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AVRO-CONVENRTISUR DE COURANT CONTINU PERFECTIONNE.- @
On connaît des auto-convertisseurs de courant continu, constitués par des machines qui permettent, suivant le schéma de principe de la Fig.l, d'ali- menter des circuits d'utilisation sous une tension Ug, différente de la tension de ligne U1, en n'exigeant qu'une transformation partielle de l'énergie totale absor- bée.
Dans la Fig.l, l'auto-convertisseur est constitué par une dynamo ordinaire comportant deux enroulements d'induit, c1 et c2, connectés en série sous la tension Ul; les circuits d'utilisation sont connectés aux bornes de l'un des collecteurs, c1, dont l'enroulement d'induit correspondant fonctionne en généra- trice sous la tension Ug, tandis que l'autre enroulement, relié au collecteur c2, fonotionne en moteur. Les ampères-tours des enroulements d'induit sont nuls en
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régime établi ; la machine est munie d'un enroulement d'excitation shunt Sh, cen- necté aux bornes de l'un des collecteurs et d'un enroulement d'excitation série S., L'ensemble constitue un auto-convertisseur transformant'une tension constante en une autre tension sensiblement constante.
La présente invention a pour objet un auto-convertisseur de cou- rant continu perfectionné, qui a l'avantage de comporter toutes les possibilités et toute la souplesse de fonctionnement des auto-transformateurs de courant al- ternatif, c'est-à-dire qui permet, d'une part l'alimantation du circuit d'utili- sation à une tension variable entre zéro et une valeur maximum donnée, qui peut être d'ailleurs supérieure à la tension primaire (celle-ci pouvant être constante ou subir des variations, lenteshou brusques, comme c'est par exemple le cas dans les réseaux de traction) et, d'autre part la réversibilité de la conversion, c'est-à-dire l'alimentation à tension variable du circuit secondaire de l'auto- convertisseur, avec récupération d'énergie par le circuit primaire débitant sur la tension d'alimentation du réseau.
L'auto-converttsseur perfectionné qui fait l'objet de l'invention est essentiellement caractérisé, en ce qu'il est constitué par la combinaison d'une dynamo munie d'une excitation variant dans le même sens que la tension aux bornes de son induit et d'une excitation série additive, avec une seconde dynamo alimentant le circuit d'utilisation et montée en série avec la première dynamo aux bornes du réseau primaire, cette seconde dynamo comportant une excitation séparée et une excitation anticompound et les deux dynamos étant accouplées méca- niquement entre elles et avec une dynamo shunt régulatrice qui maintient la vi- tesse du groupe sensiblement constante.
Les deux premières dynamos, qui constituent l'auto-convertisseur preprement dit, peuvent être, soit réalisées sous forme de dynamos normales dis- tinctives, c'est-à-dire de machines dans lesquelles les ampères-tours rotoriques ne sont pas utilisés pour créer des forces magnétomotrices actives, soit combi- nées en une machine unique, notamment du type des machines connues sous le nom de "Métadynes", dans laquelle on utilise les réactions rotoriques comme enroule- ments magnétisants,
En se référant aux schémas et courbes des Fig.2 à 9 ci-jointes, on décrira, à titre d'exemples non limitatifs, diverses variantes d'auto-conver- tisseurs conformes à l'invention.
Les dispositions particulières que comportent ces variantes, notamment pour la réalisation d'équipements de traction, devront
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être considérées comrrie faisant, en elles-mêmes, partie de l'invention, étant en- tende que toutes dispositions équivalentes pourrant être aussi bien utilisées sans sortir du cadre de celle-ci,
Pour simplifier l'exposé on supposera, dans les exemples que l'on va décrire, qu'il s'agit d'équipements de locomotives ou automotrices possédant les caractéristiques d'un auto-convertisseur alimenté à courant continu à tension constante;
mais l'invention est d'application générale et peut être utilisée dans tous les cas où il est intéressant d'alimenter des appareils en courant continu à tension variable, sans utiliser des résistances d'absorption pour faire varier la tension aux bornes des circuits d'utilisation, tout en permettant la réversiblité de l'échange d'énergie,
Le schéma de la Fig.2 se rapporte à un premier exemple d'équipe- ment, simple, pour l'alimentation, par un auto-convertisseur conforme à l'inven- tion, d'un moteur à courant continu de traction 1 (l'équipement conviendrait aussi bien pour l'alimentation de plusieurs moteurs de traction, couplés entre eux, en permanence ou de manière variable, en série, en parallèle, en série- parallèle ou autrement), par une source de courant continu représentée par la ligne de contact 2.
