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MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une demande de BREVET D'INVENTION BELAIS D'ACCELERATION POUR RHEOSTAT AUTOMATIQUE DE DEMARRAGE.
Il est connu de démarrer un moteur électrique à l'aide d'un rhéostat commandé par un servo-moteur électrique, électropneumatique ou éleotrohydraulique.
Quand le moteur à démarrer doit vaincre des couples résistants variables et quand les masses qu'il doit mettre en mouvement changent d'un démarrage à l'autre, la progression des balais du rhéostat doit s'opérer sous le contrôle d'un relais d'accélération. Le relais dtaccé- lération arrête ou ralentit le servo-moteur qui commande le rhéostat dès que l'intensité du courant de démarrage dépasse une valeur réglée et il rétablit la marche normale du servo-moteur dès que le courant de démarrage est suffisamment diminué.
Le relais d'accélération d'un rhéostat automatique de démarrage doit être très sensible et doit fonctionner d'une façon indépendante.
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Il doit être sensible parce que le rhé6stat possède habituellement un grand nombre de touches et permet par suite de maintenir le courant de démarrage dans des limites étroites. Le courant permettant le déclenchement du relais doit être suffisamment voisin du courant assurant son enclenchement pour ne pas faire perdre tout le bénéfice de la régularité permise par la graduation du rhéostat.
Le relais d'accélération doit de plus fonctionner d'une façon indépendante sans autre liaison avec le rhéostat que d'être excité par le courant de démarrage ou par un courant proportionnel à celui-ci. Ce relais ne peut notamment pas être analogue aux relais habituellement employés pour régler la progression des controllers ou l'enclenchement des contacteurs.
On saitque ces derniers comportent une bobine auxiliaire forçant l'enclenchement du relais et excitée temporairement après chaque passage de cran; le controller ou les contacteurs doivent commander une série de contacts d'asservissement ayant pour objet de rythmer l'excitation de la bobine et d'interrompre l'action du relais pendant son enclenchement forcé., L'installation des contacts d'asservissement n'est pas possible sur un rhéostat de démarrage qui comporte habituellement un grand nombre de touches et qui a ses balais animée d'un mouvement continu.
Pour contrôler la progression d'un rhéostat automa- tique on peut employer un relais dont l'organe moteur est constitué d'une bobine mobile dans un champ magnétique, Ce relais électrodynamique est d'une grande sensibilité et fonctionne d'une façon indépendante mais il est malheureusement d'une construction délicate et d'un prix élevé qui s'opposent à son emploi dans beaucoup de cas.
Le relais d'accélération qui fait l'objet de la présente invention est d'une construction simple et peu coûteuse, il présente une sensibilité suffisante et son fonctionnement est indépendant de la position occupée par les balais du rhéostat qu'il contrôle. Il est du type électro-
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magnétique. Son circuit magnétique peut recevoir l'une quelconque des formes connues; être composé d'une culasse fixe et d'une armature mobile toutes deux en métal magnéti- que ou se fermer en grande partie par l'-air environnant et ne comporter comme seule pièce magnétique qu'un noyau ou une armature mobile. Le nouveau relais est caractérisa par les enroulements qu'il porte et par la manière dont ceux- ci sont excités.
Sur le dessin ci-annexé auquel on se réfère dans la description qui va suivre :
La fig. 1 représente schématiquement la disposition d'un relais agencé conformément à l'invention..
La fig. 2 montre des courbes mettant en évidence les caractéristiques de fonctionnement de ce relais.
Sur la fig. 1 le relais est supposé en position déclenchée : BP est la bobine principale du relais ; ellepossède n spires et est excitée par le courant I du moteur en démarrage ou un courant proportionnel à celui-ci.
BA est la bobine auxiliaire ; ellepossède N spires et elle est connectée en série avec une résistance R et en dérivation avec une lampe à filament métallique L. Une différence de potentiel constante est..appliquée entre les bor- nes-a et b du circuit de cette bobine auxiliaire.
