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PERFTIJCTIOI,jKf.!1MEI'JTS AUX GROUPES 2ùAc+Roà13cà3çiQ.U3s POUR LOCOMOTiyBS¯ELECTRI,O.UES, ...-
Cette invention est relative aux locomotives électriques dans lesquelles la puissance motrice est obtenue par un moteur à combustion interna entraînant une génératrice électrique qui alimente le ou les moteurs de traction et la batterie d'accumulateurs qui peut être utilisée pour le démarrage du mo- teur à combustion.
A l'effet de réduire les dimensions de ce dernier, la batterie peut tre d'une capacité supérieure à celle nécessaire pour le besoin de ce démarrage et être prévue pour alimenter le ou les moteurs pendant les surcharges.
La batterie peut être chargée par la génératrice quand la locomotive est au re- pos et peut aussi être alimentée par les moteurs agissant en générateurs pen-
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dant les périodes de freinage. Dans certains cas aussi, lorsque l'effort demandé à la locomotive est faible, la batterie peut être utilisée pour alimenter seule le ou les moteurs.
Suivant la présente invention, dans un équipement ainsi décrit pour remplir partie ou totalité des conditions envisagées, un transformateur rou tatif ou un moteur générateur est utilisé dont le circuit secondaire est étudié pour fournir un courant essentiellement constant et dont le circuit primaire est relié à la batterie. La génératrice entraînée par le moteur à combustion interne et le ou les moteurs de traction sont connectés en série sur le circuit secon- daire du transformateur rotatif ou du moteur générateur; le ou les moteurs pou- vant être excités séparément par une excitatrice montrée sur l'arbre du trans- formateur rotatif ou du moteur générateur ou entraînée par cet arbre.
Avec l'équipement suivant l'invention, si le acteur à combustion interne, un moteur diesel par exemple, tourne à vitesse constante, grâce à son régulateur et si la génératrice est excitée par un enroulement à ampères-tours constants, le courant produit sera à voltage constant;comme le courant dans la génératrice est aussi constant, la puissance donnée par celle-ci sera également constante.
Le transformateur rotatif employé est préférablement du type appelé métadyne transformatrice. Une métadyne transformatrice est un appareil rotatif étudié pour transformer de l'énergie électrique à voltage constant et intensité variable en énergie électrique à intensité constante et voltage va- riable. Il comprend en général un rotor muni d'enroulements connectés à un col- lecteur similaire à celui d'une dynamo ordinaire sur lequel appuient quatre ba- lais dont deux opposées diamétralement sont les bornes du circuit primaire, pen- dant que les deux autres, également diamétralement opposés, dans un antre plan radial sont les bornes du circuit secondaire. Le rotor tourne à vitesse constan- te.
Le courant primaire circulant dans les enroulements du rotor crée un flux primaire fixe en direction, qui induit dans ces enroulements une force électro- motrice et un courant secondaire constant peut être obtenu du ou des circuits secondaires à tension variable. Un stator peut être prévu qui permet un chemin de retour de faible réluctance pour le flux créa par les courants du rotor. Le stator peut être pourvu d'enroulements qui créeront des flux magnétiques varies, qui, combinés avec les flux dùs aux courants primaires et secondaires circulant
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dans le rotor, régularisent le fonctionnement électromécanique de la machine.
De tels enroulements de stator peuvent comporter un enroulement appelé" varia- teur" conçu pour produire un flux co-axial avec le flux résultant des courants secondaires circulant dans le rotor entre les balais secondaires, de sorte que par l'ajustement de la force du flux dû au "variateur" le courant secondaire circulant de la métadyne aux appareils d'utilisation peut être réglé- Un deu- xième enroulement appelé "régulateur", peut être prévu, agissant magnétiquement sur les courants circulant dans le rotor, l'énergie nécessaire au fonctionne- ment du "régulateur" étant fournie par une petite dynamo régulatrice, de telle sorte qu'il produit un couple Accélérateur quand la machine tourne au-dessous de la vitesse désirée et un couple retardateur quand la machine tourne au-des- sus de cette vitesse.
La métadyne transformatrice élémentaire ainsi décrite peut âtre modifiée de nombreuses manières dérivant de la théorie générale de son fonctionnement* Quand une métadyne transformatrice est employée, les for- ces électromotrices induites dans le rotor de la dynamo et dans le circuit se- condaire de la métadyne sont en série et en opposition avec la force contre- électromotrice des moteurs. Quand la force contre électromotrice des moteurs est égale au voltage fourni par la dynamo, le voltage secondaire de la métady- ne est nul et la batterie ne débite pratiquement aucun courant aux balais pri- maires.
Quand les moteurs tournent à vitesse élevée et exigent un volta- ge d'alimentation supérieur à la force électromotrice de la dynamo -ce qui a lieu quand la puissance exigée pour déplacer le véhicule est supérieure à celle que peut fournir le moteur à combustion- la métadyne donne le supplément de force électromotrice à ses balais secondaires, l'énergie étant fournie par la batterie à travers les balais primaires. Si les moteurs, par contre, n'exigent qu'une force électromotrice inférieure à celle fournie par la dynamo, la force électromotrice secondaire de la métadyne est négative et son courant charge la baterrie. Ceci se produit également en période de récupération.
Afin de faire clairement comprendre l'invention, plusieurs appli- cations possibles sont décrites ci-dessous en référence aux plans d'accompa- gnement.
La Fig.1 est relative à un schéma d'arrangement de machines dont les figures 2 et 3 donnent les diagrammes de fonctionnement.
