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AUX GROUPES ELECTR#CANIQU.ES A VOLANT'
L'invention est relative aux systèmes électromécaniques lesquels il est fait usage d'un groupe avec un volant égalisateur. Un tel comprend une machine dynamo accouplée à un volant, la dynamo étant étudi telle sorte que le volant emmagasine ou restitue de l'énergie suivant que charge est au-dessous ou au-dessus d'une charge moyenne prédéterminée.
De pas à volant régulateur de ce type sont particulièrement utiles quand l'é: électrique est à fournir à des appareils à grande variation de charge, pa. exemple, à des trains de laminoirs, des treuils de mines ou analogues ou l'énergie à fournir doit égaliser la charge d'une sous-station électrique
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mentant un réseau de traction-
Suivent l'invention, dans un groupe volant égalisateur oùune charge est alimentée par une source à courant constant, la machine dynamo, mécaniquement accouplée au volant, est adaptée pour être connectée en série avec la charge et la source à courant constant et il'est prévu, sur cet dynano ou sur une excitatrice qui l'alimente, un Enroulement qui fournit une excitation en fonction de la charge,
ayant pour but d'amener l'excitation de la machine et l'importance et le sens du voltage engendré, à dépendre de la différence dont la charge diffère d'une valeur prédéterminée et du sens de cette différence* Ainsi, quand la charge est au-dessous de cette valeur, l'excitation de la dynamo, dénommée dynamo-volant est telle que le voltage produit à ses bornes, en opposition avec celui de la source à intensité constante, lui est inférieur et la dynamo-volant agit alors cornue moteur pour accélérer le volant et enmmagasiner de l'énergie, la puissance totale obtenue de la source à courant constant étant divisée entre la charge et la dynamo-volant* Quand la charge est au-dessus deé la valeur prédéterminée,
l'excitation de la dynamo-volant est telle qu'elle engendre un voltage à ses bornes qui est supérieur à celui aux bornes de la source à intensité constante et la dynamo-volant agit en génératrice, l'énergie nécessaire à cette marche étant fournie par le volant- La demande totale de puissance de la charge est alors répartie entre la source et la dynamo-volant* Comme on le voit, par cet arrangement, la charge sur le système d'alimentation peut être maintenue substantiellement constante quelle que soit la charge variable prise par les appareils qui constituent la charge et l'emmagasinage de l'énergie par le volant et le retour de cette énergie au système d'alimentation se fait entièrement de façon automatique par l'action continuelle des enroulements d'excitation de la machine,
aucun appareillage et aucun relais n'étant nécessaire- La "répanse" de ce système est rapide et souple et le couple produit par la dynamd-volant ne peut atteindre une valeur excessive puisqu'un tel couple est proportionnel au courant d'induit de la machine qui est constant et à l'excitation de la machine qui est limitée par la saturation magnétique et qui ne peut excéder une valeur donnée- De plus, par l'emploi d'une dynamo-volant selon l'invention, le volant est mécaniquement séparé de la ligne d'alimentation;
il n'y a donc pas de limite -excepté celle de la convenance de l'étude des machines- dans le choix de la vitesse
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inférieure jusqu'à laquelle le volant peut restituer son énergie* Une va du quart ou du tiars de la vitesse maxima peut, par exemple, être choisi la vitesse minima du volant de sorte que, pratiquement, toute son énergi nétique peut être utilisée pendant les pointes de charge.
Les dispositifs d'excitation de la machine peuvent compre deux enroulements de champ dont l'un, relié aux bornes de la charge prod une action génératrice et dont l'autre, alimenté par une source à voltag tant produit une action motrice- Ces enroulements sont disposés pour con balancer leurs effets pour une valeur donnée de la charge au-dessus et a' sous de laquelle levolant doit intervenir; de marne, des moyens sont pré' pour éviter une vitesse excessive ou trop basse du volant.
Tour que le volant assure l'absorption ou la restitution @ énergie constante dansdes conditions de charge données, indépendantes d vitesse, la machine volant peut avoir une excitation, non seulement varia avec la charge, mais également inversement proportionnelle à sa vitesse ( tion* Ainsi, elle peut âtre excitée par un enroulement connecté aux bori balais secondaires de la métadyne accouplée au volant.
Il est également prévu par l'invention des dispositifs sur tation pour rendre la machine insensible aux variations de charge entre d mites prédéterminées, en dehors desquelles elle intervient-, Ces dispositi peuvent comprendre un enroulement de champ connecté aux bornes de la chai un autre enroulement d'action opposée connecté aux bornes d'une excitatri excitée par un enroulement relié aux bornes de la charge, cette excitatri étant prévue pour être saturée quand la charge est en dehors des limites rées- En variante, deux excitatrices peuvent être employées, une saturée l'autre non saturée, et toutes deux excitées en fonction de la charge, el sont reliées en série avec un enroulement de champ de la dynamo-volant, 1 effets s'opposant.
L'invention prévoit encore l'emploi, dans un système alime par du courant alternatif, de dispositifs identiques à ceux.déjà décrits emploi d'un moteur d'induction disposé pour récupérer l'énergie de la faq crite plus loin-
Se référant aux planches annexées, on voit en Fig' 1, 3, 4,6, 7,8 et 13 divers dispositifs suivant l'invention,
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en Fig'2, 5,9, 10, 11, 12, 14 et 15, des diagrammes donnant leur mode opératoire, en Fig' 16,17 et 18 , des schémas de réalisation d'excitatrices qui peuvent être employées en accords avec l'invention* en Fig' 19, un* diagramme donnant le mode opératoire de 1'excitatrice Fige 18, & en Fig- 20, 21 et 22,
des schémas d'équipements électriques relatifs à des ma- chines suivant l'invention applicables dans les mines-
Fig.1, on voit en 1 des appareils figurant la charge sous intensité constante alimentés par une métadyne génératrice 2 avec une dynamo primaire 3; les balais secondaires 4 et 5 de la métadyne alimentant la charge 1 et, en série avec elle, une dynamo accouplée à un volant 7 par l'arbre 8.