Les deux bobines BP et BA sont disposées de maniè- re à pouvoir agir simultanément et dans le même sens sur l'armature du-relais. Elles sont, par exemple, bobinées dans des sens concordants et enfilées sur une même branche du circuit magnétique, yù-n est un contact auxiliaire qui est ouvert quand le relais est déclenché et qui est fermé pendant la course d'enclenchement à partir d'une position de l'armature, in- termédiaire entre la position déclenchée et la position en- clenchée. A titre d'exemple, on a supposé que le contact m-n est constitua par deux balais qui peuvent être reliés par
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une barrette rappelée par un ressort de compression.
La fermeture du contact m-n court-circuite simultanément la bobine auxiliaire BA et la lampe L. p-q et r-s sont les contacts du relais affectés au circuit contrôlant le servo-moteur qui actionne le rhéostat.
Quand le relais est déclenché ces contacts permettent d'une fa- ' çon connue, la progression des balais à l'allure normale et quand le relais est enclenché ils commandent le ralentissement ou l'arrêt du servo-moteur.
S est le ressort ou le contrepoids qui rappelle l'armature du relais en position déclenchée.
0 est le dispositif permettant de règler l'intensité du courant de démarrage en faisant varier l'effort de rappel appliqué à l'armature du relais.
Sur la fig. 2 on a porté en abscisse les ampèrestours agissant sur le circuit magnétique du relais et en ordonnée l'intensité du champ magnétique que ces ampères-tours engendrent dans l'entrefer de l'armature mobile. Les courbes de magnétisation désignées Hd, Hm et He correspondent respectivement aux positions occupées par 1' armature quand le relais est déclenché, quand s'opère la mise en court-circuit de la bobine auxiliaire BA par le contact m-n et quand le relais est enclenché,
Les ordonnées cotées Gd, Gm et Ge représentent respectivement le s valeurs de l'intens ité du champ magnétique capable d'équilibrer l'effort de rappel appliqué à l'armature quand le relais est déclenché, quand s'opère la misee en courtcircuit de la bobine auxiliaire BA, quand le relais est enclenché.
Les segments d'abscisse côtés Ni représentent le nombre constant d'ampères-tours développés par la bobine auxiliaire BA quand le contact m-n est ouvert.
Les segments d'abscisse côtés @ I1 et n I2 représen-
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tent les nombres d'ampères-tours développés par la bobine principale BP respectivement au moment de l'enclenchement et au moment du déclenchement du relais.
Pour expliquer le fonctionnement on suppose que le relais se trouve d'abord déclenché (cas de la fig.l). Le contact m-n est ouvert, la bobine BA développe alors N i ampères-tours qui s'ajoutent aux n I ampères-tours développés par la bobine principale BP pour magnétiser l'entrefer avec une intensité représentée sur la fig. 2 par l'ordonnée d'un point de la éourbe Hd. Le -relais reste déclenché tant que l'effort d'attraction magné tique demeure inférieur à l'effort de rappel appliqué à l'armature, c'est-à-dire tant que le total (N i + n I) reste inférieur à (N i + n Il), abscisse du point 1 de la courbe Hd.
Dès que le courant de démarrage dépasse Il, le relais commence son mouvement d'enclenchement. Au cours de celui-ci le contact m-n se ferme et met en court-circuit la bobine auxiliaire BA. Si cette mise en court-circuit avait pour effet de supprimer instantanément le courant i dans la bobine BA, le point de la courbe Hm définissant l'état magnétique du relais passerait subitement de 2 en 3, l'intensité du champ magnétique tomberait immédiatement en dessous de Gm et l'armature amorcerait un mouvement de recul qui provoquerait à nouveau l'ouverture du contact m-n. Cette ouverture serait évidemment suivie du rétablissement du mouvement d'attraction ce qui signifie que l'armature du relais commencerait à pomper.