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La Fig.4 donne une deuxième disposition de machines suivant l'invention.
Les Fig. 5, 7 et 10 montrent certaines modifications de détails et les Fig. 6, 8 et 9 sont relatives à des diagrammes expliquant l'action de ces modifications.
Se référant à la figure 1, le moteur à combustion inteme 1 est représenté accouplé mécaniquement avec la dynamo DY. Un certain nombre de mo- teurs de traction sont représentés en MI M2, M3, M4 et M5 et la métadyne figu- re en MT. la dynamo DY, les moteurs MI à M5 et les balais secondaires SI et S2 de la métadyne MT sont connectés en série comme exposé plus haut. La batterie d'accumulateurs représentée en 2 est connectée aux balais primaires P1 et P2 de la métadyne MT. La Fig.l représente la métadyne proprement dite accouplée sur le même arbre que la régulatrice RG et 1'excitatrice EX, cette dernière alimentant les enroulements d' excitation fl à f5 des moteurs ME à M5 respecti- vanent et possédant un enroulement d'excitation B alimenté de telle manière désirée.
La dynamo DY est représentée avec un enroulement d'excitation qui peut être à courant constant comme exposé plus haut.
Dans l'exemple donné Fig.l, les moteurs NI et M2 sant connectés d'un coté de la métadyne pendant que les autres moteurs M3, M4 et M5 sont con- nectés de l'autre côté de la métadyne; il en découle que le voltage maximum du circuit secondaire- c'est-à-dire le circuit comprenant la dynamo DY, les moteur M1 à M5 et la métadyne MT- ou circuit de puissance, sera seulement une partie du voltage maximum nécessité par les dits moteurs. De plus, le point milieu 3 de la batterie 2 peut être misp à la terre en G, ce qui a pour effet d'abais- ser le voltage entre un point quelconque du circuit secondaire et la terre.
Se référant à la Fig.2 qui représente le diagramme de la puissance demandée par les moteurs MI à M5 en fonction du temps t durant un cycle d'opé- ration de la locomotive, ls ligne E représente cette puissance absorbée. La ligne AB représente la puissance constante fournie par le moteur à combustion interne I à la vitesse optima et la ligne CD son maximum de puissance à la vi- tesse maxima.
Le diagramme Fig.3 montre comment, en utilisant l'arrangement de la Fig.1 et en supposant que les circuits électriques aient un rendement de cent pour cent, l'énergie est distribuée entre le moteur'à combustion interne DY et la batterie 2, la ligne F représentant les variations dans la charge ou
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la décharge de la batterie. Dans ces conditions, la dynamo Dy fournira une puissance constante représentée par la ligne droite AB, durant tout le cycle de l'opération alors que la batterie fournira de l'énergie pendant la première partie du cycla et en absorbera pendant la deuxième partie.
Avec la disposition représentée en Fig.l, la batterie 2 est pré- vue pour fournir ou absorber toutes les pointes de puissance. Afin de réduire l'importance de cette batterie, le système peut être disposé de telle sorte que seules les pointes extrêmes de puissance sont fournies ou absorbées par la batterie.
Dans une méthode permettant cette opération, la dynamo DY est prévue pour être excitée proportionnellement au voltage désiré à un moment quelconque par les moteurs M1 à M5 pendant qu'au marna moment, le moteur à combustion in- terne, sous le règlage de son régulateur, fournit la puissance exigée par les moteurs.
Un tel arrangement est représenté à la Fig.4, où trois moteurs M1, M2 et M3 sont représentés connectés en série avec la métadyne MT et la dynamo DY. Le relais règlant la puissance à fournir par le moteur à combustion interne (non représenté sur la Fig.4) est indiqué schématiquement on CR et peut être du type wattmétrique ayant une bobine 4 branchée sur un shunt 5 en circuit avec la dynamo DY et les moteurs MI, M2 et M3 et une deuxième bobine 6 qui est connectée en série avec l'enroulement principal de champ de la dynamo DY, un enroulement variateur 7 de la métadyne MT et un tambour de contrôleur C disposé pour connecter ce circuit en série avec un enroulement 13 porté par l'excita- trice EX,
à travers les conducteurs positif et négatif 8 et 9 de la batterie 2 et ceci d'une manière décrite si-dessous en détail*
Des interrupteurs 10 et 11 sont disposés pour connecter la bat- terie avec ces conducteurs 8 eu 9 et un dispositif de démarrage de la métadyne est représenté qui comprend une résistance 12 qui peut être court-circuitée par un contacteur CI muni d'un interlock CIK placé dans un circuit comprenant l'en- roulement 7 du variateur, l'enroulement A de la dynamo DY et l'enroulement 6 du relais de sorte que ce circuit ne peut pac être alimenté que lorsque le con- tacteur CI est fermé. L'excitatrice EX porte un deuxième enroulement de champ 14 disposé pour être connecté à l'aide de contrôleur C à travers les moteurs ME, M2 et M3 et étudié pour tre préférablement magnétiquement saturé.
Le
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contrôleur C porta une position de repos 0, trois positions I, 2 et 3 (F) de mar- che avant et trois positions 1, 2 et 3 (R) de marche-arrière. Passant de la posi- tion 0 à une des positions I(F) ou I(R), un circuit est établi qui va du conduc..
