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MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une demande de BREVET d' INVENTION PERFECTIONNEMENTS AU CONTROLE DE L'EXCITATION ES MACHINES ELECTRIQUES .-
La présente invention concerne les machines électriques dont le champ doit 'être réglé de faqon continue de manière à obtenir une caraotéristique déterminée, par exemple une tension indépendante de la charge ou variant d'une façon bien déterminée avec l'intensité, ou un couple variant suivant une fonction bien déterminée de la vitesse* On utilise habituellement différents moyens sensi- bles aux variations d'une quantité variable et qui agissant sur l'excitation pour augmenter ou diminuer ses ampères-tours* Ce réglage s'obtient en modifiant la tension aux bornes de l'excitation.
Lorsque les bobines d'excitation présentant une self très élevée par rapport à leurs résistances, le courant suit les modifications de tension avec 'Un certain retard qui trouble l'effet du réglage* De plus,
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l'par.il1ag8 utilisant le dispositif sensible aux variations de la quantité variable et ajustant la tension aux bornes des bobines d'excitation, est généra- liment compliqué et coûteux et sa sensibilité décroît rapidement lorsque l'énergie électrique nécessaire à l'excitation augmente*
Conformément à la présente invention, on prévoit des moyens d'accélérer la modification du courant dans les bobines de champ exigée par le dispositif sensible- Ces moyens,
bien que contrôlés par un dispositif sensible de capacité relativement faible, seront capables d'agir sur l'excitation d'une grossemachine-
La présente invention consiste essentiellement à utiliser une machine spéciale qui alimente les bobines de champ de la machine principale par un courant qui est contrôlé par le dispositif qui, normalement devrait agir directement sur les bobines d'excitation de la machine principale* La machine spéciale est, de préférence, une métadyne construite de façon appropriée* La métadyne consiste essentiellement en un rotor bobiné pourvu d'un collecteur
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comne une dynamo ordinaire* Le stator a pour but essentiel de réserver aux flux engendrés par les courants rotoriques, un circuit magnétique de faible réluctance Généralement:
le collecteur porte deux jeux de balais* Le courant traversant l'un de ces jeux engendre un flux qui induit une force électromotrice entre les balais de l'autre jeu* L'un des Jeux de balais, appelé jeu primaire,est traversé par un courant dit courant primaire et, généralement, connecté à une source d'alimentation de courant continu- L'autre jeu de balaie, appelé jeu secondaire, traversé par le courant secondaire, est généralement connecté aux appareils d'utilisation
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alimentés par la métad3neUne description détaillée de la métadyne est donnée dans mai article Intitulé 1"3squissa sur la Métadyne" par J3 PE3TARJ::
NI, paru dans le bulletin scientifique A'I'M* N*4 -Avril 1931- de l'Association des Ingénieurs .... te Electriciens, publié par l'Institut Electrcjbhaique liontefiore à Liège. Conformément à l'invention, les balais secondaires de la
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métadyne sont connectés aux bobines d'excitation de la machine principale et lui envoient un courant d'intensité déterminée indépendamment de la tanelomhaecondaino, etest-à-diro da la tendon développée aux balais secondaires* L'intensité du courant secondaire de la métsdyae est contrôlée par les ampères-tours d'un petit eosrouleasnt statorique,appelé enroulement variateur,
dont l'axe magnétique
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coïncide avec l'axe de commutation du jeu de balaie secondaire* il enroulement variateur est à son tour contrôlé par le dispositif ci-dessus mentionné qui, en principe devrait agir directement sur les bobines d' excitation de la machine principale* Lorsqu'une variation du courant secondaire est exigée, la métadyne fournit automatiquement par ses balais secondaires, une tension transitoire supplémentaire qui s'ajuste exactement à la réactance des bobines d'excitation et qui disparaît lorsque le courant secondaire atteint la valeur qui conviant*
La métadyne est ainsi insérée entre les bobines d'excitation de la machine principale et le dispositif qui, en principe,
devrait agir directement sur les bobines d'excitation et elle intervient comme un apllfioa- teur remplissant la fonction importante de fournir automatiquement une tension supplémentaire convenable pour surmonter l'effet de réactance des bobines d'excitation de la machine principale-
On comprendra mieux les caractéristiques nouvelles et les avantages de l'invention en se référant à la description suivante ainsi qu'aux dessins qui l'accompagnent, donnés simplement à titre d'exemples et dans lesquels :
La Fig.1 schématise le principe de l'invention,
Las Fig. 2, 3 et 4 représentent en détails la machina généralement utilisée,
La Fig.5 schématise l'application de l'invention à un alternateur,
La Fig.6 est un schéma représentant les périodes transitoires du courant et de la tension appliquée aux bobines d'excitation,
Les Fig. 7 et 8 se réfèrent à un équipement de traction,
Les lige 9 et 10 envisagent l'application à un équipement Diesel-électrique,
Les Fig.11 et 12 concernent une application à une dynamo,
Les Fige 15, 14 et 15 sont des variantes de cette dernière ap- plication,
Les Fig.
