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Appareil de démarrage pour moteurs synchrones.
La présente invention concerne le réglage et le contrôle des moteurs électriques et plus particulièrement l'appareillage de démarrage et/synchronisation d'un moteur synchrone.. de
Une des plus importantes conditions à réaliser lors du démarrage de moteurs synchrones, consiste à effectuer la synchronisation sans provoquer de perturbation sensible dans la ligne,ni d'à-coups nuisibles aux appareils actionnes 'par le moteur, tout en obtenant un couple d'accrochage maximum.
De nombreuses solutions ont déjà été préconisées pour résoudre ce problème. Cependant lorsqu'on emploie un contrôle exclusivement temporise, c'est-à-dire un système à période réglable pendant laquelle s'effectue un cycle d'opérations successives, il est impossible d'éviter la production de couples d'accrochage insuffisants, ni de sérieuses perturbations dans la ligne. D'autre part, l'utilisation exclusive des effets de la variation du courant statorique entraîne les mêmes inconvénients et en plus, celui de produire un glissement trop élevé au moment de la synchronisation. Dans les deux cas, la perturbation dans la ligne peut être inadmissible à un premier accrochage, et être satisfaisant au suivant.
En toutes probabilités donc, le démarrage ne peut être convenable qu'une fois sur deux.
Le 'ou) principal de l'invention est de fournir un dispositif de démarrage, assurant un couple maximum avec une perturbation de ligne admissible pour chaque démarrage, d'un moteur synchione et l'obtention simultanée des avantages du démarrage temporisé c'est-à-dire au moyen de dispositifs à cycle d'opérations
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de période prédéterminée et du démarrage à accélération contrôlée,
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ctest--a-dire au moyen de dispositifs limiteurs du courant statori- que ou contrôlant la tension ou la fréquence de glissement a des vitesses prédéterminées.
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L'invention consiste donc principalement en un dispositif de démarrage pour moteur synchrone, qui comporte des moyens d'effectuer la synchronisation de ce moteur comprenant des moyens de produire une force magnéto-motrice variant avec la fréquence au
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courant induit da,us l'enroulement d'excitation du moteur, Ces ijoyans de produire une force magnéto-motrice variant avec la fréquence du courant statoriquc résultant du moteur, ce courant résultant provenant de la modulation du courant fondamental par la fréquence du glissement, et des moyens répondant à un maximum donné de l'ef-
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fet combiné des dites forces magnéto-motrices,
pour l'o(luil l'excr tation de l'enroulement, de c>i ùp du moteur. L'invention sera bien comprise en se référant à la des-
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cription diaprés d'une forme de réalisation préférée, représentée à titre d'exemple sur les dessins annexés.
La figure 1 représente sChémati'-ju0,lent une irtallation de contrôle suivant l'invention, appliquée à un moteur syncnrone.
La figure 2 représente des couroes relatives aux posi-
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tions respectives des pôles d'excitation par rapport au cnamp tournant dtun moteur synchrone ,dans le but de faciliter la comprénension de la description.
Sur la Eig. 1..M désigne un moteur syncnrone de cors tiuc- tion courante muni d'un enroulement statorique, d'un démarreur et dtun enroulement d'excitation. L'interrupteur principal ou contacteur de ligne porte la référence 8 et l'interrupteur du cir-
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cuit de champ est désigné par 56. Cet interrupteur de cnd.,lp est placé sous le contrôle du dispositif temporisateur 30 et du mécanisme C commandé par celui-ci. La durée du fonctionnement de contacteur de champ est de plus réglée par le contacteur 27; l'ensemble du dispositif est désigné par 19.
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La fonction de chaque élément constitutif du dispositif de démarrage d'un moteur synchrone conforme à l'invention sera le mieux comprise par l'étude d'un cycle de démarrage.
Les barres 1, 10 et 11 étant sous tension triphasée et les barres 57 et 58 étant raccordées a une source de courant continu, pour démarrer, le préposé pousse sur le bouton 3 fermant ainsi
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un circuit partant de la pndse 1, puis par le conducteur 2, le zouton 3, le conducteur 4, les plots aU controller 5 et o la bobine ? de commande du contacteur de ligne d, le bouton "arrêt" 9, pour ensuite rejoindre la phase 10. Un suivant ce circuit, il est évi-
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dent que le démarrage ne peut se produire que lorsque le controller C est à la position al4ïl,-t.