8, par la conducteur 15, les contacts fixes a et b, les segments correspondants du contrôleur, les deux sections de résistance 16, les doigts de contact d et e ou! les segments de contact correspondants du contrôleur suivant que la marche avant au la marche arrière est désirée, l'enroulement de champ 13 de l'excitatrice EX à travers les conducteurs 17 et 18, les doigts de contact 1 ou e et g et les seg- ments de contact correspondants du contrôleur, le conducteur 19, l'enroulement 6 du relais, l'enroulement de champ A. de la dynamo DY, le contact d'interlock CIK et 11 enroulement 7 du variateur de la métadyne, au conducteur 9.
Comme on le voit, l'enroulement 13 sera parcouru par un courant de sans donné ou de sens contraire suivant le sens dans lequel sera mue la manette du contrôleur. La valeur de la résistance 16 qui est insérée dans le circuit dé- pend de l'une des positions I, 2 ou 3 du contrôleur, l'une des positions 3(F) ou 3(R) mettant cette résistance hors circuit. La manoeuvre du contrôleur cause éga- lement, à travers les doigts de contact h, i, j et 1± et les segments de contact correspondants, la connexion de l'enroulement de champ 14 de l'excitatrice EX à travers les moteurs MI, M2 et M3. La disposition du contrôleur est telle que la connexion de cet enroulement 14 et les connexions de l'enroulement 13 sont inver- sées quand le contrôleur passe des positions en marche avant aux positions en marche arrière.
La génératrice DY peut être pourvue d'un enroulement anticonres- pondant S.
Ayec cette disposition le relais GR agit sur le régulateur du moteur à combustion interne de telle sorte que celui-ci étant étudié pour marcher à vitesse variable, la puissance fournie par lui sera approximativement propor- tionnelle à la puissance nécessitée par les moteurs M1, M2 eTM3. La batterie 2 n'interviendra que lorsque ces moteurs absorberont une énergie supérieure à celle que peut leur fournir le moteur à combustion interne* la-vitesse de celui-ci et par conséquent le voltage de la dynamo DY ayant atteint la valeur à laquelle le moteur à combustion interne développe sa puissance maxima.
Si ce moteur est cons- truit pour tourner à vitesse constante tout en développant un couple variable, alors le relais GR est disposé pour agir sur l'excitation de la dynamo DY pour augmenter sa puissance et lui permettre de suivre la demande d'énergie des moteurs MI, M2 et M3.
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Avec le dispositif illustré à la Fig.4, l'excitation de la dynamo DY est sous la dépendance du contrôleur C, cette excitation allant en croissant de la position 0 aux positions 3(F) ou 3(R). La connexion de l'enroulement de champ 14 à travers les moteurs MI, M2 et M3 a ce résultat, que lorsque la vi- tesse de ceux-ci augmente, leur courant d'excitation se trouve diminué, l'en- roulement 14 s'opposant à l'enroulement 13.
Le couple produit par les moteurs se trouve ainsi réduit, et un équilibre convenable de la vitesse de la locomo- tive s'établit- Naturellement l'excitation des moteurs peut être réduite d'au- tres manières, par example, par l'emploi d'une excitation shunt sur chaque mo- teur s'opposant à l'excitation principale ou par l'emploi d'un enroulement de champ antagoniste alimenté par une excitatrice dont l'excitation est fonction du voltage aux bornes des moteurs.
Quand le contrôleur est manoeuvré de la position I à la position S, l'intensité de champ de l'enroulement du variateur 7 va en croissant pro- gressivement, d'où le courant d'induit des moteurs MI, M2 et M3 va en décroîs- sant et la commutation des moteurs reste counne, marne sous'une excitation ré- duite. La réduction du courant d'induit des moteurs entraîne aussi une diminu- tion de leur couple.
Cette réduction de courant d'induit des moteurs n'est port due à uneréduction d'énergie de la dynamo DY puisque l'excitation de celle-ci par l'enroulement A est augmentée quand l'excitation de l'enroulement variateur 7 est elle-même augmentée-
La disposition adoptée Figé4 est telle que , la locomotive mar- chant dans une direction, la mise du contrôleur sur un plot de marche en sens contraire entraine le freinage et la récupération.
Le moteur à combustion interne peut âtre démarré par la dynamo DY marchant en moteur alimenté par la batterie 2 à travers la métadyne MT. Pendant cette opération de démarrage, les moteurs MI, M2 et M3 sont court-circuités par l'interrupteur 20- Comme dit plus haut, la locomotive peut, à certains moments, être entièrement alimentée en courant par la batterie 2; durant ces périodes la dynamo DY doit être court-circuitée par l'interrupteur 21.
Des modifications variées peuvent être apportées aux installation décrites plus haut. Par exemple la réduction du couple des moteurs quand leur vitesse augmente peut êTRE obtenue de toute autre manière convenable* Dans les cas où une telle réduction du couple est obtenue par la réduction du champ des
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moteurs comme ci-dessus décrit, des moyens peuvent être prévus par lesquels le courant d'induit est automatiquement réduit quand la vitesse des moteurs s'é- lève afin que leur commutation ne soit pas affectée par la baisse d'excitation.
Il est à noter que dans les dispositifs où le courant d'induit est réduit quand la vitesse des moteurs syéléve, si le champ de la génératrice
DY est maintenu constant, la charge de'cette génératrice sera réduite si l'on admet que la vitesse du moteur à combustion interne est constante- Il est donc désirable de prévoir aussi une augmentation de l'excitation shunt de la géné- ratrice en raison inverse de la valeur de son courant d'induit de sorte que la charge de la génératrice DY soit maintenue approximativement constante.
