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Commande électrique de bateaux.
La transmission .électrique d'énergie aux arbres d'hélice ou. arbres de couche des grande bateaux, se fait, depuis peu, presqu'ex- clusivement à l'aide de moteurs synchrone-s. Il est connu, dans le but de réduire la vitesse du navire, de laisser travailler ces mo- teurs d'abord comme générateurs sur des résistances freineuses, jusqu'à ce que la vitesse du bateau, soit abaissée, par l'eau, dans. , une mesure déterminée, et alors seulement de commander ces moteurs comme moteurs asynchrones et de les faire tourner en sens inverse.
Ce procédé a l'avantage que les enroulements amortisseurs des mo- teurs ne sont sollicités, chargés thermiquement que dans la deuxiè- me partie du procédé, tandis que l'énergie qui est amenée dans le système électrique lors du freinage de l'hélice, se transforme en chaleur, par résistance de freinage, à l'extérieur de la machinai.
La présente invention se rapporte à une telle commande de. bateau.
Le freinage et l'inversion de la manière décrite ci-dessus
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nécessitent de nombreuses manoeuvres de commutation dans le dispo- sitif électrique, d'où résultent des retardements qui, dans cer- taines conditions, déterminent un allongement notable du processus de freinage. D'abord, avant que le bateau commence à freiner, il faut que le nombre de tours de la macnine motrice soit abaissé, que le générateur et le moteur soient désexcités, ce qui, à cause des constantes magnétiques de temps de ces machines, prend un cer- tain temps, après quoi, les lourds interrupteurs de courant princi- pal entre les deux macnines sont ouverts et le moteur synchrone est relié à la résistance de freinage et finalement le moteur syn- chrone est à nouveau excité. Ce n'est qu'a ce momentque la force de freinage commence à agir sur l'arbre d'hélice.
De même, lors de l'inversion de l'état de freinage à la direction opposée de rota- tion, il se produit une pause du fait que le moteur synchrone doit être désexcité, que la liaison à la résistance de freinage (lourds interrupteurs de courant principal) doit être ouverte, que l'inter- rupteur de courant principal vers le generateur doit être fermé et que le générateur doit être excité. Pendant cette pause, il n'est exercé aucune espèce d'effort de freinage sur l'arbre d'nélice, de sorte que celui-ci commence à nouveau a tourner rapidement dans l'ancienne direction de rotation a cause du courant d'eau qui l'en- toure. De ce fait, les conditions préalables pour l'inversion asyn- chrone du moteur d'hélice sont notablement plus mauvaises.
Par ces manoeuvres d'inversion, on perd ainsi un temps précieux et le pro- cessus de freinage est considérablement allongé. Suivant la presen- te invention, le dispositif est réalisé de telle manière que les pauses d'inversion sont considérablement raccourcies ou peuvent même être complètement éliminées.
La possibilité d'obtenir, par la disposition des dispositifs de commutation conformément à l'idée fondamentale de l'invention, un passage direct, donc sans pause, du fonctionnement d'avancement au fonctionnement de freinage et de passer de ce aernier a l'inver- sion de marche,existe par exemple quand deux machines sont montées
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sur chaque arbre d'hélice. Ces machines peuvent être par exemple conçues pour deux vitesses différentes d'avancement et par consé- quent avoir une puissance et un nombre de pôles différents.
Conformément à la présente invention, on utilise pour le frei- nage, au moins pendant la première partie de la période de freina- ge, uniquement le moteur qui ne s'est pas trouvé sous courant pen- dant le fonctionnement d'avancement précédant le freinage, tandis.. que l'inversion du mouvement de l'arbre d'hélice se fait à nouveau par l'autre moteur.
Il est déjà connu, dans les commandes de bateau à deux moteurs asynchrones, de n'utiliser qu'un seul moteur à l'obtention de la vitesse moyenne d'avancement, tandis que les deux moteurs sont em- ployés à l'obtention de la vitesse maximum et à l'invers,ion.
En opposition à cette disposition connue, pendant la marche par un seul moteur, l'autre moteur est, conformément à l'invention, déjà prêt au freinage et le cas échéant est aussitôt mis en marche, tandis que l'inversion de l'arbre d'hélice se fait à nouveau par le premier moteur. De ce fait, on obtient que la charge chauffante, qui intervient pendant le freinage, est écartée de la machine qui a déjà été échauffée par le fonctionnement d'avancement précédent, et qui doit fournir la marche dans le nouveau sens de rotation,.
De plus, comme déjà mentionné, les pauses entre les divers processus peuvent être évitées, de sorte que le temps nécessaire à toute l'inversion est notablement diminué. Le processus est expli- qué en se référant à la fig.l du dessin annexé.
La génératrice G agit, par une ligne RST, dans laquelle se trouvent l'inverseur U et l'interrupteur Sl, sur le commutateur WS.
Quand ce dernier est dans la position A, G est relié ux bornes 1,2,3 du moteur M1; en même temps, les bornes 4,5,6 du moteur m2 sont en contact avec les bornes 14,15,16 de la résistance de frei- nage R. Les conducteurs d'excitation PN peuvent alimenter le champ du générateur G par l'interrupteur Sel ; par l'interrupteur Sa 2 et le commutateur, ils conduisent aux bornes de champ Cl Dl du moteur
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Ml, et par l'interrupteur Se3 et le commutateur WS aux bornes C2 D2 de champ du moteur M2 Devant les champs des moteurs se trouvent des résistances r1 et r2 réglées en correspondance.
Si le commuta- teur WS est dans la position B, la génératrice G est reliée aux bornes 4,5,6 du moteur M2, le moteur M1 est relié aux bornes 11, 12,13 de la résistance R ; l'excitation PN est reliee par l'inter- rupteur Se2 aux bornes de champ C2 D2 de M2 et par l'interrupteur Se3 aux bornes de champ Cl et D1 de ;.il. La résistance R peut être fermée par l' interrupteur S2. Quand la remanence des moteurs .Il et M2 n'est pas trop grande, cet interrupteur S2 peut être supprimé.
De même, l'interrupteur S1 peut manquer dans certaines conditions.
De plus, au lieu d'un commutateur WS à combinaisons, on peut em- ployer une combinaison de plusieurs interrupteurs ou protecteurs.
