de la métadyne 3 montée sur le marna arbre 4 que le générateur principal; les balais primaires de la métadyne a et c sont alimentés par la source base non représentée.
Si l'on travaille loin de la saturation du fer le courant secondaire de la métadyne, c'est-à-dire le courant d'excitation du générateur principal, sera proportionnel à la tension V appliquée aux ballais primaires a et c de la métadyne, et inversement proportionnel à la vitesse N de rotation de l'arbre commun; donc le générateur principal induira une tension U qui sera indépendante de la vitesse et proportionnelle à V;
si maintenant la vitesse se réduit à tel point que le fer du générateur se sature, il faudra une excitation plus forte, mais cela est automatiquement obtent si en marne temps la métadyne se sature aussi au marne degré car alors le courant secondaire, qui doit assurer l'excitation magnétique nécessaire pour induire entre les balais primaires at et c la tension V, augmentera exactement dans la proportion voulue.
La Fig.2 donne la caractéristique d'un tel arrangement. Pour des faibles vitesses le rapport U/V diminue naturellement vers zéro, mais à partir d'une certaine vitesse limite inférieure, le rapport U/V reste bien cons- tant quelle que soit la vitesse et le sens de rotation,
Si maintenant on combine convenablement le degré de saturation de la machine principale avec le degré de saturation de la métadyne on obtien- dra des caractéristiques légèrement montantes ou descendantes ou montrant un maximum comme OB, OC, et OD de la Fig.3.
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La Fig.4 donne un schéma complet d'une installation d'éclaira- ge et de chauffage sur une voiture, installation conforme à l'invention. Le générateur I est excité par la métadyne 3, fournit le courant à des lampes 6 n
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des appareils de chauffage 7, et à une batterie 8, par les interrupteurs 9,
10 et 11 et les fusibles 12, 13. Le primaire de la métadyne -est alimenté par la batterie elle-même. Le circuit principal comporte un disjoncteur 14 exci- té par deux enroulements 15 et le,le premier connecté aux bornes de la machi- ne principale et le deuxième inséré en série avec la'batterie. Le disjoncteur
14 est ouvert quand il n'est pas excité; les enroulements 15 et 16 sont anta- gonistes quand la batterie décharge sur le générateur principal.
La résistance
17 connectée entre la batterie et le primaire de la métadyne, permet à la bat- terie d'alimenter le primaire de la métadyne marne quand le disjoncteur 14 est ouvert. Le contacteur 18 a un enroulement d'excitation 19 inséré à travers l'in- terlock 20 du disjoncteur 14 et permet de connecter la batterie au générateur principal quand 14 se ferme, mais avec un certain retard dans le temps, dû par exemple au dash-pot 21. Quand l'interrupteur II est fermé, même avec les con- tacteurs 14 et 18 ouverts, un faible courant est fourni au primaire de la méta- dyne à travers la résistance 17.
Quand l'axe tourne une force électro-motrice sera donc induite par le générateur principal de sorte qu'arrivés à une vitesse limite déterminée, le contacteur 14 se ferme grâce à l'enroulement 15, court- circuite la résistance 17 et la teision fournie par le générateur principal est accrue à une valeur suffisante pour la charge de la batterie; peut après 18 se ferme aussi; si alors la vitesse de l'arbre na varie pas ou bien si elle aug- mente à n'importe quelle valeur la batterie sera régulièrement chargée. Sinon- suite la vitesse se réduit au-dessous de la limite, la batterie tendra à se dé- charger sur le générateur principal et alors l'enroulement 16 compensera l'ac- tion de l'enroulement 15, et 14, puis 18 s'ouvriront.
Afin d'éviter de surcharger la batterie une résistance 22 est in- sérée par l'ouverture du contacteur 23 excité par l'enroulement 24 alimenté par la tension de la batterie elle-même.
Au lieu d'insérer la résistance 22 quand la tension de la batte- rie impose une certaine tension correspondante à la pleine charge, on pourra insérer par un relais convenable excité lui aussi par la tension de la batterie elle-même, un enroulement variateur secondaire de la métadyne, c'est-à-dire un enroulement statorique dont l'age magnétique coïncide avec l'axe de commutation du courant secondaire. L'action de ce variateur sera de réduire le courant se- caudaire; ainsi toute surcharge de batterie est évitée.