Ceci peut être obtenu, par exemple, en excitant la génératrice DY, au moins en partie, par le voltage à travers la charge de sorte que le vol- tage de la génératrice s'accroît en même temps que le voltage à travers la charge. Dans une autre solution, le champ de la génératrice DY peut être obte- nu par un enroulement connecté avec un enroulement excitateur shunt, la vitesse critique de la génératrice coïncidant avec la vitesse désirée du moteur à com- bustion interne.
Avec cet arrangement le couple de la génératrice s'ajustera, sous le contrôle de la vitesse du moteur à combustion interna, à la consomma- tion de combustible de celui-ci, de sorte que si l'on suppose cette consommation constante, la puissance développée par le moteur à combustion interne sera aus- si constante, quelles que soient les variations du courant d'induit de 12 gé- nératrice DY.
Une solution quelconque connue, du contrôle du champ de la géné- ratrice donnant un voltage approximativement ou exactement inversement propor- tionnel au courant d'induit de la génératrice, peut être adopté. Cette généra- trice peut être munie d'un enroulement série décompoundé ou bien la disposition de la Fig.5 peut être employée dans laquelle la génératrice DY est munie d'un enroulement 22 excité séparément qui est connecté en série avec l'induit 23 de l'excitatrice et alaec une source C d'énergie électrique à voltage constant, l'excitatrice 23 étant excités par un enroulement 24 en série avec l'armature DY de la génératrice. Afin d'améliorer l'action de cette excitatrice 23, elle peut porter un enroulement shunt supplémentaire 25.
Le fonctionnement de ce dis positif est déduit de la Fig.6 dans laquelle le voltage constant de la source C est indiqué par la ligne ponctuée .0 pendant que le coltage produit par l'induit
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de l'excitatrice 23 avec la courant variable A dans l'induit DY est figuré par la ligne .0., ce voltage étant soustrait de celui de la source C/avec la résultat que la génératrice DY produit un voltage V qui varie avec le courant A de la manière montrée par la ligne a.
Se référant maintenant à la disposition de la figure 7, l'arran- gement en est tel que la puissance de la génératrice est maintenue substantiel- lement constante et que la batterie 2 fournit seulement les pointes extrêmes de puissance exigées par les moteurs M1 et M2 au-dessus de la puissance moyen- ne, le courant d'induit de ces moteurs diminuant par ailleurs quand leur vi- tesse augmente- Avec cet arrangement, le moteur à combustion interne (non re- présenté) est supposé tourner à vitesse constante. La génératrice BY est étu- diée pour être saturée pour des valeurs de champ d'excitation excédant une valeur donnée et de telle sorte que cette saturation est aussi soudaine que possible cette limite atteinte; ensuite le flux reste substantiellement cons- tant.
La génératrice est excitée, en grande partie ou totalement, par le volta- ge à travers la charge et, comme montré à la Fig.7, elle possède un enroulement de champ A qui est connecté aux bornes des moteurs M1 et M2. La disposition est telle, par ailleurs, qu'au dessous du point de saturation de la génératrice, le voltage produit est plus élevé que celui aux bornes des moteurs MI et M2 d'une proportion prédéterminée. Ainsi, jusqu'à ce que la saturation soit atteinte, le moteur à combustion interne fournit une puissance en excès et la batterie est chargée à une allure qui dépend de la charge des moteurs comme montré à la Fig.
8 dans laquelle le voltage de la génératrice DY est en ordonnées on fonction du voltage de la charge, c'est-à=dire du voltage aux bornes des moteurs M1 et M2.
La ligne droite 1 représente le voltage absorbé par les moteurs MI ue M2 et la ligne d le voltage aux bornes de la génératrice DY. La différence entre ces deux lignes représente le voltage fourni ou absorbé par la batterie 2 interve- nant à travers la métadyne MT. Quand la ligne d se tient au-dessus de la ligne I la batterie est chargée pendant que celle-ci au contraire fournit de l'éner- gie aux moteurs MI et M2 quand la ligne d se tient au dessous de la ligne 1.
Ainsi, quand le voltage de la charge atteint la valeur V1, le débit de la géné- ratrice DY est limité par l'effet de saturation ci-dessus exposé et au-dessous de cette valeur, l'énergie supplémentaire est fournie par la batterie aux mo- teurs.
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La distribution de la puissance avec la disposition adoptée Fig.7 est illustrée par le diagramme Fig.9 qui est similaire aux diagrammes 2 et 3 mais s'applique à un cycle d'opération de la charge différent. Au diagragge 9, la charge des moteurs M1 et M2 est indiquée par la ligne L-L et la puissance développée par le moteur à combustion interne est indiquée par la ligne E-E. La puissance fournie par la batteris 2 est la différence entre ces deux puissances et est représentée par la surface pointillée alors que la puissance chargeant la batterie est représentée par la surface hachurée.
La variation du courant d'induit des moteurs M1 et M2 et de leur courant d'excitation peut être obtenue.de n'importe quelle manière désirée; la disposition montrée à la Fig.7 assure encore que lorsque le voltage aux bornes des moteurs M1 et M2 est au-dessous d'une valeur prédéterminée, le moteur à combustion interne fournit un certain excès de puissance pour charger la batte- rie 2, alors que pendant que le voltage aux bornes des moteurs est plus élevé que celui prédétemniné, la batterie 2 fournit la puissance additionnelle exigée par les moteur MI et M2 au-dessus de celle produite par la génératrice DY.