Quand le commutateur WS est dans la position A, les processus de fonctionnement se déroulent comme suit :
Avancement : L'interrupteur U étant dans la position 1, S1 est fermé, Sel inséré, G reçoit de la tension, 1:Il se met en marche.
Sitôt qu'il a atteint à peu près le synchronisme, Se2 est inséré et Ml est de ce fait synchronisé. Le régulateur du nombre de tours de la machine motrice de G est réglé au nombre de tours nécessaire au fonctionnement de marche normal. On se trouve ainsi a la pério- de de " marche ou avancement ".
Freinage: Le régulateur de nombre de tours est réglé sur un nombre de tours réduit, S2 est ferme, Sel et Se2 sont ouverts, en même temps Se3 est fermé et finalement S1 est ouvert. Le moteur M2
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freine le nombre de tours de l'arbre 6' llélice..::!;nt.cetem}s, l' inver- seur U est amené à la position 2.
Marche en arrière : S1 et Se 1 sont fermés, Se3 et ensuite S2 sont ouverts. Le moteur M1 tourne asynchrone dans l'autre sens de rotation. Dès qu'il a atteint a peu près le synchronisme, Ses est inséré, par quoi M1 est synchronisé, et le régulateur de nombre de tours est réglé en nombre de tours desiré.
Quand le commutateur WS se trouve en position B, les mêmes
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manoeuvres exactement sont exécutées par les mêmes interrupteurs, mais alors les rôles des deux moteurs sont intervertis ; Le moteur M2 détermine le démarrage, l'avancement et le démarrage après frei- nage, tandis que le moteur Ml freine l'arbre d'hélice. Dans le pro- cessus décrit, les pauses nécessaires dans les commandes connues sont supprimées.
Les conducteurs d'excitation de l'un ou des deux moteurs peu- vent être amenés au commutateur WS de telle sorte que, pendant l'a- vancement, ils se trouvent à une autre polarité du réseau d'excita- tion que pendant le freinage. A la figure 1,'ceci est le caa pour le moteur Ml, dont les bornes D12 sont raccordées à la barre N pen- dant la marche en avant, et à la barre P du réseau d'excitation pen- dant le freinage. Ce changement de la polarité est rationnel, parce qu'il évite un trop grand accroissement de la rémanence des machines et parce que, de ce fait, l'emploi de l'interrupteur' S2 peut dans certaines conditions être rendu inutile.
Ainsi donc, dans de tels bateaux à commande électrique avec deux moteurs pour chaque arbre, dans. les cas où seulement un des- deux moteurs est employé à la commande de l'arbre, pendant l'avan- cement du bateau, l'autre moteur est tenu prêt au freinage, afin qu'au moment où se produit l'ordre de réduire la vitesse du bateau, l'action de freinage puisse être déterminée simplement par l'excita- tion de ce moteur.
Si au lieu de cela, on voulait utiliser également au freinage le moteur qui entraîne l'hélice, il faudrait d'abord exciter ce moteur et sa génératrice, dès que l'ordre de stopper est donné, puis, après que les champs des deux machines sont suffisam- ment diminués, il faudrait manoeuvrer les lourds interrupteurs de courant principal, connecter le moteur à la position de freinage puis l'exciter à nouveau ; à ce moment seulement commencerait l'ef- fet de freinage. Dans la disposition décrite, ces temps sont écono- misés ; l'action de freinage se produit plus tôt. Le trajet de portée est donc raccourci de la course que parcourerait le bateau dans l'eau pendant ce temps.
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La pause qui s'établit pendant le passage du freinage à la marche arrière est également raccourcie, par la disposition ae l'invention, déjà considérablement, car à ce moment, il n'y a lieu à aucune manoeuvre d'interrupteurs dans le circuit principal, mais uniquement à une déconnexion du moteur freineur et connexion (ou alimentation) du moteur de marche arrière, simplement par renver- sement de l'interrupteur léger d'excitation. on peut cependant ici encore économiser du temps, en insérant d'abord les interrupteurs SI et Sel et attendant, pour déconnecter (ouvrir) Se3 et S2 que le champ de la génératrice G se soit développé assez pour que la mar- che en arrière du moteur M1 commence.
Par cette manoeuvre, l'néli- ce traînée dans l'eau n'a aucune occasion de tourner à nouveau dans l'ancien sens de rotation pendant le passage au freinage à la mar- che arrière de l'hélice.
Si la force qui maintient l'hélice doit être augmentée pen- dant le freinage, on peut, par extension de l'invention, insérer également et ultérieurement sur la résistance de freinage le mo- teur qui a été utilisé à l'avancement du bateau.
Dans la forme de réalisation décrite ci-dessus, les deux mo- teurs montés sur le même arbre peuvent être de construction diffé- rente ou exactement identique. En général, de tels bateaux n'avan- ceront à pleine vitesse, donc n'utiliseront lesdeux moteurs pour la marche¯, que lorsqu'ils se meuvent par bonne visibilité en eau absolument libre. Dans des passages étroits (canaux, fleuves, ports) ou par mauvaise visibilité (temps nuageux ou brumeux) le bateau réduit sa vitesse et peut alors être commande par un seul moteur. Dans ce cas, il est précisément de grand intérêt de pouvoir freiner très rapidement et dans ces cas, il devient particulière- ment avantageux d'appliquer l'invention.
La forme de réalisation ci-dessus décrite de l'idée générale de base de l'invention peut évidemment être employée également dans les navires à deux'ou plusieurs hélices, quand ces navires ont deux moteurs sur chaque arbre et n'utilisent, dans les circons-
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tances exigeant un freinage rapide, qu'un seul de ces moteurs pour la marche.
Cependant, l'emploi de l'idée inventive est encore possible quand un navire à plusieurs arbres ne possède qu'un seul moteur pour chaque arbre. Pour la marche lente, on ne commande en règle générale pas tous les arbres, mais pour un navire à trois hélices par exemple, on n'en commande qu'un ou deux et deux pour un navire à quatre hélices. Les autres arbres peuvent alors tourner à vide.
Il est alors possible d'obtenir un freinage sans pause intermédiai- re.