La fermeture du contacteur de 11y d met le moteur sous tension pour en effectuer le démarrage comme llloteur à. induction et établit en outre un circuit de maintien du dit contacteur. Ce circuit peut être suivi en partant da conducteur 2, par les contacts 12, l'interrupteur à synchronisation automatique 14 ( dans la po-
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sition indiquée), vers la ootine 7. La marche du moteur se poursuit alors indépendarament de la position du oouton ae départ 3.
Pendant la période initiale du démarrage l'intensité du courant est grande et par conséquent le débit du transforma-
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teur 15 est élevé. Les bornes secondaires de ce transformateur d'intensité sont raccordées au redresseur à valves 16. Le courant continu débité par celui-ci varie selon le courant de charge du moteur et est de plus, ondulé, las ondulations ayant une fréquence double de celle du glissement ainsi qu'il est bien connu. Ainsi
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chaque demi-cycle du courant de charge correspond à un cycle corsa- ,plat de courant alternatif redressé, Le courant débite par le redresseur 16,.alimente les bobines 1'? et 18 du relais 19.
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Le circuit magnétique et les auigères-tours de ce relais sont choisis de telle manière que son armature 20 ne soit pas souralse à des vibrations sous l'effet des pulsations à haute rré- quence du courant redressé alimentant les oobines 17 et 18, mais au contraire, attirée par une force magnéto-motrice proportionnelle
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à l'intensité uu courant de charge. Un ressort 21 rappelle farma- ture 20 dans la position indiquée avec une force variable suivant la position de la came 2.
Au début, la came 22 se trouvant da.s la position figurée
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attire lJdr!11d.turd zo, avec une 'o2c.: maximum, dans la position indiquéa. La tension du ressort est indiquée par la courbe 1 sur la '1;. 2. Lïattraction magnétique du relais étant au début de la mamanoeuvre, plus grande que la traction 'exercée par le ressort, l'armature 20 rompt le contact 23 resqu1instantanément après la fermeture du contacteur de ligne 8. La séparation des contacts 23 empêche, à ce moment, l''établissement de tout circuit commandant le dispositif à temps 30. Celui-ci peut d'ailleurs consister en un moteur quelconque actionnant, des qu'il se trouve alimenté, le controller C et la came 22 à vitesse constante.
Aussi longtemps que le courant de charge dépasse une va-
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leui donnée (telle que Pl ) , 11 armature du relais reste dans cette position. Pendant cette période 'le moteur accélère sous courant limité, c'est-à-dire que la période d'accélération du moteur est
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contrôlée par l'intensité des courants statoriques u1que la pé- riode comprise entre P et Pl peut varier suivant la valeur du courant au départ.
Au point P1 l'armature du relais retombe dans la position indiquée fermant les contacts 23 et établissant un circuit alimentant le dispositif 30, lequel circuit, partant de la phase l,
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traversant les contacts 12, 23, le conducteur 24., les-contacts ;b du contacteur de contrôle 27, les segments 28 et 29 du controller C, le dispositif à temps 30, le conducteur 31, arrive, finalement à la phase 10.
Au fur et à mesure que le dispositif' à temps déplace les
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plots du controller de la position (a) à la position ('b), le cir- cuit suivant est établi: partant de la phase 1, .11 traverse succes-
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sivement le conducteur 32, les plots 33,2û et 29, le dispositif à temps 3o,.y pour aboutir à la phase 10 par le conducteur 31. Le dispositif à temps ne dépenu. plus alors de la position de fermeture des contacts 25 et 20 mais continue à tourner jusqu'à ce que .tous les segments reprennent de nouveau la position indiquée.