L'auto-convertisseur comporte une première dynamo 3, possédant une excitation 4, variant dans le même sens que la tension aux bornes de l'induit de 3 et qui pourra être prise aux bornes de cet induit ou alimentée de toute autre manière, et une excitation série additive 6 (qui protège le groupe auto- convertisseur en cas de variations dans la tension de la ligne 2); une seconde dynamo 6, accouplée mécaniquement à 3 et montée en série avec elle aux bornes de la source 2, possède un enroulement d'excitation séparée 7 et un enroulement anti compound 8;
anfin, une dynamo régulatrice shunt 9, accouplée mécaniquement au groupe 3 - 6, maintient sensiblement constante la vitesse de ce groupe, la dyna- mo 9 étant dimensionnée de manière à fonctionner, pour la moindre variation de vitesse du groupe, tantôt en moteur, tantôt en génératrice, suivant que le grou- pe tend à ralentir ou à accélérer.
Aux bornes de la dynamo 6 est branché le moteur de traction 1, qui peut être à excitation série, shunt, compound ou séparée4
A vitesse constante du groupe 3-6-9 et pour une valeur donnée du courant traversant l'enroulement 7, la tension U2 aux bornes de 6, en fonction de l'intensité 12 que cette dynamo débite, est représentée par une courbe qui a
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l'allure de la courbe A de la Fig.3.
Quand le moteur 1 est arrêté, sa tension est nulle, le courant 12 débité par la dynamo '6 est égal à 1m. Le moteur 1 est parcouru par la'somme de 12 et du courant Il qu'il reçoit de 2 à travers 3; le moteur 1 accélère et sa tension, ainsi que celle de 6 , croit; le point représentatif du fonc- tionnement de la dynamo 6 se déplace de Im vers UM sur la courbe A (Fig.3).
En même temps, la tension aux bornes de 3 diminue, ainsi que l'excitation de 3.
Le moteur 1 tournant à une certaine vitesse, si on croise les connexions du circuit de la génératrice 6 par l'inverseur 10, les tensions de 1 et de 6 deviennent additives, le courant 12 croit, l'excitation série de la gé- nératrice devient prépondérante et inverse la polarité de celle-ci.
Le point de fonctionnement de la génératrice se déplace sur ImUm (Fig.4); la dynamo 6 fonctionne en moteur et 1 en génératrice; le sens des courants Il * 12 est inversé dans l'induit de 1, qui fonctionne en génératrice tout en conservant les mêmes polarités que dans le fonctionnement en moteur,
Le moteur 1 étant arrêté, pour le faire démarrer en moteur en sens inverse du sens précédent, il suffit d'inverser son excitation 11.
Le schéma de la Fig.5 se rapporte à une variante perfectionnée, dans laquelle l'excitation 4 de la dynamo 3 de l'équipement de la Fig.2, est remplacée par l'ensemble d'une excitation séparée constante et d'une excitation opposée qui croit avec la tension aux bornes de la dynamo 6 ; outre, une excitation supplémentaire est ajoutée sur la dynamo 3, en vue de diminuer la puissance de la dynamo régulatrice 9, l'effet de cette excitation complémentaire étant de diminuer l'excitation résultante de 3, donc d'augmenter le courant qui traverse cette dynamo, lorsque, le groupe tendant à ralentir, la régulatrice 9 fonctionne en moteur.
