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" Perfectionnements au circuit de commande pour moteurs à courant alternatif "..
La présente invention concerne d'une manière générale un circuit de commande et plus particulièrement un circuit de commande pour un moteur à courant alternatif.
Un but de l'invention est de fournir un circuit de commande nouveau et perfectionné destiné à l'emploi avec une variété de moteurs à courant alternatif et plus particuliè- rement avec des moteurs à induction.
Un autre but est de fournir un circuit de com- mande nouveau et perfectionné pour moteurs à courant alternatif, qui est exempt de commutateurs, de relais et d'autres disposi-
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tifs de rupture de circuit dans le circuit de force motrice pour le moteur.
Un autre but est de fournir un circuit de comman- de pour un moteur à induction, qui peut fonctionner pour régler la direction et la vitesse de rotation du moteur et pour main- tenir le fonctionnement du moteur à une vitesse quelconque dé- sirée de la gamme, dans l'un ou l'autre sens de rotation.
Un autre but est de fournir un circuit de comman- de pour un moteur à induction dans lequel le sens et la vitesse de rotation du moteur sont réglés par un petit courant pilote ou de commande, et sans rupture ou autres manipulations physi- ques des circuits de force motrice pour le moteur.
Un autre but est de fournir un circuit de comman- de pour un moteur à induction qui peut être actionné pour ré- gler le sens et la vitesse de rotation du moteur, ce qui effec- tue, lorsqu'on le désire, une accélération ou un ralentissement rapide du moteur et permet le réglage du circuit de commande, à partir d'un état demandant la pleine vitesse du moteur dans une direction jusqu'à un état demandant la pleine vitesse dans la direction opposée sans nécessité d'un arrêt à l'état neutre, pendant qu'on attend que le moteur parvienne a repos et sans formation d'étincelles, ou charges de certaines parties du cir- cuit, ou réactions analogues indésirables.
Un autre but est de fournir un circuit de commande pour un moteur à induction, qui peut être actionné pour régler le sens et la vitesse de rotation du moteur et qui peut en ou- tre fonctionner lors d'un réglage appelant un renversement du sens de la rotation du moteur ou lors d'un réglage appelant une réduction matérielle quelconque de la vitesse de rotation, pour produire immédiatement un contre-couple agissant de manière à ralentir le moteur rapidement quel que soit le sens de rota- tion du moteur.
Un autre but encore consiste à fournir un circuit
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de commande pour un moteur à induction qui peut être actionné de manière à régler le sens et la vitesse de rotation du moteur et qui peut en outre être actionné, lors du réglage appelant un renversement du sens de rotation du moteur, de manière à produire instantanément un contre-couple élevé pour le ralentis- sement du moteur jusqu'à une vitesse nulle, et ensuite agissant de manière à accélérer le moteur dans le sens opposé, le cou- ple se réduisant graduellement jusqu'à la valeur requise pour actionner le moteur à une vitesse constante de la valeur deman- dée.
Un autre but encore est de fournir un circuit de commande pour un moteur à induction, pouvant fonctionner à distance et avec un petit courant de commande pour régler le sens et la vitesse de la rotation du moteur.
Un autre but encore est de fournir un circuit de commande pour un moteur à courant alternatif pouvant fonction- ner de manière à régler la vitesse et le sens de rotation du moteur et pouvant fonctionner en outre de manière à amener le mais à être soumis momentanément, moteur à fonctionner normalement à son voltage fixé,/pendant des périodes de renversement ou autres accélérations ou ralen- tissements anormaux, à @ des voltages plus élevés que son voltage fixé.
Un autre but encore est de fournir un circuit pouvant fonctionner en corrélation avec les enroulements appro- priés et une source de force motrice triphasée pour produire tournant un champ magnétique/, de grandeur variable, et de sens de rota- tion variable, sans déconnexion ou autres changements physiques dans les connexions vers les enroulements.