Lorsque le controller atteint la position (c) un circuit se ferme "via" le segment sous tension 33s le plot 34, le conducteur 35, la bobine de commande 30 du contacteur de contrôle 27,
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le conducteur 37, les contacts 53 du contacteur de ligne et enfin la phase la. D.3,-; que le contacteur de contrôle,27 est ainsi aliiiientce, la 1/ Période d'accélération contrôlée", du moteur prend fin. Par ''période d'accélération contrôlée" 11 faut comprendre la hél'iode d'accélération, qui est contrôlée i)dl' la tambour à vitesse
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constante C, lequel exige un temps détermina pour effectuer son cycle complet d'opérations.
Cette période peut être reliée en fixant les positions relatives des plots 33 et 34. Généralement, les
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réglages de la tension du ressort 21, ido la position de la caàie 22 sur l'arbre du controller et de la ..position 6.u plot 3-)- sur le dit arbre par rapport à celle du plot 33 également sur le dit arbre, sont tels que le lnoteur ait atteint une vitesse correspondant à
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un glissement de () 1 au maxirmim lorsqu'il fonctionne ous forte charge, mais de préférence à un jll8Stj"flent de 1 au '#, lorsque ela période d'accélération contrôlée" susdite a pria fin. Le fonctionnement du contacteur de contrôle provoque
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la fermeture des contacts 39, 40 et 104 et ouvre les contacts 26.
La fermeture des contacts 39 établit un circuit partant de la prise 42 et traversant les contacts 39,le sélecteur de phase 43 (facultatif),les bobines 4+ et 45 du relais 19 pour aboutir à la prise 46. Les prises 42 et 4b sont réparties judicieusement sur - la résistance de décharge 47 du circuit d'excitation du moteur, résistance normalement prévue pour des raisons bien connues.
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Pendant le fonctionnement du moteur COJ1Ln3 moteur a in- ductiont un courant de fréquence proportionnelle au glissement est
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induit dans l'enroulement d'excitation 4d du moteur. La fréquence de ce courant est communément appelée "fréquence de glissement".
Le courant circulant ainsi aanc les bobines 44. et 45 est un courant alternatif normalement et substantiellement en .tfl15e avec 1 tension de glissement puisque les bobines ne sont alimentées qu'à basse fréquence de glissement.
Lesbobines 44 et 45 produisent ainsiune force magnéto-
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motrice engendrée par le courant induit dans le circuit de ,0,ldm.!.1 et représentée par la courbe A (11. 2). Le courant circulant dans les bobines 1/ et 18 est un courant continu de forma ondu- latoire dont la fréquence vaut deux fois la fréquence de glisse-, ment.
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D1a.!.?rès de nombreux essais et ehrec;itreJnll1ts à. l'oscillographe obtenus au cours de ceux-ci, il a été constaté que le courant continu déoité pdr la redresseur 16, et celà pour la plupart des moteurs synchrones ae construction courante varie d'une valeur minimum à une valeur maximum puis de c=111e-ci us second minimum substantiellcme t en phase avec une d.3mi-onde, par exem ple la demi-onde positive, du courant de fréquence de glissement et alors de ce second minimum a un maximum puis à un troisième
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minimum substantiellement 1 phase avec la deuxième àe,,à-o#ià.3 , soit la demi-onde négative, du courant de fréquence de glissement. si cette condition n'est pd remplie, elle peut ètl::
aisément iEli- sée à. l'aide du sélecteur Il,') phase 43..Dans le présent système, le débit du redresseur passe dans les bobines 17 et 18 du relais 19
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lesquellef bobines induisent une force magnéto-motrice dans le noyau 'du relais, représentée par la couroe is, it;. . ,ff: 'tl'e cette courbe B et la courbe 1: force ld.gWtG-Jl10t,L iee A existe le même rapport que celui existant outre les COLlx'dtlt:, ci-dessus expose. in donnant aux 1Joàln<es ll et .c3 un sons d'enroulement convenable par rapport ü\LZ oobines 44 et 45, 1;,, force uldÉ;;Ltomotrice résultante du relais varie suivant la courbe 8 re,résentée en trait fort sur la 1"1,;. i.