A la fig.2 est représenté un tel montage pour un navire à trois arbres. Trois arbres d'hélice W1,W2,W3 sont commandés par trois mo- ' teurs synchrones Ml,M2 et M3. Les enroulements de stator sont reliés ' aux interrupteurs S1,S2 et S3 qui ont chacun deux positions de commu- tation (interrupteurs à deux directions). Les lignes de courant al- ternatif sont désignées par trois traits transversaux. Dans une po- sition (la supérieure à la fig.2) l'enroulement de stator est relié, par un inverseur US1,US2 et US3 aux génératrices centrales z1,z2 et z3. Dans l'autre position de commutation, l'enroulement du stator est relié aux résistances de freinage Bl,B2 et B3.
Les enroulements de champ des moteurs sont reliés aux sources excitatrices E1,E2 et E3 chacun par un interrupteur auxiliaire sls2 et s3, également à deux positions, et accouplé aux commutateurs S1, S2 et s3, et par les in- terrupteurs d'excitation SE1, SE2 et SE3. Par les interrupteurs auxiliaires, la résistance de chaque circuit d'excitation est cha- que fois réglée de telle sorte que les courants excitateurs néces- saires au fonctionnement en marche ou au fonctionnement de freinage ont toujours la grandeur correcte voulue. Ceci peut être obtenu par la mesure des résistances Ri, R2 et R3 ou par leur déplacement dans l'une ou dans l'autre ligne, au moyen de l'interrupteur auxi- liaire.
Quand pour les deux états de fonctionnement, on doit utili- ser les mêmes courants d'excitation, ces interrupteurs auxiliaires sl, s2 et s3 peuvent évidemment disparaître, de même que les résis-
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tances R1, R2 et R3,
Si le navire est entraîné, pour petite vitesse, par exemple par l'arbre 2 seul, l'interrupteur S2 est dans la position sapé- rieure, les interrupteurs Si et S3 dans la position inferieure, de sorte que les arbres correspondant à ces deux derniers commencent à freiner dès que les interrupteurs d'excitation SE1 et SE3 sont enclanchés. Quand..arrive l'ordre d'arrêt, ces interrupteurs sont enclanchés et l'interrupteur SE2 et l'interrupteur d'excitation de la génératrice Z2 sont ouverts. De ce fait, -Le freinage commen- ce déjà.
Dès que la tension dans le circuit du stator du moteur M2 a suffisamment baissé, le circuit principal 2 est ouvert par exem- ple par l'interrupteur US2. (Il est alors possible également de faire contribuer le moteur M2 au freinage, en amenant S2 vers le bas et en fermant SE2. Mais ceci n'est jamais indispensable). Dès qu'alors la vitesse du navire a été suffisamment réduite, on em- ploie de préférence d'abord le moteur M2 pour la marche arrière de son hélice, US2 étant amené dans la position d'inversion et la ge- nératrice Z2 étant à nouveau excitée. Le moteur M2 marche alors en moteur asynchrone.
Il est rationnel de déconnecter automatiquement les deux mo- teurs Ml et M3 freineurs, dès que le nombre de tours du moteur M2 tombe en dessous de celui des deux moteurs freineurs M1 et M3 A cet effet, l'invention prévoit que par exemple chacun des trois arbres soit relié à une dynamo tachomètre T1, T2 et T3. Les deux machines T1 et T3 sont montées en parallèle et au travers d'un relais sur la machine T2 Dès que le nombre de tours de l'arbre 2 est devenu plus petit que celui des arbres 1 et 3 ou que cet arbre tourne en sens inverse de ceux-ci, la tension de T2 est aussi plus petite que celle de T1 et T3. Cette inversion de tension est alors employée à ouvrir les interrupteurs excitateurs SE1 et SES, de sorte que les arbres 1 et 3 ne peuvent gêner l'inversion de commande.
Au lieu de cela, on peut utiliser par exemple, pour l'ouverture des interrupteurs SE.1 et SE3 un instrument qui agit dès que les arbres
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freinés W1 et W3 veulent inverser leur sens de rotation. Après ouverture des interrupteurs SE1 et SE3, les interrupteurs Si et Sa peuvent être amenés vers le haut, les interrupteurs US1 et US3 être placés dans le sens du nouveau sens de rotation et les circuits d'excitation dans les centrales 1 et 3 être fermés, de sorte que les machines 1 et 3 changent également de sens.
Le montage ici décrit obtient donc également que le freinage puisse débuter sans intercalation préalable dans le circuit de fort. courant.
Pour un bateau à quatre arbres, le même montage est employé dans le même sens.
Dans ce cas, les deux arbres externes correspondent aux deux arbres 1 et 3, les deux arbres internes correspondent à l'arbre 2 de l'exemple de la fig.2.2
Si, en considération de la rémanence des machines M, il n'était pas admissible de relier les machines pendant la marche aux résistances fermées de freinage, il est rationnel alors de prévoir un interrupteur de point nul dans la résistance de freinage, qui, au début du freinage, est fermé simultanément à l'interrupteur excitateur des machines freinantes.
Pour les cas où l'arbre d'hélice n'est entraîna que par un seul moteur, il existe encore une autre solution très rationnelle, qui est applicable spécialement quand le bateau ne, possède que cet arbre d'hélice, de sorte que, dans l'exemple de réalisation exposé ci-dessus, les actions combinées exposées avec les autres arbres d'hélice ne sont pas possibles. Dans ce but, il est prévu, confor- mément à l'invention, un frein électrique spécial excité par cou- rant continu, qui se compose d'un ou plusieurs systèmes de pôles excités par courant continu, et d'un enroulement, le cas échéant un enroulement en forme de cage. Par un tel frein, il est possible. d'opérer le freinage de l'arbre sans charger le moteur d'entraîne- ment qui a été sollicité par le fonctionnement d'avancement précé- dant le freinage.
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Des freins électriques sont connus en eux-mêmes. Dans ces freins connus, tels qu'ils sont eniployes éventuellement déjà. pour des installations stationnaires, installations de transport, etc. la chaleur de freinage est obtenue par formation de courants tour- billonnaires seulement dans les parties de fer massives. Ces freins ont en règle générale une roue-étoile propre et forment pour ainsi dire une machine complète.