Suivant la présente invention, un circuit pour le réglage de la phase et de la grandeur du courant alternatif fourni à un dispositif actionné par courant alternatif est ca- ractérisé en ce qu'on a prévu une paire de réactances pouvant être saturées, ayant chacune un enroulement de courant alter-
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natif relié en série avec chaque ligne d'alimentation en force motrice vers ce dispositif, et un enroulement de commande re- lié électro-magnétiquement à tous les enroulements de courant alternatif, enroulements de courant alternatif qui ont une impédance suffisamment élevée pour empêcher l'application de tout voltage effectif au dispositif,
des moyens pour alimenter cet enroulement de commande de l'une ou l'autre des deux réac- tances pour réduire l'impédance des enroulements de courant alternatif de cette réactance suivant le degré d'excitation, et des moyens de circuit reliant les deux séries d'enroulements de courant alternatif à ce dispositif, de telle manière que la phase de l'alimentation en courant à ce dispositif est comman- dée suivant la série qui porte l'alimentation en courant.
On peut prévoir des moyens produisant un signal principal pouvant être actionnés pour produire des signaux de caractère opposé et de grandeur variable, des moyens associés au dispositif électrique et pouvant être actionnés pour produire des signaux de caractère opposé ayant un rapport relativement au fonctionnement du dispositif à commander, ces moyens étant r.eliés aux moyens de production de signal principal en alimen- tation inverse de manière que,par combinaison des signaux de caractère opposé mentionnés en premier lieu et en second lieu, on fournisse un signal de commande, et des moyens pour l'appli- cation du signal de commande à cet enroulement de commande de l'une ou l'autre des réactances suivant le caractère du signal de commande.
Ces moyens pour l'application du signal de com- mande à l'enroulement de commande approprié, peuvent comprendre une paire de circuits amplificateurs ayant chacun en connexion pour être réglé par eux, un de ces enroulements de commande et disposés de manière à alimenter par un courant continu l'un ou l'autre de ces enroulements de commande suivant le caractère du signal de commande.
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D'autres buts et avantages apparaîtront d'après la description suivante faite en corrélation avec les dessins ci-annexés dans lesquels :
La fig. 1 est un type de blocs schématiques montrant un circuit de commande comprenant l'invention.
La fig. 2 est une vue schématique représentant une forme particulière que le circuit de la fig. 1 peut prendre.
La fig. 3 est une vue en élévation d'une réac- tance saturable convenant pour l'emploi dans le circuit de la fig. l.
La fig. 4 est une vue en coupe horizontale de la réactance saturable de la fig. 3.
La fige 5 est une représentation graphique mon- trant le rapport entre le signal de commande et le voltage sur le moteur.
La fig. 6 est une représentation graphique du fonctionnement du circuit avec le circuit manipulé en premier lieu pour appeler une augmentation de vitesse du moteur et en- suite appeler une diminution de vitesse du moteur.
La fig. 7 est une représentation graphique ana- logue à la fig. 6 du fonctionnement du circuit effectuant le renversement du moteur.
La fig. 8 est une représentation graphique d'un couple de vitesse caractéristique d'un moteur à induction triphasé, à rotor enroulé.
La fig. 9 est une représentation graphique d'un couple de vitesse caractéristique d'un moteur à induction tri- phasé, à cage d'écureuil.
Bien que l'invention soit susceptible de diverses variantes et autres constructions, elle est représentée ici et sera décrite plus loin sous une forme de réalisation préfé- rée. Onna toutefois pas l'intention de limiter l'invention à la construction spécifique en question. On a l'intention au
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contraire de couvrir toute variante et autres constructions et tous usages et adaptations de l'invention qui entrent dans l'esprit et le cadre de l'invention définis par les revendica- tions annexées.
Aux fins d'explication, l'invention est représen- tée et sera décrite ci-après dans son application à la commande d'un moteur à induction 10 multiphasé, dans l'exemple présent, triphasé, dont la commande de la vitesse et le renversement rapides sont restés longtemps des problèmes qui n'avaient pas été résolus de manière satisfaisante. Bien que le circuit soit exposé ici comme étant appliqué à un moteur à induction triphasé, on ne doit pas avoir'impression que le circuit est utilisable seulement pour.la commande de ce type spécial de moteur. Au contraire, l'emploi du circuit pour la commande d'autres moteurs et d'autres dispositifs électriques possibles apparaîtra facilement aux personnes du métier au cours de la description du cirduit.