La dynamo volant 6 est munie de dispositifs d'excitation comprenant deux enroulements de champ, soit, un enroulement 9 relié aux bornes de la charge 1 et disposé pour produire un effet générateur sur la dynamo-volant 6 et un enroulement 10 alimente sous tension constante et produisant un effet moteur sur la dynamo-volant; pour la valeur de la charge dite normale, les effets des enroulements 9 et 10 s'équilibrent absolument et la dynamo-volant est sans action ni effet. Si la charge augmente au-dessus de sa valeur normale, l'enroulement 9 devient prépondérant et un effet générateur est obtenu, la dynamo-volant agissant alors pour aider la métadyne génératrice 2.
Si, par contre, la charge tombe au-dessous de la normale, l'excitation de l'enroulement 9 diminue et l'enroulement 10 devient prépondérant, créant un couple moteur dans la dynamo-volant qui accélère la vitesse du volant.
Dans le diagramme fig.2, où les couples T sont en ordonnées et les vitesses N en abscisses, la ligne a réprésento le couple produit quand la charge est zéro et que l'effet moteur dû à l'enroulement 10 est à son maximum; la ligne d représente le couple produit quand la charge est accrue de cent pour cent par rapport à la charge normale; l'axe N s'applique à la charge normale, les effets moteurs étant figurés par des lignes au-dessus de cet axe, telles que b et las effets générateurs étant figurés par des lignes au-dessous de N, telles que c.
Quand l'alimentation des enroulements 9 et 10 est telle que la machine 6 n'est pas excitée, celle-ci continue, en négligeant les pertes , à
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tourner à la même vitesse, quelle que soit celle-ci, puisque le couple pre par la machine est alors zéro ; iln'y a donc pas de limitation de vitesse aux système électrique quand la charge est au-dessous de sa valeur normale que le couple demeure constant quelle que soit la vitesse. Tour une valeu la charge maintenue au-dessous de la normale, il est donc nécessaire de p des dispositifs de sécurité limitant la vitesse. A cet effet, le couple m peut être supprimé quand la vitesse ateint la limite admissible.
La Fig.; voit cette possibilité ; petite génératrice 11 à excitation critique accouplée avec la dynamo 6 par l'arbre 12 et son enroulement d'induit alir un troisième enroulement 13 de la dynamo-votant* La génératrice 11 est ét' de telle sorte que sa vitesse critique -c'est-à-dire celle au-dessous de la le voltage crée est faible et au-dessus de laquelle ce voltage croît s nement à sa valeur utile- est juste au-dessous de la vitesse maxima admis
La génératrice 11 est représentée excitée par un enrouleme série 14, mais pourrait l'être par un enroulement shunt. L'enroulement 1 sous l'effet de l'alimentation par la dynamo 11 produit un couple générat ou de freinage sur la dynamo 6.
Avec cette disposition, l'effet de l'enra 13 est normalement nul et ne se fait sentir qu'à l'approche de la vitesse mite quelle que soit l'excitation produite par les autres enroulements 9
Si une surcharge étaint maintenue longtemps, la vitesse dt irait en décroissant pour tomber à zéro et changer de sens ce qui ne saur âtre admis sans augmenter encore la surcharge de la métadyne. pour l'empê un relais électrique est prévu pour réduire à zéro les ampères-tours réel avant la chute de la vitesse du volant au-dessous d'une valeur admissibl relais peut, par exemple, avoir un circuit excité proportionnellement aux pères-tours résultants et un autre circuit excité proportionnelement au aux bornes de la dynamo-volant*
Afin de réduire l'importance des enroulements de champ su:
dernière elle peut avoir un enroulement ordinaire excité par une excitat: dont l'excitation est disposée suivant les arrangements précédemment déc: l'excitatrice étant choisie préférablement pour âtre saturée après, seul, la dynamo-volant* Afin d'obtenir une action rapide de l'excitatrice, une dyne excitatrice peut être utilisée suivant le principe objet du brevet @u nrovisoire 316*334 du 7 Septembre 1934
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La Fig-4 montre une variante de l'invention;
la dynamo-volant 6 est unemétadyne ayant ses balais primaires a, c en série avec la source à courant constant et la charge (l'une et l'autre non figurées) et ses balais secondaires b et d court circuités sur l'enroulement de champ 15 disposé pour produire, lors d'effets moteurs, un flux opposé à celui des autres enroulemmts 9 et 10 déjà définis. Avec cette disposition, quand la vitesse de la dynamo-éolant 6 augmente, son couple décroît.
Les caractéristiques de fonctionnement de cette disposition sont représentées fig-5 dans laquelle les couples T sont donnés en fonction des vitesses N La courbe b,b ,b,### correspond à la charge normale déterminée par la valeur des ampères-tours de l'enroulement 10;
la courbe a,a,a,... correspond à une valeur de la charge au-dessous de la valeur nonuale et les courbes c,c,c,## et d,d,d,### correspondent à des charges dessus de la valeur normale*
On voit par l'examen de ces courbes que pour des charges inférieures à la normale, le volant accélère sa itesse jusqu'à celle qui correspond à l'intersection de la courbe de charge correspondante avec l'axe des abscisses! toute tendance de la dynamo-valant à franchir cette vitesse se heurte à la production d'un fort couple de freinage-
De la même manière, lors de surcharges, le volant décroît de vitesse jusqu'à ce qu'une vitesse soit atteinte à laquelle la courbe telle que c,c,c, ou d,d,
d correspondant à cette surcharge coupe l'axe des abscisses, un fort couple moteur étant produit aux faibles vitesses de la machine.