Suivant l'invention, il est cependant important, pour la commande de bateaux, de tenir aussi petites que possible les masses déplacées de la commande, c'est-à-dire ce ren- dre les freins aussi actifs que possible et d'éviter ainsi que les parties tournantes du frein augmentent notablement le moment oscil- lant de l'arbre d'hélice avec le moteur de commande. Ce but peut être obtenu du fait que l'on réunit constructivement le frein au moteur d'hélice et que l'on équipe la partie secondaire du frein additionnellement d'un enroulement, par exemple du type d'un induit en cage, que l'on peut monter dans une partie constructive lamel- laire ou même massive.
Les fig. 3 et 4 représentent des parties d'un tel dispositif de frein. A la fig. 3, A est l'axe de l'arbre d'hélice, B une par- tie de la roue-étoile pour le moteur de commande, C le fer actif de la partie tournante et D le fer actif du stator, si le moteur est par exemple un moteur synchrone, les pôles excités par courant continu sont disposés en C, et D est le fer lamellaire du stator, dans lequel est monté l'enroulement E. A la roue-étoile est fixée une partie du frein, dans' ce cas une partie F en fer massive, avec l'enroulement G de court-circuitage. En face des parties F et G se trouve une partie fixe composée des pôles H qui peuvent être exci- tés par courant continu au travers de l'enroulement J. Les pôles H peuvent être disposés sur un cercle complet Où les pièces F et G ne se trouvent opposées que sur une partie du cercle, comme le mon- tre la fig.4.
Par un choix judicieux de la division des pôles, ainsi que par une valeur adéquate de la résistance de l'enroulement G en cage, on peut obtenir que le moment de freinage le plus haut se
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produise pour le nombre de tours pour lequel il est désiré pour le freinage effectif du bateau. La grandeur du moment de freinage et la position de son maximum en dépendance du nombre de tours peu- vent en outre être réglées par la grandeur de l'excitation par cou- rant continu aux pôles de freinage. Dans certaines conditions, il peut aussi être judicieux de modifier l'excitation en courant con- tinu à la vitesse du bateau.
La fig.5 représente une autre forme de réalisation d'un frein.
Ici un enroulement K en forme de cage est monté sur la partie fixe du frein et se trouve dans le corps de fer L. Les pôles M avec l'ex- citation N en courant continu sont, dans cet exemple, reliés à la roue-étoile 0 du moteur d'entraînement. La construction du frein, correspondant à cet exemple d'exécution de la fig.5, peut être ju- dicieuse pour les raisons suivantes : Il est possible d'assembler constructivement la culasse du frein avec celle du moteur, car tous deux peuvent être en acier coulé. Par contre, pour la partie fixe secondaire L, on peut employer la fonte avec avantage. Comme la partie secondaire L et K du frein est thermiquement plus sollicitée que le système de pôles M, il est nécessaire de refroidir spéciale- ment fort la partie secondaire.
Ceci peut se faire dans la di spo- sition de la fig.5, par exemple en équipant la partie de fer L d'espaces creux P dans lesquels circule l'eau de refroidissement.
Au lieu de l'eau, on peut employer un autre agent de refroidissement., par l'air ou l'huile, ce qui a pour avantage que des défauts éven- tuels d'étanchéité se marquent moins dangereusement pour le fonction- nement. Comme la sollicitation thermique n'est jamais que de courte durée, il n'est pas toujours nécessaire de faire circuler l'agent de refroidissement et de lui enlever à un autre endroit la chaleur par un réfrigérateur, mais il peut également servir simplement à augmenter la capacité thermique de la partie fixe du frein,
de sorte que la chaleur développée pendant le freinage de courte durée peut être emmagasinée sans que se produisent des températures inadmissi- bles. La chaleur qui s'est développée principalement dans les barres
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K de l'enroulement en forme de cage - chose qui s'obtient par une dimension et un choix adéquats de la matière des barres et des anneaux - n'a ici à parcourir qu'un très faible trajet jusqu'a l'a- gent de refroidissement et n'entraîne pas un échauffèrent de l'air de refroidissement qui circule autour du moteur d'entraînement.
Pour répartir plus avantageusement la chaleur, l'enroulement secon- daire K peut être construit comme simple enroulement inulti-phases et être relié à des résistances externes, de sorte qu'une partie de la chaleur se développe dans ces résistances situées a l'extérieur, Une telle disposition se distingue des machines normales en ce qu'elle est tout spécialement adaptée aux exigences du freinage.
Comme elle est, pour ces raisons, reliée constructivement au moteur d'entraînement, et qu'elle peut comporter un corps de fer non ou très peu divisé en lames, ainsi qu'un enroulement particulièrement simple, avec isolement relativement faible, elle est notablement meilleur marché qu'une machine normale. uand on emploie du fer massif pour la partie fixe L, les encoches pour les barres de l'enroulement K doivent être formées dans la masse pleine, par exemple par rabotage, fraisage, forage, etc. D'une manière générale, ces rainures ou encoches doivent être radiales.
Cette disposition peut cependant conduire à des diffi- cultés techniques d'atelier ou au moins à une fabrication incommode et coûteuse, On dispose judicieusement par conséquent plusieurs rainures voisines parallèles. La fig.6 represente une section du corps de fer L où sont formées chaque fois trois rainures parallè- les N1, N2, N3. En pratique, il sera souvent possible de disposer les rainures parallèlement sur une section de cercle encore plus grande.
Dans la disposition de la fig.5, le courant continu pour l'en- roulement N doit être amené par bagues frotteuses à la roue de pôles. A cet effet, il suffit de disposer une troisième bague frot- teuse. Le montage correspondant est représenté à la fig.7. Dans celle-ci, MF désigne l'enroulement de champ du moteur synchrone, et
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BF l'enroulement excitateurdes pôlesde freinage. Les deux enrou- leaients excitateurs sont reliés entre eux et le point de réunion est conduit à la bague frotteuse S2. Les extrémités externes des enroulements sont reliées aux bagues frotteuses S1 et S3. Par les interrupteurs d'excitation Se2 et-Ses , les deux enroulements exci- tateurs peuvent être alimentés en courant indépendamment l'un de l'autre.
Par un tel frein, on ne peut, pour le cas d'un seul mo- teur par arbre, obtenir qu'un seul montage pour lequel, dans ce circuit de fort courant, seul l'inverseur est à actionner, tandis que l'amenée de la période de freinage et d'inversement de marche n'est possible que par la manoeuvre d'interrupteurs excitateurs.