L'examen fie cette courbe montre que cette force résultante présente des valeurs élevées pendant une alternance de lë0 pour demeurcl 13. unc faible valeur pendant l'alternance suivante de 1800. Dans le cas actuel, la prie- mière alternance de 180 degrés électriques correspond au demi- cycle positif du courant induit dans le circuit de champ tandis
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que la seconde alternance de 18,)o correspond au demi-cycle né;
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tif du courant induit dans le circuit de champ. Par la disposi-
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tion convenable des bobines 17, 18, 44 et 45 représentée îig. l,. les valeurs élevées de la force magnéto-motrice ne se produisait que pendant les 180 degrés électriques favorables à la production d'un couple d'accrochage élevé, si la synchronisation est corallien- cée pendant cette.période. La considération principale pour réaliser une disposition correcte des bobines et des enroulements est celle de leurs polarités.
Les enroulements 44 et 45 doivent être raccordés de telle manière que pendant les demi-cycles positifs du courant induit dans le circuit de champ, un flux magnétique instantané engendré dans le relais 19 s'ajoute à celui qui est
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produit par les bobines 17 et le, pour produire des farces iiagnàto-motrices résultantes présentant des maxima, lorsque par exemple un pole sud rotorique s'approche d'un pôle nord etatorique, position pi:nàant laquelle, ainsi qu'il ez>t bien connu, l'excitation du 011,;;.111./1 auqm4nte favorableinent, permet d,'obtenir alors un couple d'accrochage éleva.
La came 22 continuant à tourner, la tension du ressort
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21 diminue progressivement, (courbe N, Fig. 2). Immédiatement apre- la manoeuvre du contacteur de contrôle 27, le controller ferme une portion de circuit les plots 51 et 52. Lorsque la tension du ressort est suffisaient réduite, l'armature 20 du relais bascule et ferme les contacts 49 fermant un circuit partant de la phase 1, traversant les contacts 12 et 49, le conducteur 50,
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les plots au controlier 51 -t 52, le conducteur 54, la bobine de commande 55 du contacteur de oaamp 5v pour aooutir au conducteur sous tension 37.
Le contacteur de champ prend alors la position correspondant au raccordement du circuit d'excitation avec les barres 57 et 58 et à la rupture du circuit de décharge du champ par l'ou- verture des contacts 59. Le moteur se synchronise alors avec un couple d'accrochage maximum.'La figure 2 montre que le champ est non seulement produit pendant l'alternance, la plus favorable du
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cycle, c'est-à-dire celle pendant laquelle des tôles de noms contraires s'approchent l'un de Itautre, mais est créé à l'instant où 1<: couple d'accrochage maximum peut être obtenu.
Il n'y a ainsi aucune nécessité d'un réglage absolument précis des constantes de temps du relais 19,pu du contacteur de champ 56, ou des deux.
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11invention procure ainsi un équipement simple et sûr de mise en parallèle du moteur sous un couple d'accrochage maximum.
La commande du contacteur de champ 56 établit également
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son propre circuit de maintien, lequel partant du segment sous tension 34, traverse l'interrupteur,40, le conducteur 60, l'inverseur de synchronisation bit les contacts 1;, la bobine 5-5, aboutit au conducteur sous tension 37.
Le moteur étant accroché, le relais 19 se désexcite et les contacts 23 se referment, ce qui a pour résultat de créer un
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nouveau circuit de maintien pour la bobine dtenclenchement 55 du contac'::;ur de champ. Ce circuit partant de la phase l, traverse les contacts I? et 23, le conducteur 2, les contacts b3 et le conducteur ëous -tension b0.
Cette partie du circuit de maintien ainsi décrite étant en dérivation par rapport aux segments 33 et 34 du premier circuit de JJ.d.lntlsu1' il est évident que, aussi tôt que les serments du controller auront atteint la position
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hors-circuit représentée, le seul circuit de maintien qui sukPiste pour les deux bobines 36 et 55, d.0 par les contacts 23, Loisque la synchronisation est terminée, le controller prend la position "hors circuit". Si ensuite, à tout moment du
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fonctionnement, le moteur venait a décnoncr pour une l'aif,on quelconque, le relais 19 serait soumis, pendant un temps Go-aD:t à un effort de fonctionnaient considérable, résultant de la i:lé,,Jc.vration des contacts 23.