16 et 17 concernent une autre application à un équipanent Diesel-électrique, et
Les Fig* 18, 19 et 20 représentent deux variantes du schéma
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Nous référant à la Fig.1, la machine principale.quelle que soit la nature de son courant, est représentée par un cercle, les lettres 3 et 2
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représentent nsp80tivElIlent l'excitation et la métadyne spéciale* La métadyne comporte deuz jeux de balais* Les balais primaires 1 et a ne sont pas connectée à une source extérieure mais sont couit-cireiùtdso Les balais secondaires b et sont connectés au champ 3 de la machine principale 1- Cette métadyne appelée "mêtadyne conformatrioe" résulte d'une modification du schéma général de la métadyne pour la rendre adéquate au but poursuivi* L'axe magnétique de l'enroulement variateur 4 est,
comme représenté, dirigé suivent la ligne droite joi-
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gnant les deux balais seoondaires b et j- Cet axe est également l'axe de ocm- mutation de ces balaie -ce que l'on peut voir immédiatement en considérant l'action magnétique entre les enroulements du stator et du rotor- L'enroulement variateur 4 peut titre contrôlé par le dispositif qui, en principe, devrait agir directement sur le champ de la machine principale- Pour rendre l'exposé plus général, la figure ne représente pas ce dispositif* Il peut être de très faibles dimensions, même si la machine 1 est de forte puissance parce que l'éner- gie nécessaire pour alimenter l'enroulement variateur 4 de faible réactance est faible-
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La tig8 représente quelques détails caustructifs de la métadyne confoxmatrice- Tour'simplifier,
celle-ci est supposée ne comporter qu'un cycxla3 les balais primaires a. et .2. sont coiirtaireultée; les balais secondaires b et 1 sont connectés à l'excitation de la machine proncipale. Le stator, au lieu d'être constitué par un simple anneau magnétique, comporte quatre segments
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polaires disposés pour laisser libres les zones de coinautation des balais.
Un segment polaire de métadyne ata pas la mlme signification qu'un pale d'une dynamo ordinaire où chaque pôle porte le flux total et où. un pâle Nord est
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toujours suivie d'un pôle Sud et vice-versa- Dans une métadyie, un segment polaire porte habituellement une partie du flux total et un segmant polaire d'une polarité peut titre suivi par un segment polaire de même polarité, de
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polarité opposea ou ne portant aucun flux, la distribution du flux dépendant de la charge- L'enroulement variateur 4 est distribué sur les quatre segments polaires et l'axe du champ magnétique qu'il engendre dans son ensemble est dirigé suivant la ligne @-d des balais secondaires,
c'est-à-dire suivant l'axe
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de eaamutation du courant secondaire*
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circuiter les balais primaires non directement mais à travers un enroulemant statorique appelé "aaroulement stabilisateur primaire" qui est ainsi traversa par le courant primaire et qui induit entra les balais primaires, une força électro-motrice qui s'oppose au courant primaire* La figure 3 représente cette disposition dans laquelle l'enroulement stabilisateur primaire est indique par 5. On peut utiliser des pôles de commutation qui doivent être placés dans les espaces libres séparant les segments polaires- Ces ptles doivent être magnétisme
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par des ampères..tours appropriés engendrés par la couvmt lui-m%e, comme l'in- clique la fig.4.
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La fige reprêsante le schéma général de l'application de la présente invention à un alternateur 1 dont l'excitation 3 peut être réglée par l'intermédiaire d'un vibreur 10 insérant ou court-circuitent périodiquement une résistance 11. Le vibrateur ne doit pas contrbler directement le courant d'ezcoi- -tation 3,mais le courant dans lleuroulanent variateur 4 de la métadyna conforma' trice 2 qui exige environ le centième de l'énergie qui serait nécessaire pour agir directement sur le champ 3 de la machine principale-
Le schéma de la fig*6 représentaune comparaison entre le fana-
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tionnement avec et sans l'application de la présente invention* Le tempx t est porté en abscisses* A l'origine des temps,
l'intensité qui traverse les bobines d'excitation 3 a une valeur c a et la tension aux bornes de l'excita ion a la
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valeur .2..i égale à la chute obmiqu9aans les bobines* Supposons que l'excitation 3 soit alimentée par un réseau de tension constante par l'intermédiaire d'une résistance qui peut 'être modifiée par un puissant vibrateur et qu'à l'instant tl ,
le vibrateur court..circuite cette résistance* Ainsi la tension appliquée aux bobines d'excitation croîtra instantanément à la valeur tlg et restera cons-
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tante par la suite coma l'indique la ligne g Le courant d'excitation augnen- tera très lentement en raison de la self élevée des bobines et elle suivra una loi exponentielle b c en fonction du temps* Suivant le schéma 5, la petit vi-
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brateur 10 .en supprimant la résistance 11, oblignra la métadyae confonmatriea à donner automatiquement une pointe de tension secondaire élevas suivant la
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ligne 1S 11 et cette tension, à son tour, accélérera Il accroissement du courant dans l' excitation cantonnement à la ligne g i.