Un tel montage est représenté en principe à la fig.8. De la centrale z, le conducteur de courant fort va au moteur M en passant par un interrupteur U à trois directions, le frein B étant construc- tivement relié au moteur de la manière esquissée. L'interrupteur excitateur Sel sert à exciter la génératrice Z, un deuxième inter- rupteur excitateur Se2 sert à exciter le moteur synchrone M et un troisième interrupteur excitateur Se3 sert à exciter le frein B.
En fonctionnement normal, les interrupteurs excitateurs Sel et Se2 sont fermés, Se3 est ouvert, l'inverseur U se trouve dans la posi- tion correspondant à la marche avant du bateau. Quand on doit in- verser la marche, il faut d'abord ouvrir Sa 1 et Se2 et fermer Se3.
Le processus de freinage débute alors immédiatement. Dès que la tension des machines Z et M a baissé suffisamment, l'inverseur U est renversé encore pendant la période,de freinage, et l'installa- tion est alors prête pour le commencement de l'inversion de marche ; il n'est donc également plus nécessaire ici, après fin de la pério- de de freinage, d'attendre, pour le commencement du processus de changement de marche, que l'inverseur U ait été tourné. quand la processus de freinage a été suffisamment poussé, on commence l'inver- sion de marche en ouvrant l'interrupteur Se3 et fermant Sel.
La ma- chine tournera comme moteur asynchrone dans le'nouveau sens de ro- tation. Ici également, il n'y a aucune pause intermédiaire nécessai-
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re pour le service des interrupteurs de courant fort et pour lais- ser diminuer les champs. En vue d'une plus grande simplification de la manoeuvre, ces divers interrupteurs peuvent être reliés obli- gatoirement entre eux, ou ils peuvent être commandes directement ou indirectement par un cylindre commun de commande.
Dans certaines conditions, il faut tenir compte de ce que, dans le frein électrique, existe un certain effet de rémanence qui, pendant que l'arbre d'hélice tourne, développe un courant et par suite des pertes. A la fig. 9 est représenté un montage en vue d'éviter cet effet de rémanence. Les enroulements excitateurs MF du moteur d'hélice, ainsi que BF du frein sont reliés à trois ba- gues trotteuses S3, S2 et Sl. L' enroulement excitateur MF est relié à la machine excitatrice E par un interrupteur Sel, tandis que l'enroulement du frein est relié à la même machine par l'inverseur U. Entre la machine excitatrice E et la bague trotteuse S2, qui se trouve au point de liaison entre les deux enroulements excitateurs, se trouve une résistance R. Lors du freinage, l'inverseur est posé sur le contact C.
Le courant se ferme alors de la machine excita- trice E, par la résistance R, la baue S2, 1'enroulement BF,la bague s2, sur l'inverseur U. L'interrupteur Sel est ouvert pendant ce fonctionnement. Pendant la marche normale du bateau, l'inger- rupteur Sel est fermé et l'inverseur U amené sar le contact ±1.. Dès lors l'excitation BF est en parallèle à la résistance R. lle prend un courant fourni par le rapport entre cette resistance R et la résistance de l'enroulement BF. La puissance de ce courant doit être réglée de manière qu'elle annihile l'effet de la rémanence.
Une telle disposition permet d'utiliser tous les avantages du procédé décrit au début du procédé d'inversion en deux phases les temps de freinage et d'inversion de marche sont notablement raccourcis, de plus l'enroulement amortisseur du moteur d'entraîne- ment est considérablement décnargé; car il n'est pas sollicité pen- dant le processus de freinage. La cnaleur qui est à enlever, lors du freinage de l'arbre, de l'enroulement en cage au frein, est égég- lement notablement plus faible que celle a enlever pendant l'inver-
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sion asynchrone, en pleine marche, de l'enroulement amortisseur du moteur inverseur, de sorte que l'enroulement du frein est moins sollicité, en correspondance.
Le dispositif décrit de frein est au reste moins coûteux qu'une deuxième machine montée sur l'arbre son encombrement et son poids.sont également moindres.
REVENDICATIONS.-
1. Commande électrique de. bateau, avec moteur synchrone, dans laquelle, avant l'inversion de marche de l'arbre d'hélice, la vitesse du bateau est réduite par un freinage électrique de l'arbre- d'hélice, caractérisée en ce que, pour éviter les pauses d'inver- sion, le couplage des machines est déjà avancé pendant la marche d'une manière telle que le freinage peut commencer par excitation du dispositif de freinage électrique, sans attendre que soit désex- citéeet déconnectée la génératrice de courant qui alimente le mo- teur de marche.
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Electrical control of boats.
Electric transmission of energy to the propeller shafts or. Layer shafts of large boats, has recently been done almost exclusively with the aid of synchronous motors. It is known, in order to reduce the speed of the ship, to let these engines work first as generators on braking resistors, until the speed of the boat is lowered, by the water, in . , a determined measure, and only then to control these motors as asynchronous motors and to make them turn in the opposite direction.
This process has the advantage that the damping windings of the motors are only stressed, thermally charged in the second part of the process, while the energy which is supplied to the electrical system during the braking of the propeller, is transformed into heat, by braking resistor, outside the machine.
The present invention relates to such a control. boat.
Braking and reversing as described above
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require numerous switching operations in the electrical device, resulting in delays which, under certain conditions, determine a noticeable lengthening of the braking process. First, before the boat begins to brake, the number of revolutions of the drive machine must be lowered, the generator and engine must be de-energized, which, due to the magnetic time constants of these machines, takes after a while, after which the heavy main current switches between the two machines are opened and the synchronous motor is connected to the braking resistor and finally the synchronous motor is energized again. It is only then that the braking force begins to act on the propeller shaft.
Likewise, when reversing the braking state to the opposite direction of rotation, there is a pause due to the fact that the synchronous motor must be de-energized, that the connection to the braking resistor (heavy duty switches main current) must be open, the main current switch to the generator must be closed and the generator must be energized. During this pause, no braking force is exerted on the propeller shaft, so that the propeller shaft again begins to turn rapidly in the old direction of rotation because of the water current. which surrounds it. As a result, the preconditions for the asynchronous reversal of the propeller motor are significantly worse.
These reversing maneuvers thus lose valuable time and the braking process is considerably lengthened. According to the present invention, the device is made in such a way that the reversal pauses are considerably shortened or can even be completely eliminated.
