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Procédé de transition pour le passage d'un couplage à un autre dans les groupements de moteurs à courant continu.
On sait que, dans les installations destinées à fournir de l'énergie mécanique à l'aide d'une pluralité de moteurs électriques alimentés en courant continu sous ten- sion constante et notamment dans les locomotives et automo- trices électriques, un des procédés de régulation couramment employés consiste à faire varier la tension aux bornes des induits des moteurs en modifiant le mode de groupement de ces derniers et en les couplant, suivant les besoins, soit en série, soit en série-parallèle, soit en parallèle, de manière à répartir entre eux de façon adéquate la tension constante du réseau.
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On sait également que, d'une façon générale, lors du passage d'un couplage au suivant, le changement de ten-- sion ne peut pas être réalisé directement et que, pour évi- ter des à-coups importants dans l'intensité appliquée aux induits des moteurs et dans les couples ou les efforts de traction correspondants, - avec tous les risques que compor- tent cas à-coups au point de vue mécanique et électrique,- il est nécessaire de passer, en ce qui concerne la tension appliquée aux induits, par un ou plusieurs états intermédiai- res assurant une transition progressive.
Mais les méthodes généralement appliquées jusqu'à présent pour réaliser ce passage d'un couplage à un autre im- pliquent toutes l'emploi d'un dispositif dévolteur (résistan- ce, groupe, batterie, etc,.,), qui, pendant la transition, est chargé d'absorber une fraction notable de l'énergie dis-- ponible et qui, de ce fait, doit être largement dimensionné; avec comme conséquence un poids et un encombrement relative- ment hors de proportion avec le résultat à atteindre étant donné la rapidité avec laquelle s'effectue pratiquement la transition.
On a bien cherché, grâce à certaines variantes, à réduire l'importance des dispositifsdévolteurs en question.
On a notamment essayé d'y parvenir en rapprochant, autant que possible, à l'aide d'un shuntage convenable, la dernière courbe économique du couplage inférieur, de la pre- mière courbe économique normale du couplage supérieur,
On peut, par exemple citer à cet égard, le dispo- sitif décrit dans le brevet anglais n 10.072 de 1907,
Toutefois, dans l'état actuel de la technique et pour les types de moteurs usuels; il n'a pas jusqu'à présent été possible, par ce seul moyen, de supprimer totalement les résistances spécifiquement limitatrices d'intensité et d'ef- fort dites "résistances de transition", ou les dispositifs
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auxiliaires spéciaux équivalents.
La présente invention a pour objet un procédé de transition qui, quel que soit le nombre de moteurs que com- porte lé groupement, permet le passage d'un couplage à un couplage supérieur sans emploi d'aucune résistance de transi- tion ou autre dispositif auxiliaire de transition.
Conformément à l'invention, ce résultat est atteint en combinant un relèvement de la dernière courbevitesse- effort du couplage inférieur, relèvement qu'on réalise au moyen d'un shuntage convenable, avec un abaissement de la première courbe vitesse-effort du couplage supérieur, abais- sement qu'on réalise au moyen d'un renforcement temporaire approprié,des champs inducteurs.
Les shuntage et renforcement de champ nécessaires ne demandent alors que l'intervention de dispositifs peu encombrants ; ils peuvent être obtenus par tout moyen connu: ils peuvent notamment l'être au moyen des résistances régla- bles ou des groupes auxiliaires moteurs-générateurs utilisés pour la régulation ou encore par des connexions convenables des champs inducteurs eux-mêmes,
On comprend immédiatement que si les décalages res- pectifs des deux courbes en question sont judicieusement choi-- sis et réalisés, la courbe du couplage supérieur, dont on a obtenu l'abaissement, coupera la courbe du couplage inférieur, dont oh a obtenu le relèvement, en un point tel que la varia- tion d'intensité appliquée aux induits lors du changement de couplage soit acceptable, grâce à quoi,
pour des vitesses voisines de celle correspondant au point d'intersection pré- cité, la transition sera réalisée sans à-coups appréciables.
Le procédé ci-dessus est particulièrement avantageux lorsque, conformément à ce qui est indiqué dans la demande de brevet numéro 344.101 déposée par la demanderesse le '29 .Décembre 1941, les groupements en série-parallèle ou en
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parallèle réalisés comportent une chaîne inductrice où sont montés en série, soit la totalité, soit des fractions complé- mentaires des enroulements inducteurs des divers moteurs.
Ladite chaîne qui peut d'ailleurs,soit être connectée à l'un des points communs des branches parallèles, soit être séparée de ces dernières, permet en effet une réalisation facile du shnntage et du renforcement de champ qui sont à la base de la méthode.
Le schéma de la fig.l montre le résultat que permet d'obtenir le procédé déjà connu de relèvement, par shuntage, de la courbe du couplage inférieur.
Dans cette figure S et P représentent les courbes vitesse-effort de l'ensemble des moteurs, respectivement pour le couplage inférieur et pour le couplage supérieur. 1 est la courbe des intensités pour un moteur.
Si l'on se propose d'exécuter la transition du cou- plage inférieur au suivant au moment où la vitesse de la ma- chine qui restera forcément constante pendant l'opération est égale à V1, l'effort total étant égal à F1, et l'intensité à Il, on voit que si l'on opérait sans aucune précaution, l'ef- fort passerait instantanément de la valeur F1 à la valeur F2 l'intensité passant elle-même de 11à I2pour chaque moteur.
Il y aurait donc au point de vue des efforts et des intensités des à-coups nuisibles.
Le procédé de shuntage connu dont il a été parlé plus haut et qui a pour effet de relever la courbe vitesse-effort et d'abaisser la courbe des intensités, permet déjà de réali- ser un progrès qui se traduit par l'utilisation des courbes S1 et I', tracées en traits discontinus,
Si dans les nouvelles conditions réalisées, mais bien entendu à la même vitesse constante V1, on passe d'abord des courbes S et I aux courbes SI et I', on voit que l'effort devient F'1 F1' l'intensité par moteur devant I'1.
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On a donc, par ce moyen; réduit l'à-coup d'effort F2 F1à la valeur F2- F1'1
Toutefois, jusqu'ici, on h'a pas, sans l'emploi de résistances de transition, pu ramener la différence F2-F'1 à une valeur acceptable,
La fig.2 montre au contraire les résultats obtenus grâce à la présente invention,
Cette figure est la reproduction du schéma précédent, mais sur lequel on a tracé la courbe P1 qui représente la posi- tion abaissée de la courbe P, cette nouvelle position étant, comme il est dit plus haut, obtenuo par un renforcement des champs des moteurs dont les induits et éventuellement une fraction des inducteurs sont maintenant groupés dans le cou- plage supérieur.