Le contacteur de ci1a.'I,t 56 coupe alors le circuit d'excitation 43, 10e circuit de clCnar6J est de nouveau rétabli et lo contac',e^ar ds contrôle fGrÚ13 1::.:S contacte 2b.
Ause-1t3t que le circuit de c11am,J 4 e±t décon.nct3 des barres 5? et 58, les fortes ondulations du courant 6tatorique cc:,sent, et la tension du reçoit 21 étant :uaxi.luu, les contacts 23 du xelais 19 se ferment de nouveau, entraînant la .sise sous teu- sion du dispositif à temps 30 par la pnase 1, les contacts 12 et
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2:J, le conducteur 24, les contacts 26, les segments 28 et 2, le dispositif à tempe 30, le conducteur 31, et la phase 10. La synchronisation est ainsi remise en train pour une nouvelle miss en parallèle.
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La représentation schématique de 1a i'ig. 2 montre la roJ existant lationentr les caractéristiques de fonctionnaient du relais et les différentes positions angulaires du rotor par rapport au stator du moteur. A cet effet, un développement du stator et du rotor du
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moteur est représenté sur le dessus de la Fig. 2. dont les différen- tes positions angulaires sont Jointesaux courbes représentant les caractéristiques de fonctionnement du relais au bas de la figure.
Les poles statoriques du moteur sont désignés par D. Si les en-
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roulements statoriques sont alimnt.:s en courant alternatii a. 00 périodes par seconde, un champ tournant à la vitesse (le 120 pôles par seconde, balaye le rotor, par exemple dans la direction de
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la flèche E. Les pôles rotoriquee, dont un seul 1 est représenté en traits pleins, les autres il étant figurés en pointillé pour la facilité de l'exposé, sont entraînés dans le:\. ,ù.:m0 CÜI'0Ctioll iJ que le champ tournant statorique.
Il est jr-rablc d'effectuer la synchronisation, c'est-à-dire d'exciter los oooinos de ciia.-1, 48 de la Fig. l, lorsque la vitesse rotorique atteint 114 a il poules etatoriques par seconde afin de permettre l'accrochd-ge du moteur avec une perturbation de ligne minimum. A cette vitesse du rotor, la vitesse relative du rotor par rapport au stator est de 6 à 1 pôles statoriques par seconde et est dirigée dans le sens indiqué par la flèche H. Les traits mixtes réunissant les deux
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parties du dessin traversent les pdss en direction radiale.
En so référant à la position instantanée représentée, l'angle I compris
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entre les chiffres-180 et 00 est généralement dénommé "angle générateur" tandis que l'angle J compris entre 0 et + li'00 est appelé "angle moteur". Les surfaces hachurées représentent les zones angulaires pour lesquelles l'application du cdiiraìt dtexcitation est défavorable..3n effet, la pôle sud rotorique 8 oalayant les poules statoriqu3s avec une vitesse relative dirigés de gauche à droite, il est vielole d'ares l'inspection de la figure, que les zones hachur0cs correspondent aux positions pour lesquelles un pÔ1I sud rotorique approcnc d'uns p3ie sud stato- rique. Il,s'ensuit que si le rotor est excité à cet instant, une force de répulsion se produit laquelle tend à s'opposer à l'ac-
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crochage du rotor au cna.j.p tournant statorique.
Les zones comprises entre les surfaces 11aohurâs sont, pu,r contre, considérées comme favorables à l'application de l'excitation au totor, puisque pour ces zones des pôles da noms contraires se rapprocnent et que dans ces conditions, la synonr ).±l1sat ion avec le cnamp tournant statorique s'effectue dans de meilleures conditions. La région exacte dans laquelle l'excitation est appliquée par le dispositif
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suivant l'invention est représentée pi les rectangles Haonuréa t. Suivant la description qui précède, le'ela1S la contrôle différents circuits et dispositifsà contacts établissant ls
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connexions pourri'excitation de l'enroulement de champ 48.
Dans le but de contrôler l'établissement des connexions de l'enroule- nient d'excitation 48, le relais ne doit être commandé que pendant les délai-périodes favorables et, lorsque la. fréquence de glissement a atteint une valeur minimum prédéterminée. Les ca-
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ractéristiques de fonctionnement du relais réalisant ces désldérata sont représentées graphiquement au bas de la Fig. 2 où les ordonnées représentent la force d'attraction du relais, les temps étant portes en abscisses.