The possibility of obtaining, by the arrangement of the switching devices in accordance with the fundamental idea of the invention, a direct passage, therefore without pause, from the advancing operation to the braking operation and of passing from this last to the reverse gear, eg when two machines are mounted
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on each propeller shaft. These machines can for example be designed for two different forward speeds and therefore have different power and number of poles.
According to the present invention, for the braking, at least during the first part of the braking period, only the motor which was not found under current during the forward operation preceding the braking is used. braking, while .. the reversal of the movement of the propeller shaft is done again by the other motor.
It is already known, in ship controls with two asynchronous motors, to use only one motor to obtain the average forward speed, while the two motors are used to obtain maximum speed and vice versa, ion.
In opposition to this known arrangement, during operation by a single motor, the other motor is, according to the invention, already ready for braking and if necessary is immediately started, while the reversal of the shaft propeller is done again by the first motor. As a result, it is obtained that the heating load, which occurs during braking, is moved away from the machine which has already been heated up by the previous forward operation, and which must provide operation in the new direction of rotation.
In addition, as already mentioned, pauses between the various processes can be avoided, so that the time required for the entire reversal is significantly reduced. The process is explained with reference to Fig. 1 of the accompanying drawing.
The generator G acts, via a line RST, in which the inverter U and the switch S1 are located, on the switch WS.
When the latter is in position A, G is connected to terminals 1,2,3 of motor M1; at the same time, the terminals 4,5,6 of the motor m2 are in contact with the terminals 14,15,16 of the braking resistor R. The excitation conductors PN can supply the field of the generator G by the Salt switch; via switch Sa 2 and the commutator, they lead to the field terminals Cl Dl of the motor
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M1, and by the switch Se3 and the switch WS to the field terminals C2 D2 of the motor M2 In front of the fields of the motors are resistors r1 and r2 adjusted in correspondence.
If the switch WS is in position B, the generator G is connected to terminals 4,5,6 of motor M2, motor M1 is connected to terminals 11, 12,13 of resistor R; the PN excitation is connected by the switch Se2 to the field terminals C2 D2 of M2 and by the switch Se3 to the field terminals C1 and D1 of; .il. Resistor R can be closed by switch S2. When the remanence of the .Il and M2 motors is not too large, this switch S2 can be removed.
Likewise, switch S1 may be missing under certain conditions.
In addition, instead of a WS combination switch, a combination of several switches or protectors can be used.
When the WS switch is in position A, the operating processes are as follows:
Progress: With switch U in position 1, S1 is closed, Salt inserted, G receives voltage, 1: It starts up.
As soon as it has reached approximately synchronism, Se2 is inserted and M1 is thereby synchronized. G's prime mover rev regulator is set to the number of revolutions required for normal running operation. We are thus in the period of "march or advance".
Braking: The number of revolutions regulator is set to a reduced number of revolutions, S2 is closed, Sel and Se2 are open, at the same time Se3 is closed and finally S1 is open. M2 engine
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brakes the number of turns of the shaft 6 'the propeller .. ::!; nt.cetem} s, the inverter U is brought to position 2.
Reverse: S1 and Se 1 are closed, Se3 and then S2 are open. Motor M1 rotates asynchronously in the other direction of rotation. As soon as it has reached approximately synchronism, Ses is inserted, whereby M1 is synchronized, and the number of revolutions regulator is set to the desired number of revolutions.
When the WS switch is in position B, the same
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Exactly maneuvers are performed by the same switches, but then the roles of the two motors are inverted; The motor M2 determines the starting, the advancement and the starting after braking, while the motor M1 brakes the propeller shaft. In the described process, the necessary pauses in known commands are suppressed.
The excitation conductors of one or both motors can be brought to the WS switch in such a way that, during advancement, they are at a different polarity of the excitation network than during the braking. In figure 1, this is the caa for the motor M1, whose terminals D12 are connected to the bar N during forward travel, and to the bus P of the excitation network during braking. This change in polarity is rational, because it avoids too great an increase in the remanence of the machines and because, therefore, the use of the switch S2 can under certain conditions be rendered unnecessary.
So therefore, in such electrically operated boats with two motors for each shaft, in. in cases where only one of the two motors is used to control the shaft, while the boat is advancing, the other motor is kept ready for braking, so that when the order to reduce boat speed, the braking action can be determined simply by energizing this motor.
If instead we wanted to also use the motor which drives the propeller for braking, we would first have to energize this motor and its generator, as soon as the order to stop is given, then, after the fields of both machines are sufficiently reduced, it would be necessary to operate the heavy main current switches, connect the motor to the braking position and then energize it again; only then will the braking effect begin. In the arrangement described, these times are saved; braking action occurs earlier. The range path is therefore shortened by the distance the boat would travel in the water during this time.
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The pause which is established during the passage from braking to reverse gear is also shortened, by the arrangement of the invention, already considerably, because at this time, there is no operation of switches in the circuit. main, but only to disconnecting the braking motor and connecting (or supplying) the reverse motor, simply by reversing the light excitation switch. Here, however, we can still save time, by first inserting the switches SI and Sel and waiting, to disconnect (open) Se3 and S2 that the field of the generator G has developed enough for the backward movement of the motor M1 starts.
By this maneuver, the propeller dragged in the water has no opportunity to turn again in the old direction of rotation during the transition to braking in reverse of the propeller.
If the force which maintains the propeller must be increased during braking, it is possible, by extension of the invention, also and subsequently to insert on the braking resistor the motor which was used for the advancement of the boat. .
In the embodiment described above, the two motors mounted on the same shaft may be of different construction or exactly the same. In general, such boats will only go at full speed, so will only use both engines for the market, when they are moving in good visibility in absolutely open water. In narrow passages (canals, rivers, ports) or in poor visibility (cloudy or foggy weather) the boat reduces its speed and can then be controlled by a single engine. In this case, it is precisely of great interest to be able to brake very quickly and in these cases it becomes particularly advantageous to apply the invention.
The above-described embodiment of the basic general idea of the invention can of course also be employed in ships with two or more propellers, when these ships have two engines on each shaft and do not use, in circumscribe
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tances requiring rapid braking, only one of these motors for walking.