Cependant le courant i ne disparait pas instantanément après la mise en -court-circuit de .la bobine BA; il est prolongé par la force életromotrice induite dans la bobine BA par la réduction du flux magnétique se produisant à la suite du court-circuit. Le temps nécessaire à la disparition du courant i est suffisamment long pour que la course d'enclenchement de l'armature s termine sans que l'intensité du champ magnétique descende an dessous de la valeur capable
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d'équilibrer l'effort de rappel appliqué à l'armature. Après disparition du courant i, l'intensité du champ magnétique main- tenant le relais enclenché est représentée par l'ordonnée d'un point de la courbe He voisin du point 4.
Le relais déclenche quand l'attraction magnétique devient inférieure à l'effort de rappel appliqué à l'armature mobile,c'est-à-dire quand lecourant de démarrage descend en des sous de I2,point 5 de la courbe He.
Pendant la course de déclenchement le contact m-n s'ouvre alors que l'armature setrouve dans une position inter- médiaire; la bobine auxiliaire BA est alimentée. Si l'excita- tion de cette bobine BA s'établissait instantanément à sa pleine valeur dès l'ouverture du contact m-n, l'intensité du champ ma- gnétique passerait subitement de la valeur représentée par l'or- donnée du point 6 à celle représentée par l'ordonnée du point 7 de la courbe Hm. L'armature du relais se mettrait alors à pom- per parce que l'effort d'attraction magnétique deviendrait, après l'ouverture du contact m-n, supérieur à l'effort de rap- pel appliqué à l'armature. La lampe Lempêche un tel pompage.
On sait que les lampes à filament métallique ont la propriété de présenter, à froid, une résistance très faible en comparaison de la résistance qu'elles présentent quand leur filament est incandescent. Immédiatement après l'ouverture du contact m-n la résistance de la lampe est très faible, la chute de tension dans la résistance R absorbe la majeure partie de la différence de potentiel constante appliquée entre les bornes a et b, la ten- sion appliquée à la bobine auxiliaire BA est très faible. Au.fur et à mesure que le filament de la lampe L s'échauffe la chute la résistance de tension dans/R diminue et la tension appliquée à la bobine BA augmente.
Le filament de la lampe L atteint sa température de régime après un temps qui est suffisamment long pour que, pen- dant la course de déclenchement, l'attraction magnétique reste toujours inférieure à l'effort de rappel. la
En fin de/ course de déclenchement, l'intensité du
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champ magnétique règnant dans lTentrefer est représentée par l'ordonnée du point 8 de la aourbe Hd.
Suivant une première variante de l'invention, la lampe à filament métallique L peut être remplacée par une résis- tance quelconque jouissant des mêmes propriétés c'est-à-dire constituée d'un conducteur présentant un coefficient de tempéra- ture positif suffisamment élevé et possédant une section assez réduite pour produire l'effet décrit ci-avant.
Suivant une seconde variante de l'invention, la ré- sistance R peut être remplacée par une lampe à filament métalli- que ou être formée d'un conducteur ayant un coefficient de tem- pérature positif suffisamment élevé et une section assez rédui- te pour présenter une valeur ohmique de régime beaucoup plus élevée quand le contact m-n est fermé que lorsque ce même contact est ouvert. Dans ce cas la lampe L peut être éventuelle- ment remplacée par une résistance du type ordinaire ou par une résistance à faible coefficient de température ou même être supprimée,.
Suivant une troisième variante on peut donner à la résistance R une self induction très élevée et remplacer la lampe L par une résistance crdinaire ou par une résistance à faible coefficient de température ou même la supprimer.
Suivant une quatrième variante, on peut supprimer la lampe L ou la remplacer par une résistance à faible coefficien même temps qu'on donne,, ent de température/par des moyens connus, une grande force vive à l'armature du relais et que l'on dispose le contact m-n pour s'ouvrir seulement à .la fin de la course de déclenchement.
On remarquera que le relais faisant l'objet de l'invention est très sensible ; lecourant permettant le déclen- chement est très voisin du courant qui assure l'enclenchement parce que les ampères-tours de la bobine auxiliaire compensent l'augmentation de la reluctance du circuit magnétique.