Dtautre part, 1' ah da tension disparaîtra au fur et à mesura que l'excitation atteindra sa valeur de régime*
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(quipsnent de traction par trolley* Les balais primaires a et q de la métadyne tn6nxfonnatnco 1 Sont connectés respectivement à la ligne de contact et à la torte;
les balais secondaires b et d sont connectés aux moteurs de traction 15 et 16 cantonnement aumode de connexion bien connu dit "en huit"* Le courant
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secondaire Ia de la métad3n1 transformatrice traverse les moteurs et il doit nécessairement être une fonction de la tension Vbd développée aux homes secon-
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daires, aomne le représente le diagramme de la fig-86 Pour cela, l'enroulement 3 de la métadyne transfo matrice 1 est alimenté par un courant suivant une loi similaire à celle qui est représentée par la fig.8.
Cela peut être obtenu à
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l'aide d'une dynamo spéciale appelée "dynamo modulatrice" qui est excitée différdntiellammt par la tension de la ligne et la tension apparaissant aux balais secondaires Vbd de la métadyne transformatrice le ûne telle dynamo modulatrice est une machine relativement mal utilisée et son rendement est relativement faible* Conformément à l'invention, la dynamo modulatrice 12 au lieu d'alimenter
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directement l'enroulement variateur 3 de la métadyne tranofmatrice principale 1 n'alimente que l'enroulement variateur très petit 4 de la métadyna cctnfoxmatrics 2 dont les balais secondaires alimentent à leur tour, l'enroulement variateur 3
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de la métadyne transformatrice principale le Ainsi,
la dynamo modulatrice est très petite et sa mauvaise utilisation est sans conséquence' De plus, son action est très rapide - raison de l'interposition de la métadvna confolmatrice, Les enroulements différentiels de la dynamo modulatrice sont représentés par 13 et 14 de la figure 7.
Les fige 9et 10 représentent l' application de l'invention à une installation Diesel-électrique* On suppose que le moteur Diesel,ou tout autre moteur primaire, entraine la métadyne génératrice 1 dont les balais primaires
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g et .9..ont connectés à une source auxiliaire 18 de courant continu de tension constante et dont les balais secondaires b et d sont connectés aux moteurs 15 et 16 au à tout autre appareil d'utilisation.
Le courant secondaire 12 de la mêtadyne génératrice principale 1 traverse les moteurs et on désire qu'il varie lorsque la tension d'alimentation Vbd varie de telle manière que la puissance
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fournie soit constante, etest-à-dire que la tension varie en fonction de l'intemsi%' suivant uns hyperbole représentée à la fig10 on a suggéré différents dis- positifs pour obtenir ce résultat,, Suivant une de ces réalisations, on peut utiliser une dynamo régulatrice consistant essentiellement dans sa meilleure tome
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en une dynamo shunt non saturée appelée "dynamo régulatrice", entraînée par le marna arbre que le moteur et dont la vitesse critique est égale à la vitesse de fonctionnement du moteur Diesel.
Cette dynamo est connectée à une source de courant continu de tension constante par l'intermédiaire des bobines d'excita- tion de la machine principale, de sorte que le courant d'induit de la dynamo régulatrice traverse la bobine d'excitation de la machine principale et ajuste le champ à une valeur telle qu'à admission constante, la tension varie en fon- ction de l'intensité suivant une loi hyperbolique.
Conformément à la présente invention, le courant de la dynamo régulatrice ne traversera pas les bobines d'excitation de la machine principale mais il ne traversera que 1'enroulement variateur de faible importance de la mé- tadyne conformatrice qui, à son tour, alimentera le champ de la machine princi- pale.
Dans le cas d'une métadyne génératrice, le contrôle du courant fourni aux moteurs est obtenu au moyen d'un enroulement variateur de la métadyne génératri- ce- Ainsi, à la fig.19, la dynamo régulatrice 17 entraînée par le même arbre que la métadyne génératrice 1 est connectée à la source 18 par l'intermédiaire de l'enroulement variateur 4. de la métadyne conformatrice qui, à son tour, alimente par ses balais secondaires, l'enroulement variateur 3 de la métadyne génératrice principale 1.
Ainsi la dynamo régulatrice, qui peut %tre considérée comme 1. cerveau de l'installation, est une machine très petite et très sensible de sorte que son action éventuelle par l'intermédiaire de la métadyne conformatrice, est puissante et rapide-
Bien que la dynamo régulatrice ait été considérée ici comme un dispositif Remettant d'obtenir une caractéristique volt-anpere hyperbolique, tout autre dispositif peut être utilisé dans le même but, la métadyne conformatrice étant interposée entre lui et le champ de la machine principale,
Une autre application importante de la présente invention concerne les dynamos .qu'allas fonctionnent comme générateurs ou comme moteurs, et dont le courant fourni ou absorbé doit éventuellement être contrôlé* Dans ce cas,
les ampères-tours du variateur de la métadyne conformatrice sont opposés à des ampères-tours quelconques proportionnels au courant de la dynamo princi- pale, comme le représente la fig.11. Les ampères-tours d'opposition sont représentés en 19 et sont engendrés par quelques tours traversés par le courant I de la dynamo principale 1. Ainsi, le courant I s'ajustera jusqu'à créer dans
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roulement 4 à une quantité 2 près nécessaire pour engendrer le courant circulant
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rétiletnamt dans l'airoulement 5.