---IL
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Dans le schéma de la Fig. 5 la source base est uné petite batterie
B ; la métadyne MT comporte des enroulements statoriques primaires W et WI, c'est à-dire ayant leur axe magnétique dans l'axe de commutation du courant primaire et dont le but est de réduire l'énergie absorbée par le primaire de la métadyne l'énergie est alors fournie par l'arbre et la batterie qui constitue la source base pourra ainsi être maintenue pratiquement chargée toujours.
La Fig.6 montre le schéma d'un équipement où la source base est le générateur principal lui-même; un régulateur VR est prévu qui règle le cou- rant qui parcourt le variateur primaire WI; en série avec le primaire de la mé- tadyne une résistance R est ineérée. Le régulateur est sensible à la tension du générateur principal et par son action, il augmente ou diminue le courant pri- maire, donc il augmente ou diminue la chute chmique de la résistance R et par là il ajuste la tension aux bornes du primaire de la métadyne de manière à main- tenir la tension du générateur principal constante.
La Fig.6 montre aussi un autre perfectionnement consistant dans l'insertion automatique de la résistance TI quand la batterie est connectée au générateur principal; quand la batterie est déconnectée du générateur principal elle ne peut que se décharger et alors la résistance TI est court-circuités; quand au contraire la batterie est connectée au générateur principal elle se charge et la tension à ses bornes est élevées, mais alors la résistance est in- sérée entre la batterie et les lampes ; ces dernières seront donc soumises à une tension pratiquement constante dans tous les cas.
La Fig.6 indiqua un autre perfectionnement consistant essentiel- lement en l'adoption d'un aimant p-ermanent M sur la métadyne, capable dtindui- re la force électromotrice nécessaire pour former le contacteur du fonctionneme ment normal quand la vitesse limite est atteinte. Au lieu de doter la métadyne de l'aimant permanent on peut en doter le générateur principal dans le cas où le sens de rotation doit pouvoir changer cet aimant est représenté en lignes pointillées en M' et créera une force électromotrice entre les balais auxiliai- res b et d calés sur le collecteur du générateur principal et alimentant le circuit d'excitation B représenté aussi en lignes pointillées.
La Fig.7 donne le schéma d'une variante de la Fig.6, le régula- teur CR, un régulateur à pile de carbone de préférence, shuntant plus ou moins l'enroulement d'excitation du générateur principal.
La Fig.8 donne le schéma d'une autre variante; un petit groupe @
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moteur générateur est composé d'une petite dynamo shunt RG non saturée et ali- mentée par le générateur principal, entraînant une petite dynamo RD très satu- rée qui alimente à son tour le circuit primaire de la métadyne.La petite dy- namo shunt n'étant pas saturée tourne à vitesse constante marne si la tension du générateur principal fluctue entre certaines limites; la petite dynamo RH étant fort saturée et tournant à vitesse constante fournira une tension constante mal- gré la fluctuation des ampères tours d'excitation. Cette dernière excitation est représentée sur la figure comme étant alimentée par la génératrice princi- pale ; on pourra doter la dynamo d'une excitation shunt aussi.
La Fig.9 donne le schéma d'une variante ultérieure, particuliè- rement adoptée pour l'application aux générateurs mû par une turbine hydrauli- que. Une petite turbine hydraulique auxiliaire entraîne une petite dynamo DY.
La turbine auxiliaire n'a pas de régulateur de vitesse mais elle tourne à vi- tasse constante tant que la charge de la petite dynamo varie entre certaines limites, car la plus grande partie de l'enssgie est perdue en frottements. La dynamo DY fournira ainsi une tension base constante à la métadyne qui excite le générateur principal, ce dernier quoique tournant à une vitesse variable car le régulateur de la tubbine hydraulique est un appareil paresseux, fournira une tension constante.
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IMPROVEMENTS IN VARIABLE SPEED ELECTRIC MACHINES.
This invention relates to direct current or alternating current electric machines rotating at variable speed and its object is to maintain the voltage of these machines essentially proportional to the voltage of a base source despite the variation in speed; in addition, the object of the invention is the automatic adjustment of the ratio of this proportionality.