On remarquera en plus que le relais peut fonction- ner d'une manière indépendante sans autre liaison avecle rhéos-
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tat que d'être excité par le courant de démarrage ou par un courant proportionnel à celui-ci.
REVENDICATIONS :
1) Relais d'accélération à fonctionnement électroma- gnétique applicable au contrôle d'un rhéostat automatique de démarrage comprenant une bobine principale parcourue par le courant de démarrage ou un courant proportionnel à celui-ci, une bobine auxiliaire excitée par une source à tension constante agissant dans le même sens que la bobine principale, caractérisé en ce que la bobine auxiliaire est connectée en série avec une résistance et en dérivation avecune lampe à filament métallique,,. cette bobine étant court-circuitée-de même que la lampe-quand le relais est enclenché, par un contact auxiliaire qui sa ferme pendant la course d'enclenchement.
2) Relais suivant 1 dans lequel la lampe à filament métallique se trouve remplacée par une résistance formée d'un conducteur possèdant un coefficient de température élevé et d'une section suffisaient réduite pour présenter en régime établi une augmentation importante de sa résistance électrique quand il est parcouru par le courant dérivé aux bornes de la bobine auxiliaire.
3) Relais suivant 1 ou 2 dans le quel la résistance conne ctée en série avec la bobine auxiliaire est constituée d'une lampe à filament métallique ou d'un conducteur, à grand coef- ficient de température, suffisamment mince pour présenter en régime établi une grande augmentation de résistance quand la bobine auxiliaire est court-circuitée par le contact auxiliaire.
4) Relais suivant 3 dans lequel la lampe ou la résistance à grand coefficient de température dérivée aux bornes de la bobine auxiliaire se trouve supprimée ou remplacée par une résistance ordinaire ou à faible coefficient de température.
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DESCRIPTIVE MEMORY filed in support of a BELAIS ACCELERATION PATENT APPLICATION FOR AUTOMATIC STARTING RHEOSTAT.
It is known practice to start an electric motor using a rheostat controlled by an electric, electropneumatic or electrohydraulic servomotor.
When the motor to be started must overcome variable resistive torques and when the masses which it must set in motion change from one start to another, the progression of the rheostat brushes must take place under the control of a dielectric relay. 'acceleration. The acceleration relay stops or slows down the servomotor which controls the rheostat as soon as the starting current intensity exceeds a set value and it restores normal operation of the servomotor as soon as the starting current is sufficiently reduced.
The acceleration relay of an automatic starting rheostat must be very sensitive and must operate independently.
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It must be sensitive because the rhe6stat usually has a large number of keys and therefore allows the starting current to be kept within narrow limits. The current enabling the relay to trip must be sufficiently close to the current ensuring its engagement so as not to lose all the benefit of the regularity allowed by the rheostat graduation.
The acceleration relay must also operate independently with no other connection to the rheostat than to be excited by the starting current or by a current proportional to it. In particular, this relay cannot be analogous to the relays usually used to adjust the progress of the controllers or the closing of the contactors.
We know that the latter comprise an auxiliary coil forcing the engagement of the relay and energized temporarily after each notch passage; the controller or contactors must control a series of servo contacts the purpose of which is to regulate the excitation of the coil and to interrupt the action of the relay during its forced engagement., The installation of servo contacts n ' is not possible on a starting rheostat which usually has a large number of keys and which has its brushes continuously moving.
To control the progress of an automatic rheostat, it is possible to use a relay whose motor member consists of a moving coil in a magnetic field. This electrodynamic relay is very sensitive and operates independently but it is unfortunately of a delicate construction and a high price which precludes its use in many cases.
The acceleration relay which is the subject of the present invention is of a simple and inexpensive construction, it has sufficient sensitivity and its operation is independent of the position occupied by the brushes of the rheostat that it controls. It is of the electro-type
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magnetic. Its magnetic circuit can take any of the known forms; be made up of a fixed yoke and a movable armature both of magnetic metal or be closed largely by the surrounding air and have as the only magnetic part a core or a movable armature. The new relay is characterized by the windings it carries and by the way in which these are excited.