Avec la disposition figure 4, la charge maxima peut être arrangée pour correspondre avec la courbe d,d,d qui coupe à 0 l'axe horizontal , pendant que la charge minima peut correspondre avec la charge e,e,e dont l'in- tersectian avec l'axe horizontal se fait à une vitesse qui ne peut excéder la vitesse maxima de sécurité du volant.
Dans la figure 6, la dynamo-volant est une métadyne dont les balais secondaires b et d sont reliés au circuit à courant constant et dont les balais primaires a et .± sont reliées à une dynamo 16 de type normal accouplée à la machine 6 et dont les Enroulements 9 et 10 sont similaires à ceux de mêmes références des figures 1 et 3.
La métadyne tend à maintenir le courant traversant son secondaire constant, la variation de celui-ci dépendant, directement, du voltage aux balais primaires et, inversement, de la vitesse de la métadyne*
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puisque le voltage appliqué est celui de la dynamo 16 dont la vitesse va avec celle de la métadyne, la valeur du courant secondaire est maintenue tante indépendamment de la vitesse de rotation de l'arbre 8 pour une exc donnée de la dynamo 16' A la charge normale, celle-ci n'est pas excitée métadyne ne produit aucun voltage- Lors d'une variation de charge, la m produit un voltage de façon à maintenir constante la charge de la source mentation,
mais ce voltage est indépendant de la vitesse de l'arbre 8 d' découle que la puissance de la dynamo-volant ne varie pas avec la vitess que pour une condition de charge donnée le volant agit quelle que soit 1 tesse-
Dans la Fig.6, la métadyne agit comme une mtadine transfo trice, l'énergie du circuit secondaire étant fournie par la dynamo 16- A: réduire les dimensions de l'excitatrice 16, la disposition Fig.7 peut et tée, dans laquelle la métadyne porte un enroulement de champ 17 traversé courant primaire de la métadyne et disposé pour produire dans la métadyne flux qui renforce celui dû au courant primaire circulant à travers l'indi tre les balais a et c.
Une telle disposition entraîna une réduction du c@ primaire de la métadyne et des dimensions de l'excitatrice 16, l'énergie produite dans le circuit secondaire par la restitution de l'énergie du v@ En variante, il peut être appliqué un quelconque des arrangements objets brevet N provisoire 317-819 du 14 Novembre 1934.
Au libu d'être placés @ génératrice 16, les enroulements de champ alimentés en fonction de la cha peuvent être placés sur la métadyne, comme indiqué Fig-81 on voit que l'e tation de la dynamo 16 est alors réalisée par un enroulement 17 alimenté valeur constante;
la métadyne porte un enroulement variateur secondaire 1 est excité en fonction du voltage aux bornes de la charge et qui correspc aux enroulements 9 des précédentes figures* Dans la disposition Fig-8, 1 stator 19 de la métadyne oppose une réluctance élevée au flux du circuit maire, par suite, le voltage demandé à la génératrice excitatrice 16 est cette réluctance causant une action génératrice dans le circuit secondai! la métadyne' Avec cette disposition, l'égalisation de la charge est obte comme avec les dispositions données aux figures 6 et 7, par le balancemen voltage de l'excitatrice et du voltage primaire de la métadyne à toutes 1 vitesses quand le oourant circulant entre les balais b et d est constant*
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courant, lors de variations de charge, de supporter une charge qui reste très voisine de la normale, les pointes en plus ou en moins de cette charge normale étant supportées par le volant- Ainsi, dans le diagramme figure 9, où. la charge figure en KW en fonction du temps t , on voit en a,a,a,###, la courbe de la charge des appareils alimentés et en b,b,b,,---, la (marge sensiblement constante, supportée par la source de courant* Le diagramme figure 10, donne, en correspondance avec le diagramme 9, la courbe des vitesses N en fonction encore du temps t.
Dans de nombreux cas, en pratique, il peut 'être désiré que la charge oscille entre deux limites données, toute pointe en dehors de ces limites n'étant pas admise- Le fonctionnement est alors celui représenté au diagramme figure 11, les variations de vitesse du volant étant représentées au diagramme figure 12.
Suivant une autre particularité de l'invention, des moyens sont prévus pour rendre la dynamo-volant insensible à la charge quand celle-ci se tient entre deux limites fixées; et, lorsque la charge se tient entre ces limites, la dynamo-volant peut être disposée pour avoir une vitesse intermédiaire entre les vitesses maxima et minima de sorte que le volant soit prêt à intervenir dans les deux sans* Pour satisfaire à la première condition, le système est disposé pour que l'excitation de la dynamo-volant due à la charge soit établie, en plus des enroulements d' excitation du courant de charge déjà décrit) par un enroulement supplémentaire qui est connecté aux balais d'une petite excitatrice dont 1'excitation varie suivant la charge.
