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FERFECTIONNEMENTS AUX ECHINES ELECTRIQUES
La présente invention concerne les machines électriques fournissant des charges sous tensions variables. Elle s'applique particulièrement aux dynamos pour la soudure électrique.
L'arc de soudure constitue une charge instable en raison de sa ca- ractéristique négative de résistance. Par conséquent, il ne peut pas être alimenté par une source à tension constante, sans inclure dans le circuit des moyens stabilisateurs appropriés, telle qu'une résistance.
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L'usage de telles résistances ballast gaspille de l'énergie et les dyna- mos de soudure ont par conséquent été calculées de manière à présenter des caractéristiques analogues à celles obtenues au moyen d'une source de tension constante combinée à une résistance de ballast. De telles génératrices ont une caractéristique Volt-ampères tombante, c'est-à-dire que leur tension diminue rapidement, lorsque le courant augmente.
Le fonctionnement de telles génératrices a été amélioré en connec- tant des réactances stabilisatrices dans leur circuit de soudure. Leur but est d'accumuler l'énergie quand la génératrice en fournit en excès, et de la restituer au circuit quand la génératrice ne peut fournir la totalité de l'énergie. L'action de ces réactances est analogue à celle d'un volant pour les machines tournantes. Far l'action de cette accumu- lation d'énergie dans son inductance, la réactance coopère à égaliser les fluctuations du courant de soudure.
La présente invention a pour objet un ensemble générateur-réactance perfectionné, dans lequel le flux de la réactance se ferme par le fer du champ inducteur de la génératrice de soudure auquel il est associé, de manière à améliorer le fonctionnement du générateur, lors de phénomènes transitoires, tout en produisant la valeur désirée d'inductance de sta- bilisation dans le circuit correspondant;
Les circuits magnétiques de la réactance et de la génératrice sont associés de manière à produire un flux sensiblement constant dans tout ou partie de la carcasse de la dynamo, et améliorer ainsi ses caractéris- tiques de fonctionnement.
L'invention permet également de réduire les dimentions et le poids d'une réactance présentant l'inductance stabilisatrice voulue pour la dynamo à laquelle elle est associée, en fermant le dircuit magnétique de la réactance par le circuit inducteur de la dynamo. La partie de ce dernier, qui est embrassée par la réactance, est constituée de matière pleine, sans influencer le fonctionnement en charge de la dynamo, par suite de cette condition.
On va décrire plusieurs exemples de mise en oeuvre de l'invention -donnés à titre non limitatif, en se référant aux dessins schématiques,¯
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ci-joints.
Les dispositions de réalisation qui seront décrites à propos de ces exemples devront être considérées comme faisant partie de l'inven- tion, étant entendu que toutes dispositions équivalentes pourront aussi bien être utilisées sans sortir du cadre de celle-ci.
La fig.l du dessin représente l'invention appliquée à une dynamo à pôles dédoublés, dans laquelle un flux sensiblement constant a été obtenu dans la partie de sa carcasse comprise entre pôles de polarités différentes, en fermant par cette partie le circuit magnétique d'une réactance, dont l'enroulement est connecté de manière à être alimenté suivant les variations de charge de la dynamo.
Les fig. 2, 3, 4 représentent respectivement, dans ces conditions, les flux à vide, à pleine charge et en court-circuit.
Suivant une variante de la fig. 1, la réactance peut être disposée de manière à embrasser la partie de la dynamo comprise entre pôles de même polarité, et les fig. 5, 6, 7 représentent, dans ces conditions, les flux à vide, à pleine charge et en court-circuit, la fig. 8 montre schématiquement l'application de l'invention à une dynamo du type compound différentiel, les fig. 9, 10, 11 montrent le flux dansle noyau de la réactance et dans les inducteurs de la dynamo, à vide, à pleine charge et en court-circuit.
En se reportant aux dessins, on voit que le dispositif conforme à l'invention comporte une dynamo qui possède un circuit inducteur, com- portant des pièces polaires en matière magnétique, reliées par une par- tie en matière magnétique, dans laquelle une variation de flux est pro- duite par une variation du courait de charge de la dynamo ; dynamo possède également un dispositif pour maintenir un flux sensiblement constant dans cette partie du circuit inducteur de la dynamo. Le résul- tat recherché est obtenu en associant à la dynamo une/,réactance dont le noyau magnétique embrasse le circuit inducteur de la dynamo entre pèles
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adjacents, et dont l'enroulement est alimenté suivant les variations de courant de charge de la dynamo.