A la Fig-7, un relais 26 est figuré dont la bobine est connectée aux bornes de l'ensemble des moteurs MI, M2, à travers un rectifieur 27, les contacts du relais rompant le circuit de l'enroulement da champ A quand la bo- bine 26 est excitée; le champ de la dynamo DY disparaît donc quand les moteurs MI et M2 marchent en récupération, leur voltage aux bornes s'inversant. N'in- porte quel dispositif de polarisation convenable peut être employé à la place du relais 26 et du rectifieur 27. Dans certains cas, il peut être désirable que le moteur à combustion interne fournisse la totalité de la puissance entre deux limites supérieure et inférieure, laissant à la batterie 2 le soin de fournir ou d'absorber l'excès d'énergie en dehors de ces limites.
Un arrangement répon- dant à ces fins est représenté à la Fig.10. La génératrice DY est pourvue d'une excitatrice 28 alimentant l'enroulement d'excitation A. L'excitatrice 28 est elle-même excitée par un enroulement 29 connecté aux bornes du groupe de mo- teurs M1 et M2 et par un deuxième enroulement 30 excité séparément; la généra- trice DY porte également, elle-même, un deuxième enroulement 31 à excitation séparée. Les enroulements de champ 29 et 30 opposent leur act ion.
D'après cette disposition, quand le voltage aux bornes des moteurs MI et M2 atteint une vals prédéterminée, l'action de l'écroulement de champ 29 prédomine celle de l'wnrou
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lement de champ 30 au point que l'excitatrice 28 devient saturée, et quand ce voltage aux bornes des moteurs est au-dessous d'une autre valeur prédéterminée inférieure à la première, l'action de l'enroulanent 30 est à son tour prépondé- rant au point que le voltage de l'excitatrice change de sens et que l'excitatri ce est de nouveau saturée. Le voltage produit par 1'excitatrice est appliqué à l'enroulement de champ A dont l'effet est ainsi ajouté ou retranché à celui de l'enroulement de champ 31 de la génératrice DY.
Le diagramme de la Fig.ll fait figurer le voltage de la charge et l'excitation de l'enroulement 29 en abscisses et le voltage de la génératri- ce DY en ordonnées- L'excitation produite par l'enroulement 31 est constant et indiqué par la ligne horizontale p pendant que l'excitation produite surl'exci- tatrice 28 est indiquéepar la ligne verticale q . Le voltage produit aux ba- lais de la génératrice DY quand la charge varie est ainsi représenté par la li- gne r;
par le réglage de la valeur du champ de l'enroulement 30, la charge à laquelle le moteur à combustion interne fournit la puissance zéro peut âtre ajustée pendant que les résistances 32 et 33 permettent de régler les limites supérieure et inférieure de la puissance demandée au moteur à combustion inter- ne.
Afin de réduire l'usure de celui-ci et d'augmenter le rendement du système, la vitesse du moteur à combustion Interne peut être modifiée suivait la puissance exigée; par exemple, dans l'arrangement décrit ci-dessus dans le- quel une machine shunt à excitation critique alimente l'enroulement de champ de la génératrice actionnée par le moteur à combustion interne, toute réduction de vitesse désirée peut être obtenue par variation de la résistance de champ de 1'excitatrice*
Il est entendu que des modifications nombreuses peuvent âtre fai- -tes à cette invention sans en modifier la portée;
par exemple, dans les arran- gements décrits plus haut, le puissance développée par le moteur à combustion interne peut être réglée indépendamment par la variation du débit du combusti- ble, une telle opération pouvant être obtenue, par exemple, par un dispositif de contrôle électrique du débit de ce combustible.
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This invention relates to electric locomotives in which the motive power is obtained by an internal combustion engine driving an electric generator which supplies the traction motor (s) and the accumulator battery which can be used for starting the engine at combustion.
In order to reduce the dimensions of the latter, the battery may have a capacity greater than that necessary for the need for this starting and be designed to supply the motor or motors during overloads.
The battery can be charged by the generator when the locomotive is at rest and can also be supplied by the motors acting as generators during the period.
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during braking periods. Also in certain cases, when the effort required of the locomotive is low, the battery can be used to supply the motor or motors alone.
According to the present invention, in equipment thus described in order to fulfill part or all of the conditions envisaged, a rotary transformer or a generator motor is used, the secondary circuit of which is designed to supply an essentially constant current and the primary circuit of which is connected to the drums. The generator driven by the internal combustion engine and the traction motor (s) are connected in series to the secondary circuit of the rotary transformer or of the generator motor; the motor or motors being able to be separately excited by an exciter shown on the shaft of the rotary transformer or of the generator motor or driven by this shaft.
With the equipment according to the invention, if the internal combustion actor, a diesel engine for example, runs at constant speed, thanks to its regulator and if the generator is excited by a winding at constant ampere-turns, the current produced will be at constant voltage; as the current in the generator is also constant, the power given by it will also be constant.
The rotary transformer employed is preferably of the type called transforming metadyne. A transforming metadyne is a rotating device designed to transform electrical energy at constant voltage and variable intensity into electrical energy at constant intensity and variable voltage. It generally comprises a rotor provided with windings connected to a collector similar to that of an ordinary dynamo on which rest four balances, two of which diametrically opposed are the terminals of the primary circuit, while the other two, also diametrically opposed, in a radial plane cavity are the terminals of the secondary circuit. The rotor rotates at constant speed.