Pour compenser ces ampères-tours P, la méta@ne confomatrici est pourvue d'un enroulement secondaire supplémentaire 20 connecté aux bornes du générateur principal 1, comme le représente la Fig.13., ou d'un enroulement secondaire supplémentaire 22 connecté aux balais secondaires de la
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métad3ne aonfomatriae elle-omtme, comme le représente la fig 14 Dans le cas où les ampères-tours P sont produits par un moyen quelconque? le courant I de la machine principale suit exactement la valeur des ampères-tours engendrés dans
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l'enroulement variateur 4 de la métadyne aonfaraatrias, qui est alors dite "antatiquo- La disposition représentée à la fig*15 fera à proportionnel aux ampères-tours de 4 jusqu'à la saturation, soit de la machine principale 1,
ou de la métadyne aonfomatniae 2- La disposition de la Fig14 fera à proportionnel aux ampères-tours de 4 jusqu'à ce que la saturation de la métadyne oonfonnatrioe sera atteinte indépendamment de la saturation de la machine principale*
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Supposons que l'on utilise une métadyne conformatriae asiatique et que les ampères-tours de le enroulement Variateur 4 soient maintenus constante Dans ce cas,
le courant 1 sera maintenu constant et la caractéristique volt-
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ampère sera représentée par la ligne droite el de la fig.12- Si les ampères- tours de l'enroulement variateur varient suivant les ordonnées de la ligne c-d-e de la tige a. la même loi sera suivie par le courant I de la machine principale- L'enroulement variateur supplémentaire 20 de la fig.13 et celui qui est indiqué par 22 de la fige 14: peuvent être utilisés simultanément- Au
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lieu des anpères-tours antagonistes 19 dans la métadyne confamatrice, on peut utiliser les anpères-toura séries créés par le courant principal I s'opposant au:
ampères-tours du champ principal 3 représenté à la fig.16- La fig. 15 donne un schéma dérivé de celui de la fig.14 en substituant à l'enroulement 19 de la mé-
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tadyne acmfannatrice, un enroulement 21 disposé sur la machine principale*
Les fig.16 et 17 représentent l'application de l'invention à une dynamo 1 entraînée par un moteur Diesel ou tout autre moteur primaire dans le cas où l'on désire maintenir constante la puissance de la dynamo* Le dispositif spécial utilisé dans ce but et représenté à la fig.16, est une dynamo régulatrice déjà mentionnée à propos de la description de la fig.9.
La dynamo régu-
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latrice 23, #esrésmt4eà la fige 16, est montée sur le mémo arbre que la dynamo principale 1- Le courant de la dynamo régulatrice traverse un premier Enroule-
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tenant variateur 24 de la métadyne ooniormatrioe a* 1)9 courant I de la dynamo principale 1 traverse un second enroulement variateur 19 de la métadyne oonfor- matrice 2.
Enfin, un troisième enroulement variateur 4 de la métadyne conformatrioe engendre des ampères-tours constants sous l'effet d'un courant fourni par la batterie le* Représentons par la ligne droite c-d le diagramme des ampèrestours constants de l'enroulement 4 en portant, comme à la fig.17, en abscisses
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la tension V fournie par la dynamo principale 1' la ligne .9.-.&-,2 représente les ampères-tours secondaires nécessaires pour alimenter la bobine de c@amp 3 sous une intensité correspondant à la tension V.
Ainsi, la ligne c-a-e dont les or-
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données représentant la différence des ordonnées des lignes eut .9.-,2 repré- sentera les ampères-tours de l'enroulement 19 et, par conséquent, le courant I de la dynamo principale 1 dans le cas où la dynamo régulatrice ne fonctionne pas Si la dynamo régulatrice 23 fonctionne, les ampères-tours de l'enroulement 19
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se représenteront par l'hyperbole gg f-gr..k.g Si, maintenant, la dynamo rfgu- latrice ne peut fonctionner que dans un domaine g-h-k, les ampères-tours de 19 et paruite le courant I de la dynamo principale 1 se représenteront par la
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ligne complexe o-g.h-¯k-e qui présente une forme très utile.
Pour certains cas spéciaux, la tonne de cette courbe complexe est perfectionnée grâce à "'utilesation d'une métaàyne oonfornatrioe 8 poul"9USld'un enroulement variat EI\1r additionnel connecté aux bornes de la dynamo principale 1 ou d'un 8IlroulemEilt variateur additionnel connecté aux bornes des balaie secondaires de l'tnroulem8llt variateur-
On comprendra facilement qu'au lieu d'une dynamo régulatrice ? on peut utiliser tout autre dispositif du marne genre, par exemple un vibreur de réglage du courant ou une dynamo spéciale de caractéristique appropriée:
dans
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certains cas, l'interposition de la métadyne oonfonnatrica constituera un per- factionnematit important*
La fig.18 représente le schéma général d'une disposition utili-
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sant, au lieu d'une métadyne conformatrice, une métadyne transformatrice 85 dont les balais primaires q et a sont supposés être connectés à une source de tension continue constante las Le schéma de la fiS.18 est dêritd du schéma fondamental de la fig. par substitution de la métadyna transformatrice 25 à la métadyne conformatrice 2. Le fonctionnement est analogue et la plupart des
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transposés à la métadyne %FaaBforaa%2ioe.