Les courbas s et N représentent respectivement la somme des forces magnéto-motrice agissant sur l'armature du relais et la tension du ressort 21 agissant sur celle-ci.
La longueur L portée en abscisse représente la pério- de pendant laquelle le système est contrôlé au moyen du relais par les courants de démarrage dans la ligne, la longueur M représente la période pendant laquelle le système est contrôlé par
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la rotation du contxoller C actionné par le moteur à vitesse cons- tante 30, tandis que la longueur restante portée en abscisse jusqu'à la longueur correspondant au point d'intersection des cour-
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bes S et 1V, auquel point d'intersection le relais provoque ltexcitation des poles 48 du rotor, constitue la dernière phase préparatoire avant l'accrochage du moteur proprement dit.
A'remarquer que la tension du ressort du relais (courbe 311') diminue progressi- vement jusqu'au delà de l'instant d'accrochage et puis reprend d'un coup sa valeur initiale. Ceci est dû au fait que la came 22
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après une rotation complète reprend la position indiquée 3ig. 1.
La hausse soudaine de la courbe S en S' est causée par une aug- mentation des courants de ligne produite par une surcharge brusque du moteur. Le point d'intersection des courbes S et N est celui à auquel le relais peut de nouveau fonctionner.
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Il n'est pas a conseiller de procéder a une nouvelle synchronisation automatique lorsque les inverseurs 14 et 61 occuDent la position figurée en pointillé, pour laquelle la suite des
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opérations brièvenient décrite ci-après diffère quelque peu de la précédente.
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Api es le fonctionnement du contacteur de ligne 8, le circuit de maintien de celui-ci s'établit courtie suit; partant de 1-, phase l, il traverse les contacts 12, le conducteur 13, les contacts 102, le conducteur 103, l'inverseur 14 (position en traits pointillés), la bobina 7 du contacteur 8, le bouton d'ar-
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rêt 9 pour aboutir L la phase 10.
L opérations successives sont identiques à celles décrites ci-dessus, Jusqu'à la fin de la "période d'accélération contrôlée', qui est déterminée par le fonctionnement du cori-tacteur de contrôle ou relais 27 qui, en fermant 5ea'contactJ 104, shunte les contacts 102 dont l'IOUV63tUre subséquente n1interrompt pas le circuit de maintien, c'est-à-dire la bobine du contacteur de ligne 8.
Lorsque la synchronisation est terminée et que les seg-
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mente du controller occupent de nouveau la 'position ehors circuit" le circuit de maintien de la bobine 36 du eontaeteur de contrôle 27 est le même que précéçlemiaentp tandis que'le circuit de maintien de la bobine 55 du contacteur de champ 56 ezéta'11t comme suit;
partant de la phase 1 il traverse successivement les con-
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tacts 12, la conducteur 13, l'interrupteur .(-)le les contacts ù2, la bobine 55 pour aboutir au conducteur sous tension 37.
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Dans l'éventualité de la mise hors tension de la 'oo-
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bine de déclenchement 36, et de l'ouverture subséquente des contacte 104 du circuit ae maintien de la bobine 7, les contacte 102 restant ouverte, le contacteur de ligne 8 déclenche le moteur M. et ouvre les contacts 12 et 38, coupant l'alimentation de la bobine 55 du contacteur de champ lequel cet par le fait mê-
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me, déconnecté des barre:} d'aliidentation 5' ,:t 53.
'REVENDICATIONS
A.- Appareil pour le démarrage et la synchronisation contrôlée d'un moteur synchrone, caractérisé en ce que les moyens de contrôle comportent des moyens de production dtune force magné- to-motrice variant avec la fréquence du courant induit dans les bobines de champ du moteur, des moyens de production d'une force magnéto-motrice variant suivant-ou dépendant de-la fréquence du
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courant résultant dans les enroulements etatoriques, st des moyen?. répondant à un maximum donné de la force résultante des forces magnéto-motrices précitées, pour enalenciier l'enroulement de champ du moteur.