Ces deux enroulements sont disposés pour opposer leur action de telle sorte qu'entre des limites prédéterminées de la charge, les effets de caus deux enroulements se compensent mais l'excitatrice est prévue pour être saturée au-delà de ces limites, ce qui donne alors la prédominance à l'enroulement traversé par le courant de charge* Afin de satisfaire à la deuxième condition, la dynamo-volant porte un enroulement qui tend à la faire tourner à une vitesse prédéterminée-
Un tel arrangement est montré figure 13 qui comprend celui de la figure 4 avec les perfectionnements ci-dessus mentionnés- La connexion à la source à courant constant se fait en 20, 21,
la charge 1 et la métadyne 6 étant en série avec la source- L'enroulement variateur 15 déjà décrit a tendance à faire tourner la métadyne à une vitesse prédéterminée* Un enroulement variateur à excitation constante 10, un autre enroulement variateur 9, alimenté en fonc-
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excitatrice 22 en bout d'artre de la métadyne,
sont également prévus* L'e tatrice 22 porte un enroulement d'excitation 23 en série avec l'enrouleme de charge 9 et un autre enroulement de champ 24 produisant une excitation substantiellement constante- Les enroulements 9 et 9a opposent leurs effe ainsi que le montre le diagramme figure 14 où les AT figurent en ordonnée l'intensité du courant d'excitation 1 des enroulements 23 et 9 figurent e abscisses- La ligne a représente les ampères-tours produits par l'enroule 9 par des courants de charge positive et négative pendant que la ligne b dique le voltage engendré par la machine 22, donc les ampères-tours créés l'enroulement 9a.
L'excitatrice peut être également disposée pour que, lorsque charge est entre les deux limites prescrites, l'excitation produite par 1 roulement 9a soit supérieure à celle produite par l'enroulement 9. Le cou produit sur le volant, lorsque la charge est entre les limites fixées, es lors de sens opposé à celui exigé par l'excès ou la manque de charge au-d ou au-dessous de la charge moyenne: le volant se trouve donc prêt à suppo une nouvelle pointe- Un tel fonctionnement est représenté figure 15.
Afin de réduire l'importance des enroulements de champ nécas sur la dynamo volant ou son excitatrice suivant le cas, ces machines sont nies d'un enroulement alimenté en fonction de la charge et connecté en sê avec deux excitatrices ayant chacune un enroulement de champ parcouru par charge, l'une étant saturée et l'autre comparativement peu saturée.
L'act de l'ensemble est alors similaire à celui précédemment décrit, et, dans 1 diagrammes figures 14 et 15, la ligne a,a,a,##, représente, sur la base d ampères-tours, le voltage produit par l'excitatrice non saturée et la lig b,b,b,###, le voltage produit par l'excitatrice saturée, la ligne c,c rep sentant le voltage résultant, donc les ampères-tours produits sur la dyna voilant par les deux excitatrices en série-
Ces deux excitatrices peuvent être combinées en une machine que, déjà décrite dans le brevet numéro provisoire du 4 Décembre (demande de brevet anglais 34.065), les figures 16, 17 et 18 se rapportant aux diverses formes de cette machine et le diagramme 19 au principe de son fonctionnement*
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de treuils de mines appliquant l'invention*
Figure 20,
la source à courant constant est une métadyne 45 en- traînée par le moteur 46 reliée au réseau triphasé qui entraîne également une génératrice auxiliaire 47 ayant un enroulement de champ shunt 48, cette génératrice produisant un voltage substantiellement constant- La dynamo-volant, dont l'induit est figuré en 49 est une dynamo ordinaire reliée au moteur de treuil 50- Ce moteur a un enroulement de champ 51 alimenté par un contrôleur potenticmétrique 52 relié aux barres omnibus- La dynamo-volant porte un enroulement de champ 55 relié au secondaire d'une petite métadyne excitatrice 56 entraînée par l'arbre 57 de la dynamo-volant et dont les balais primaires a et .± sont reliés aux balais d'une excitatrice 58 entraînée par le moteur 461 cette dernière porte deux enroulements de champ 59 et 60,
le premier étant relié aux bornes du moteur de treuil 50 et le deuxième étant connecté aux barres omnibus 63 et 54 du circuit de contrôle. Le flux résultant des enroulements 59 et 60 dépend de la charge et du sens de sa différence avec une valeur de la charge supposée normale* La dynamo-volant porte une dynamo à excitation critique 62 alimentant 1' enroulement de champ 63 de la machine 49 dont elle limite la vitesse maxima;
la dynamo-volant porte aussi un deuxième enroulement 64, sous la dépendance d'un relais contrôlant la vitesse de la dynamo-volant, enroulement qui est alimenté par les barres omnibus 53 et 54 pour produire un couple moteur sur la dynamo-volant quand sa vitesse tombe au- dessous d'une valeur limite prédéterminés. Dans l'exemple illustré, ce relais est actionné par une petite dynamo 65 montée sur l'arbre 57 et reliée aux bornes du relais 66 dont les contacts 67 sont normalement fermés établissant un contact avec l'enroulement 64; la dispositian est telle que lorsque la vitesse de l'arbre 57 s'élève au-dessus de la vitesse maxima fixée, la dynamo 65 fait fonctionner le relais 66 et ouvrir les contacts 67.