Ainsi, le schéma de la fige 19 qui' utilise la métadyne transfomatrioe 26 a été directaaaat déduit du acharna de la fig*14 utilisant une màtadjne oonfonnabrioa go La métadyne transformatrice présente le désavantage d' exiger une source de courant continu auxiliaire do tension constante*
La fig.20 donne la schéma général d'une autre variante où la
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métadyne oonfomatrioe est remplacée par une dynamo spéciale 26 connue sous le non de dynamo K emare La dynamo Kraemer se joint à la métadyne pour fournir de façon convenable un courant continu d'intensité diteiminée sous une tension variable mais aom action est retardée alors que la métadque agit très rapide- menti de plus, la dynamo Kraemer doit tourner à vitesse définie,
qui correspond à sa vitesse critique lorsqu'elle est shunt, taudis que la métadyne peut tourner
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à une Vitesse quelconque* Sous ta forae générale, la dynamo Kraeener comporte trois enroulements : un enroulement shunt 22, un enroulement série 27 et un enroulement d'excitation séparée 4' Cet enroulement 4 joue un rôle analogue à
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l'enroulement variateur 4 de la métadyne confonnatrice 2 du schéma général de la fiel- Il est aisé pour le spécialiste de déduire d'un schéma spécial utilisant une m6tad2ne conormatrice,
le schéma correspondant utilisant une dynamo Kraemer-
Toute modification des enroulements de la métadyne ou de la dynamo Kraemer peut être conque par un spécialiste ou toute autre application peut %tre imaginée restant tans l'esprit de la présente invention*
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-t- R B S U lt 2 -1- #!#!**!** !*'!" !** Perfectionnements au contrôle de l'excitation de machinas élec- triques par des dispositifs sensibles à une grandeur variable quelconque suivant laquelle le courant d'excitation de la machine principale, au lieu d'être directement contrôlé par cette grandeur,
est fourni par une machine spéciale
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qui peut atrs elle.aame contrôlée par cette grandeur de manière à engendrer le courant nécessaire au circuit d'excitation de la machine principale* Cantonnement à l'invention, cette machine auxiliaire peut être
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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DESCRIPTIVE MEMORY filed in support of a patent application IMPROVEMENTS IN THE CONTROL OF THE EXCITATION OF ELECTRIC MACHINES .-
The present invention relates to electric machines, the field of which must be continuously adjusted so as to obtain a determined characteristic, for example a voltage independent of the load or varying in a well-defined manner with the intensity, or a torque varying. according to a well-determined function of the speed * We usually use various means sensitive to variations of a variable quantity and which act on the excitation to increase or decrease its ampere-turns * This adjustment is obtained by modifying the voltage at limits of the excitation.
When the excitation coils have a very high self compared to their resistances, the current follows the voltage changes with a certain delay which disturbs the effect of the adjustment * In addition,
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par.il1ag8 using the device sensitive to variations of the variable quantity and adjusting the voltage across the excitation coils, is generally complicated and expensive and its sensitivity decreases rapidly when the electrical energy required for excitation increases *
In accordance with the present invention, means are provided for accelerating the modification of the current in the field coils required by the sensitive device. These means,
although controlled by a sensitive device of relatively low capacity, will be able to act on the excitation of a large machine
The present invention essentially consists in using a special machine which supplies the field coils of the main machine with a current which is controlled by the device which normally should act directly on the excitation coils of the main machine * The special machine is , preferably an appropriately constructed metadyne * The metadyne consists essentially of a wound rotor with a manifold
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like an ordinary dynamo * The main purpose of the stator is to reserve for the fluxes generated by the rotor currents, a low reluctance magnetic circuit Generally:
the collector carries two sets of brushes * The current passing through one of these sets generates a flow which induces an electromotive force between the brushes of the other set * One of the sets of brushes, called the primary set, is crossed by a current known as primary current and, generally, connected to a DC power source - The other set of brushes, called secondary set, through which the secondary current passes, is generally connected to the devices of use
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powered by metadyne A detailed description of metadyne is given in May article Heading 1 "3squissa on Metadyne" by J3 PE3TARJ ::
NI, published in the scientific bulletin A'I'M * N * 4 -April 1931- of the Association des Ingénieurs .... te Electriciens, published by the Institut Electrcjbhaique liontefiore in Liège. According to the invention, the secondary brushes of the
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metadyne are connected to the excitation coils of the main machine and send it a current of determined intensity independently of the tanelomhaecondaino, etest-to-diro from the tendon developed to the secondary brushes * The intensity of the secondary current of the metsdyae is controlled by the ampere-turns of a small stator eosrouleasnt, called the inverter winding,
whose magnetic axis
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coincides with the switching axis of the secondary brush set * it inverter winding is in turn controlled by the above mentioned device which in principle should act directly on the excitation coils of the main machine * When a variation of the secondary current is required, the metadyne automatically supplies by its secondary brushes, an additional transient voltage which adjusts exactly to the reactance of the excitation coils and which disappears when the secondary current reaches the appropriate value *
The metadyne is thus inserted between the excitation coils of the main machine and the device which, in principle,
should act directly on the excitation coils and it acts as an apllfioator fulfilling the important function of automatically supplying a suitable additional voltage to overcome the reactance effect of the excitation coils of the main machine.
