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procédé et système pour commander la vitesse d'un moteur électrique. La présente invention se rapporte à. un procédé et à des systèmes de commande de rotation et plus particulièrement à une commande de moteur à vitesse variable, ainsi qu'à son application aux systèmes de commande de position.
Il a été désiré depuis longtemps, dans un grand nombre d'industries où des machines ou mécanismes à mouvement de rotation sont employés, de pouvoir modifier continuellement la vitesse de rotation dans une grande mesure (entre de larges limites) et également de pouvoir obtenir que la vitesse, en tout point donné de l'installation, reste pratiquement constante, quelle que soit la charge en ce point.
Depuis longtemps également il est désirable de pouvoir aisément et exactement modifier la position d'un corps à un point écarté en accord avec un change ment de position d'un organe de commande on un point rapproché, par exemple dans les commandes à distance de soupapes, indicateurs de signalisation, etc.
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conformément à la présente invention, il est créé un système de commande de moteur à vitesse variable, dans lequel une vi- tesse continuellement variable peut être obtenue, cette vitesse étant variable entre de très larges limites, tout en restant sensiblement constante en tout point désiré pour une grande modification de la charge du moteur.
L'invention prévoit également l'application de ce système de contrôle de moteur à vitesse variable à un système pour contrôler, commander la position d'un objet ou corps éloigné.
Suivant l'invention, un moteur à armature, qui tourne de préférence dans un champ magnétique continu, est alimenté de courant à l'armature à l'aide d'un tube à décharge électronique dont le potentiel à la grille dépend de la vitesse désirée et simultanément de la vitesse qu'atteint à ce moment le moteur.
Conformément à une variante de l'invention, le potentiel grille du tube à décharge est un potentiel constant de courant continu auquel est opposée la force contre-électro-motrice développée par le moteur ou par un voltage opposé correspondant, tandis que le circuit anode cathode du tube est énergétisé à partir d'une source de courant alternatif.
Dans une autre réalisation, le potentiel à la grille du tube à décharge électronique est du type alternatif, mais il est changé en phases par rapport au potentiel alternatif anodecathode, dan s une direction de manière à rendre le potentiel grille moins conducteur pour une vitesse accrue, la force contre électromotrice du moteur étant opposée au potentiel anodique.
Au dessin annexé à titre d'exemple non limitatif : fig.l est un diagramme schématique de la variante danslaquelle la force contre électromotrice est opposée au potentiel de grille du tube, fig. 2 est un diagramme schématique d'une variante où la phase du potentiel de grille est décalée par rapport au potentiel anodique, la force contre électromotrice du moteur étant opposée au potentiel anodique,
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fig.3 est un diagramme schématique d'une modification de la fig.l, dans laquelle le moteur peut être amené à un arrêt brusque, fig. 4 est un diagramme schématique représentant l'application de l'invention, fig.1, à un système de contrôle ou commande de position, fig.
5, 6 et 7 sont des représentations schématiques de dispositifs mécaniques susceptibles d'être employées avec le système représenté à la fi.4.
Le moteur 1, fig.l,' possède une armature 2 et un enroulement de champ 3, à excitation séparée énergétisé à partir d'une source de courant. Le moteur peut également être équipé, si c'est désirable, d'un enroulement série de champ 4. Il peut être du type à enroulement shunt ou à enroulement compound. Un tube 5 à décharge électrique, est prévu avec sa cathode 6, une grille ou électrode de commande 7, et une anode 8. Le circuit anode-cathode du tube est relié à une source de courant alternatif et comporte, en série, une bobine de réactance 9,-qui peut être shuntée du circuit au moyen de l'interrupteur 10 - et l'armature 2 du moteur.
Il est à noter que le circuit d'armature est pourvu d'un commutateur monopolaire 11 à deux positions qui, quand il est fermé dans sa position supérieure, relie directement l'armature au circuit anode-cathode tandis que, fermé dans sa position inférieure, il relie d'abord l'armature en série avec l'enroulement de charnp 4.