De préférence, les extrémités du noyau de la réactance sont espacées du circuit inducteur de la dynamo, de manière à créer des entrefers dans son circuit magnétique.
Puisque, selon l'invention, il n'y a sensiblement pas de variations de flux dans la partie du circuit inducteur de la dynamo embrassé par la réactance, le fonctionnement de la machine, lors de conditions tran- sitoires, est amélioré, par l'élimination de l'effet retardateur des pertes par hystérésis et des courants de Foucault, qui/Produiraient sanscela, par suite de variations de flux dans cette partie du cir- cuit inducteur de la dynamo. Par conséquent, la tension de réamorçage de l'arc par la dynamo est augmentée et obtenue plus rapidement, et des à coups de courant sont diminués en proportion de la partie du circuit inducteur de la dynamo embrassée par le noyau de la réactance.
En utilisant le circuit inducteur de la dynamo pour faire passer le flux de la réactance, le poids de matière magnétique nécessaire pour cette réactance est diminué considérablement, et la réactance peut, par conséquent, être plus petite et plus légère qu'auparavant. En outre, puisque, selon l'invention, il n'y a pas sensiblement de variation de flux dans la partie du circuit inducteur de la dynamo embrassé par la réactance, les caractéristiques de fonctionnement de la machine ne sont pas affectées, si cette partie du circuit inducteur de la dynamo est faite en matière pleine. Donc, conformément à l'invention, seules, les parties du circuit inducteur de la dynamo, dans lesquelles le flux varie lors de variations du courant de charge, doivent être en matière magnétique feuilletée.
En se reportant Fig.l on voit que la dynamo représentée schémati- quement est du type à pôles divisés. L'induit 1 de cette génératrice est muni d'un enroulement bipolaire, et le circuit inducteur bipolaire comporte quatre pièces polaires 2, 3, 4 et 5 supportées par une carcasse 6. Les pièces polaires sont apairées en groupes de même polarité, N. S.
Il y a ainsi un groupe de deux pôles N, 2 et 5, suivi d'un groupe de deux pôles 5S, 3 et 4. Les pièces polaires 2 et 3 constituent les pièces polaires principales pour l'induit 1 de la machine, et les pièces polai-
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res 5 et 4 constituent des pièces polaires en quadraturejour ce même induit, et disposées entre les pièces polaires principales 2 et 3. Pour une bonne commutation, on prévoit des pôles auxiliaires 7 et 8, montés également sur la carcasse 6 de la génératrice.
L'induit, les pièces polaires et la carcasse sont en matière magné- tique. Celle-ci est feuilletée pour réduire les pertes par courants de Foucault, afin d'améliorer le fonctionnement dynamique de la machine. sien entendu¯,, comme on le verra ci-dessous, tout ou partie de la carcas- se 6 peut être en matière pleine, car, selon l'invention, il n'y a pas de variation de flux dans ces parties, lors des variations du courant de charge.
Les pièces polaires principales 2 et 3 sont prévues pour être sa- turées, de telle sorte que leur flux n'est pas modifié par la réaction d'induit, et les pièces polaires en quadrature 4 et 5 ne sont pas sa- turées, de telle sorte que leur flux est modifié par la réaction d'in- duit. Les flux de ces deux jeux de pièces polaires sont décalés de 90 . l'un par rapport à l'autre, et le flux dans les pièces polaires princi- pales sera appelé flux principal, et le flux dans les pièces polaires en quadrature sera appàé flux en quadrature, de l'inducteur bipolaire de cette génératrice.
Le courant de charge de l'induit est recueilli par deux balais 9 et 10, en position neutre sur un collecteur connecté au bobinage de l'in- duit. Outre ces balais principaux, on a prévu un balai auxiliaire 11 pour fournir le courant d'excitation pour l'enroulement shunt des pièces polaires principales et en quadrature de la génératrice. Ce balai auxi- liaire s'appuie sur le collecteur en un point intermédiaire entre les balais 9 et 10 principaux.
La génératrice est à auto-excitation, l'excitation des enroulements inducteurs 12,13 des pôles principaux 2 et 3, et des enroulements induc- teurs 14-15 des pôles en quadrature 5 et 4 étant prise aux bornes des balais 10 et 11. Les pôles en quadrature 5 et 4 sont également munis d'enroulements série 16 et 17, et les pôles de commutation 7 et 8 sont
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munis d'enroulements série 18 et 19, connectés dans le circuit de l'in- duit de la génératrice, à travers les balais de charge 9 et 10. Ces di- vers enroulements produisent dans les pièces polaires, auxquelles ils sont associés, des flux inducteurs dirigés suivant les indications N,S.