The primary current flowing through the rotor windings creates a fixed primary flow in direction, which induces an electro-motive force in these windings and a constant secondary current can be obtained from the variable voltage secondary circuit (s). A stator can be provided which allows a low reluctance return path for the flux created by the rotor currents. The stator can be provided with windings which will create various magnetic fluxes, which, combined with the fluxes from the circulating primary and secondary currents
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in the rotor, regulate the electromechanical operation of the machine.
Such stator windings may include a so-called "variator" winding designed to produce a flux coaxial with the flux resulting from the secondary currents flowing in the rotor between the secondary brushes, so that by adjusting the force of the rotor. flux due to the "variator" the secondary current flowing from the metadyne to the devices of use can be regulated - A second winding called "regulator", can be provided, acting magnetically on the currents circulating in the rotor, the necessary energy to the operation of the "regulator" being provided by a small regulating dynamo, so that it produces an Accelerator torque when the machine turns below the desired speed and a retarding torque when the machine turns above of this speed.
The elementary transformative metadyne thus described can be modified in many ways deriving from the general theory of its functioning * When a transformative metadyne is employed, the electromotive forces induced in the rotor of the dynamo and in the secondary circuit of the metadyne are in series and in opposition to the back-electromotive force of the motors. When the back EMF of the motors is equal to the voltage supplied by the dynamo, the secondary voltage of the metadyne is zero and the battery delivers virtually no current to the primary brushes.
When the engines are running at high speed and require a voltage of supply greater than the electromotive force of the dynamo - which occurs when the power required to move the vehicle is greater than that which the combustion engine can provide - the metadyne gives the additional electromotive force to its secondary brushes, the energy being supplied by the battery through the primary brushes. If motors, on the other hand, require only an electromotive force less than that supplied by the dynamo, the secondary electromotive force of the metadyne is negative and its current charges the battery. This also happens during the recovery period.
In order to make the invention clearly understood, several possible applications are described below with reference to the accompanying plans.
Fig.1 relates to a diagram of the arrangement of machines of which Figures 2 and 3 give the operating diagrams.
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Fig.4 gives a second arrangement of machines according to the invention.
Figs. 5, 7 and 10 show some modifications of details and Figs. 6, 8 and 9 relate to diagrams explaining the action of these modifications.
Referring to Figure 1, the internal combustion engine 1 is shown mechanically coupled with the dynamo DY. A certain number of traction motors are represented in MI M2, M3, M4 and M5 and the metadyne is shown in MT. the dynamo DY, the motors MI to M5 and the secondary brushes SI and S2 of the metadyne MT are connected in series as explained above. The accumulator battery shown at 2 is connected to the primary brushes P1 and P2 of the metadyne MT. Fig. 1 shows the actual metadyne coupled to the same shaft as the regulator RG and the exciter EX, the latter feeding the excitation windings fl to f5 of the respective motors ME to M5 and having an excitation winding B supplied as desired.
The DY dynamo is shown with an excitation winding which can be constant current as discussed above.
In the example given in Fig.l, the motors NI and M2 are connected on one side of the metadyne while the other motors M3, M4 and M5 are connected on the other side of the metadyne; it follows that the maximum voltage of the secondary circuit - that is to say the circuit comprising the dynamo DY, the motor M1 to M5 and the metadyne MT- or power circuit, will be only a part of the maximum voltage required by the so-called engines. In addition, the midpoint 3 of battery 2 can be earthed at G, which has the effect of lowering the voltage between any point in the secondary circuit and earth.
Referring to Fig. 2 which represents the diagram of the power demanded by the motors MI to M5 as a function of time t during an operating cycle of the locomotive, line E represents this absorbed power. Line AB represents the constant power supplied by internal combustion engine I at optimum speed and line CD its maximum power at maximum speed.
Diagram Fig. 3 shows how, using the arrangement of Fig. 1 and assuming that the electrical circuits are one hundred percent efficient, energy is distributed between the internal combustion engine DY and battery 2 , the line F representing the variations in the load or
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battery discharge. Under these conditions, the dynamo Dy will provide a constant power represented by the straight line AB, during the whole cycle of the operation while the battery will provide energy during the first part of the cycle and will absorb it during the second part.
With the arrangement shown in Fig.l, the battery 2 is designed to supply or absorb all the power peaks. In order to reduce the importance of this battery, the system can be arranged so that only extreme peaks of power are supplied or absorbed by the battery.
In a method allowing this operation, the dynamo DY is intended to be excited in proportion to the desired voltage at any time by the engines M1 to M5 while at the moment, the internal combustion engine, under the control of its governor. , provides the power required by the engines.
Such an arrangement is shown in Fig. 4, where three motors M1, M2 and M3 are shown connected in series with the metadyne MT and the dynamo DY. The relay regulating the power to be supplied by the internal combustion engine (not shown in Fig. 4) is shown schematically on CR and may be of the wattmetric type having a coil 4 connected to a shunt 5 in circuit with the dynamo DY and the motors MI, M2 and M3 and a second coil 6 which is connected in series with the main field winding of the dynamo DY, a variator winding 7 of the metadyne MT and a controller drum C arranged to connect this circuit in series with a winding 13 carried by the exciter EX,
through positive and negative conductors 8 and 9 of battery 2 and this in a manner described below in detail *
Switches 10 and 11 are arranged to connect the battery with these conductors 8 and 9 and a metadyne starting device is shown which comprises a resistor 12 which can be bypassed by a CI contactor fitted with a CIK interlock. placed in a circuit comprising the inverter winding 7, the dynamo winding A DY and the relay winding 6 so that this circuit can only be supplied when the contactor CI is closed. The exciter EX carries a second field winding 14 arranged to be connected using the controller C through the motors ME, M2 and M3 and designed to be preferably magnetically saturated.