Le circuit anode-cathode du tube contient également un relais bipolaire à deux positions 12 comportant une bobine de manoeuvre 13 énergétisée à partir de la source de courant par l'intermédiaire d'un interrupteur 14. Ce relais sert à renverser la direction dans laquelle l'armature est reliée dans le circuit anode-cathode du tube 5.
Le circuit grille cathode du tube 5 est pourvu d'un rhéostat 15 limitateur de courant, et il reçoit un potentiel positif bias du potentiomètre 16 relié à travers la source de courant continu.
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Il est à noter que la chute au travers du potentiomètre 16 n'est pas communiquée directement au travers de la grille et de la cathode du tube 5, mais est reliée de manière à être opposée en série soustraction à la force contre électromotrice de l'armature 2 du. moteur, au moyen des conducteurs 17 et 18.
Le fonctionnement est comme suit. Le commutateur 11 étant dans sa position supérieure de manière que le champ de série ne soit pas dans le circuit, et l'interrupteur 10 étant fermé de manière que l'inductance 9 ne soit pas active, le potentiel bias positif déterminé par le potentiomètre 16 rend la grille 7 du tube suffisamment positive, de sorte que du courant de plaque s'écoulera dans chaque demi-cycle positif du système alternatif.
Ces impulsions positives traversent l'armature du moteur et en déterminent la rotation. L'armature étant plongée dans un champ magnétique continu développé par l'enroulement 3, une force contre électromotrice sera induite dans cette armature, force opposée à la chute de potentiel au travers du potentiomètre, ce qui réduit la quantité dont la grille 7 est positive par rapport à la cathode 6. Quand, le moteur atteint une certaine vitesse, la force contre électromotrice sera suffisamment grande pour vaincre le bias positif de grille et le dépasser d'une quantité suffisante de manière à empêcher la conductivité au travers du tube dans un demi-cycle successif de voltage anodique.
Ceci se continuera jusqu' à ce que la vitesse du moteur tombe assez pour rendre à nouveau la grille 7 suffisamment positive de manière que la conductivité se rétablisse au travers du tube. Le moteur 1 tournera en conséquence à une vitesse définie. Si une plus forte charge agit sur le moteur, le nombre d'impulsions passant par le tube et par l'armature du moteur augmentera pour maintenir la vitesse du moteur sensiblement constante jusqu'à ce que la limite de puissance du moteur ou du courant de tube soit atteinte.
Si maintenant le bias positif de la grille est augmenté en réglant le potentiomètre 16, il sera nécessaire que le moteur
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tourne à plus grande vitesse de manière à développer une force contre électromotrice suffisante à empêcher la conductivité dans le tube. De même, si le bias positif de la grille est diminué, il faut une plus petite force contre électromotrice pour supprimer la conductivité au tube, et par conséquent, la vitesse du moteur diminue. Donc, la vitesse du moteur peut être contrôlée entre de très larges limites sanstenir compte de la charge, en faisant varier le réglage du potentiomètre 16.
Si, dès lors, l'jnterrupteur 14 est fermé, actionnant le relais 12, les connexions de l'armature du moteur dans le circuit sont inversées. Si le moteur est en mouvement à ce moment, l'effet de cette inversion est d'augmenter brusquement le bias positif de la grille du tube 5, ce qui a pour résultat de fournir sensiblement en continu des impulsions à l'armature du moteur. Cependant, comme ces impulsions, dues à l'inversion des connexionsde l'armature, passent au travers de l'armature dans la direction inverse, le moteur s'arrêtera brusquement et renversera sa direction de rotation.
Afin d'obtenir une caractéristique de vitesse en charge plus sensiblement plane, il peut être désirable d'introduire l'enroulement de champ compound 4 dans le circuit d'armature en amenant le commutateur 11 dans sa position inférieure. Le fonctionnement du système est cependant le même que ci-dessus, en ce qui concerne les autres points.
Il a été trouvé que si le moteur tourne à une très faible vitesse et sous une très faible charge, toute impulsion Passant par l'armature suffit à donner à cette dernière une vitesse suffisante à produire une force contre électromotrice assez grande pour supprimer la conductivité au travers du tube pour plusieurs cyales de voltage anodique. Ceci tend à rendre le fonctionnement quelque peu sautillant sous ces conditions de vitesse et de charge.