L'auto-convertisseur conforme à l'invention comporte donc tout d'abord une dynamo 3 possédant les enroulements statoriques suivants : un en- roulement série magnétisant 5, un enroulement séparé additif 12 alimenté par la tension de la ligne 2, un enroulement séparé 13 antagoniste aux précédents et alimenté par la tension secondaire prise aux bornes des circuits d'utilisation, et un enroulement 14 parcouru par le courant traversant l'induit de la régula- trice 9 et antagonisme aux enroulements 12 et 5 lorsque cette régulatrice absorbe de l'énergie*
Accouplée mécaniquement à la dynamo 3, la dynamo 6 possède,
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comme dans le cas de la Fig.2, un enroulement magnétisant 7, alimenté par la tension de la ligne 2 et un enroulement série 8, antagoniste à 7,
quand la dyna- mo 6 fonctionne en génératrice.
A vitesse constante et pour une valeur donnée du courant traver- sant l'enroulement 7, le courant 12, débité par cette dynamo 6, en fonction de la tension U2 à ses bornes, est représentée par une courbe ayant l'allure de la courbe B de la fig.6. La dynamo est dimensionnée de manière que la saturation de son circuit magnétique soit assez importante pour des courants débités fai- bles.
Au groupe des dynamos 3 -6 est accouplée mécaniquement une dynamo régulatrice 9, à caractéristique shunt, dimensionnée pour maintenir la vitesse du groupe sensiblement constante.
Les induits des moteurs de traction, représentés ici par un seul moteur 1, constituant le circuit d'utilisation, sont connectés aux bornes de la dynamo 6 et connectés en série avec la dynamo 3 sous la tension de la ligne 2.
Le moteur de traction 1 est muni d'un enroulement d'exctiation 11 alimenté par une excitatrice 15, possédant elle-même deux enroulements d'exci- tation, l'enroulement 16, alimenté par la tension de la ligne 2, et l'enroule- ment 17, antagoniste au précédent, connecté aux bornes du circuit d'utilisation.
Le fonctionnement de l'équipement est le suivant :
La fermeture du contacteur 18 permet à la régulatrice 9 de démar- rer le groupe auto-convertisseur (la régulatrice 9 peut avantageusement compor- ter un enroulement d'excitation 19 la faisant fonctionner en moteur compound temporairement, pendant le démarrage du groupe auto-convertisseur); le contac- teur 20 est disposé de manière se fermer automatiquement quand le courant dans la machine 9 devient inférieur à une certaine valeur ; d'autre part le contacteur 21 est disposé de manière que sa fermeture soit provoquée automati- quement lorsqu'on ferme 18.
Lorsque la tension aux bornes de la dynamo 3 est voisine de celle de la ligne 2 , un relais différentiel de tension 22 provoque la ferme- ture des contacteurs 23 et 24 et l'ouverture de 18 (21 restant fermé). Le groupe auto-convertisseur fonctionne maintenant sur la ligne à vide.
Pour provoquer le démarrage du véhicule, on place la manette de contrôle sur une position avant, ce qui provoque (si c'est nécessaire), par l'intermédiaire du relais de tension 25, le passage de l'inverseur 26, des in-
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-ducteurs du moteur de traction, et de l'inverseur 10 du circuit de débit de la dynamo 6, sur les positions convenables, et ensuite la fermeture des con- tacteurs 27 et 28, ce qui entraîne l'excitation de la dynamo 6 et du moteur de traction 1.
Le moteur de traction est parcourue par le courant maximum 1m Fig.6; ce moteur prenant de la vitesse, la tension à ses bornes augmente et la puissance P le traversant a une allure parabolique en fonction de u2, allure du genre de celle de la courbe D de la Fig.7.
Si, après démarrage, on ramène la manette du contrôleur à la position zéro, l'ouverture des contaoteurs 27 et 28 provoque l'annulation de la tension de la dynamo 6 et du moteur de traction 1 et le véhicule marche en dérive.
Pour provoquer le freinage électrique, de maintien ou d'arrêt, par récupération d'énergie partielle, il suffit de placer la manette du con- trôleur sur un cran de marche arrière, On provoque à cet instant l'inversion de 10, sans toucher à 26, la tension du moteur de traction s'ajoute à celle de la dynamo 6, qui s'inverse, son enroulement 8 devenant prédominant. Le courant dans cette machine ne change pas de sens, mais son couple s'inverse; dans ces conditions, la dynamo 3 renvoie de l'énergie sur la ligne et une par- tie seulement de cette énergie est transformée par le groupe 6-3; la vitesse du véhicule diminue et s'annule.