The
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controller C carried a 0 rest position, three forward positions I, 2 and 3 (F) and three reverse positions 1, 2 and 3 (R). Going from position 0 to one of the positions I (F) or I (R), a circuit is established which goes from the conduc.
8, by the conductor 15, the fixed contacts a and b, the corresponding segments of the controller, the two resistance sections 16, the contact fingers d and e or! the corresponding contact segments of the controller depending on whether forward or reverse gear is desired, the field winding 13 of the EX exciter through the conductors 17 and 18, the contact fingers 1 or e and g and the seg - corresponding contact elements of the controller, the conductor 19, the winding 6 of the relay, the field winding A. of the dynamo DY, the interlock contact CIK and 11 winding 7 of the inverter of the metadyne, to the conductor 9 .
As can be seen, the winding 13 will be traversed by a current of no given or in the opposite direction depending on the direction in which the controller handle is moved. The value of resistor 16 which is inserted in the circuit depends on one of the controller positions I, 2 or 3, one of the positions 3 (F) or 3 (R) turning this resistor off. The operation of the controller also causes, through the contact fingers h, i, j and 1 ± and the corresponding contact segments, the connection of the field winding 14 of the exciter EX through the MI motors, M2 and M3. The arrangement of the controller is such that the connection of this winding 14 and the connections of the winding 13 are reversed when the controller changes from the forward positions to the reverse positions.
The DY generator can be fitted with a non-matching S winding.
With this arrangement, the GR relay acts on the regulator of the internal combustion engine so that the latter being designed to operate at variable speed, the power supplied by it will be approximately proportional to the power required by the M1, M2 engines. eTM3. Battery 2 will only intervene when these engines absorb an energy greater than that which the internal combustion engine can supply to them * the speed thereof and therefore the voltage of the dynamo DY having reached the value at which the engine internal combustion develops its maximum power.
If this motor is built to run at constant speed while developing a variable torque, then the GR relay is arranged to act on the excitation of the dynamo DY to increase its power and allow it to follow the energy demand of the dynamo. MI, M2 and M3 engines.
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With the device illustrated in Fig. 4, the excitation of the dynamo DY is under the control of the controller C, this excitation increasing from position 0 to positions 3 (F) or 3 (R). The connection of the field winding 14 through the motors MI, M2 and M3 has this result, that when the speed of these increases, their excitation current is reduced, the winding 14 s 'opposing the winding 13.
The torque produced by the motors is thus reduced, and a suitable equilibrium of the speed of the locomotive is established. Of course the excitation of the motors can be reduced in other ways, for example, by use a shunt excitation on each motor opposing the main excitation or by the use of an antagonistic field winding supplied by an exciter whose excitation is a function of the voltage at the terminals of the motors.
When the controller is operated from position I to position S, the field strength of the inverter winding 7 increases gradually, hence the armature current of motors MI, M2 and M3 increases. decreasing and the commutation of the motors remains unchanged, marl under a reduced excitation. Reducing the armature current of the motors also results in a decrease in their torque.
This reduction in the armature current of the motors is not due to a reduction in energy of the dynamo DY since the excitation of the latter by the winding A is increased when the excitation of the inverter winding 7 is -even increased-
The Figé4 arrangement adopted is such that, with the locomotive running in one direction, placing the controller on a running pad in the opposite direction causes braking and recovery.
The internal combustion engine can be started by the dynamo DY running as a motor supplied by the battery 2 through the metadyne MT. During this starting operation, motors MI, M2 and M3 are short-circuited by switch 20. As mentioned above, the locomotive can, at certain times, be entirely supplied with current by battery 2; during these periods the dynamo DY must be short-circuited by switch 21.
Various modifications can be made to the installations described above. For example the reduction in torque of motors as their speed increases may be obtained in any other suitable way * In cases where such reduction in torque is obtained by reduction of the field of
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motors as described above, means may be provided by which the armature current is automatically reduced when the speed of the motors rises so that their switching is not affected by the drop in excitation.
It should be noted that in devices where the armature current is reduced when the speed of the motors syéléve, if the field of the generator
DY is kept constant, the load on this generator will be reduced if it is assumed that the speed of the internal combustion engine is constant. It is therefore desirable to also provide for an increase in the shunt excitation of the generator due to inverse of the value of its armature current so that the load on generator DY is kept approximately constant.
This can be achieved, for example, by energizing generator DY, at least in part, by the voltage across the load so that the voltage of the generator increases as the voltage across the load increases. Alternatively, the field of the generator DY can be obtained by a winding connected with a shunt exciter winding, the critical speed of the generator coinciding with the desired speed of the internal combustion engine.
With this arrangement the torque of the generator will adjust, under the control of the speed of the internal combustion engine, to the fuel consumption of the latter, so that assuming this consumption constant, the power developed by the internal combustion engine will also be constant, whatever the variations in the armature current of the generator DY.
Any known solution of controlling the generator field to give a voltage approximately or exactly inversely proportional to the armature current of the generator can be adopted. This generator can be provided with a decompounded series winding or the arrangement of Fig. 5 can be employed in which the generator DY is provided with a separately energized winding 22 which is connected in series with the armature 23 of the exciter and alaec a source C of electrical energy at constant voltage, the exciter 23 being excited by a winding 24 in series with the armature DY of the generator. In order to improve the action of this exciter 23, it can carry an additional shunt winding 25.