Cependant, si l'interrupteur 10 est ouvert, les impulsions de courant sont suffisamment réduites en intensité de pointe pour rendre le fonctionnement considérablement plus étale.
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Dans la modification représentée à la fig. 2, le moteur 1 a également son armature reliée au circuit de plaque du tube 5 à décharge électronique. Au lieu du relais 12 inverseur de la fig.l, on utilise ici un simple interrupteur inverseur 19. La cathode 6 du tube 5 est énergétisée à partir du secondaire du transformateur 20. Le potentiel de grille est fourni,, à partir de la source de courant alternatif, au travers d'un transformateur 21. Les bornes centrales des secondaires des deux transformateurs 20 et 21 sont reliées entre elles par le conducteur 22 qui est également relié à un côté de la source de courant alternatif au moyen du conducteur 23.
Une extrémité du secondaire du transformateur 21 est reliée à une bobine de réactance 24 et de là à la résista ce 15 limitatrice de courant, laquelle est reliée à la grille 7.
Le secondaire du transformateur 21 et la bobine de réactance 24 sont cependant shuntés par le conducteur 25 qui se termine à une résistance variable 26 dont le contact réglable 27 est relié au secondaire du transformateur 21. La résistance 26 est grande par rapport à la réactance de la bobine 24, et ces deux organes constituent un circuit de décalage de phase. Quand le contact réglable 27 est en liaison directe avec le conducteur 25, de manière que la résistance 26 ne soit pas dans le circuit, le potentiel grille-cathode est en phase avec le potentiel anode-cathode et le moteur tourne à sa vitesse maximum, mais quand le contact 27 descend le long de la résistance 26, la phase du potentiel de grille est déplacée pour déterminer un déphasage par rapport au potentiel anodique et ainsi réduire la vitesse du moteur.
Les connexions du transformateur 21 sont telles que la condition en phase entre les voltages grille et anodique a pour effet de faire varier la longueur de temps de chaque demi cycle positif du voltage anodique, pendant lequel le tube 5 est conductif.
On remarquera que dans la fig. 2, la force contre électromotrice engendrée par la rotation de l'armature 2 n'est pas appliquée au circuit de grille du tube 5, mais a pour effet de réduire le potentiel anodique pendant les demi-ondulations positives.
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Donc, lescaractéristiquesdu tube 5 étant telles qu'il existe un voltage anodique minimum critique pour une valeur donnée de voltage de grille, le moteur peut augmenter de vitesse quand une partie de la résistance 26 est dans le circuit, jusqu'à ce que la force contre électromotrice du moteur ait réduit le potentiel anodique jusqu'au point où n'est plus atteint le minimum nécessaire à produire une décharge à l'instant où le potentiel de grille devient négatif. Si le moteur augmente de vitesse au-delà de ce point, il n'y aura plus d'impulsions de courant fournies à son armature et en conséquence, le moteur recommencera à diminuer de vitesse.
Il a déjà été proposé précédemment de commander un moteur du type décrit par un tube à décharge électronique danslequel les phases relatives des potentiels de grille et anodique sont décalées l'une par rapport à l'autre, de manière à contrôler la vitesse du moteur. Cependant, antérieurement, le décalage de phase entre potentiel de grille et potentiel anodique se faisant quand les deux potentiels sont déjà hors phase, ce décalage s'est toujours fait dans le sens de rapprochement de l'état de concor- dance de phase (en phase), le potentiel de grille étant en re trait sur le potentiel anodique. Le résultat de cette disposition était de réduire la puissance fournie au moteur, lors du démarrage, à une valeur tellement faible qu'il était impossible de démarrer sous une charge quelque peu conséquente.
Dans la disposition conforme à l'invention, au contraire, le moteur reçoit la puissan- ce maximum et par conséquent, il développe au démarrage le couple maximum.
La fig.3 représente une modification de la fig.l, par laquelle il devient possible de fournir brusquement de la puissance au moteur pour l'amener à un arrêt brusque. La disposition générale du circuit représenté à la fig.3 est sensiblement similaire à celle de la fig.l. Au lieu du relais inverseur 12, il est prévu cependant un relais spécial 28 à bobine excitatrice 29 susceptible d'être alimentée par la batterie 30 quand l'interrupteur 31
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est fermé. Les contacts du. relais 28 sont représentés dans la position normale de fonctionnementqui correspond à la disposition représentée en fig.l. Le réglage de vitesse est obtenu en faisait varier le réglage du potentiomètre 16.