The new characteristics and the advantages of the invention will be better understood by referring to the following description as well as to the accompanying drawings, given simply by way of examples and in which:
Fig. 1 schematizes the principle of the invention,
Las Fig. 2, 3 and 4 represent in detail the machina generally used,
Fig. 5 shows schematically the application of the invention to an alternator,
Fig. 6 is a diagram showing the transient periods of the current and the voltage applied to the excitation coils,
Figs. 7 and 8 refer to traction equipment,
Lines 9 and 10 envisage the application to diesel-electric equipment,
Figs. 11 and 12 relate to an application to a dynamo,
Figs 15, 14 and 15 are variants of this last application,
Figs.
16 and 17 relate to another application to a Diesel-electric equipment, and
Figs * 18, 19 and 20 represent two variants of the diagram
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Referring to Fig. 1, the main machine, whatever the nature of its current, is represented by a circle, the letters 3 and 2
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represent nsp80tivElent excitation and special metadyne * The metadyne has two sets of brushes * The primary brushes 1 and a are not connected to an external source but are couit-waxiùtdso The secondary brushes b and are connected to field 3 of the machine main 1- This metadyne called "metadyne conformatrioe" results from a modification of the general scheme of the metadyne to make it suitable for the purpose pursued * The magnetic axis of the inverter winding 4 is,
as shown, directed follow the straight line joi-
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gnant the two secondary brushes b and j- This axis is also the axis of ocm- mutation of these brushes - which can be seen immediately by considering the magnetic action between the windings of the stator and the rotor - The winding variator 4 can be controlled by the device which, in principle, should act directly on the field of the main machine - To make the explanation more general, the figure does not represent this device * It can be very small, even if machine 1 is of high power because the energy necessary to supply the inverter winding 4 of low reactance is low-
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The tig8 represents some caustructive details of the confoxmatrice metadyne- Tour'simplifier,
this is supposed to include only one cycxla3 the primary brushes a. and .2. are coiirtaireultée; the secondary brushes b and 1 are connected to the excitation of the main machine. The stator, instead of being made of a simple magnetic ring, has four segments
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poles arranged to leave free the areas of coautation of the brushes.
A polar segment of metadyne has not the same meaning as a blade of an ordinary dynamo where each pole carries the total flux and where. a pale North East
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always followed by a South pole and vice-versa - In a metadyia, a polar segment usually carries part of the total flux and a polar segment of one polarity may be followed by a polar segment of the same polarity, of
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opposite polarity or carrying no flux, the distribution of the flux depending on the load - The inverter winding 4 is distributed over the four pole segments and the axis of the magnetic field that it generates as a whole is directed along the line @ - d secondary brushes,
that is to say along the axis
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of secondary current switching *
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circuit the primary brushes not directly but through a stator winding called "primary stabilizer aaroulement" which is thus crossed by the primary current and which induces entered the primary brushes, an electro-motor force which opposes the primary current * Figure 3 represents this arrangement in which the primary stabilizing winding is indicated by 5. Switching poles can be used which must be placed in the free spaces between the pole segments - These poles must be magnetism
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by appropriate amperes..turns generated by the cover itself, as shown in fig.4.
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The figure represents the general diagram of the application of the present invention to an alternator 1 whose excitation 3 can be adjusted by means of a vibrator 10 periodically inserting or short-circuiting a resistor 11. The vibrator must not directly control the current of ecoi- -tation 3, but the current in the inverter 4 of the conforming metadyna 2 which requires about one hundredth of the energy that would be necessary to act directly on the field 3 of the main machine-
The diagram in fig * 6 represents a comparison between the fanatic
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operation with and without the application of the present invention * The tempx t is shown on the abscissa * At the origin of the times,
the current flowing through the excitation coils 3 has a value c a and the voltage across the excitation terminals has a
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value .2..i equal to the obmiqu9a drop in the coils * Suppose that the excitation 3 is supplied by a constant voltage network via a resistance which can be modified by a powerful vibrator and that l 'instant tl,
the vibrator short ... circuits this resistance * Thus the voltage applied to the excitation coils will increase instantaneously to the value tlg and will remain constant
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aunt subsequently coma indicates the line g The excitation current will increase very slowly due to the high self-inductance of the coils and it will follow an exponential law b c as a function of time * According to diagram 5, the small vi-
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brateur 10. by removing resistance 11, will obliterate the confonmatriea metadyae to automatically give a peak of secondary tension raised according to the
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line 1S 11 and this voltage, in turn, will accelerate the increase in current in the excitation confined to line g i.