Le circuit comprend d'une 'nanière générale des moyens 11 produisant le signal principal, capables de produire des signaux de grandeur variable et de caractère opposé. Action- nés à partir du moteur 10 se trouvent des seconds moyens 12 produisant un signal, de nature telle et couplé au moteur de telle manière qu'ils produisent un signal-pilote ou indiquant un fonctionnement, variant en grandeur avec la vitesse de ro- tation du moteur et produisant des signaux de caractère oppo- sé lors du renversement du sens de rotation du moteur. Ces se- conds moyens produisant un signal sont reliés dans le circuit comme une alimentation inverse d'une manière et pour des buts qui seront tous indiqués ci-après plus en détail.
Dans le cir- cuit se trouvent également deux amplificateurs semblables et parallèles 13 et 14, reliés de manière que l'un fonctionnera seulement en réponse à un signal d'un caractère tandis que l'autre fonctionnera seulement en réponse à un signal de
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caractère opposé . Une paire de réactances saturables 15 et 16 complète le circuit, et avec les amplificateurs 13 et 14 constituent une caractéristique importante de l'invention. Ces réactances ont certaines de leurs bobines reliées dans les con- ducteurs de force motrice vers le moteur 10 tandis que d'au- tres bobines sont reliées aux amplificateurs 13 et 14.
Tandis que,pour des buts de description détaillée ultérieure, le cir- cuit a été qcindé en moyens 11 produisant un signal, en des amplificateurs 13 et 14 et en des réactances saturables 15 et 16, il apparaît facilement que ces différentes unités peuvent être considérées comme un seul amplificateur très grand, trans- formant de petits signaux en courants et voltages appropriés pour le fonctionnement du moteur.
D'une manière générale, les réactances satura- bles sont efficaces sans interruption du circuit de force mo- trice vers le moteur en réponse à un signal résultant de la combinaison du signal principal et du signal-pilote ou indi- quant un fonctionnement, pour commander le voltage appliqué au moteur de manière à obtenir le fonctionnement du moteur aux différentes vitesses désirées, et pour commander la succession de phase du voltage appliqué, de manière à régler le sens de rotation du moteur.
Pour que le signal auquel les réactances saturables répondent, appelé ci-après "signal de commande", puisse fonctionner automatiquement et pour provoquer rapidement et avec précision et maintenir le fonctionnement désiré du moteur, la grandeur dm signal principal est dans une relation définie par rapport à la vitesse du moteur et le caractère de signal principal est en relation par rapport au sens de rota- tion du moteur. Le signal-pilote amène une relation semblable en grandeur et en caractère, respectivement par rapport à la vitesse et à la direction de rotation du moteur, le signal résultant ou de commande, dans le fonctionnement à l'état sta- ble du circuit, étant proportionnel au couple requis pour ac-
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tionner le moteur à la vitesse nécessaire pour le réglage dès moyens de signal principaux.
Le terme "proportionnel" est em- ployé ici dans le sens large, opposé à "inversement proportion- nel" et n'est pas destiné à signifier une proportionnalité directe ou même en ligne droite. La fig. 5 est mentionnée com- me indiquant la proportionnalité. Pendant les périodes de chan- gement, telles que le changement nécessaire de la vitesse de rotation du moteur ou du sens de rotation, le signal de com- mande ne restera pas proportionnel au couple requis pour ac- tionner le moteur à la vitesse requise mais indiquera des cou- ples plus élevés ou même des contre-couples, de manière à ef- fectuer le réglage aussi rapidement que possible.
Si on considère les choses d'une manière plus particulière, il apparaîtra clairement au cours de la descrip- tion que lorsque le signal des moyens 11, produisant le signal principal, est nul, le moteur 10 sera au repos et que lorsque le signal augmente, la vitesse du moteur sera augmentée, et de qu'il y aura/plus des vitesses définies pour des valeurs de signal variées, le sens de rotation du moteur étant déterminé par le caractère du signal.