The operation of this positive device is deduced from Fig. 6 in which the constant voltage of the source C is indicated by the dotted line .0 while the coltage produced by the armature
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of the exciter 23 with the variable current A in the armature DY is represented by the line .0., this voltage being subtracted from that of the source C / with the result that the generator DY produces a voltage V which varies with the current A as shown by line a.
Referring now to the arrangement of Figure 7, the arrangement is such that the generator power is kept substantially constant and battery 2 provides only the extreme peaks of power required by the M1 and M2 engines. above average power, the armature current of these motors on the other hand decreasing as their speed increases. With this arrangement, the internal combustion engine (not shown) is assumed to be running at constant speed. The BY generator is designed to be saturated for excitation field values exceeding a given value and in such a way that this saturation is as sudden as possible when this limit is reached; then the flow remains substantially constant.
The generator is excited, largely or totally, by the voltage across the load and, as shown in Fig. 7, it has a field winding A which is connected to the terminals of motors M1 and M2. The arrangement is such, moreover, that below the saturation point of the generator, the voltage produced is higher than that at the terminals of the motors MI and M2 by a predetermined proportion. Thus, until saturation is reached, the internal combustion engine supplies excess power and the battery is charged at a rate which depends on the load of the engines as shown in Fig.
8 in which the voltage of the generator DY is on the ordinate as a function of the voltage of the load, that is to say of the voltage at the terminals of the motors M1 and M2.
The straight line 1 represents the voltage absorbed by the motors MI ue M2 and the line d the voltage at the terminals of the generator DY. The difference between these two lines represents the voltage supplied or absorbed by the battery 2 intervening through the metadyne MT. When line d stands above line I the battery is charged while the latter on the contrary supplies power to motors MI and M2 when line d stands below line 1.
Thus, when the voltage of the load reaches the value V1, the output of the generator DY is limited by the saturation effect described above and below this value, the additional energy is supplied by the battery. to the engines.
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The power distribution with the adopted arrangement Fig.7 is illustrated by the diagram Fig.9 which is similar to diagrams 2 and 3 but applies to a different load operating cycle. In diagram 9, the load of motors M1 and M2 is indicated by line L-L and the power developed by the internal combustion engine is indicated by line E-E. The power supplied by the battery 2 is the difference between these two powers and is represented by the dotted area while the power charging the battery is represented by the hatched area.
The variation of the armature current of the motors M1 and M2 and of their excitation current can be obtained in any desired manner; the arrangement shown in Fig. 7 further ensures that when the voltage across motors M1 and M2 is below a predetermined value, the internal combustion engine provides some excess power to charge battery 2, whereas while the voltage at the terminals of the motors is higher than the predetermined one, the battery 2 supplies the additional power required by the motor MI and M2 above that produced by the generator DY.
In Fig-7, a relay 26 is shown, the coil of which is connected to the terminals of all the motors MI, M2, through a rectifier 27, the contacts of the relay breaking the circuit of the field winding A when the coil 26 is excited; the field of the dynamo DY therefore disappears when the motors MI and M2 operate in recovery, their voltage at the terminals being reversed. Any suitable biasing device can be employed in place of relay 26 and rectifier 27. In some cases it may be desirable for the internal combustion engine to supply all of the power between two upper and lower limits. , leaving battery 2 to supply or absorb excess energy outside of these limits.
An arrangement suitable for these purposes is shown in Fig. 10. The generator DY is provided with an exciter 28 supplying the excitation winding A. The exciter 28 is itself excited by a winding 29 connected to the terminals of the group of motors M1 and M2 and by a second winding 30 excited separately; the generator DY also carries, itself, a second winding 31 with separate excitation. The field windings 29 and 30 oppose their action.
According to this arrangement, when the voltage across the MI and M2 motors reaches a predetermined vals, the action of the field collapse 29 predominates that of the wnrou
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of field 30 to the point that exciter 28 becomes saturated, and when this voltage across the motors is below another predetermined value less than the first, the action of coil 30 is in turn preponderant. - rant to the point that the voltage of the exciter changes direction and that the exciter is saturated again. The voltage produced by the exciter is applied to the field winding A, the effect of which is thus added or subtracted from that of the field winding 31 of the generator DY.
The diagram of Fig.ll shows the voltage of the load and the excitation of winding 29 on the abscissa and the voltage of the DY generator on the ordinate - The excitation produced by winding 31 is constant and indicated by the horizontal line p while the excitation produced on the exciter 28 is indicated by the vertical line q. The voltage produced at the bales of generator DY when the load varies is thus represented by the line r;
by adjusting the field value of the winding 30, the load at which the internal combustion engine supplies zero power can be adjusted while the resistors 32 and 33 allow the upper and lower limits of the power demanded at the machine to be set. internal combustion engine.
In order to reduce the wear of it and increase the efficiency of the system, the speed of the internal combustion engine can be changed following the required power; For example, in the arrangement described above in which a critically excited shunt machine powers the field winding of the generator operated by the internal combustion engine, any desired speed reduction can be achieved by varying the speed. field resistance of the exciter *
It is understood that many modifications can be made to this invention without altering its scope;
for example, in the arrangements described above, the power developed by the internal combustion engine can be regulated independently by varying the flow rate of the fuel, such an operation being obtainable, for example, by a control device electrical flow of this fuel.