On voit, sur la figure, que la courbe abaissée P1 coupe la courbe relevée S1 en un point voisin de l'horizontale menée par V1, en sorte que l'effort F"1' qui correspond à la vitesse constante V1' est supérieur à F'1 mais se trouve voi- sin de ce dernier.
Il est donc clair que le passage de la courbe S1à la courbe P1 peut être réalisé sans à-coups mécaniques,
On voit également que l'intensité par moteur est devenue I"1' également voisine de I'I' ce qui montre que les coups électriques ne sont pas non plus à redouter.
Il ne reste plus, pour atteindre la courbe normale P, qu'à réduire progressivement le renforcement temporaire des champs,. qui avait permis d'abaisser la courbe P jusqu'en P1
Comme on s'en rend compte facilement, ce procédé est absolument général et n'utilise aucune résistance de transition,. îles deux opérations : shuntage d'une part, renforce- ment des champs inducteurs d'autre part, peuvent, comme on l'ai dit, être réalisées par tout moyen connu, par exemple au moyen de résistances réglables ou à l'aide de groupes auxi-
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liaires d'importance minime, ou par des connexions de champs.
On comprend que l'équipement des véhicules se trouve par là-même considérablement allégé par rapport aux systèmes connus, où la.transition exige l'emploi des résistances de transition ou autres dispositifs auxiliaires spéciaux visés plus haut.
L'amélioration est encore plus sensible si, comme dans les modes de réalisation qui seront décrits plus loin, c'est le dispositif de régulation lui-même qui sert en même temps comme moyen de shuntage et comme moyen de renforcement des champs inducteurs.
A titre d'exemples, plusieurs modes de réalisation ont été décrits ci-après et sont représentés sur les dessins annexés.
Les figs. 3 et 4 sont des schémas montrant l'applica- tion de l'invention à un groupe de deux moteurs-série, la figo 3 représentant les deux moteurs couplés en série, et la fig. 4 représentant le couplage supérieur.
Comme on le voit, dans le couplage série de départ, les enroulements inducteurs l'et 2' sont, suivant une dispo- sition connue, montés en série en aval des deux induits 1 et 2,
En ce qui concerne le couplage supérieur qu'il s'a- git de réaliser, on remarquera que seuls les induits 1 et 2 y sont couplés en parallèle, les inducteurs l'et 2' restant en série, mais il est aisé de se rendre compte que les ca- ractéristiques obtenues avec ce dernier mode de montage peu- vent être identiques à celles obtenues avec le couplage nor- mal des moteurs-série si le courant qui passe dans la chaîne d'inducteurs est le même que celui qui passe dans une seule branche des induits, condition qu'il est toujours possible de satisfaire en shuntant judicieusement ladite chaîne d'in- ducteurs.
La courbe de shuntage maximum du couplage suivant la fig. 3 peut être obtenue, par exemple par l'insertion de
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résistances en parallèle avec les deux enroulements, ou bien par court-circuitage d'un certain nombre de,spires des enrou- lements inducteurs (méthode du "tap-field"), ou encore par l'emploi d'une génératrice montée en dérivation aux bornes desdits inducteurs, ou par tout autre moyen connu.
Dans l'exemple représenté, le shuntage des inducteurs 1', 2' est réalisé à l'aide de deux résistances, respective- ment r et ± qui sont pourvues chacune d'un contacteur a ou b de mise en ou hors-circuit.
Ceci posé, la transition s'opèrera comme suit:
Le mécanicien commenoe par fermer simultanément les contacteurs a et b ce qui lui permet d'obtenir la courbe de shuntage maximum série, laquelle constitue la dernière courbe de vitesse économique du couplage série.
Puis, au moment choisi par lui, il provoque l'ou- .verture des contacteurs a et b suivie immédiatement de la mise en parallèle des deux induits accompagnés de leurs enroulements auxiliaires respectifs.
Dès cet instant, le courant qui passe dans la chaîne d'inducteurs étant le double de chaque courant induit, la cour-.. be normale plein champ du couplage parallèle se trouve considé- rablement abaissée et, suivant les caractéristiques propres à chaque cas, peut se rapprocher suffisamment de la courbe shuntée, voire même la recouper, dans une zône d'intensités et d'efforts admissibles, ce qui, comme on l'a vu plus haut, est la condition nécessaire et suffisante pour l'obtention d'une transition sans à coups.
Il apparaît avec évidence que, pour profiter de toutes les vitesses économiques offertes par le couplage pa- rallèle, il suffira dès lors d'insérer à nouveau, progressi- vement, les résistances de shuntage qui, à cet effet, seront rendues réglables.
Le retour au couplage série s'opère sans difficulté en exécutant les manoeuvres dans l'ordre inverse,
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Comme on le voit, la transition a été réalisée sans l'insertion, dans le cixuit principal en liaison directe avec les induits, de résistances importantes qui, dans l'exemple précité, auraient dû absorber une fraction notable (1/2) de la tension d'alimentation.
Les résistances de shuntage que l'on a utilisées peuvent être de dimensions réduites puisqu'elles sont alimen- tées sous tension très faible ; d'autre part, comme on l'a dit, elles sont utilisées, non seulement pour la transition ,mais aussi pour l'obtention d'une gamme de vitesses économiques.
Bien entendu, tout mode de shuntage approprié, utilisant des moyens autres que des résistances, pourrait être employé pour répoudre le problème de la transition,
En particulier, dans le cas où le calcul montre- rait que la courbe du couplage supérieur à champ renforcé, obtenue par la sommation, dans les inducteurs, des courants qui traversent les branches parallèles, ne serait pas suf- fisamment basse, il conviendrait d'adopter, comme dispositif auxiliaire, un groupe moteur-générateur monté en dérivation aux bornes des inducteurs connectés entre eux en série, le- dit groupe pouvant alors, alternativement servir au shuntage desdits inducteurs et au renforcement du champ, suivant la puissance fournie par la génératrice,
Toutefois,
l'emploi d'un tel groupe moteur-géné- rateur comme moyen de renforcement du champ est d'autant moins nécessaire que le nombre des moteurs du groupement est plus considérable.