Le relais porte une autre paire de contacts 68, normalement ouverts, et qui commandent la connexion des balais primaires de la métadyne aux bornes de l'excitatrice 58 par les contacts 69 et la bobine 70* au démarrage, le circuit des balais primaires de la métadyne 45 peut être coupé au moyen de l'interrupteur 72 et le moteur 46 peut démarrer sans charge; le voltage de la génératrice 47 s'élève peu à peu à sa valeur normale et après ouverture des contacts 72, la métadyne fournit un courant
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constant qui alimente les induits des machines 49 et 50 lesquelles peuvi âtre courtcircuitées pendant l'opération de démarrage. pour démarrer la volant, un interrupteur 73 qui commande le circuit contrôlé par le rela :
67, 68 est fermé et l'enroulement de champ du moteur 64 est alimenté. Q@ la vitesse de l'arbre 57 atteint une valeur fixée, l'excitation du rela: devient suffisante pour ouvrir les contacts 67 et couper l'excitation de roulement 64, la bobine 70 est alors excitée et la métadyne excitatrice reliée à l'excitatrice 58 ce qui correspond à la marche normale* Si le n de treuil est sans charge, la dynamo-volant est excitée par la métadyne avec la pleine excitation dans le sans moteur et la charge du groupe mot générateur 46-45 est amenée à sa valeur normale pendant que le volant ex gasine de l'énergie-
Un couple de valeur définie est obtenu sur le moteur de tre pour une position donnée du potentiomètre 52,
la manoeuvre de celui-ci d la variation de couple nécessaire au fonctionnement correct du treuil, s accélération uniforme*
Dans certaines conditions, la moteur de treuil peut récupér de l'énergie qui est utilisée d'abord, à accroître la vitesse du volant jusqu'au maximum admissible; puis, qui est restituée au groupe moteur gé teur 45-46; si des conditions particulières ne peuvent rendre cette dern opération désirable, un frein d'absorption ou d'autres moyens peuvent êt utilisés pour absorber le surplus de l'énergie récupérée. La valeur norm de la charge à laquelle la système doit fonctionner est réglée par le rh tat 61.
La figure 21 donne une disposition modifée dans laquelle le rant constant est fourni par un redresseur à vapeur de mercure indiqué s tiquement en 74; un dispositif figuré en 75 permettant de maintenir cons, la courant continu; Le source auxiliaire à voltage constant est une géné trice 77 entraînée par le moteur 78; le fonctionnement du moteur de treu 51 de la dynamo-volant 49 et des dispositifs dtexcitation de ces deux ma étant similaire à celui des marnes organes de la figure 20; ainsi la dynar volant 49 entraîne une métadyne excitatrice 56 qui alimente un enroulemer les balais primaires de cette excitatrice étant reliés à l'excitatrice 51
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ceux de même référence de la figure 20.
La figure 21 tient compte d'une particularité de l'invention con- sistant à prévoir un moteur d'induction triphasé 81 entraîné par l'arbre de la dynamo-volant et permettant de renvoyer de l'énergie à la ligne d'alimen- tation triphasée lors de la récupération; ce moteur peut aussi âtre utilisé pour démarrer la dynamo-volant ou pour l'entraîner à une vitesse supérieure en cas de surcharge prolongée; la figure 21 prévoit à cette fin des dispositifs pour faire tourner le moteur à des vitesses variables; Ce moteur peut aussi être employé quand l'utilisation du moteur de treuil doit se faire sous charge réduite prolongée.
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TO ELECTR GROUPS # CANIQU.ES A VOLANT '
The invention relates to electromechanical systems in which use is made of a group with an equalizing wheel. One such machine comprises a dynamo machine coupled to a flywheel, the dynamo being designed so that the flywheel stores or restores energy depending on whether the load is below or above a predetermined average load.
Stepper flywheel regulators of this type are particularly useful when the electric power is to be supplied to devices with a large variation in load, eg. example, to rolling mills, mine hoists or the like where the energy to be supplied must equalize the load of an electrical substation
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lying a traction network-
The invention follows, in an equalizing flywheel group where a load is supplied by a constant current source, the dynamo machine, mechanically coupled to the flywheel, is adapted to be connected in series with the load and the constant current source and it is planned, on this dynano or on an exciter which feeds it, a Winding which provides an excitation according to the load,
aiming to bring the excitation of the machine and the importance and the direction of the generated voltage, to depend on the difference of which the charge differs by a predetermined value and on the direction of this difference * Thus, when the charge is below this value, the excitation of the dynamo, called the dynamo-flywheel is such that the voltage produced at its terminals, in opposition to that of the source at constant intensity, is lower than it and the dynamo-flywheel then acts retorted motor to accelerate the flywheel and store energy, the total power obtained from the constant current source being divided between the load and the dynamo-flywheel * When the load is above the predetermined value,
the excitation of the dynamo-flywheel is such that it generates a voltage at its terminals which is higher than that at the terminals of the source at constant intensity and the dynamo-flywheel acts as a generator, the energy necessary for this operation being supplied by the flywheel- The total power demand of the load is then distributed between the source and the flywheel * As can be seen, by this arrangement, the load on the power system can be kept substantially constant regardless of the variable load taken by the devices which constitute the load and the energy storage by the flywheel and the return of this energy to the power supply system is done entirely automatically by the continuous action of the excitation windings of the machine,
no switchgear and no relays are necessary - The "repanse" of this system is fast and flexible and the torque produced by the dynamd-flywheel cannot reach an excessive value since such a torque is proportional to the armature current of the machine which is constant and to the excitation of the machine which is limited by the magnetic saturation and which cannot exceed a given value - In addition, by the use of a dynamo-flywheel according to the invention, the flywheel is mechanically separate from the power line;
there is therefore no limit - except that of the convenience of the study of the machines - in the choice of the speed
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lower down to which the flywheel can restore its energy * A quarter or a quarter of the maximum speed can, for example, be chosen the minimum speed of the flywheel so that practically all of its energy can be used during load peaks.