Il apparaîtra également clairement que cette vitesse du moteur pour n'importe quelle valeur de signal principal donnée, est, par combinaison du signal-pilote avec le signal principal, sensiblement maintenue, quelle que soit la charge sur le moteur, si on suppose évidemment que cet- te charge se truve dans la capacité du moteur, le couple du moteur variant automatiquement de manière à produire exacte- ment le couple nécessaire pour maintenir la vitesse donnée, tandis qu'il porte la charge appliquée. L'accélération rapide et en particulier le ralentissement du moteur sont obtenus, le circuit fonctionnant de manière à amener un contre-couple à être produit dans le moteur, pendant certaines périodes de ralentissement du moteur.
Si on s'occupe à présent du circuit plus détail-
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lé exposé comme exemple à la fig. 2, les moyens Il produisant le signal principal sont représentés ici comme moyens produi- sant un signal de courant continu pouvant être actionné pour produire un signal positif ou négatif. Ces moyens produisant un courant continu peuvent, comme ici, prendre la forme d'une batterie 17 ayant ses bornes terminales interconnectées par une résistance 18 faisant partie d'un potentiomètre 19 ayant un contact réglable 20. Les moyens 12 produisant le signal-pi- lote ou indiquant le fonctionnement sont un générateur de cou- rant continu proportionnel à la vitesse de rotation du moteur 10.
Le générateur 12 est choisi et calibré de manière à pro- duire un voltage sensiblement égal, en grandeur, au voltage du signal principal pour des vitesses données de rotation du moteur. Une borne du générateur 12 est reliée par un conducteur 21 au contadt réglable 20 du potentiomètre 19, tandis que l'au- tre borne du générateur est reliée par un conducteur 22 à une borne terminale B d'une paire de résistances 24 et 25 reliées en série et ayant leur autre borne terminale A reliée par un conducteur. 27 au point milieu de la batterie 17.
Le générateur 12 est connecté de telle façon que,lorsque le contact 20 est réglé de manière à produire un signal positif à partir de la batterie 17, le générateur, étant actionné dans la direction requise par ce signal positif, produira un signal opposé au signal principal et,inversement, lorsque la batterie produit un signal négatif, le générateur 12, étant actionné dans la direction nécessaire par ce signal négatif, produira de nou- veau un signal de polarité opposée au signal principal.
Les signaux de commande résultant de la combi- naison du signal principal et du signal-pilote sont amplifiés par les amplficateurs 13 et 14 qui sont reliés en parallèle et peuvent être actionnés, l'un pour répondre seulement à un signal d'un caractère, ici un signal positif, l'autre pour répondre seulement à un signal du caractère opposé, ici un si-
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ae gnal négatif. Tandis que/nombreux amplificateurs variant en détails de construction peuvent être employés pour réaliser ce but, on a représenté en détails à la fig. 2, aux fins d'explication complète, une paire d'amplificateurs reliés en parallèle, fonctionnant comme on l'a décrit d'une manière géné- rale plus haut.
Chaque amplificateur comprend trois tubes é- lectroniques 30,31, 32 et 33, 34, 35 respectivement, disposés de manière à former deux étages d'amplification 36 et 37 et un étage de débit de courant 38. Les tubes 30, 31, 33 et 34 sont des tubes standard à vide, à cinq éléments,connus dans le commerce sous le n 1852, chacun ayant une anode ou une plaque 39, une cathode 40, une grille de commande 4l et deux grilles-écrans 42 et 43. Les tubes 32 et 35 sont chacun des tubes à trois éléments connus dans le commerce sous le n 2A3, ayant chacun une anode ou une plaque 44, une cathode 45 et une grille 46. Les cathodes des tubes sont chauffées de la manière habituelle par des moyens non représentés ici.
Les grilles de commande 4l des tubes 30 et 33 sont reliées par des conducteurs 47 et 48 respectivement aux bornes terminales A et B du diviseur de voltage formé par les résistances 24 et 25.