However, the use of the inventive idea is still possible when a multi-shaft vessel has only one engine for each shaft. For slow travel, as a rule not all shafts are ordered, but for a ship with three propellers, for example, only one or two and two are ordered for a ship with four propellers. The other shafts can then run empty.
It is then possible to obtain braking without an intermediate pause.
In fig.2 is shown such an assembly for a ship with three shafts. Three propeller shafts W1, W2, W3 are controlled by three synchronous motors M1, M2 and M3. The stator windings are connected to switches S1, S2 and S3 which each have two switching positions (two-way switches). Alternating current lines are denoted by three transverse lines. In one position (the upper one in fig.2), the stator winding is connected, by an inverter US1, US2 and US3 to the central generators z1, z2 and z3. In the other switching position, the stator winding is connected to the braking resistors B1, B2 and B3.
The field windings of the motors are connected to the excitation sources E1, E2 and E3 each by an auxiliary switch sls2 and s3, also with two positions, and coupled to the switches S1, S2 and s3, and by the excitation switches SE1 , SE2 and SE3. By means of the auxiliary switches, the resistance of each excitation circuit is each time regulated so that the exciter currents necessary for running or braking operation always have the correct magnitude required. This can be obtained by measuring the resistances R 1, R 2 and R 3 or by their displacement in one or the other line, by means of the auxiliary switch.
When the same excitation currents are to be used for both operating states, these auxiliary switches sl, s2 and s3 can obviously disappear, as can the resistors.
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tances R1, R2 and R3,
If the vessel is driven, for low speed, for example by shaft 2 alone, switch S2 is in the lower position, switches Si and S3 in the lower position, so that the shafts corresponding to these two The latter start to brake as soon as the excitation switches SE1 and SE3 are engaged. When the stop order arrives, these switches are engaged and the switch SE2 and the generator excitation switch Z2 are open. As a result, -The braking is already starting.
As soon as the voltage in the stator circuit of the motor M2 has fallen sufficiently, the main circuit 2 is opened, for example, by the switch US2. (It is then also possible to make the motor M2 contribute to braking, by bringing S2 downwards and closing SE2. But this is never essential). As soon as the speed of the vessel has been sufficiently reduced, the motor M2 is preferably used first for the reverse gear of its propeller, US2 being brought into the inversion position and the generator Z2 being at again excited. The motor M2 then operates as an asynchronous motor.
It is rational to automatically disconnect the two braking motors M1 and M3, as soon as the number of revolutions of the motor M2 falls below that of the two braking motors M1 and M3 To this end, the invention provides that, for example, each of the three shafts is connected to a tachometer dynamo T1, T2 and T3. The two machines T1 and T3 are mounted in parallel and through a relay on machine T2 As soon as the number of revolutions of shaft 2 has become smaller than that of shafts 1 and 3 or that this shaft turns in direction inverse of these, the voltage of T2 is also smaller than that of T1 and T3. This voltage inversion is then used to open the exciter switches SE1 and SES, so that the shafts 1 and 3 cannot interfere with the control inversion.
Instead, we can use, for example, for the opening of switches SE.1 and SE3 an instrument which acts as soon as the shafts
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braked W1 and W3 want to reverse their direction of rotation. After opening the switches SE1 and SE3, the switches Si and Sa can be brought up, the switches US1 and US3 be placed in the direction of the new direction of rotation and the excitation circuits in the units 1 and 3 be closed, so that machines 1 and 3 also change direction.
The assembly described here therefore also ensures that braking can begin without prior intercalation in the fort circuit. current.
For a boat with four shafts, the same assembly is used in the same direction.
In this case, the two outer shafts correspond to the two shafts 1 and 3, the two inner shafts correspond to the shaft 2 of the example of fig. 2.2
If, in consideration of the remanence of the M machines, it was not permissible to connect the machines during operation to the closed braking resistors, then it is rational to provide a zero point switch in the braking resistor, which, at the start of braking, is closed simultaneously with the exciter switch of the braking machines.
For cases where the propeller shaft is only driven by one motor, there is still another very rational solution, which is applicable especially when the boat has only this propeller shaft, so that, in the exemplary embodiment exposed above, the combined actions exposed with the other propeller shafts are not possible. For this purpose, there is provided, according to the invention, a special electric brake excited by direct current, which consists of one or more pole systems excited by direct current, and a winding, the if necessary a winding in the form of a cage. By such a brake it is possible. braking the shaft without loading the drive motor which was requested by the forward operation preceding the braking.
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Electric brakes are known per se. In these known brakes, as they are possibly already eniployes. for stationary installations, transport installations, etc. the braking heat is obtained by the formation of eddies only in the massive iron parts. These brakes usually have their own star wheel and form, so to speak, a complete machine.
According to the invention, however, it is important for the control of ships to keep the displaced masses of the control as small as possible, that is to say to make the brakes as active as possible and to avoid as well as the rotating parts of the brake significantly increase the oscillating moment of the propeller shaft with the drive motor. This goal can be obtained from the fact that the brake is constructively joined to the propeller motor and that the secondary part of the brake is additionally fitted with a winding, for example of the type of a caged armature, that the 'one can climb in a lamelar or even massive constructive part.
Figs. 3 and 4 show parts of such a brake device. In fig. 3, A is the axis of the propeller shaft, B a part of the star wheel for the drive motor, C the active iron of the rotating part and D the active iron of the stator, if the motor is for example a synchronous motor, the poles excited by direct current are arranged in C, and D is the lamellar iron of the stator, in which the winding is mounted E. To the star wheel is fixed part of the brake, in ' in this case a solid iron part F, with the short-circuiting G winding. In front of the parts F and G is a fixed part made up of the H poles which can be excited by direct current through the winding J. The H poles can be arranged on a complete circle Where the parts F and G do not are only opposite on a part of the circle, as shown in fig.4.
By a judicious choice of the division of the poles, as well as by an adequate value of the resistance of the winding G in cage, one can obtain that the highest braking moment is
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produce for the number of revolutions for which it is desired for the effective braking of the boat. The magnitude of the braking moment and the position of its maximum in dependence on the number of revolutions can furthermore be regulated by the magnitude of the direct current excitation at the braking poles. Under certain conditions, it may also be wise to change the DC excitation at boat speed.
Fig.5 shows another embodiment of a brake.