Comme on l'a dit plus haut, le circuit magnétique des pôles princi- paux 2 et 3 est prévu de manière qu'il soit saturé, tandis que les pôles en quadrature 4 et 5 fonctionnent sans saturation. Dès que la génératrice est chargée, le courant circulant dans son induit produit une réaction d'induit R, qui peut se décomposer en deux composantes : une première composante RM dans la direction du flux principal des pôles 2 et 3, et une deuxième composante RC opposée au flux en quadrature des pôles 5 et 4. Comme le circuit magnétique des pôles 2 et 3 est saturé, la composan- te RM de la réaction d'induit ne peut pas faire passer de flux addition- nel dans ce circuit, et le flux principal reste en conséquence sensible- ment constant.
Toutefois, la composante RC de la réaction d'induit neu- tralise une partie du flux transversal des pôles 5 et 4, qui diminue ainsi lorsque le courant de charge augmente. Cet effet de la réaction d'induit est augmenté par les enroulements série 16 et 17 des pôles en quadrature 5 et 4.
La tension aux bornes de la dynamo, entre ses balais principaux 9 et 10 est la somme algébrique de ses tensions entre les balais 9-11 et 11-10. La tension 11-10 est induite par le flux principal des pôles 2 et 3, et reste pratiquement constante puisque le flux principal est constant et que la vitesse de la machine est maintenue constante. La tension 9-11, toutefois, diminue brsque le courant de charge augmente dans les enroulements de l'induit et les enroulements série 16-17, car, comme on l'a vu plus haut, le flux transversal des pôles 5-4 diminue dans ces conditions. En réalité, ce flux transversal passe par zéro et s'inverse finalement.
Les enroulements série lô-17 peuvent être supprimés, ou bien ils peuvent être constitués par plusieurs spires qui peuvent être sélective- ment placées dans le circuit de charge, de manière à obtenir les gammes désirées de courant, correspondant à diverses natures de soudure pour
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lesqüeslles la génératrice peut être utilisée. Bien entendu, un rhéostat de champ peut être mis en série avec les enroulements shunt de la généra- trice, de manière à procurer un réglage plus précis du courant de soudure, que ne le permet le contrôle du nombre efficace des spires de l'enroule- ment série. I,e schéma de la Fig.l n'a pas été compliqué par ces détails évidents.
La variation du flux dans les pôles transversaux 5-4 de la généra- trice à pôles divisés ci-dessus, lors des variations de son courant de charge, produit une variation de flux dans la carcasse 6 de la génératrice.
Ainsi, dans la partie de la carcasse compris entre les pôles 2 et 5, le flux augmente de 0 ju.squ'à sa pleine valeur, entre le courant nul et le courant de court-circuit, tandis que le flux dans la partie de la carcasse comprime entre les rôles 2 et 4 vari.e de sa pleine valeur à, sa valeur rul- le, entre le courant nul et le courant de court-circuit. Cette variation de flux dans la carcasse de la génératrice s'accompagna de pertes par hystérésis et courant s de Foucault, qui ralentissent sa réponse vis à vis des variations du courant de charge.
Conformément à l'invention, une ou plusieurs réactances utilisées pour stabiliser 1 courant dans le circuit de soudure sont employées pour les caractéristiques de fonctionnement de la génératrice, en empêchant une variation du flux dans tout ou partie de la carcasse suppor- tant les pièces polaires. Dans une machine telle que représentée fig.1, afin de tirer le plein avantage de l'invention, il faudrait utiliser quatrf réactances.
Une amélioration partielle et une bonne compréhension de l'in- vention seront toutefois obtenues en considérant le dispositif à. une seule réactance de la fig.1.
Comme on le voit, le noyau 20 de la réactance 21 embrasse la périphé- rie externe de la carcasse 6 de la génératrice 22, entre ses pôles adjacent 2 et 4, et comporte un enroulement 23, en série dans le circuit de l'in- duit, pour que le courant y circule dans un sens tel qu'il établisse entre les pôles 2 et 4, dans le circuit magnétique de la génératrice, un flux de même sens que celui produit par l'enroulement inducteur de la génératri- ce. Le dispositif est prévu pour que la réactance produise dans son circuit magnétique, qui se ferme par la carcasse 6, entre les pôles 2-4., un flux qui maintienne sensiblement constant le flux dans la carcasse 6, entre les
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dits pôles de la génératrice.
Le noyau 20 de la réactance 21 est en matière magnétique, de préfé- rence feuilletée, pour réduire les pertes par courants de Foucault. Elle peut être supportée sur la carcasse 6 de la génératrice 22, et ses extré- mités peuvent se trouver à une certaine distance de cette carcasse, afin de ménager des entrefers dans son circuit magnétique qui se ferme par cette carcasse.