Les cathodes 40 des tubes 30 et 33 sont reliées par des résis- tandes appropriées 49 à un point commun 50, point qui est relié à la borne commune des résistances 24 et 25 par un con- ducteur 51. Le potentiel de plaque est fourni par des moyens appropriés représentés ici sous la forme d'une batterie 53, reliée de la manière bien connue pour former des circuits de plaque 54.Chaque circuit de plaque comprend ici une résistance variable 55, avec la grille-écran 42 comprenant dans sa liai- son au circuit de plaque une résistance 56.
Les seconds étages d'amplification 37 de chaque amplificateur sont identiques aux premiers. Il suffit de dire donc que ces étages sont couplés aux premiers étages 36 au moyen d'un diviseur de voltage composé de résistances 57 et
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58, reliées entre les circuits de plaque des premiers étages aux points C et D. Comme dans les premiers étages, la grille de commande du tube 31 est reliée par un conducteur 59 à la borne terminale de la résistance 57, tandis que la grille de commande du tube 34 est reliée par un conducteur 60 à la borne terminale de la résistance 58. Les circuits de plaque des se- conds étages d'amplification fournissent des points comparables aux points C et D des premiers étages, et pour la référence ils sont désignés par F et G respectivement.
Les grilles 46 des tubes 32 et 35 sont reliées par les conducteurs 61 et 62 respectivement aux points F et G.
Le circuit de grille pour les tubes 32 et 35 comprend des moyens appropriés 63 sollicitant la grille, communs aux deux tubes et un potentiel de plaque pour les tubes est prévu par des moyens appropriés 64, communs aux circuits de plaque 65 et 66 des tu- bes 32 et 35. Les moyens 63 et 64 sont de nouveau représentés à titre d'exemple sous la forme de batteries.
Chaque tube 30, 31, 33 et 34 est sollicité ici de manière critique pour répondre aux signaux négatifs seule- ment. Cela signifie ainsi qu'un changement du voltage de grille à partir du voltage de sollicitation dans un sens positif pro- voque seulement une très légère augmentation de l'écoulement du courant, tandis qu'un changement du voltage de grille dans une direction négative à partir du voltage de sollicitation amène une diminution forte et proportionnelle de l'écoulement du courant. La sollicitation des tubes 30, 31, 33 et 34 de cette manière n'est pas essentielle au fonctionnement du cir- cuit, mais est désirable au point de vue de la protection des tubes aux grands potentiels de grille positifs.
Les tubes 32 et 35 5' d'autre part sont sollicités normalement pour couper, et fonctionnent lorsque le potentiel de grille s'élève au-des- sus de la valeur d'ouverture.
Si on laisse de c8té pour l'instant le signal
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produit par le générateur de signal-pilote 12, on verra d'après ce qui précède que si les moyens 11 de production de signal de manière principal sont mis dans leurs positions neutres, c'est-à-dire 7 à ne produire ni un signal positif ni un signal négatif, les tubes 32 et 35 ne seront pas en fonctionnement. Comme on l'a indiqué plus haut, les tubes 32 et 35 sont normalement solli- cités à l'ouverture.
Si alors les moyens produisant le signal principal n'appliquent aucun signal, il n'y aura pas de chan- gement dans le fonctionnement des tubes 30 et 33, et ainsi les potentiels aux points C et D resteront les mêmes et équilibrés, ce qui a pour résultat qu'il n'y a pas de changement dans le - fonctionnement des tubes 31 et 34, et ainsi aucun changement dans la sollicitation normale des tubes 32 et 35.
Si on suppo- se toutefois que les moyens produisant le signal principal sont réglés de manière à produire un signal propre à amener le potentiel de la borne A à être élevé et le potentiel de la borne B à être abaissé, lequel réglage des moyens produisant un signal principal sera considéré ici comme produisant un si- gnal positif, un courant de plaque sera obtenu à partir du tube 32, qui est proportionnel à la grandeur du signal produit par les moyens produisant le signal principal.
Le circuit fonctionne de la manière suivante: avec la borne A élevée au point de vue du potentiel, il y au- ra une augmentation dans l'écoulement du courant à travers le circuit de plaque du tube 30. Celle-ci toutefois, à cause de la manière suivant,- laquelle le tube est sollicité, sera, comme on l'a déjà indiqué, une augmentation très légère seulement.