Comme la demanderesse l'a en effet montré dans sa demande de brevet n P. 344.101 du 29 Décembre 1941, visée plus haut, il apparaît que plus le nombre de branches paral- lèles est élevé, plus le courant traversant la chaîne induc- trice série est important.
Si donc, partant d'un couplage série ou série-parallèle, on passe à un couplage supérieur
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comportant un nombre sensiblement plus grand de branches, le champ se trouvera automatiquement renforcé, et par suite la caractéristique du nouveau couplage sera abaissée dans une mesure qui sera fonction de l'accroissement du nombre de branches parallèles,
Faisant application de ce qui vient d'être dit et généralisant la disposition des figs. 3 & 4, on va mainte- nant décrire l'application du procédé objet de l'invention au cas de n moteurs à excitation subdivisée, groupés en m bran- ches parallèles de u moteurs chacune (mu = n), et que l'on se propose de grouper en p branches parallèles de h moteurs cha- cune, étant entendu que l'on a pm et, par suite hu, avec ph=n.
PASSAGE DU COUPLAGE INFERIEUR AU COUPLAGE SUPERIEUR
Les figs 5à 9 sont des schémas représentatifs du pro- cédé appliqué à la transition montante:
Bans toutes ces figures, on a supposé chaque induit 1,.....n connecté à ses enroulements auxiliaires de commu- tation et à une fraction 1'.....n' de ses inducteurs, les en- roulements inducteurs complémentaires 1"...n" étant montés en série dans une chaîne, reliée d'une part au point commun aval des branches parallèles, et d'autre part au pôle négatif de l'alimentation,
Il est clair, toutefois, que les extrémités de la chaîne pourraient au contraire être reliées respectivement au point commun amont des branches parallèles et au pôle positif de l'alimentation.
La fig, 5 représente ainsi un couplage série-paral- lèle à champ renforcé du cas le plus général.
Procédant conformément à la présente invention, on va tout d'abord obtenir la courbe de shuntage maximum dans le montage considéré, et cela, par un des moyens connus rappelés
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dans la demande de brevet précitée et comportant l'utilisa- tion d'une résistance réglable, d'un groupe moteur-générateur, d'une batterie, etc...
Dans l'exemple représenté par la Fig. 6, on a choisi une résistance réglable, R, qui peut être mise en circuit ou hors circuit par la fermeture ou l'ouverture d'un contacteur on
Le curseur qui était à une position quelconque (po- sition représentée en pointillé), étant amené à la position de résistance minimum (trait plein), le shuntage du groupe de mo- teurs est maximum,
Il en résulte que les conditions qui s'établissent correspondent à la courbe du couplage considéré la plus élevée possible.
A partir du moment où ces conditions sont atteintes, le conducteur peut opérer la transition.
A cet effet, afin d'établir les conditions voulues pour que, dans la période suivante, la situation corresponde à la courbe la plus basse du champ renforcé, il commence, suivant les circonstances, soit par ouvrir le tontacteur o (fig.7), soit, si cela est suffisant, par ramener le curseur à une position adéquate (non représentée).
Immédiatement après, à l'aide de contacteurs ap- propriés tels que d (fig. 8) tous commandés simultanément, il court-circuite u - h moteurs dans chacune des m branches parallèles.
Il ne lui reste plus qu'à séparer ces m fractions de branches par l'ouverture de contacteurs e, et, à l'aide de cJntacteurs f, à réunir ces m (u - h) moteurs, groupés en p-m branches de h moteurs en série, en parallèle à côté des m premières (fig.9).
A partir de ce moment, la transition est terminée et, partant de la courbe abaissée de couplage supérieur uti- lisée, on peut reprendre la régulation de la machine en
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faisant varier le shuntage par déplacement du curseur sur la résistance réglable R jusqu'à la position jugée convenable, et fermeture du contacteur o.
Ce qui vient d'être indiqué appelle d'ailleurs les observations suivantes:
Le moyen qui sert à la régulation dans le couplage inférieur sert également pour réaliser les préparatifs immédiats de la transition proprement dite, puis la régula- tion dans le couplage supérieur,
D'autre part, pour opérer la transition, il n'est pas, dans tous les cas, nécessaire de partir de la courbe de shuntage maximum du couplage inférieur, ni d'abaisser au ma- ximum la courbe de champ renforcé du couplage supérieur choisi,
Il suffit d'obtenir, pour la vitesse à laquelle on se trouve, un recoupement mutuel suffisant d'une courbe de shuntage du couplage inférieur et d'une courbe de champ ren- forcé du couplage supérieur.
En d'autres termes, il est, dans certains cas, possible de conserver un certain degré de shun- tage, On conçoit d'ailleurs que ceci puisse éventuellement être réalisé par une position unique du curseur sur la résis- tance R.
On peut également concevoir que, pour une vitesse et un effort déterminés, il puisse y avoir deux courbes se recoupant de telle manière qu'il n'y ait absolument aucune réaction à la transition pour ce point de fonctionnement.
Pour le comprendre, fl suffit de se reporter aux courbes de la fig, 2.
Par ailleurs, la description de la transition précé- dente a montré un temps (fig.7) dans lequel on revient en fait au montage de la fig. 5 avant de passer à celui de la fig.8
En réalité, ce temps, est pratiquement, confondu avec le suivant (fig. 8) lequel consiste dans le court-circuttage des u-h moteurs de chaque branche,
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En effet, par suite des inerties électriques et mécaniques ainsi que de la rapidité de fonctionnement de l'équipement électrique, tout se passe comme si le montage de la fig,8 succèdait directement à celui de la fig.6.
Enfin, le passage de la fig8 à la fig.9 étant lui aussi extrêmement rapide, il y a lieu de noter que si les intensités dans les inducteurs de la chaîne 1"...n" arrivent à suivre le contrôle des positions fournies par l'équipement, les parties mécaniques et tout particulière- ment (lorsqu'il s'agit de matériel de traction) les atte- lages ne sont nullement affectées par ces variations élec- triques. Au surplus, ces variations électriques s'opérant dans de bonnes conditions pour les moteurs, il n'y a abso- lument rien à craindre pour la bonne tenue de ces moteurs.
Au total - compte tenu d'une part de la rapidité de fonctionnement de l'équipement, d'autre part de la sécuri- té électrique due au renforcement instantané du champ (fig.