This invention has multiple applications. An important application is made to the electrical equipment of cars driven by the axles of the car and providing the electrical energy necessary for the lighting and heating of the car. When the speed exceeds a certain
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its lower limit, the equipment must supply lamps and other devices of use with a constant voltage whatever the speed of the car and whatever the direction of rotation; in addition it must properly charge a battery of accumulators which will ensure continuity of energy flow at speeds below the limit mentioned above, in particular at rest.
Another application is made to generators, dynamos or alternators, driven by a hydraulic machine, the speed of which cannot be easily regulated and varies with the load; the device according to this invention will make it possible to keep the generator voltage constant despite the variation in speed.
The equipment object of this invention essentially comprises the main machine, dynamo or alternator, generator or motor, driven by the variable speed shaft, and a metadyne mounted on the same shaft or a geoanically secured shaft, and whose secondary brushes supply power. the excitation of the main machine held that the primary brushes are fed by the same base *
Metadyne has been the subject of several Belgian patents, in particular patent N 358.188 of February 15, 1929 (filed as a third improvement to patent 331.158 of December 24, 1925), and it is described in the Scientific Bulletin of the Association of the MONTEFIORE Institute N 4 of April 1931 & Liège.
The degree of saturation of the iron in the main machine naturally depends on the speed of rotation at which it turns, the saturation being all the greater as the speed is low to obtain a determined voltage. If then we arrange for the degree of saturation to be the same in the main machine and in the metadyne, the ratio of the voltage of the main machine to the base voltage will be quite constant; if, on the contrary, we arrange for the degree of saturation not to be the same, we will be able to obtain a tension ratio which will vary slightly according to the speed according to a predetermined arbitrary law between certain limits.
The metadyne can sometimes be provided with static windings acting by their amperes turns, ie, on the primary current, in @
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general in order to reduce the power to be supplied by the base source, or on the secondary current to adjust the excitation of the main machine; the first windings are primary drives and the second windings are secondary drives.
For the sake of the invention it is illustrated by the figures of the attached planes, * Fig.1 gives the general diagram; Figs. 2 and S give curves of the voltage ratios as a function of speed *, Figs. 4,5 .... 9 give diagrams of different applications.
Fig. 1 gives the general diagram of the invention: I is the main generator whose excitation circuit 2 is supplied by the secondary brushes b, d of the metadyne 3 mounted on the marna shaft 4 as the main generator ; the primary brushes of the metadyne a and c are supplied by the base source, not shown.
If we work far from the saturation of iron the secondary current of the metadyne, that is to say the excitation current of the main generator, will be proportional to the voltage V applied to the primary ballais a and c of the metadyne , and inversely proportional to the speed N of rotation of the common shaft; therefore the main generator will induce a voltage U which will be independent of the speed and proportional to V;
if now the speed is reduced to such an extent that the iron of the generator is saturated, a stronger excitation will be required, but this is automatically obtained if in time the metadyne is also saturated to the degree marl because then the secondary current, which must ensure the magnetic excitation necessary to induce between the primary brushes at and c the voltage V, will increase exactly in the desired proportion.
Fig. 2 gives the characteristic of such an arrangement. For low speeds, the U / V ratio naturally decreases towards zero, but from a certain lower limit speed, the U / V ratio remains constant whatever the speed and direction of rotation,
If now one properly combines the degree of saturation of the main machine with the degree of saturation of the metadyne one will obtain slightly rising or falling characteristics or showing a maximum like OB, OC, and OD in Fig. 3.
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Fig. 4 gives a complete diagram of a lighting and heating installation on a car, installation according to the invention. Generator I is excited by metadyne 3, supplies current to 6 n lamps
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heaters 7, and to a battery 8, by switches 9,
10 and 11 and fuses 12, 13. The primary of the metadyne -is powered by the battery itself. The main circuit comprises a circuit breaker 14 energized by two windings 15 and the, the first connected to the terminals of the main machine and the second inserted in series with the battery. The circuit breaker
14 is open when not excited; the windings 15 and 16 are antagonistic when the battery discharges on the main generator.