Cette légère augmentation du courant de plaque abaissera légè- rement le potentiel du point C. Le potentiel de grille du tube 33 a cependant diminué, diminution qui provoque une dimi- nution sensible du courant de plaque du tube 33. Avec cette diminution importante du courant de plaque, le potentiel au point D augmente. Cette différence de potentiel entre les points
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C et D, étant appliquée comme elle est en travers du diviseur de voltage formé par les résistances 57 et 58, a pour résultat une augmentation du potentiel de grille du tube 34 et une di- minution du potentiel de grille du tube 31. Comme précédemment, une augmentation du potentiel de grille du tube 34 augmentera seulement légèrement son courant de plaque, ce qui abaisse lé- gèrement le potentiel au point G.
Cela maintiendra donc le potentiel de la grille 46 du tube 35 sous sa valeur dbuverture et maintiendra donc le tube 35 ouvert. Au contraire, la dimi- nution du potentiel de la grille de commande du tube 31 dimi- nuera sensiblement le courant de plaque dans ce tube, ce qui augmente sensiblement le potentiel du point F. Cette augmenta- tion du potentiel du point F augmente le potentiel de la grille 46 du tube 32, ce qui provoque l'écoulement d'un courant de plaque proportionnel au signal appliqué aux tubes 30 et 33.
Si les moyens 11 produisant le signal principal sont réglés à présent dans la direction opposée à partir de leur position neutre, ce qui pour la facilité sera appelé si- gnal négatif, la borne ou le point B aura alors son potentiel élevé tandis que la berne ou le point A aura son potentiel abaissé. Le fonctionnement sera donc exactement l'inverse de celui décrit plus haut, avec le tube 32 restant ouvert et a- vec le tube 35 ayant un courant de plaque proportionnel au signal.
Lorsque le signal produit par les moyens 12 pro- duisant le signal-pilote est considéré et n'est plus laissé de côté comme dans la description précédente, la grandeur du signal résultant ou signal de commande appliqué aux résistan- ces 24 et 25 variera évidemment par rapport à celle produite par les moyens actionnant le signal principal 11 et le signal peut même avoir le caractère changé, c'est-à-dire de positif à négatif et vice-versa, suivant le caractère et la grandeur du signal-pilote. Toutefois, le fonctionnement de l'amplifica-
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teur sera le même et produira le fonctionnement du tube 32 lorsque le signal résultant ou de commande est positif et ame- nant le fonctionnement du tube 35 lorsque le signal résultant ou de commande -est négatif, comme on l'a défini' plus haut.
La grandeur du courant de plaque de chaque tube 32 ou 35 varie- ra évidemment avec la grandeur du signal résultant ou de com- mande.
Ce petit circuit de commande est utilisé ici pour régler le sens et la vitesse de rotation d'un moteur à courant alternatif sans interruption du circuit de force mo- trice pour le moteur et, en fait, sans changement mécanique ou réglable dm circuit de force motrice pour le moteur ou les éléments contenus dans celui-ci. Ceci est réalisé par l'emploi d'une paire de réactances saturables 15 et 16 mentionnées d'une manière générale plus haut. Les réactances saturables ont la même construction, avec la réactance 15 composée de trois enroulements à courant alternatif 67, 68 et 69, chacun enroulé en réalité sur une branche séparée d'un noyau en fer, et un enroulement 70 à courant continu, enroulé en réalité sur une branche d'un noyau commun à tous les enroulements à cou- rant alternatif.
De même, la réactance 16 a trois enroulements à courant alternatif 71, 72 et 73 et un enroulement à courant continu 74.
Pour une meilleure compréhension du circuit ma- gnétique des réactances saturables, une seule réactance a été représentée aux figs. 3 et 4. Comme on le voit le mieux à la fig. 4, le circuit magnétique de la réactance est composé de trois noyaux 76, 77 et 78 disposés sous un angle de 120 , l'un par rapport à l'autre, et avec chaque noyau divisé de manière à former deux branches parallèles. Un enroulement à courant alternatif est enroulé sur la branche externe de chaque noyau tandis que l'enroulement à courant continu commun entoure les trois branches internes des noyaux. L'état approprié des réac-
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tances saturables consiste en ce qu'aucun flux de courant al- ternatif n'est relié à la bobine à courant continu en produi- sant un voltage dahs celle-ci.