8) qui résulte du mode de couplage - on comprend - et le calcul montre - que la transition pourra s'opérer avec des à coups aussi réduits qu'on le désire.
On peut signaler en passant que les variations brusques d'intensité: eties surintensités auxquelles sont soumis les divers enroulements induits ou inducteurs des moteurs ne présentent pas de danger pour ces derniers si l'on a soin de renforcer les montages et les liaisons électriques à l'intérieur desdits moteurs (soudures, fixation de bobinages, etc...)
Il convient d'ailleurs d'indiquer qu'il n'est pas nécessaire de court-circuiter les enroulements complémentaires des m (u-h) moteurs au moment de la mise en court-circuit de ces derniers (fig.8) puisque leurs induits sont alors inactifs.
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RETOUR AU COUPLAGE INFERIEUR - La transition des- cendante (passage du couplage supérieur au couplage infé- rieur) s'opère de façon inverse, c'est à dire en se plaçant tout d'abord dans les conditions qui correspondent à la courbe du champ renforcé du couplage supérieur, puis en mettant hors circuit les m (u-h) moteurs dans leurs p-m branches, et en les replaçant dans les m premières branches, par exemple en queue, et enfin en les réunissant au circuit de ces m branches.
Les schémas des figs 10à 14 montrent la suite de ces opérations.
Le schéma de la fig.IO représente le montage série- parallèle où les n moteurs sont groupés en p branches de h moteurs chacune.
En cours de marche, le coulisseau de la résistance variable R se trouve appliqué sur un plan quelconque de cette dernière, assurant ainsi un certain shuntage de la chaîne
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1"...n".
Pour amorcer la transition, on commence par ramener le coulisseau sur un cran de shuntage moins élevé, afin d'obtenir le renforcement de champ désiré, renforcement qui est maximum si l'on ouvre le contacteur o comme représenté sur la fig.ll.
On opère ensuite la mise hors circuit des p-m branches, par ouverture des contacteurs f (fig.12).
Les (p-m) h moteurs sont alors groupés en m séries de u-h moteurs, que l'on branche respectivement en queue de chacune des m branches restées en circuit, et cela, à l'aide des contacteurs e, tandis que les contacteurs d sont maintenus fermés, en sorte que lesdits moteurs se trouvent tout d'abord court-circuités (fig 13).
Pour achever l'opération, il suffit maintenant d'ouvrir les contacteurs d pour mettre en circuit les u-h
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moteurs ajoutés à chacune des m premières branches (fgi.14) et l'on peut, dès lors, avec le couplage inférieur ainsi rétabli reprendre la régulation de la machine par shuntage à l'aide de la résistance réglable R, le contacteur o étant fermé au moment voulu.
Dans l'exemple ci-dessus, on a admis que la chaîne complémentaire 1"...n" était invariablement fixée au point commun amont ou aval des branches parallèles; mais, comme on le verra ci-après dans les exemples des figs 15 et 16, il est clair qu'une alimentation séparée de ladite chaîne permettrait, avec la même facilité, l'application du procédé, dans le sens montant comme dans le sens descendant.
La fig.I5 représente le même groupement de départ que celui de la fig5 en ce qui concerne les m branches paral-, lèles de chacune u moteurs à excitation subdivisée, mais dans lequel la chaîne complémentaire est alimentée par une généra- trice G, entraînée par un moteur M, lui-même alimenté par la source commune aux moteurs.
Dans cette figure, la régulation de la tension aux bornes de la chaîne complémentaire - régulation qui condi- tionne l'obtention des caractéristiques favorables à la tran- sition - est assurée par l'enroulement E, connecté en séria avec les branches parallèles, commandé par un contacteur k, et régulé par une résistance réglable r, montée en parallèle aux bornes dudit enroulement.
L'enroulement complémentaire séparé E1 n'a pas, en général, à intervenir dans l'opération de transition.
Comme précédemment, l'opération de transition as... cendante s'effectuera en partant d'une caractéristique élevée du couplage inférieur, obtenue d'une manière analogue en insé- rant le minimum de résistance r, ce qui a pour effet de ré- duire le courant passant dans l'enroulement E (le contacteur k étant fermé) et partant, de diminuer le courant qui
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traverse la branche complémentaire.
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En d'autrestermes9 l'effet obtenu est analogue, à, un effet de shuntage des champs complémentaires,
Evidemment la courbe de shuntage maximum (courant minimum dans 1"...n") sera obtenue par l'ouverture du con- taeteur k, ou par l'insertion de la valeur minimum de la ré- sistance r,
Partant de cette position de la caractéristique, il ne restera plus qu'à réaliser les opérations décrites dans le cas précédent, savoir: renforcement des champs complémentaires par la manoeuvre du coulisseau de la résis- tance r dans le sens de l'augmentation de ladite résistance; court-circuitage des u-h moteurs dans les m branches paral- lèles;
formation des p franches parallèles par l'adjonction de p-m nouvelles branches de h moteurs chacune, et enfin reprise de la régulation par la manoeuvre du coulisseau,
Bien entendu, le retour au couplage inférieur s'o- père, en exécutant les opérations inverses.
Dans le cas où, par suite de nécessités de construc- tion, la régulation sur la résistance r serait insuffisante pour obtenir un bon recoupement des courbes de transition, on pourrait utiliser, en le faisant parcourir par un courant approprié, l'enroulement E1 prévu pour des fonctionnements annexes de la locomotive (stabilisation, récupération, etc) et cela sous forme additive ou bien antagoniste à l'enroule- ment E.
Naturellement et comme dans le cas précédent, la transition peut s'effectuer entre deux caractéristiques autres que les caractéristiques respectivement maximum et minimum de shuntage et de renforcement de champ.
Le shéma de la fig. 16 représente une variante du montage de l'enroulement E; réalisée en vue de réduire les dimensions dudit enroulement et par suite de la résistance
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dans le cas où les intensités parcourant ces deux éléments seraient trop importantes,
Le branchement de ces deux éléments aux bornes d'une résistance supplémentaire (laquelle d'ailleurs pour- rait éventuellement être réglable) montée en série avec les branches parallèles, permet d'obtenir cette amélioration constructive,
Il va de soi que tout ce qui précède n'est pas limité à l'emploi de moteurs de construction mécanique et électrique classique.