In the attached drawing to which reference is made in the following description:
Fig. 1 schematically shows the arrangement of a relay arranged in accordance with the invention.
Fig. 2 shows curves showing the operating characteristics of this relay.
In fig. 1 the relay is assumed to be in the tripped position: BP is the main coil of the relay; it has n turns and is excited by the current I of the motor when starting or a current proportional to it.
BA is the auxiliary coil; it has N turns and it is connected in series with a resistor R and in shunt with a metal filament lamp L. A constant potential difference is applied between the terminals-a and b of the circuit of this auxiliary coil.
The two coils BP and BA are arranged so that they can act simultaneously and in the same direction on the armature of the relay. They are, for example, wound in corresponding directions and threaded on the same branch of the magnetic circuit, yù-n is an auxiliary contact which is open when the relay is triggered and which is closed during the closing stroke from a position of the armature, intermediate between the triggered position and the engaged position. By way of example, it has been assumed that the contact m-n is constituted by two brushes which can be connected by
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a bar returned by a compression spring.
Closing the m-n contact simultaneously short-circuits the auxiliary coil BA and the lamp L. p-q and r-s are the relay contacts assigned to the circuit controlling the servomotor which actuates the rheostat.
When the relay is triggered, these contacts allow, in a known manner, the progress of the brushes at normal speed and when the relay is activated they control the slowing down or stopping of the servomotor.
S is the spring or the counterweight which recalls the armature of the relay in the tripped position.
0 is the device making it possible to adjust the intensity of the starting current by varying the restoring force applied to the armature of the relay.
In fig. 2 we plotted on the abscissa the ampere-turns acting on the magnetic circuit of the relay and on the ordinate the intensity of the magnetic field that these ampere-turns generate in the air gap of the mobile armature. The magnetization curves designated Hd, Hm and He correspond respectively to the positions occupied by the armature when the relay is triggered, when the auxiliary coil BA is short-circuited by the mn contact and when the relay is activated. ,
The ordinates Gd, Gm and Ge represent respectively the s values of the intensity of the magnetic field capable of balancing the restoring force applied to the armature when the relay is triggered, when the short-circuiting of the BA auxiliary coil, when the relay is activated.
The abscissa segments on the Ni sides represent the constant number of ampere-turns developed by the auxiliary coil BA when the m-n contact is open.
The abscissa segments on sides @ I1 and n I2 represent
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The numbers of ampere-turns developed by the main LP coil respectively at the time of engagement and when the relay is tripped.
To explain the operation, it is assumed that the relay is first triggered (case of fig.l). The m-n contact is open, the coil BA then develops N i ampere-turns which are added to the n I ampere-turns developed by the main coil BP to magnetize the air gap with an intensity shown in fig. 2 by the ordinate of a point on the curve Hd. The -relay remains triggered as long as the magnetic attraction force remains lower than the return force applied to the armature, that is to say as long as the total (N i + n I) remains lower than (N i + n Il), abscissa of point 1 of the curve Hd.
As soon as the starting current exceeds Il, the relay begins its closing movement. During this, the m-n contact closes and short-circuits the auxiliary coil BA. If this short-circuiting had the effect of instantly suppressing the current i in the coil BA, the point of the curve Hm defining the magnetic state of the relay would suddenly change from 2 to 3, the intensity of the magnetic field would immediately drop to below Gm and the armature would initiate a recoil movement which would again cause the opening of the mn contact. This opening would obviously be followed by the reestablishment of the attraction movement which means that the armature of the relay would start to pump.
However, the current i does not disappear instantly after switching the coil BA into short-circuit; it is prolonged by the electromotive force induced in the BA coil by the reduction of the magnetic flux occurring as a result of the short-circuit. The time required for the current i to disappear is long enough for the armature's engagement stroke to end without the magnetic field intensity falling below the capable value.
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to balance the return force applied to the reinforcement. After disappearance of current i, the intensity of the magnetic field keeping the relay engaged is represented by the ordinate of a point of the curve He close to point 4.