Vu que,dans la plupart des cas, le courant dans les trois bobines à courant alternatif sera égal mais de phase différente, les flux de courant alternatif dans les branches des noyaux communes à la bobine de courant continu s'opposeront et seront par conséquent égaux à zéro.
On notera toutefois qu'il peut être nécessaire dans certains cas d'employer des réactances saturables de construction plus compliquée, dans laquelle par exemple les courants dans les trois bobines à courant alternatif ne sont pas égaux.
Les bobines à courant alternatif des réactances saturables sont reliées dans le circuit de force motrice du moteur 10, qui,comme on l'a indiqué, est un moteur à induction triphasé. L'enroulement 67 est relié entre un fil de ligne L1 et une borne T1 du moteur 10. De même, l'enroulement 68 est relié entre un fil de ligne L2 et une borne T2, tandis que l'enroulement 69 est relié entre un fil de ligne L3 et une borne T3 du moteur. L'enroulement 71 de la réactance saturable 16 est également relié entre le fil de ligne Ll et la bonne Tl. Les enroulements 72 et 73 sont cependant inversés par rap- port aux enroulements 68 et 69, avec l'enroulement 72 relié entre le fil de ligne L2 et la borne T3, et avec l'enroulement 73 relié entre le fil de ligne L3 et la borne T2.
L'enroulement 70 à courant continu de la réac- tance 15 est relié en série dans le circuit de plaque 65 du tube 32, tandis que l'enroulement 74 à courant continu de la réactance 16 est relié en série dans le circuit de plaque 66 du tube 35. Les enroulements à courant alternatif de chaque réactance ont,dans les conditions normales, une impédance si élevée que sensiblement la chute de voltage entière se présen- te en travers des enroulements, de sorte que le voltage appli- qué au moteur est insuffisant pour actionner celui-ci. Avec
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un écoulement de courant dans l'enroulement à courant continu, l'impédance des enroulements à courant alternatif est cepandant abaissée de manière à permettre au voltage de ligne d'être appliqué au moteur.
Donc, suivant l'enroulement à courant con- tinu 70 et 74 qui est parcouru par le courant, le moteur sera sous la commande de l'une ou l'autre des réactances, et aura ainsi sa direction de rotation déterminée, tandis que sa vites- se de rotation sera déterminée par la grandeur du courant cir- culant dans l'enroulement à courant continu. Plus particuliè- rement, comme l'un ou l'autre des enroulements 70 et 74 est parcouru par un courant, le noyau de cette réactance deviendra progressivement plus saturé lorsque le courant augmente et ré- duira donc 1(impédance des enroulements à courant alternatif, ce qui permet l'application au moteur d'une partie de plus en plus grande du voltage de ligne.
Le noyau de la réactance, dont l'enroulement à courant continu n'est pas parcouru par le courant, ne modifiera naturellement pas l'impédance de ses enroulements à courant alternatif et continuera donc à empêcher le voltage de la ligne d'être appliqué au moteur. Il n'y a par conséquent aucune dilution ni aucune application simulta- née au moteur de voltages de succession de phase différente.
Ainsi, lorsque la succession de phase du voltage appliqué est modifiée par l'excitation de l'un ou l'autre des enroulements de courant continu et lorsque la grandeur du voltage appliqué est commandée par la grandeur du courant circulant dans l'en- roulement à courant continu excité, le moteur fonctionnera dans un sens ou dans l'autre, suivant celui des enroulements à cou- rant continu qui est excité et la vitesse de rotation pour une charge donnée sefa en rapport de la grandeur du courant dans l'enroulement à courant continu, au moins dans certaines limites.