Si à ce moment on ne touchait pas à la manette du contrôleur, le véhicule repartirait en sens inverse en traction et la tension aux bornes du moteur de traction 1 s'inverserait, provoquant un fonctionnement anormal du groupe des dynamos 3 et 6, qui transformeraient dans ces conditions une puis- sance supérieure à celle utilisée en traction.
Mais à cet instant, le relais de tension polarisé 25, connecté aux bornes du moteur de traction, provoque le fonctionnement simultané des inverseurs 26 et 10, qui redonne au groupe ses caractéristiques normales d'au- to-convertisseur en marche arrière, en traction ou en freinage. La résistance
29, intercalée dans le circuit d'excitation 7 de la dynamo 6, est également placée sous la dépendance du relais polarisé 25; cette résistance, prévue pour régler les valeurs relatives des mêmes crans du contrôleur dans le fonctionne- ment en traction et dans celui en récupération, est intercalée en série avec 7 en récupération, de manière à diminuer l'excitation séparée de 6 quand le
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moteur 1 fonctionne en récupération et à diminuer par conséquent le courant 12 qui traverse à ce moment l'induit de 6 ;
dans la marche en traction 29 est
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court-circuitée.
Grâce au relais polarisé 25, connecté aux bornes du moteur de traction et qui tend à maintenir dans tous les cas la même polarité, on peut ainsi réaliser, conformément à l'invention, des équipements fonctionnant avec une manette de commande unique, en traction ou en freinage, en marche avant ou en marche arrière.
On obtient, par le procédé d'auto-conversion conforme à l'inven- tion, en traction et en freinage, une courbe effort F - vitesse V du moteur de traction 1, ayant l'allure de la courbe E de.la Fig.8. Cette caraotéristi- que est modifiée, sur les différents crans du contrôleur, en agissant sur les rhéostats de réglage 30 et 31 (G représentant, dans la Flg.8, le courant d'ex- citation du moteur de traction)*
La Fig.9 donne le schéma d'un exemple d'équipement conforme à l'invention, dans lequel l'auto-convertisseur est réalisé en remplaqant les dynamos ordinaires 3 et 6 des exemples précédents, par une métadyné en croix à deux enroulements d'induit Indépendants,
dans laquelle les ampères-tours de réactions rotoriques sont des forces magnétomotrices actives6
Qn retrouva dans ce schéma les mêmes organes fondamentaux que ceux figurant dans le schéma de la Fig.5. L'auto-convertisseur comprend une régulatrice 9, à caractéristique shunt (identique à la régulatrice 9 de la Fig.5) et une métadyne en croix 32, à deux collecteurs, dont le primaire est relié par le balai 33 à l'induit du moteur de traction l, et à la ligne 2 par le balai 34, le secondaire, balais 35 et 36, pouvant être connecté aux bornes de l'induit de 1 par l'intermédiaire de l'inverseur 10 (traction, frei nage).
La métadyne 32 possède deux enroulements statoriques principaux : soit 37, enroulement variateur parcouru par un courant qui produit des ampères- tours en sens inverse de la réaction rotorique secondaire, et 14, qui produit, lorsque la régulatrice marche en traction, des ampères-tours en sens inverse de la réaction rotorique primaire.
L'excitatrice 16 alimente en série l'enroulement 37 de la méta- dyne et les inducteurs 11 du moteur de traction en passant par un inverseur 26; elle possède deux enroulements d'excitation :soit 16, alimenté par la ligne à
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travers un rhéostat 31, de réglage, et un enroulement antagonisme 17, connecté sur l'induit de 1.
Le relais de tension polarisé 25, connecté aux bornes de 1, agit simultanément sur les inverseurs 10 et 26, en vue de toujours maintenir la même polarité à l'induit du moteur de traction,
Le fonctionnement de cet équipement à métadyne est, en service, absolument identique à celui décrit précédemment (Fig.5) pour le cas d'un gru- pe à dynamos transformatrices séparées.