Si, cependant, il est désiré d'arrêter brusquement le moteur, l'interrupteur 31 est fermé, ce qui excite la bobine 29 et détermine un mouvement des éléments mobiles du relais 28 pour aboutir à la position opposée à celle montrée aux dessins. Dans cette position, la grille du tube 5 est reliée directement à l'extrémité négative du potentiomètre 16. Le potentiel de la grille du tube 5 est alors déterminé entièrement par la force contre électromotrice engendrée dans l'armature 2 du moteur et ce dansune direction telle que la grille soit rendue positive. Cependant, la direction d'écoulement du courant de tube au travers de l'armature du moteur a été inversée et par conséquent, la direction de rotation de l'armature tend à s'inverser.
De plus, quand la vitesse du moteur arrive à zéro, il n'y aura plus de force centre électromotrice et conséquemment, la grille du tube 5 sera fortement négative, empêchant toute nouvelle conductivité au travers du tube. Le moteur est donc rapidement amené au repos.
Cette disposition est utile dans de très nombreux cas, dont un est indiqué à la fig.3. Dans une machine à fabriquer le papier, ou une machine à imprimer les journaux, par exemple quand un ruban de papier ou matière similaire 32 passe en continuité sur les cylindres 33 et 34, il peut être désirable d'arrêter automatiquement le moteur 1 qui entraîne les cylindres si le ruban de papier vient à se rompre. Dansce but, le ruban de papier 32 peut être passé entre une source de lumière 35, une lentille 36 et la cellule photoélectrique 37. Cette dernière est en circuit avec la batterie 58, l'interrupteur 39 et la bobine de relais 29.
Ainsi, l'interrupteur 31 étant ouvert etinterrupteur 59 fermé, si le ruban de papier vient à se rompre, un faisceau de lumière va exciter la cellule photoélectrique 37 et permettre au courant
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de passer par la bobine 29, actionnant ainsi le relais 28 et amenant le moteur brusquement à l'arrêt.
Une application de la commande de vitesse du moteur conforme à l'invention à un système de commande à distance d'un dispositif de signalisation tel que, par exemple, un disque indica- teur, est représentée aux fig. 4 à 7. Les parties mécaniques sent visibles aux fig. 5 à 7. A proximité du dispositif à commander, l'opérateur dispose d'un volant à main 40 relié par engrenages 41 et 42 au disque 43 à faire tourner devant un index fixe 44 (fig.6, vue de faceen élévation). Par ce dispositif l'opérateur détermine le changement qu'il désire opérer à distance à une station écartée, qui comporte un index 45 à faire tourner sur un disque gradué 46 de manière à avoir la même lecture à la fois sur 43 et sur 46.
Le volant de manoeuvre 40 est également fixé sur l'arbre 47 supporté par le support 48. Sur l'arbre 47 sont fixés les engrenages 50 et 51, dont ce dernier forme un des éléments du différentiel 52. L'engrenage opposé 53 du différentiel est solidaire de l'engrenage 54, et ces deux engrenages peuvent tourner librement sur l'arbre 55 supporté dans le support 49. A l'extrémité de l'arbre 55 est monté un bras 56 à l' extrémi té duquel e st un galet 57 faisant contact avec deux potentiomètres 58 et 59. Le bras b6 est convenablement mon té sur l'arbre 55 grâce à lacame 60 à laquelle il est fixé. Cette came commande les contacts 61 et 62 quand le galet 57 fait contact avec le segment 63 lors de son passage de la résistance 58 à la résistance 59 et vice versa.