On the other hand, the ah of tension will disappear as the excitation reaches its operating value *
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(equipped with traction by trolley * The primary brushes a and q of the metadyne tn6nxfonnatnco 1 Are connected respectively to the contact line and to the torte;
the secondary brushes b and d are connected to the traction motors 15 and 16 confined to the well-known connection mode called "in eight" *
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secondary Ia of the transformer metad3n1 passes through the motors and it must necessarily be a function of the voltage Vbd developed at the secondary
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daires, autumn represents the diagram of fig-86 For this, the winding 3 of the metadyne transformer matrix 1 is supplied by a current according to a law similar to that shown in fig.8.
This can be obtained at
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using a special dynamo called a "modulating dynamo" which is excited differently by the voltage of the line and the voltage appearing at the secondary brushes Vbd of the transformer metadyne, such a dynamo modulator is a relatively poorly used machine and its efficiency is relatively low * According to the invention, the modulator dynamo 12 instead of supplying
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directly the variator winding 3 of the main transmitting metadyne 1 supplies only the very small variator winding 4 of the cctnfoxmatrics 2 metadyna whose secondary brushes in turn power the variator winding 3
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of the main transforming metadyne on Thus,
the modulator dynamo is very small and its misuse is inconsequential 'In addition, its action is very fast - due to the interposition of the confolmatrice metadvna, The differential windings of the modulator dynamo are represented by 13 and 14 in figure 7 .
Figures 9 and 10 represent the application of the invention to a diesel-electric installation * It is assumed that the diesel engine, or any other primary engine, drives the generator metadyne 1, the primary brushes of which
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g and .9..ont connected to an auxiliary source 18 of direct current of constant voltage and whose secondary brushes b and d are connected to motors 15 and 16 to any other device of use.
The secondary current 12 of the main generator metadyne 1 passes through the motors and it is desired that it varies when the supply voltage Vbd varies in such a way that the power
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given is constant, and that is to say that the voltage varies as a function of the intemsi% 'following a hyperbola shown in fig10, various devices have been suggested to obtain this result ,, According to one of these embodiments, we can use a regulating dynamo consisting essentially of its best volume
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into an unsaturated shunt dynamo called "regulator dynamo", driven by the marna shaft as the engine and whose critical speed is equal to the operating speed of the Diesel engine.
This dynamo is connected to a direct current source of constant voltage through the excitation coils of the main machine, so that the armature current of the regulating dynamo passes through the excitation coil of the machine. main and adjusts the field to a value such that at constant admission, the voltage varies as a function of the intensity according to a hyperbolic law.
In accordance with the present invention, the current from the dynamo regulator will not flow through the drive coils of the main machine, but will flow through only the minor inverter winding of the shaping metadyne which, in turn, will feed the drive. field of the main machine.
In the case of a generator metadyne, the control of the current supplied to the motors is obtained by means of a variable winding of the generator metadyne- Thus, in fig. 19, the regulating dynamo 17 driven by the same shaft as the generator metadyne 1 is connected to the source 18 via the variator winding 4 of the shaping metadyne which, in turn, feeds by its secondary brushes, the variator winding 3 of the main generator metadyne 1.
Thus the regulating dynamo, which can% be considered as the 1st brain of the installation, is a very small and very sensitive machine so that its possible action by the intermediary of the conforming metadyne is powerful and rapid.
Although the regulating dynamo has been considered here as a remitting device to obtain a hyperbolic volt-anpere characteristic, any other device can be used for the same purpose, the shaping metadyne being interposed between it and the field of the main machine,
Another important application of the present invention relates to the dynamos that allas function as generators or as motors, and whose current supplied or absorbed must possibly be controlled * In this case,
the ampere-turns of the shaping metadyne variator are opposed to any ampere-turns proportional to the current of the main dynamo, as shown in fig. 11. The opposing ampere-turns are represented in 19 and are generated by a few turns crossed by the current I of the main dynamo 1. Thus, the current I will adjust until creating in
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bearing 4 to a quantity 2 near necessary to generate the circulating current
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retiletnamt in the airflow 5.