The relay trips when the magnetic attraction becomes less than the restoring force applied to the moving armature, i.e. when the starting current drops below I2, point 5 of the He curve.
During the tripping stroke, the m-n contact opens while the armature is in an intermediate position; the BA auxiliary coil is supplied. If the excitation of this BA coil was instantaneously established at its full value as soon as the contact mn opened, the magnetic field intensity would suddenly drop from the value represented by the ordinate of point 6 to that represented by the ordinate of point 7 of the curve Hm. The relay armature would then start to pump because the magnetic attraction force would become, after opening the m-n contact, greater than the return force applied to the armature. The L lamp prevents such pumping.
It is known that metal filament lamps have the property of exhibiting, when cold, a very low resistance compared to the resistance which they present when their filament is incandescent. Immediately after opening the contact mn the resistance of the lamp is very low, the voltage drop in resistor R absorbs most of the constant potential difference applied between terminals a and b, the voltage applied to the BA auxiliary coil is very weak. As the filament of the lamp L heats up the drop the voltage resistance in / R decreases and the voltage applied to the coil BA increases.
The filament of the lamp L reaches its operating temperature after a time which is sufficiently long so that, during the tripping stroke, the magnetic attraction always remains less than the restoring force. the
At the end of / trip stroke, the intensity of
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magnetic field prevailing in the air gap is represented by the ordinate of point 8 of the curve Hd.
According to a first variant of the invention, the metal filament lamp L can be replaced by any resistor enjoying the same properties, that is to say consisting of a conductor having a sufficiently high positive temperature coefficient. and having a section small enough to produce the effect described above.
According to a second variant of the invention, the resistor R can be replaced by a lamp with a metal filament or be formed from a conductor having a sufficiently high positive temperature coefficient and a sufficiently small cross section for have a much higher speed ohmic value when the mn contact is closed than when this same contact is open. In this case, the lamp L may possibly be replaced by a resistor of the ordinary type or by a resistor with a low temperature coefficient or even be eliminated.
According to a third variant, the resistor R can be given a very high self-induction and the lamp L can be replaced by a crdinaire resistor or by a resistor with a low temperature coefficient or even eliminate it.
According to a fourth variant, the lamp L can be omitted or replaced by a low-coefficient resistor at the same time as giving ,, ent temperature / by known means, a large live force to the armature of the relay and that l 'the contact mn is placed to open only at the end of the tripping stroke.
It will be noted that the relay forming the subject of the invention is very sensitive; the current allowing tripping is very close to the current which ensures the tripping because the ampere-turns of the auxiliary coil compensate for the increase in reluctance of the magnetic circuit.
It will also be noted that the relay can operate independently without any other connection with the rheos-
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t is to be excited by the starting current or by a current proportional to it.
CLAIMS:
1) Electromagnetically operating acceleration relay applicable to the control of an automatic starting rheostat comprising a main coil carrying the starting current or a current proportional to it, an auxiliary coil excited by a constant voltage source acting in the same direction as the main coil, characterized in that the auxiliary coil is connected in series with a resistor and in shunt with a metal filament lamp ,,. this coil being short-circuited - like the lamp - when the relay is engaged, by an auxiliary contact which closes during the engagement stroke.
2) Next relay 1 in which the metal filament lamp is replaced by a resistor formed by a conductor having a high temperature coefficient and a section sufficient to reduce in steady state a significant increase in its electrical resistance when it is traversed by the derivative current at the terminals of the auxiliary coil.
3) Relay according to 1 or 2 in which the resistor connected in series with the auxiliary coil consists of a metal filament lamp or a conductor, with high temperature coefficient, thin enough to present in steady state a large increase in resistance when the auxiliary coil is short-circuited by the auxiliary contact.
4) Next relay 3 in which the lamp or the resistor with a large temperature coefficient derived from the terminals of the auxiliary coil is removed or replaced by an ordinary resistance or with a low temperature coefficient.
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