L'engrenage 54 est en prise avecl'engrenage 64, le rapport de transmission étant 1 : 1. L'engrenage 64 est monté sur l'arbre d'un moteur 65 auto-synchrone. Ce dernier a ses Enroulements reliés de manière convenable en parallèle avec les enroulements correspon- dants d'un moteur auto-synchrone 66 sur l'arbre duquel est un engrenage 67 qui est en prise avec l'engrenage 68 monté sur l'arbre 69 auquel l'index 45 est fixé. Sur l'arbre 69 est également monté un engrenage 70 en prise avec l'engrenage 71 monté sur l' arbre du
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moteur 1. Le rapport de transmission, Entre l'engrenage 67 et l'engrenage 68 est de préférence égal à celui choisi entre les engrenages 41 et 42 s' il est désiré que l'index 45 se déplace du même nombre de degrés que le disque 43.
La manoeuvre et le fonctionnement des parties mécaniques sont très simples. Quand l'opérateur tourne la manivelle 40, le galet 57, qui est normalement en contact avec le segment 63, se déplace soit vers la résistance 58, soit vers la résistance 59 .
Le moteur auto-synchrone 65 n'est pas affecté par cette manoeuvre, étant donné qu' il n'y. a pas une charge suffisante sur cette par tie du système, pour empêcher une rotation directe du moteur 65 par le moyen du volant 40. Le mouvement du galet 57 vers et jusque sur la résistance 58 ou 59 détermine la rotation du moteur 1, pour déplacer l'index 45. En même temps cependant, par les engrenages 68 et 67, le moteur 1 fait tourner le moteur auto-synchrone 66 qui à son tour, fait tourner le moteur 65 et, par le différentiel, fait retourner le bras contacteur à sa position originale avec le galet 57 en contact avec le segment 63, auquel moment le moteur 1 s'arrêtera. Le système électrique, comme représenté à la fig. 4, est en substance similaire à celui de la fig.l.
Cependant, au lieu d'un simple potentiomètre, on a prévu un potentiomètre double, un potentiomètre étant employé pour chaque direction de rotation. du moteur. La direction de rotation du moteur est déterminée par la condition d'inversion du relais 12 qui est excité par les contacts 61 et 62 quand la came 60 est tournée dans une certaine direction. La résistance 75 est prévue afin que, lorsque le relais inverseur 12 est manoeuvré, le circuit de grille du tube 5 ne soit pas ouvert. La résistance 74 sert à relier le segment 63 au pôle négatif de la source de courant continu de sorte que, quand le contact 57 est sur le segment 63, la grille du tube 5 soit définitivement biaisée négativement de façon qu'aucune décharge ne paisse se produire à ce moment au travers du tube.
On comprend que les potentiomètres 58
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et 59 sont disposée de façon que les extrémités à proximité du segment 63 correspondent à une faible vitesse du moteur.
Donc, si l'opérateur fait tourner très rapidement le volant à main 40, il tendra à déplacer le bras de contact 56 d'une grande quantité et par suite, fera tourner le moteur 1 plus rapidement. D'un autre côté, si le volant 40 n'est déplacé que lentement, le moteur démarrera uniquement à très faible allure. Pour éviter une rotation trop rapide du volant à main 40, il est prévu un organe d'inertie 72 qui est mis en rotation par les engre- nages 50 et 73 dès que le volant 40 tourne. Les résistances 58 et 59 peuvent être disposées de manière à varier uniformément quand le contact 57 se meut sur elles, ou elles peuvent être disposées en gradins ou être en pointe de manière à pouvoir obtenir le résultat voulu, au moteur, quand le volant à main 40 est mis en rotation.
Avec un réglage correct des potentiomètres, le système est entièrement libre d'oscillations pendulaires.
Ainsi donc, l'invention crée un système de contrôle ou commande de la position d'un corps situé à un point éloigné, de sorte que ce corps peut, si c'est désiré, suivre exactement les mouvements d'un corps correspondant situé au point de départ de la commande. On comprend que la variante de circuit représentée à la fig.2 peut également être appliquée à un système de commande de position, de manière analogue.
REVENDICATIONS.
1. Procédé pour commander un moteur de manière à lui assurer une vitesse constante, caractérisé par ce qu'on envoie, à l'armature du moteur,des impulsions de courantà direction unique et d'amplitude sensiblement constante, en nombre tel que l'armature tourne à la vitesse désirée indépendamment de la charge appliquée.
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