C'est ainsi que le mode de transition qui fait l'ob- jet de l'invention est applicable à des moteurs comportant, dans une même carcasse unitaire, plusieurs induits et les inducteurs correspondants, pour autant qu'il soit possible de subdiviser les dits inducteurs et de coupler les induits,
Par extension, au surplus, le même mode de transi- tion est également applicable si, sur un même collecteur, il est possible de capter des tensions différentes au moyen de lignes de balais appropriées, auquel cas les couplages pourraient s'opérer entre les lignes de balais, d'une part, et les inducteurs, d'autre part,
De même, le procédé s'applique si un même moteur comporte, avec un induit unique,plusieurs collecteurs pos- sédant chacun des lignes de balais adéquates aux divers en- roulements,
les groupements entre les lignes de balais correspondant à une série d'enroulements pouvant se faire sous forme série, série-parallèle ou éventuellement parallè- le. Ces divers groupements constitueraient alors les diver- ses branches séries-parallèles dont il a été question plus haut, branches séries-.parallèles qui comporter aient, dans chaque branche série, les fractions d'enroulements inducteurs correspondantes, et qui débiteraient par leur couplage en série-parallèle ou parallèle, sur la chaîne unique corres-
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pondant à la totalité des fractions complémentaires des machines élémentaires.
Si l'on considère que la progression ou la régres- sion de la courbe fondamentale de l'ensemble¯moteur susvisé, peut être obtenue par exemple par la rotation des lignes de balais, il pourra être intéressant d'appliquer le procédé pour assurer le passage d'une position des balais correspondant à la courbe maximum du couplage inférieur, à la position dé- calée correspondante à la coube minimum d'un couplage su- périeur.
A cet effet, la régulation qui, dans les exemples précédents était obtenue en agissant sur la chaîne complé- mentaire, pourra, dans le cas envisagé, être obtenue par des déoalages appropriés des balais. A cette régulation ' par le décalage pourra d'ailleurs être adjointe la régula- tion sur la chaîne complémentaire précédemment décrite..
Dans ce qui précède, on a vu que la régulation, en vue de la transition, était le plus souvent et le plus commodément obtenue par la régulation de la chaîne induc- trice complémentaire. Il peut être avantageux, cependant, dans certains cas d'opérer cette régulation et d'obtenir no- tamment une courbe de shuntage élevée pour le couplage infé- rieur, en court-circuitant dans chaque branche tout ou par- tie des enroulements constamment reliés aux moteurs élémen- taires. Il est évident que l'effet obtenu sera une éléva- tion de la courbe si on diminue la fraction d'enroulement en service ou l'intensité du courant qui parcourt ce dernier
La manoeuvre inverse assure l'abaissement voulu dans le cas du couplage supérieur.
Bien entendu ceci n'exclut pas le fonctionnement concomittent ou successif de la régulation de la chaîne complémentaire ou toute autre régulation adéquate.
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Dans le cas prévu à la fig. 9 de la demande de bre- vet numéro 344.101- du 29 Décembre 1941 à laquelle il a été fait référence plus haut - cas où seuls, les induits, ac- compagnés de leurs enroulements de commutation respectifs, figurent dans les branches parallèles, alors que la totalité des inducteurs forme une chaîne unique disposée comme l'é- tait la chaîne complémentaire dans les autres modes de réa- lisation (connectée ou séparée); la méthode de transition précédemment décrite s'applique, bien entendu, sans aucune difficulté.
TRANSITION OU RECUPERATION - DAns tout ce qui précède, on a envisagé simplement la transition aller et retour entre deux couplages en fonctionnement moteur,
Le même système s'applique intégralement pour la transition aller et retour, dans la marche en récupéra- tion. il suffit pour cela que l'ensemble du schéma prévu pour la récupération - c'est à dire comportant le moyen d'excitation de la chaîne inductrice unique voulu pour que les induits fonctionnent en génératrices - permette pour une vitesse donnée le recoupement d'une courbe basse du couplage supérieur avec une courbe haute du couplage infé- rieur (utilisation notamment d'un Enroulement tel que E1 figs 15 et 16).
En récupération, en effet, la transition la plus intéressante est celle qui autorise le passage d'un coupla- ge supérieur à un couplage inférieur.
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Transition process for moving from one coupling to another in DC motor arrays.
It is known that, in installations intended to supply mechanical energy using a plurality of electric motors supplied with direct current at constant voltage and in particular in electric locomotives and motor vehicles, one of the methods of Regulation commonly used consists in varying the voltage at the terminals of the armatures of the motors by modifying the grouping mode of the latter and by coupling them, according to the needs, either in series, or in series-parallel, or in parallel, so as to distribute the constant voltage of the network between them adequately.
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It is also known that, in general, during the passage from one coupling to the next, the change in voltage cannot be carried out directly and that, in order to avoid significant jolts in the intensity applied to the armatures of the motors and in the corresponding torques or tensile forces, - with all the risks associated with jolts from the mechanical and electrical point of view, - it is necessary to switch, with regard to the voltage applied to the induced, by one or more intermediate states ensuring a progressive transition.
But the methods generally applied up to now to achieve this transition from one coupling to another all involve the use of a step-down device (resistor, group, battery, etc.,.,), Which, during the transition is responsible for absorbing a significant fraction of the energy available and which, therefore, must be largely dimensioned; with the consequence of a weight and a bulk relatively out of proportion to the result to be achieved given the speed with which the transition takes place in practice.
It has been sought, by virtue of certain variants, to reduce the importance of the step-down devices in question.
We have tried in particular to achieve this by bringing, as far as possible, using a suitable shunt, the last economic curve of the lower coupling, to the first normal economic curve of the upper coupling,
One can, for example, cite in this regard, the device described in British Patent No. 10,072 of 1907,
However, in the current state of the art and for the usual types of engines; it has not so far been possible, by this only means, to completely eliminate the resistors specifically limiting intensity and force known as "transition resistors", or the devices
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equivalent special auxiliaries.
The present invention relates to a transition method which, regardless of the number of motors in the array, allows the passage from one coupling to a higher coupling without the use of any transition resistor or other device. transitional auxiliary.
According to the invention, this result is achieved by combining an increase in the last speed-force curve of the lower coupling, which is achieved by means of a suitable shunt, with a lowering of the first speed-force curve of the upper coupling. , reduction which is achieved by means of an appropriate temporary reinforcement, of the inducing fields.