The excitation devices of the machine can consist of two field windings, one of which is connected to the terminals of the load produces a generator action and the other of which, supplied by a voltage source produces a motor action - These windings are arranged to counterbalance their effects for a given value of the load above and below which the steering wheel must intervene; de Marne, means are in place to avoid excessive or too low speed of the steering wheel.
Turn that the flywheel ensures absorption or return @ constant energy under given load conditions, independent of speed, the flying machine can have an excitation, not only varies with the load, but also inversely proportional to its speed (tion * Thus , it can hearth excited by a winding connected to the secondary bori brushes of the metadyne coupled to the flywheel.
Provision is also made by the invention for devices on tation to make the machine insensitive to load variations between predetermined moths, outside of which it occurs. These devices may include a field winding connected to the terminals of the cellar another winding of opposite action connected to the terminals of an excitatri excited by a winding connected to the terminals of the load, this excitatri being intended to be saturated when the load is outside the real limits - Alternatively, two exciters can be used, one saturated the other unsaturated, and both excited depending on the load, they are connected in series with a field winding of the dynamo-flywheel, 1 opposing effects.
The invention also provides for the use, in a system powered by alternating current, of devices identical to those already described, use of an induction motor arranged to recover the energy of the faq described below.
Referring to the attached boards, we see in Fig '1, 3, 4,6, 7,8 and 13 various devices according to the invention,
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in Fig'2, 5,9, 10, 11, 12, 14 and 15, diagrams giving their operating mode, in Fig '16,17 and 18, diagrams of exciters which can be used in agreement with the The invention * in Fig '19, a diagram showing the operating mode of the exciter Fig 18, & in Figs 20, 21 and 22,
diagrams of electrical equipment relating to machines according to the invention applicable in mines-
Fig.1, we see in 1 of the devices showing the load under constant intensity supplied by a generator metadyne 2 with a primary dynamo 3; the secondary brushes 4 and 5 of the metadyne supplying the load 1 and, in series with it, a dynamo coupled to a flywheel 7 by the shaft 8.
The flywheel dynamo 6 is provided with excitation devices comprising two field windings, that is, a winding 9 connected to the terminals of the load 1 and arranged to produce a generator effect on the flywheel dynamo 6 and a winding 10 supplies a constant voltage. and producing a driving effect on the dynamo-flywheel; for the value of the so-called normal load, the effects of windings 9 and 10 are absolutely balanced and the dynamo-flywheel has no action or effect. If the load increases above its normal value, winding 9 becomes preponderant and a generator effect is obtained, the dynamo-flywheel then acting to help the generator metadyne 2.
If, on the other hand, the load falls below normal, the excitation of winding 9 decreases and winding 10 becomes dominant, creating a driving torque in the dynamo-flywheel which accelerates the speed of the flywheel.
In the diagram fig.2, where the torques T are on the ordinate and the speeds N on the abscissa, the line represents the torque produced when the load is zero and the motor effect due to the winding 10 is at its maximum; line d represents the torque produced when the load is increased one hundred percent over the normal load; the N axis applies to the normal load, the motor effects being shown by lines above this axis, such as b, and the generator effects being shown by lines below N, such as c.
When the power supply to the windings 9 and 10 is such that the machine 6 is not energized, the latter continues, neglecting the losses, at
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turn at the same speed, whatever the speed, since the torque pre by the machine is then zero; There is therefore no speed limit in the electrical system when the load is below its normal value as the torque remains constant whatever the speed. In turn, the load kept below normal is necessary, therefore safety devices limiting the speed are necessary. For this purpose, the torque m can be removed when the speed reaches the admissible limit.
Fig .; sees this possibility; small generator 11 with critical excitation coupled with the dynamo 6 by the shaft 12 and its armature winding alir a third winding 13 of the dynamo-voting * The generator 11 is st 'so that its critical speed is i.e. the one below the created voltage is low and above which this voltage increases slowly to its useful value - is just below the maximum speed allowed
The generator 11 is shown excited by a series winding 14, but could be excited by a shunt winding. Winding 1 under the effect of the power supplied by the dynamo 11 produces a general or braking torque on the dynamo 6.
With this arrangement, the effect of the enra 13 is normally zero and is only felt when approaching moth speed regardless of the excitation produced by the other windings 9
If an overload were maintained for a long time, the speed dt would decrease to drop to zero and change direction, which cannot be accepted without further increasing the overload of the metadyne. to prevent this an electrical relay is provided to reduce the actual ampere-turns to zero before the flywheel speed drops below an allowable value. Relay may, for example, have a circuit excited in proportion to the resulting father-turns and another circuit excited proportional to the terminals of the dynamo-flywheel *
In order to reduce the importance of the field windings su:
last it can have an ordinary winding excited by an excitat: whose excitation is arranged according to the arrangements previously dec: the exciter being chosen preferably for saturated hearth after, alone, the dynamo-flywheel * In order to obtain a rapid action of the exciter, an exciter dyne can be used according to the principle object of the patent @u nrovisoire 316 * 334 of September 7, 1934
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Fig-4 shows a variant of the invention;
the dynamo-flywheel 6 is a metadyne having its primary brushes a, c in series with the constant current source and the load (both not shown) and its secondary brushes b and d short-circuited on the winding of field 15 arranged to produce, during motor effects, a flow opposite to that of the other windings 9 and 10 already defined. With this arrangement, when the speed of the wind generator 6 increases, its torque decreases.