Comme dans la pratique antérieure, la réactance 21 est connectée en série dans le circuit de soudure 24 qui constitue le circuit de charge de la génératrice 22. Une borne de ce circuit de soudure est reliée à une électrode de soudure 25 et son autre borne à la pièce 26.
On a représenté schématiquene nt Fig.2, 3, 4 les conditions magnétiques dans la génératrice et la réactance de la fig. 1, à circuit ouvert, à charge normale et pour le courent de court-circuit de la génératrice.
On remarquera que, pour une charge donnée de la machine, la variation de flux dans la partie de la carcasse embrassée par le noyau 20 de la réactance, lorsqu'on passe du circuit ouvert au court-circuit, ou du court-circuit au circuit ouvert, est nulle. Ceci favorise les caractéris- tiques de fonctionnement de la génératrice, en accélérant et en augmen- tant sa tension de réamorçage de l'arc, et en réduisant les à coups de courant lors d'un court-circuit.
Le gain dans le fonctionnement de la génératrice provient de la constance du flux dans la partie de la carcasse embrassée par la réac- tance. En se reportant aux Fig. 2 à 4, on remarquera que, ordinairement, il. est nécessaire qu'un réglage immédiat du flux se produise dans la partie de la carcasse 6 embrassée par la réactance 20, lorsque le cir- cuit de soudure est brusquement court-circuité, ou orusquement ouvert après un court-circuit. C'est en réajustement immédiat de flux qui pro- voque la tension de réamorçage de la génératrice. Ce réajustement de flux est considérablement ralenti si la carcasse est pleine, et à un moindre degré, si elle est feuilletée, à cause de l'effet retardateur des pertes par hystérésis et courant s de Foucault.
Ceci entraine à la fois une tension plus faible de réamorçage et un retour plus lent à'la tension normale à circuit ouvert.
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Toutefois, si la réactance établit, lors d'un court-circuit, le même flux dans la carcasse embrassée par le noyau de la réactance, que celui qui doit exister après que le circuit de la génératrice a été coupé, la tension de réamorçage de la génératrice sera améliorée en proportion de la partie de la carcasse embrassée par la réactance. Les courants transitoires de pointes, lors des court-circuits, sont réduits dans leur valeur, exactement pour les mêmes raisons que celles qui augmentent la tension de @ c'est-à-dire que la réactance éta- blit le même flux, dans la partie de la carcasse embrassée par la réactance, en court-circuit, que celui qui existait à circuit ouvert, un instant auparavant.
Bien entendu, la réactance fonctionne de manière optima seubment pour un réglage du champ inducteur de la génératrice. Par conséquent, la réactance est calculée pour fonctionner au mieux pour le réglage correspondant aux plus mauvaises conditions de soudure. Bien entendu, pour les très faibles courants, il est nécessaire de réduire les entre- fers du noyau de la réactance, pour obtenir le fonctionnement le meil- leur. Inversement, il est nécessaire de les augmenter pour des réglages plus élevés que ceux pour lesquels la réactance a été calculée pour donner le meilleur fonctionnement.
On peut remarquer, (ce point de 'vue, que le fonctionnement de la réactance ne devient Dangereux, si la partie de la carcasse embrassée par la réactance est en matière pleine. Comme il n'y a que peu ou pas de variation de flux dans cette partie de la carcasse, il n'y a par conséquent que peu ou pas de pertes par hystérésis et courants de Foucault, et il est inutile de la feuilleter.
La réactance 21 peut être montée par rapport à la génératrice 22 de façon que son noyau 20 embrasse la partie de la carcasse 6 comprise entre les pôles principaux et transversaux 2-5, ou 3-4, de même polarité au lieu d'embrasser les pôles principaux 2-4, ou 3-5, comme on vient de l'expliquer.
Les fig. 5, 6, 7 représentent schématiquement les conditions de flux dans la machine, lorsqu'on utilise un montage latéral de la réac-
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tance. On remarquera que la seule différence, dans la manière dont le fonctionnement de la dynamo est amélioré, réside dans le fait que la réactance maintient un flux nul, au lieu d'un flux ayant sa pleine va- leur, dans la partie de la carcasse 6 embrassée par le noyau 20 de la réactance.
On voit que les lignes de flux dans les oobines inductrices de la génératrice, à circuit ouvert ou en court-circuit permanent, comme re- présenté Fig. 2-4 et 5-7, ne sont pas modifiées par la position de la réactance. Il s'en suit que les caractéristiques statiques de la géné- ratrice de soudure n'ont pas été modifiées par l'adjonction de la réac- tance.