The necessary shunting and field reinforcement then only require the intervention of space-saving devices; they can be obtained by any known means: they can in particular be obtained by means of adjustable resistors or auxiliary motor-generator groups used for regulation or else by suitable connections of the inductive fields themselves,
It is immediately understood that if the respective offsets of the two curves in question are judiciously chosen and carried out, the curve of the upper coupling, the lowering of which has been obtained, will intersect the curve of the lower coupling, of which oh has obtained the lower coupling. rise, to a point such that the variation in intensity applied to the armatures during the change of coupling is acceptable, whereby,
for speeds close to that corresponding to the abovementioned point of intersection, the transition will be carried out without appreciable jolts.
The above process is particularly advantageous when, in accordance with what is indicated in patent application number 344.101 filed by the applicant on December 29, 1941, the groups in series-parallel or in
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parallel embodiments comprise an inductor chain in which are connected in series, either all or additional fractions of the inductor windings of the various motors.
Said chain which can, moreover, either be connected to one of the common points of the parallel branches, or be separated from the latter, in fact allows easy realization of the shnntage and field reinforcement which are the basis of the method. .
The diagram in fig.l shows the result obtained by the already known method of raising, by shunting, the curve of the lower coupling.
In this figure S and P represent the speed-force curves of all the motors, respectively for the lower coupling and for the upper coupling. 1 is the intensity curve for a motor.
If we intend to execute the transition from the lower coupling to the next when the speed of the machine, which will necessarily remain constant during the operation, is equal to V1, the total force being equal to F1, and the intensity at II, we see that if one operated without any precaution, the force would pass instantaneously from the value F1 to the value F2 the intensity itself passing from 11 to I2 for each motor.
From the point of view of efforts and intensities there would therefore be harmful jerks.
The known shunting process mentioned above and which has the effect of raising the speed-effort curve and lowering the intensity curve, already makes it possible to achieve progress which results in the use of curves. S1 and I ', drawn in broken lines,
If in the new conditions achieved, but of course at the same constant speed V1, we first pass from the S and I curves to the SI and I 'curves, we see that the force becomes F'1 F1' the intensity by motor in front of I'1.
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We have therefore, by this means; reduces the force jerk F2 F1 to the value F2- F1'1
However, so far, we have not, without the use of transition resistors, been able to reduce the difference F2-F'1 to an acceptable value,
FIG. 2 shows, on the contrary, the results obtained thanks to the present invention,
This figure is the reproduction of the previous diagram, but on which we have drawn the curve P1 which represents the lowered position of the curve P, this new position being, as said above, obtained by a strengthening of the fields of the motors whose armatures and possibly a fraction of the inducers are now grouped in the upper coupling.
We see, in the figure, that the lowered curve P1 intersects the raised curve S1 at a point close to the horizontal led by V1, so that the force F "1 'which corresponds to the constant speed V1' is greater than F'1 but is located next to the latter.
It is therefore clear that the passage from curve S1 to curve P1 can be achieved without mechanical jolts,
It can also be seen that the intensity per motor has become I "1" also close to I ", which shows that electric shocks are not to be feared either.
To reach the normal curve P, all that remains is to gradually reduce the temporary strengthening of the fields ,. which had made it possible to lower the curve P to P1
As can easily be seen, this method is absolutely general and does not use any transition resistance. There are two operations: shunting on the one hand, and reinforcement of the inducing fields on the other hand, can, as has been said, be carried out by any known means, for example by means of adjustable resistors or by means of auxiliary groups
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links of minimal importance, or by field connections.
It will be understood that the vehicle equipment is thereby considerably reduced compared with known systems, where la.transition requires the use of transition resistors or other special auxiliary devices referred to above.
The improvement is even more noticeable if, as in the embodiments which will be described later, it is the regulation device itself which serves at the same time as a shunting means and as a means of strengthening the inducing fields.
By way of examples, several embodiments have been described below and are shown in the accompanying drawings.
Figs. 3 and 4 are diagrams showing the application of the invention to a group of two series motors, figo 3 showing the two motors coupled in series, and fig. 4 representing the upper coupling.
As can be seen, in the starting series coupling, the field windings 1 and 2 'are, according to a known arrangement, connected in series downstream of the two armatures 1 and 2,
As regards the higher coupling that has to be achieved, it will be noted that only the armatures 1 and 2 are coupled to it in parallel, the inductors 1 and 2 'remaining in series, but it is easy to realize that the charac- teristics obtained with this last method of assembly can be identical to those obtained with the normal coupling of series motors if the current flowing in the chain of inductors is the same as that flowing in a single armature branch, a condition that it is always possible to satisfy by judiciously shunting said chain of inductors.
The maximum shunt curve of the coupling according to fig. 3 can be obtained, for example by inserting
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resistances in parallel with the two windings, or by short-circuiting a certain number of turns of the inductor windings ("tap-field" method), or by the use of a generator mounted in shunt across said inductors, or by any other known means.
In the example shown, the inductors 1 ', 2' are shunted using two resistors, respectively r and ± which are each provided with a switch a or b for switching on or off.
This being said, the transition will take place as follows:
The mechanic begins by simultaneously closing contactors a and b, which allows him to obtain the maximum series shunt curve, which constitutes the last economic speed curve for series coupling.
Then, at the moment chosen by him, it causes the opening of the contactors a and b followed immediately by the placing in parallel of the two armatures accompanied by their respective auxiliary windings.
From this moment, the current which passes in the chain of inductors being the double of each induced current, the normal full field curve of the parallel coupling is considerably lowered and, depending on the characteristics of each case, can approach sufficiently the shunted curve, or even intersect it, in a zone of admissible intensities and forces, which, as seen above, is the necessary and sufficient condition for obtaining a smooth transition.
It is evident that, to take advantage of all the economic speeds offered by parallel coupling, it will therefore suffice to insert again, gradually, the shunt resistances which, for this purpose, will be made adjustable.
The return to series coupling is carried out without difficulty by performing the maneuvers in the reverse order,
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As can be seen, the transition was carried out without the insertion, in the main circuit in direct connection with the armatures, of significant resistances which, in the above example, should have absorbed a significant fraction (1/2) of the supply voltage.
The shunt resistors which have been used can be of reduced dimensions since they are supplied at very low voltage; on the other hand, as has been said, they are used, not only for the transition, but also for obtaining a range of economic speeds.