The operating characteristics of this arrangement are shown in fig-5 in which the torques T are given as a function of the speeds N The curve b, b, b, ### corresponds to the normal load determined by the value of the ampere-turns of l winding 10;
the curve a, a, a, ... corresponds to a value of the load below the non-regular value and the curves c, c, c, ## and d, d, d, ### correspond to loads above normal value *
We see by examining these curves that for lower than normal loads, the flywheel accelerates its speed to that which corresponds to the intersection of the corresponding load curve with the abscissa axis! any tendency of the dynamo to exceed this speed is hampered by the production of a strong braking torque-
Likewise, during overloads, the flywheel decreases speed until a speed is reached at which the curve such as c, c, c, or d, d,
d corresponding to this overload crosses the abscissa axis, a strong motor torque being produced at low machine speeds.
With the arrangement in figure 4, the maximum load can be arranged to correspond with the curve d, d, d which intersects the horizontal axis at 0, while the minimum load can correspond with the load e, e, e whose in - tersectian with the horizontal axis is done at a speed which cannot exceed the maximum safety speed of the steering wheel.
In figure 6, the dynamo-flywheel is a metadyne whose secondary brushes b and d are connected to the constant current circuit and whose primary brushes a and. ± are connected to a dynamo 16 of normal type coupled to machine 6 and whose Windings 9 and 10 are similar to those with the same references in Figures 1 and 3.
The metadyne tends to keep the current flowing through its secondary constant, the variation of the latter depending, directly, on the voltage at the primary brushes and, conversely, on the speed of the metadyne *
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since the voltage applied is that of the dynamo 16 whose speed goes with that of the metadyne, the value of the secondary current is maintained independently of the speed of rotation of the shaft 8 for a given exc of the dynamo 16 'A the normal charge, this one is not excited metadyne does not produce any voltage - During a variation of load, the m produces a voltage so as to maintain constant the charge of the mentation source,
but this voltage is independent of the speed of the shaft 8, it follows that the power of the dynamo-flywheel does not vary with the speed that for a given load condition the flywheel acts regardless of 1 tess-
In Fig. 6, the metadyne acts as a transformer metadine, the energy of the secondary circuit being supplied by the dynamo 16- A: reduce the dimensions of the exciter 16, the arrangement Fig. 7 can and tee, in which the metadyne carries a field winding 17 traversed by the primary current of the metadyne and arranged to produce in the metadyne a flux which reinforces that due to the primary current flowing through the indi tre the brushes a and c.
Such an arrangement led to a reduction in the primary c @ of the metadyne and in the dimensions of the exciter 16, the energy produced in the secondary circuit by the restitution of the energy of the v @ Alternatively, any of the following can be applied. arrangements objects provisional patent N 317-819 of November 14, 1934.
Instead of being placed @ generator 16, the field windings fed according to the chain can be placed on the metadyne, as shown in Fig-81 it is seen that the operation of the dynamo 16 is then realized by a winding 17 powered constant value;
the metadyne carries a secondary variator winding 1 is excited according to the voltage at the terminals of the load and which corresponds to the windings 9 of the previous figures * In the arrangement Fig-8, 1 stator 19 of the metadyne opposes a high reluctance to the flux of the circuit Mayor, therefore, the voltage demanded from the exciter generator 16 is this reluctance causing a generator action in the secondary circuit! metadyne 'With this arrangement, the equalization of the charge is obtained as with the arrangements given in figures 6 and 7, by the balancemen voltage of the exciter and the primary voltage of the metadyne at all 1 speeds when the current circulating between the b and d brushes are constant *
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current, during load variations, to support a load which remains very close to the normal, the peaks in more or less of this normal load being supported by the flywheel. Thus, in the diagram figure 9, where. the load appears in KW as a function of time t, we see in a, a, a, ###, the load curve of the devices supplied and in b, b, b ,, ---, the (substantially constant margin , supported by the current source * The diagram in FIG. 10 gives, in correspondence with diagram 9, the curve of the speeds N as a function of time t.
In many cases, in practice, it may be desired that the load oscillate between two given limits, any peak outside these limits not being allowed. The operation is then that shown in the diagram in figure 11, the speed variations of the flywheel being shown in the diagram in figure 12.
According to another feature of the invention, means are provided to make the dynamo-flywheel insensitive to the load when the latter is between two fixed limits; and, when the load is between these limits, the dynamo-flywheel can be arranged to have an intermediate speed between the maximum and minimum speeds so that the flywheel is ready to intervene in both without * To satisfy the first condition, the system is arranged so that the excitation of the dynamo-flywheel due to the load is established, in addition to the excitation windings of the load current already described) by an additional winding which is connected to the brushes of a small exciter whose The excitation varies with the load.
These two windings are arranged to oppose their action so that between predetermined limits of the load, the effects of two windings compensate for each other but the exciter is designed to be saturated beyond these limits, which then gives the predominance of the winding traversed by the load current * In order to satisfy the second condition, the dynamo-flywheel carries a winding which tends to make it turn at a predetermined speed-
Such an arrangement is shown in figure 13 which includes that of figure 4 with the improvements mentioned above. The connection to the constant current source is made at 20, 21,
the load 1 and the metadyne 6 being in series with the source - The variator winding 15 already described tends to make the metadyne rotate at a predetermined speed * A variable-drive winding with constant excitation 10, another variator winding 9, supplied with power. -
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exciter 22 at the end of the metadyne artery,
are also provided * The stator 22 carries an excitation winding 23 in series with the load winding 9 and another field winding 24 producing a substantially constant excitation- The windings 9 and 9a oppose their effect as shown. the diagram figure 14 where the ATs appear on the ordinate the intensity of the excitation current 1 of windings 23 and 9 appear on the abscissa - Line a represents the ampere-turns produced by winding 9 by positive and negative charge currents while line b dictates the voltage generated by machine 22, so the ampere-turns created by winding 9a.