D'après ce qui précède, on voit que l'invention peut s'appliquer à une génératrice de soudure de type différent, dans laquelle le flux inducteur doit changer de grandeur lors des variations du courant de charge de la génératrice, pendant la soudure. Par exemple, elle peut s'appliquer à une génératrice compound différentielle, comme représenté schématiquement Fig.8. Dans ce cas, la réactance est associée à la car- casse de manière à maintenir pratiquement constant le flux dans les parties de la carcasse embrassée par cette réactance.
Dans le dispositif'de la Fig.8, une réactance 27 a été associée à une dynamo 28, à excitation shunt et compound différentielle. Elle pos- sède un induit 29 dont l'enroulement est connecté au circuit de charge par les balais 30-31, qui s'appuieztsur le collecteur. Le circuit induc- teur comporte les pôles principaux 32 et 33 autour de l'induit 29, et montés à l'intérieur de la carcasse 34, formant une partie de ce cir- cuit inducteur. Un enroulement shunt 35, excité directement, est monté sur le pôle 32, et un enroulement série différentiel 36 est monté sur le pôle 33. L'enroulement 35 est relié aux balais 30 et 31 de la géné- ratrice, et l'enroulement 36 est connecté en série avec ces balais et l'induit de la génératrice.
La réactance 27 possède un noyau 37, qui embrasse la partie de la carcasse 34, entre ses pôles 32 et 33,et est munie d'un enroulement série 38, en série avec les balais 30-31 et le circuit de soudure qu'ils
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alimentent. Une borne du circuit est connectée à l'électrode de soudure 40, l'autre, à la pièce 41.
Dans une telle génératrice, la carcasse 34 doit laisser passer le flux total, pour une charge nulle, et pour tous buts pratiques, un flux nul, lors du court-circuits Ceci entraine par conséquent une variation de flux dais la carcasse, qui produit les mêmes pertes par hystérésis et courants de Foucault que celles envisagées à propos de la variante de la Fig.l. Toutefois, en utilisant la réactance 27 (fig; 8), on peut éliminer les variations de flux dans la carcasse de la génératrice. Ceci se voit sur les schémas des Fig . 9,10, 11 qui montrent les conditions de flux dans la carcasse et dans le noyau de la réactance, pour une charge nulle, la pleine charge, et le .court-circuit. On remarquera que la diminution du flux dans la carcasse est compensée par le flux de la réactance, de telle sorte qu'il n'y a pas de variation du flux dans la carcasse.
Ainsi, de même que pour la Fig.l, les caractéristiques de fonctionnement de la génératrice sont favorisées par l'accélération et l'augmentation de la tension de réamorçage, et par la diminution des pointes de courant, au moment des court-circuits. Dans le dispositif de la fig. 8, pour les raisons déjà connues, la carcasse 34 peut être en mé- t al plein. Toutefois, le noyau 37 de la réactance est, de préférence feuilleté.
D'après ce qui précède, les techniciens déduiront d'autres applica- tions de l'invention. Par exemple, des génératrices à pôles divisé, d'un type différent de celui de la Fig. 1, peuvent avoir un noyau de réactance associé, conformément à l'invention, afin d'obtenir les avan- tages mentionnés plus haut. En outre, on peut modifier de diverses ma- nières la génératrice compound différentielle de la fig.8. Elle peut comporter un enroulement excité séparément, au .'lieu de l'inducteur shunt représenté, ou bien un enroulement d'excitation séparé peut être ajouté à l'enroulement shunt représenté. De plus, les enroulementspeu- vent être également répartis sur les pièces polaires, et on peut uti- liser plus de deux pôles principaux.
On peut aussi employer des enrou- lements de commutation et compensateurs ainsi que des pièces polaires
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pour ces enroulements.
On voit également que, suivant la construction de la génératrice, on peut envisager d'autres dispositions, pour les circuits magnétiques de la génératrice et de la réactance, que celles représentées, sans sortir pour cela du cadre de l'invention.
Bien que l'invention ait été décrite cornue appliquée aux génératrices de soudure, on doit comprendre qu'elle n'est pas limitée aux génératrices particulières de ce genre mais qu'elle peut s'appliquer à d'autres général: trices fournissant des charges variaoles. En outre, il est évident que les principes de base de l'invention sont aussi bien applicables à des moteurs dont le flux du circuit magnétique varie avec les fluctuations du courait de charge fourni au moteur.