Here a cage-shaped winding K is mounted on the fixed part of the brake and is located in the iron body L. The poles M with the N excitation in direct current are, in this example, connected to the wheel- star 0 of the drive motor. The construction of the brake, corresponding to this example of execution in fig. 5, can be judicious for the following reasons: It is possible to constructively assemble the cylinder head of the brake with that of the engine, because both can be in cast steel. On the other hand, for the secondary fixed part L, it is possible to use cast iron with advantage. As the brake abutment L and K is thermally more stressed than the pole system M, it is necessary to cool the abutment particularly strongly.
This can be done in the arrangement of FIG. 5, for example by equipping the iron part L with hollow spaces P in which the cooling water circulates.
Instead of water, it is possible to use another cooling agent, air or oil, which has the advantage that any leaks are less dangerous in operation. As thermal stress is never short-lived, it is not always necessary to circulate the coolant and remove the heat from it elsewhere by a refrigerator, but it can also be used simply to increase the thermal capacity of the fixed part of the brake,
so that the heat developed during short braking can be stored without the occurrence of inadmissible temperatures. The heat that developed mainly in the bars
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K of the cage-shaped winding - something which is obtained by an adequate size and choice of the material of the bars and the rings - has here only a very short distance to cover until the a- gent of cooling and does not cause overheating of the cooling air which circulates around the drive motor.
To distribute the heat more advantageously, the secondary winding K can be constructed as a simple inultiphase winding and be connected to external resistors, so that part of the heat develops in these resistors located outside. Such an arrangement differs from normal machines in that it is especially adapted to the requirements of braking.
As it is, for these reasons, constructively connected to the drive motor, and as it can comprise an iron body not or very little divided into blades, as well as a particularly simple winding, with relatively low insulation, it is notably cheaper than a normal machine. When solid iron is used for the fixed part L, the notches for the bars of the winding K must be formed in the solid mass, for example by planing, milling, drilling, etc. In general, these grooves or notches must be radial.
This arrangement can, however, lead to technical difficulties in the workshop or at least to inconvenient and expensive manufacture. Several adjacent parallel grooves are therefore judiciously available. Fig. 6 represents a section of the iron body L where three parallel grooves N1, N2, N3 are formed each time. In practice, it will often be possible to arrange the grooves in parallel on an even larger section of a circle.
In the arrangement shown in fig. 5, the direct current for the N winding must be supplied by contact rings to the pole wheel. For this purpose, it suffices to have a third rubbing ring. The corresponding assembly is shown in fig. 7. In this, MF denotes the field winding of the synchronous motor, and
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BF the exciter winding of the braking poles. The two exciter windings are connected to each other and the meeting point is led to the friction ring S2. The outer ends of the windings are connected to the friction rings S1 and S3. By means of the excitation switches Se2 and-Ses, the two exciter windings can be supplied with current independently of each other.
With such a brake, it is only possible, for the case of a single motor per shaft, to obtain a single assembly for which, in this high current circuit, only the inverter is to be actuated, while the bringing the braking and reversing period is only possible by the operation of exciter switches.
Such an arrangement is shown in principle in fig.8. From the power plant z, the strong current conductor goes to the motor M via a three-way switch U, the brake B being constructively connected to the motor in the manner sketched. The exciter switch Sel serves to energize the generator Z, a second exciter switch Se2 is used to energize the synchronous motor M and a third exciter switch Se3 is used to energize the brake B.
In normal operation, the exciter switches Sel and Se2 are closed, Se3 is open, the inverter U is in the position corresponding to the forward gear of the boat. When we have to reverse the process, we must first open Sa 1 and Se2 and close Se3.
The braking process then begins immediately. As soon as the voltage of the machines Z and M has fallen sufficiently, the inverter U is reversed again during the braking period, and the installation is then ready for the start of the reversal of operation; It is therefore also no longer necessary here, after the end of the braking period, to wait, for the start of the shifting process, until the reverser U has been turned. when the braking process has been sufficiently pushed, the reverse gear is started by opening switch Se3 and closing Sel.
The machine will run as an asynchronous motor in the new direction of rotation. Here, too, there is no intermediate break required.
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re for the service of heavy current interrupters and to let the fields decrease. With a view to further simplifying the operation, these various switches can be compulsorily connected to one another, or they can be controlled directly or indirectly by a common control cylinder.
Under certain conditions it must be taken into account that, in the electric brake, there is a certain effect of remanence which, while the propeller shaft rotates, develops a current and consequently losses. In fig. 9 is shown an assembly in order to avoid this afterglow effect. The MF exciter windings of the propeller motor, as well as BF of the brake, are connected to three second hand rings S3, S2 and Sl. The MF exciter winding is connected to the exciter machine E by a switch Sel, while the brake winding is connected to the same machine by the inverter U. Between the exciter machine E and the second ring S2, which is located at the connection point between the two exciter windings, there is a resistor R. During braking, the reverser is placed on contact C.
The current then closes from the exciter machine E, through the resistor R, the baue S2, the winding BF, the ring s2, on the inverter U. The switch Sel is open during this operation. During normal operation of the boat, the Sel switch is closed and the inverter U brought to the ± 1 contact. Therefore, the BF excitation is in parallel with the resistor R. It takes a current supplied by the gear. between this resistance R and the resistance of the winding BF. The power of this current must be regulated so that it annihilates the effect of remanence.
Such an arrangement makes it possible to use all the advantages of the method described at the start of the two-phase reversing process, the braking and reversing times are notably shortened, moreover the damper winding of the drive motor. is considerably reduced; because it is not used during the braking process. The value which is to be removed, when the shaft is braked, from the cage winding to the brake, is also notably lower than that to be removed during the reversal.
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Asynchronous tension, in full operation, of the damping winding of the reversing motor, so that the brake winding is less stressed, in correspondence.
The brake device described is moreover less expensive than a second machine mounted on the shaft, its size and weight are also less.
CLAIMS.-
1. Electric control of. boat, with synchronous motor, in which, before the reverse gear of the propeller shaft, the speed of the boat is reduced by electric braking of the propeller-shaft, characterized in that, to avoid reversing pauses, the coupling of the machines is already advanced during operation in such a way that braking can begin by energizing the electric braking device, without waiting for the current generator which supplies the machine to be de-energized and disconnected. walking motor.