The exciter can also be arranged so that, when the load is between the two prescribed limits, the excitation produced by 1 bearing 9a is greater than that produced by the winding 9. The neck produced on the flywheel, when the load is between the limits set, are in the opposite direction to that required by the excess or lack of load above or below the average load: the flywheel is therefore ready to suppo a new tip - Such an operation is shown figure 15.
In order to reduce the importance of the field windings necessary on the flying dynamo or its exciter as the case may be, these machines have a winding supplied as a function of the load and connected in sê with two exciters each having a field winding traversed per charge, one being saturated and the other comparatively little saturated.
The act of the assembly is then similar to that previously described, and, in 1 diagrams figures 14 and 15, the line a, a, a, ##, represents, on the basis of ampere-turns, the voltage produced by the unsaturated exciter and the lig b, b, b, ###, the voltage produced by the saturated exciter, the line c, c representing the resulting voltage, therefore the ampere-turns produced on the dyna veiling by the two exciters in series
These two exciters can be combined in a machine which, already described in the provisional patent number of December 4 (British patent application 34,065), figures 16, 17 and 18 relating to the various forms of this machine and diagram 19 to the principle of its operation *
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of mine winches applying the invention *
Figure 20,
the constant current source is a metadyne 45 driven by the motor 46 connected to the three-phase network which also drives an auxiliary generator 47 having a shunt field winding 48, this generator producing a substantially constant voltage - The dynamo-flywheel, of which the The armature is shown at 49 is an ordinary dynamo connected to the winch motor 50- This motor has a field winding 51 supplied by a potentiometric controller 52 connected to the bus bars- The dynamo-flywheel carries a field winding 55 connected to the secondary of 'a small exciter 56 driven by the shaft 57 of the dynamo-flywheel and whose primary brushes a and ± are connected to the brushes of an exciter 58 driven by the motor 461 the latter carries two field windings 59 and 60 ,
the first being connected to the terminals of the winch motor 50 and the second being connected to the bus bars 63 and 54 of the control circuit. The flux resulting from the windings 59 and 60 depends on the load and on the direction of its difference with a value of the load assumed to be normal * The dynamo-flywheel carries a dynamo with critical excitation 62 supplying the field winding 63 of the machine 49 whose it limits the maximum speed;
the dynamo-flywheel also carries a second winding 64, under the control of a relay controlling the speed of the dynamo-flywheel, which winding is supplied by the bus bars 53 and 54 to produce an engine torque on the dynamo-flywheel when its speed falls below a predetermined limit value. In the example illustrated, this relay is actuated by a small dynamo 65 mounted on the shaft 57 and connected to the terminals of the relay 66, the contacts 67 of which are normally closed, establishing contact with the winding 64; the arrangement is such that when the speed of the shaft 57 rises above the fixed maximum speed, the dynamo 65 operates the relay 66 and opens the contacts 67.
The relay carries another pair of contacts 68, normally open, and which control the connection of the primary brushes of the metadyne to the terminals of the exciter 58 by the contacts 69 and the coil 70 * at start-up, the circuit of the primary brushes of the metadyne 45 can be turned off by means of switch 72 and engine 46 can be started without load; the voltage of the generator 47 gradually rises to its normal value and after opening the contacts 72, the metadyne supplies a current
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constant which supplies the armatures of the machines 49 and 50 which peuvi hearth short-circuited during the starting operation. to start the steering wheel, a switch 73 which controls the circuit controlled by the relay:
67, 68 is closed and the field winding of the motor 64 is energized. Q @ the speed of the shaft 57 reaches a fixed value, the excitation of the rela: becomes sufficient to open the contacts 67 and cut off the excitation of the bearing 64, the coil 70 is then energized and the exciter metadyne connected to the exciter 58 which corresponds to normal operation * If the winch n is unloaded, the dynamo-flywheel is excited by the metadyne with full excitation in the motorless one and the load of the generator set 46-45 is brought to its normal value while the flywheel ex supplies energy
A torque of defined value is obtained on the tre motor for a given position of potentiometer 52,
the operation of the latter d the torque variation necessary for the correct operation of the winch, s uniform acceleration *
Under certain conditions, the winch motor can recover energy which is used first, to increase the speed of the flywheel to the maximum allowable; then, which is returned to the driving motor group 45-46; if particular conditions cannot make this latter operation desirable, an absorption brake or other means can be used to absorb the surplus of the recovered energy. The norm value of the load at which the system must operate is set by rh tat 61.
Fig. 21 gives a modified arrangement in which the constant rant is provided by a mercury vapor rectifier indicated s tically at 74; a device shown at 75 for maintaining cons, the direct current; The auxiliary constant voltage source is a generator 77 driven by the motor 78; the operation of the hoist motor 51 of the dynamo-flywheel 49 and of the excitation devices of these two ma being similar to that of the marl members of FIG. 20; thus the flying dynar 49 drives an exciter metadyne 56 which feeds a winding the primary brushes of this exciter being connected to the exciter 51
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those with the same reference in figure 20.
FIG. 21 takes account of a particular feature of the invention consisting in providing a three-phase induction motor 81 driven by the shaft of the dynamo-flywheel and making it possible to return energy to the supply line. three-phase tation during recovery; this motor can also be used to start the dynamo-flywheel or to drive it at a higher speed in the event of prolonged overload; Figure 21 provides for this purpose devices for rotating the engine at variable speeds; This motor can also be used when the use of the winch motor must be under prolonged reduced load.