Of course, any suitable shunt mode, using means other than resistors, could be used to solve the problem of the transition,
In particular, if the calculation shows that the curve of the upper coupling with reinforced field, obtained by the summation, in the inductors, of the currents which cross the parallel branches, would not be sufficiently low, it would be advisable to d 'adopt, as an auxiliary device, a motor-generator group mounted as a bypass at the terminals of the inductors connected to each other in series, said group then being able, alternately to be used for shunting said inductors and for strengthening the field, depending on the power supplied by the generator,
However,
the use of such a motor-generator group as a means of strengthening the field is all the less necessary as the number of motors in the group is greater.
As the Applicant has indeed shown in its patent application No. 344.101 of December 29, 1941, referred to above, it appears that the greater the number of parallel branches, the greater the current passing through the inductive chain. series is important.
If therefore, starting from a series or series-parallel coupling, we go to a higher coupling
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having a significantly greater number of branches, the field will be automatically strengthened, and consequently the characteristic of the new coupling will be lowered to an extent which will be a function of the increase in the number of parallel branches,
Applying what has just been said and generalizing the arrangement of figs. 3 & 4, we will now describe the application of the method which is the subject of the invention to the case of n motors with subdivided excitation, grouped into m parallel branches of u motors each (mu = n), and that the we propose to group into p parallel branches of h motors each, it being understood that we have pm and, therefore, hu, with ph = n.
CHANGING FROM LOWER COUPLING TO UPPER COUPLING
Figs 5 to 9 are representative diagrams of the process applied to the upward transition:
In all these figures, we have assumed each armature 1, ..... n connected to its auxiliary switching windings and to a fraction 1 '..... n' of its inductors, the complementary inductor windings 1 "... n" being mounted in series in a chain, connected on the one hand to the downstream common point of the parallel branches, and on the other hand to the negative pole of the power supply,
It is clear, however, that the ends of the chain could on the contrary be connected respectively to the upstream common point of the parallel branches and to the positive pole of the power supply.
FIG. 5 thus represents a series-parallel coupling with reinforced field of the most general case.
Proceeding in accordance with the present invention, we will first obtain the maximum shunt curve in the assembly considered, and this, by one of the known means recalled
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in the aforementioned patent application and comprising the use of an adjustable resistor, of a motor-generator unit, of a battery, etc.
In the example represented by FIG. 6, we chose an adjustable resistance, R, which can be switched on or off by closing or opening a contactor.
The cursor which was at any position (position shown in dotted lines), being brought to the position of minimum resistance (solid line), the bypass of the group of motors is maximum,
It follows that the conditions which are established correspond to the curve of the coupling considered as high as possible.
From the moment these conditions are reached, the driver can make the transition.
To this end, in order to establish the desired conditions so that, in the following period, the situation corresponds to the lowest curve of the reinforced field, it begins, depending on the circumstances, either by opening the unactor o (fig. 7) , or, if this is sufficient, by returning the cursor to a suitable position (not shown).
Immediately afterwards, using suitable contactors such as d (fig. 8) all controlled simultaneously, it short-circuits u - h motors in each of the m parallel branches.
All that remains is to separate these m fractions of branches by opening contactors e, and, using cJntactors f, to unite these m (u - h) motors, grouped into pm branches of h motors in series, in parallel next to the first m (fig. 9).
From this moment the transition is complete and, starting from the lowered upper coupling curve used, the machine can be regained by
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varying the shunt by moving the cursor on the adjustable resistor R to the position deemed suitable, and closing the contactor o.
What has just been indicated calls for the following observations:
The means which are used for the regulation in the lower coupling also serve to carry out the immediate preparations for the actual transition, then the regulation in the upper coupling,
On the other hand, to operate the transition, it is not, in all cases, necessary to start from the maximum shunt curve of the lower coupling, nor to lower the reinforced field curve of the upper coupling to the maximum. selected,
It suffices to obtain, for the speed at which we are, a sufficient mutual overlap of a shunt curve of the lower coupling and of a reinforced field curve of the upper coupling.
In other words, it is, in certain cases, possible to keep a certain degree of shunting. It is also understood that this could possibly be achieved by a single position of the cursor on resistor R.
It is also conceivable that, for a determined speed and force, there can be two intersecting curves in such a way that there is absolutely no reaction to the transition for this operating point.
To understand it, fl suffices to refer to the curves in fig, 2.
Furthermore, the description of the preceding transition has shown a time (fig.7) in which we actually return to the assembly of fig. 5 before moving on to that of fig. 8
In reality, this time, is practically, confused with the following one (fig. 8) which consists in the short-circuiting of the u-h motors of each branch,
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Indeed, as a result of the electrical and mechanical inertias as well as the speed of operation of the electrical equipment, everything happens as if the assembly of fig, 8 succeeded directly to that of fig.6.
Finally, the passage from fig8 to fig.9 being also extremely fast, it should be noted that if the intensities in the inductors of the chain 1 "... n" manage to follow the control of the positions provided by the equipment, the mechanical parts and in particular (in the case of traction equipment) the connections are in no way affected by these electrical variations. In addition, since these electrical variations take place under good conditions for the motors, there is absolutely nothing to fear for the good performance of these motors.
All in all - taking into account on the one hand the speed of operation of the equipment, on the other hand the electrical safety due to the instantaneous strengthening of the field (fig.
8) which results from the mode of coupling - one understands - and the computation shows - that the transition will be able to take place with blows as small as desired.
It may be pointed out in passing that the sudden variations in intensity: eties overcurrents to which the various induced windings or inductors of the motors are subjected do not present any danger for the latter if care is taken to strengthen the assemblies and the electrical connections to the motor. 'inside said motors (welds, fixing coils, etc.)
It should also be noted that it is not necessary to short-circuit the complementary windings of the m (uh) motors when they are short-circuited (fig. 8) since their armatures are then inactive.
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RETURN TO LOWER COUPLING - The downward transition (passage from the upper coupling to the lower coupling) takes place in the opposite way, ie by placing first of all in the conditions which correspond to the curve of the field. reinforced by the upper coupling, then by switching off the m (uh) motors in their pm branches, and replacing them in the m first branches, for example at the tail, and finally by joining them to the circuit of these m branches.
The diagrams of Figs 10 to 14 show the continuation of these operations.
The diagram in fig.IO represents the series-parallel assembly where the n motors are grouped into p branches of h motors each.
During operation, the slide of the variable resistor R is applied to any plane of the latter, thus ensuring a certain shunt of the chain
EMI13.1
1 "... n".
