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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.