To compensate for these ampere-turns P, the meta @ ne confomatrici is provided with an additional secondary winding 20 connected to the terminals of the main generator 1, as shown in Fig. 13., Or with an additional secondary winding 22 connected to the brushes. secondary of the
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metad3ne aonfomatriae itself, as shown in fig 14 In the event that the ampere-turns P are produced by some means? the current I of the main machine follows exactly the value of the ampere-turns generated in
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the inverter winding 4 of the metadyne aonfaraatrias, which is then called "antiquo- The arrangement shown in fig * 15 will be proportional to the ampere-turns of 4 until saturation, or of the main machine 1,
or metadyne aonfomatniae 2- The arrangement of Fig14 will be proportional to the ampere-turns of 4 until the saturation of the metadyne oonfonnatrioe will be reached regardless of the saturation of the main machine *
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Suppose that we are using an Asian metadyne conformatriae and that the ampere-turns of the inverter winding 4 are kept constant In this case,
current 1 will be kept constant and the volt- characteristic
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ampere will be represented by the straight line el in fig.12- If the amperes-turns of the inverter winding vary according to the ordinates of line c-d-e of rod a. the same law will be followed by the current I of the main machine - The additional inverter winding 20 of fig. 13 and that indicated by 22 of fig 14: can be used simultaneously - Au
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Instead of the antagonistic anpères-turns 19 in the confamatory metadyne, we can use the anpères-toura series created by the main stream I opposing the:
ampere-turns of the main field 3 shown in fig. 16- Fig. 15 gives a diagram derived from that of fig. 14 by substituting for the winding 19 of the metal
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tadyne acmfannatrice, a winding 21 arranged on the main machine *
Figs. 16 and 17 represent the application of the invention to a dynamo 1 driven by a diesel engine or any other primary engine in the case where it is desired to keep the power of the dynamo constant * The special device used in this object and represented in fig. 16, is a regulating dynamo already mentioned in connection with the description of fig. 9.
The regular dynamo
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latrice 23, # esrésmt4e at freeze 16, is mounted on the memo shaft that the main dynamo 1- The current of the regulating dynamo passes through a first Winding-
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holding variator 24 of the ooniormatrioe metadyne a * 1) 9 current I of the main dynamo 1 passes through a second variator winding 19 of the oonfor- matrix 2 metadyne.
Finally, a third variator winding 4 of the conformatrioe metadyne generates constant ampere-turns under the effect of a current supplied by the battery * Let us represent by the straight line cd the diagram of the constant amperesours of the winding 4 by carrying, as in fig. 17, on the x-axis
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the voltage V supplied by the main dynamo 1 'the line .9 .-. & -, 2 represents the secondary ampere-turns necessary to supply the coil of c @ amp 3 at an intensity corresponding to the voltage V.
Thus, the line c-a-e whose or-
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data representing the difference of the ordinates of the lines eu .9 .-, 2 will represent the ampere-turns of the winding 19 and, consequently, the current I of the main dynamo 1 in the event that the regulating dynamo is not working If the regulating dynamo 23 is working, the ampere-turns of winding 19
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will be represented by the hyperbola gg f-gr..kg If, now, the rfgu- rating dynamo can only operate in a ghk domain, the ampere-turns of 19 and consequently the current I of the main dynamo 1 will be represented by the
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complex line o-g.h-¯k-e which has a very useful form.
For certain special cases, the ton of this complex curve is perfected thanks to "'use of an oonfornatrioe 8 pulse metayne" 9USl of an additional EI \ 1r variable winding connected to the terminals of the main dynamo 1 or of an additional 8IroulemEilt variator connected to the terminals of the secondary brushes of the inverter tnroulem8llt
It will be easily understood that instead of a regulating dynamo? any other device of the same type can be used, for example a current adjustment vibrator or a special dynamo of suitable characteristic:
in
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some cases, the interposition of the metadyne oonfonnatrica will constitute an important performance *
Fig. 18 shows the general diagram of an arrangement used
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sant, instead of a conforming metadyne, a transforming metadyne 85 whose primary brushes q and a are assumed to be connected to a constant DC voltage source. The diagram of fiS.18 is derived from the basic diagram of fig. by substitution of the transforming metadyna 25 for the conforming metadyne 2. The operation is similar and most of the
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transposed to the% FaaBforaa% 2ioe metadyne.
Thus, the diagram of fig 19 which uses the transfomatrioe metadyne 26 has been directly deduced from the relentlessness of fig * 14 using an oonfonnabrioa go metadyne The transformative metadyne has the disadvantage of requiring an auxiliary direct current source of constant voltage *
Fig. 20 gives the general diagram of another variant where the
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metadyne oonfomatrioe is replaced by a special dynamo 26 known by the name of dynamo K emare The Kraemer dynamo joins the metadyne to suitably provide a direct current of said reduced intensity under a variable voltage but the action is delayed while the meta acts very quickly - moreover, the Kraemer dynamo must turn at defined speed,
which corresponds to its critical speed when shunted, slums that the metadyne can turn
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at any speed * Under general terms, the Kraeener dynamo has three windings: a shunt winding 22, a series winding 27 and a separate excitation winding 4 'This winding 4 plays a role analogous to
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the variable winding 4 of the conforming metadyne 2 of the general diagram of the gall- It is easy for the specialist to deduce from a special diagram using a conforming metadyne,
the corresponding diagram using a Kraemer dynamo-
Any modification of the windings of the metadyne or of the Kraemer dynamo can be devised by a specialist or any other application can be imagined remaining within the spirit of the present invention *
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-t- RBSU lt 2 -1- #! #! **! **! * '! "! ** Improvements in the control of the excitation of electric machines by devices sensitive to any variable quantity according to which the excitation current of the main machine, instead of being directly controlled by this quantity,
is supplied by a special machine
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which can be controlled by this magnitude so as to generate the current necessary for the excitation circuit of the main machine * Limited to the invention, this auxiliary machine can be
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.