To initiate the transition, we begin by bringing the slide to a lower shunt notch, in order to obtain the desired field reinforcement, which is maximum reinforcement if the contactor o is opened as shown in fig.ll.
The p-m branches are then switched off by opening the contactors f (fig. 12).
The (pm) h motors are then grouped into m series of uh motors, which are respectively connected at the tail of each of the m branches which have remained in circuit, and this, using the contactors e, while the contactors d are kept closed, so that said motors are first short-circuited (fig 13).
To complete the operation, it is now sufficient to open the contactors d to switch on the u-h
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motors added to each of the m first branches (fgi.14) and it is therefore possible, with the lower coupling thus re-established, to resume regulation of the machine by bypassing using the adjustable resistor R, the contactor o being closed when needed.
In the example above, it was accepted that the complementary chain 1 "... n" was invariably fixed at the common point upstream or downstream of the parallel branches; but, as will be seen below in the examples of figs 15 and 16, it is clear that a separate power supply of said chain would allow, with the same ease, the application of the process, in the upward direction as in the upward direction. descending.
Fig. I5 represents the same starting group as that of fig5 with regard to the m parallel branches of each u motors with subdivided excitation, but in which the complementary chain is supplied by a generator G, driven by a motor M, itself supplied by the source common to the motors.
In this figure, the regulation of the voltage at the terminals of the complementary chain - regulation which conditions the obtaining of characteristics favorable to the transition - is ensured by the winding E, connected in series with the parallel branches, controlled by a contactor k, and regulated by an adjustable resistor r, mounted in parallel across said winding.
The separate complementary winding E1 does not generally have to intervene in the transition operation.
As before, the as ... ash transition operation will take place starting from a high characteristic of the lower coupling, obtained in a similar way by inserting the minimum resistance r, which has the effect of d - reduce the current flowing in the winding E (contactor k being closed) and therefore reduce the current which
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crosses the complementary branch.
EMI15.1
In other words9 the effect obtained is analogous to a shunt effect of complementary fields,
Obviously the maximum shunt curve (minimum current in 1 "... n") will be obtained by opening contactor k, or by inserting the minimum value of resistance r,
Starting from this position of the characteristic, it will only remain to carry out the operations described in the previous case, namely: reinforcement of the complementary fields by the operation of the slide of the resistor r in the direction of the increase of said. resistance; short-circuiting of the u-h motors in the m parallel branches;
formation of frank parallel p by the addition of p-m new branches of h motors each, and finally resumption of the regulation by the operation of the slide,
Of course, the return to the lower coupling occurs, by carrying out the reverse operations.
In the event that, due to construction requirements, the regulation on the resistance r is insufficient to obtain a good overlap of the transition curves, one could use, by making it travel by an appropriate current, the winding E1 provided. for auxiliary operations of the locomotive (stabilization, recovery, etc.) and this in additive form or else antagonist to the E winding.
Naturally and as in the previous case, the transition can be made between two characteristics other than the respectively maximum and minimum characteristics of shunt and field reinforcement.
The diagram in fig. 16 shows a variant of the assembly of the winding E; carried out with a view to reducing the dimensions of said winding and as a result of the resistance
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in the event that the intensities traversing these two elements are too high,
The connection of these two elements to the terminals of an additional resistor (which moreover could possibly be adjustable) mounted in series with the parallel branches, makes it possible to obtain this constructive improvement,
It goes without saying that all of the above is not limited to the use of motors of conventional mechanical and electrical construction.
Thus the mode of transition which forms the subject of the invention is applicable to motors comprising, in the same unitary casing, several armatures and the corresponding inductors, insofar as it is possible to subdivide them. called inductors and to couple the induced,
By extension, moreover, the same mode of transition is also applicable if, on the same collector, it is possible to pick up different voltages by means of appropriate brush lines, in which case the couplings could take place between the lines. brushes, on the one hand, and the inductors, on the other hand,
Likewise, the method applies if the same motor comprises, with a single armature, several collectors each having lines of brushes suitable for the various windings,
the groupings between the lines of brushes corresponding to a series of windings which can be in series, series-parallel or possibly parallel form. These various groupings would then constitute the various series-parallel branches which were discussed above, series-parallel branches which include, in each series branch, the corresponding inductor winding fractions, and which would output by their coupling in series-parallel or parallel, on the corresponding single chain
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giving rise to the totality of the complementary fractions of the elementary machines.
If we consider that the progression or the regression of the fundamental curve of the aforementioned motor assembly can be obtained for example by the rotation of the lines of brushes, it could be interesting to apply the process to ensure the passage from a position of the brushes corresponding to the maximum curve of the lower coupling, to the offset position corresponding to the minimum curve of an upper coupling.
To this end, the regulation which, in the preceding examples was obtained by acting on the complementary chain, may, in the case considered, be obtained by appropriate offset brushes. To this regulation by the shift could moreover be added the regulation on the complementary chain described above.
In the foregoing, it has been seen that regulation, with a view to the transition, was most often and most conveniently obtained by regulation of the complementary induction chain. It may be advantageous, however, in certain cases to operate this regulation and to obtain in particular a high shunt curve for the lower coupling, by short-circuiting in each branch all or part of the constantly connected windings. to elementary engines. It is obvious that the effect obtained will be an increase in the curve if the fraction of winding in service or the intensity of the current flowing through it is reduced.
The reverse operation ensures the desired lowering in the case of the upper coupling.
Of course, this does not exclude the simultaneous or successive operation of the regulation of the complementary chain or any other suitable regulation.
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In the case provided for in fig. 9 of the patent application number 344.101- of December 29, 1941 to which reference was made above - case where only the armatures, accompanied by their respective switching windings, appear in the parallel branches, while all of the inductors form a single chain arranged as was the complementary chain in the other embodiments (connected or separate); the previously described transition method applies, of course, without any difficulty.
TRANSITION OR RECOVERY - IN all the above, we simply considered the outward and return transition between two couplings in engine operation,
The same system applies in full for the outward and return transition, in recovery walking. It suffices for this that the whole of the diagram provided for the recovery - that is to say comprising the means of excitation of the single inductive chain desired so that the armatures function as generators - allow for a given speed the overlap of low curve of the upper coupling with a high curve of the lower coupling (use in particular of a Winding such as E1 figs 15 and 16).
In recovery, in fact, the most interesting transition is that which allows the passage from a higher coupling to a lower coupling.