Resistance
17 connected between the battery and the primary of the metadyne, allows the battery to supply the primary of the metadyne marl when the circuit breaker 14 is open. Contactor 18 has an excitation winding 19 inserted through interlock 20 of circuit breaker 14 and allows the battery to be connected to the main generator when 14 closes, but with a certain delay in time, due for example to the dash -pot 21. When switch II is closed, even with contactors 14 and 18 open, a small current is supplied to the primary of the metadyne through resistor 17.
When the axis rotates an electro-motive force will therefore be induced by the main generator so that when reaching a determined limit speed, the contactor 14 closes thanks to the winding 15, short-circuits the resistor 17 and the supplied voltage. by the main generator is increased to a sufficient value for the battery charge; can after 18 also closes; if then the speed of the shaft does not vary or if it increases to any value, the battery will be charged regularly. Otherwise - following the speed is reduced below the limit, the battery will tend to discharge on the main generator and then winding 16 will compensate for the action of winding 15, and 14, then 18 s 'will open.
In order to avoid overloading the battery, a resistor 22 is inserted by opening the contactor 23 energized by the winding 24 supplied by the voltage of the battery itself.
Instead of inserting resistor 22 when the battery voltage imposes a certain voltage corresponding to the full load, a secondary drive winding can be inserted by a suitable relay also excited by the voltage of the battery itself. metadyne, that is to say a stator winding whose magnetic age coincides with the switching axis of the secondary current. The action of this variator will be to reduce the secondary current; thus any battery overload is avoided.
---HE
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In the diagram of FIG. 5 the base source is a small battery
B; the MT metadyne comprises primary stator windings W and WI, that is to say having their magnetic axis in the switching axis of the primary current and whose purpose is to reduce the energy absorbed by the primary of the metadyne the energy is then supplied by the shaft and the battery which constitutes the base source can thus be kept practically always charged.
Fig.6 shows the diagram of an equipment where the base source is the main generator itself; a VR regulator is provided which regulates the current flowing through the primary variator WI; in series with the primary of metadyne a resistance R is introduced. The regulator is sensitive to the voltage of the main generator and by its action it increases or decreases the primary current, therefore it increases or decreases the chemical drop of the resistance R and thereby adjusts the voltage across the primary of the metadyne so as to keep the main generator voltage constant.
Fig.6 also shows another improvement consisting in the automatic insertion of the resistance TI when the battery is connected to the main generator; when the battery is disconnected from the main generator it can only discharge and then the resistance TI is short-circuited; when, on the contrary, the battery is connected to the main generator it charges and the voltage at its terminals is high, but then the resistance is inserted between the battery and the lamps; the latter will therefore be subjected to a practically constant tension in all cases.
Fig. 6 indicated another improvement consisting essentially in the adoption of a permanent magnet M on the metadyne, capable of inducing the electromotive force necessary to form the contactor of normal operation when the speed limit is reached. . Instead of providing the metadyne with the permanent magnet, it is possible to provide the main generator with it in the event that the direction of rotation must be able to change this magnet is represented in dotted lines at M 'and will create an electromotive force between the auxiliary brushes. b and d wedged on the collector of the main generator and supplying the excitation circuit B also shown in dotted lines.
Fig. 7 gives a diagram of a variant of Fig. 6, the CR regulator, preferably a carbon stack regulator, more or less bypassing the excitation winding of the main generator.
Fig.8 gives the diagram of another variant; a small group @
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The generator motor is made up of a small, unsaturated RG shunt dynamo supplied by the main generator, driving a very saturated small RD dynamo which in turn supplies the primary circuit of the metadyne. 'being not saturated rotates at constant speed if the main generator voltage fluctuates between certain limits; the small RH dynamo being highly saturated and rotating at constant speed will provide a constant voltage despite the fluctuation of the excitation amps. This last excitation is shown in the figure as being supplied by the main generator; we can also equip the dynamo with a shunt excitation.
Fig. 9 gives the diagram of a later variant, particularly adopted for the application to generators driven by a hydraulic turbine. A small auxiliary hydraulic turbine drives a small DY dynamo.
The auxiliary turbine does not have a speed regulator, but it rotates at a constant speed as long as the load on the small dynamo varies between certain limits, since most of the energy is lost in friction. The DY dynamo will thus provide a constant base voltage to the metadyne which excites the main generator, the latter although rotating at a variable speed because the regulator of the hydraulic tubbine is a lazy device, will provide a constant voltage.