Il est à remarquer que le circuit de force mo- trice pour le moteur n'est coupé à aucun moment, même pour le
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renversement de marche du moteur, qu'on a éliminé tous les commutateurs qu'ils soient manuels, actionnés par des solénol- des ou parties de relais, tous les rhéostats ou autres éléments réglables mécaniquement et qu'il n'y a pas de relation directe entre le circuit de force motrice pour le moteur et le cirnuit de commande proprement dit, et que le moteur peut être commandé par un petit courant d'un point situé à distance.
Comme on l'a indiqué d'une manière générale, le circuit est complété par des moyens 12 produisant un signal- pilote ou indiquant le fonctionnement. Ces moyens produisant le signal-pilote, comme on l'a indiqué plus haut, consistent en un générateur de courant continu et sont couplés mécanique- ment au moteur 10 par des moyens représentés en 75, qui doivent être actionnés à des vitesses proportionnelles à la vitesse de rotation du moteur. Le générateur à son tour produit un voltage de courant continu ou un signal proportionnel à la vi- tesse de rotation du générateur et ainsi un signal proportion- nel à la vitesse angulaire du moteur 10.
Le voltage du signal ainsi produit est calibré ici de manière à être sensiblement égal au voltage d'un signal produit par les moyens 11 produi- sant le signal principal, lorsque ceux-ci sont réglés à une - position correspondant à une vitesse donnée du moteur 10. Le générateur 12 est ensuite relié inversement dans le circuit aux moyens 11 produisant le signal principal, de manière que la différence entre le signal principal et le signal-pilote soit une indication du couple instantané requis pour maintenir le fonctionnement du moteur à la vitesse exigée par le signal- principal, quelle que soit la charge du moteur.
Il est évidemment essentiel, pour tout circuit de commande de moteur, d'être certain qu'il maintienne le fonc- tionnement du moteur à la vitesse exigée par le réglage des moyens 11 produisant le signal principal, et que rapidement et sans recherche, il réajuste la vitesse du moteur à la nou-
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velle vitesse exigée par un changement dans le réglage du moyen produisant le signal principal.
Le circuit ici décrit est extrêmement efficace sous ee rapport, parce que l'alimentation inverse fonctionne pour ajouter de la stabilité non seulement grâce au principe même d'une telle alimentation inverse, mais aussi parce qu'ici, à cause de la nature des amplificateurs et des réactances saturables, elle coopère de façon unique avec cet amplificateur et les réactances saturables pour pro- duire les contre-couples en vue d'effectuer rapidement et de façon positive une réduction dans la vitesse du moteur ou un renversement du sens de rotation du moteur, ou bien encore elle maintient constante la vitesse du moteur dans le cas de variations de charge.
Comme la grandeur du voltage appliqué au moteur et en particulier comme la succession de phase de celui- ci est modifiée rapidement avec la vitesse du phénomène élec- trique, sans le retardement de la commande produit par la pré- sence de dispositifs mécaniques ou partiellement mécaniques et avec des moyens d'amplification repondant aux signaux de caractère opposé, les moyens 12 produisant le signal-pilote ne sont pas limités ici à une simple réduction du signal prin- cipal comme cela est habituellement le cas.
Au contraire, le signal inverse des moyens 12 de production est utilisé,- pleine- ment ici et est efficace ici lorsqu'il excède la grandeur du signal principal pour produire un contre-couple en vue d'ef- fectuer un réglage rapide de la vitesse du moteur à la vitesse désirée ou exigée, quelle que soit la cause qui peut avoir né- cessité le réglage de vitesse. La manière suivant laquelle ces contre-couples sont produits ici et la manière suivant laquelle ils sont utilisés pour produire la stabilité du cir- cuit, couplés avec des réglages rapides et positifs aux nouvel- les vitesses du moteur, seront exposées et mieux comprises d'après la description du fonctionnement du circuit, qui suit.
Il est désirable, comme on l'a déjà indiqué, que
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la grandeur du signal produit par les moyens 12, à une vitesse donnée du moteur, soit sensiblement égale à la grandeur du signal produit par les moyens 11 produisant le signal principal, lorsqu'il est réglé pour appeler cette vitesse particulière du moteur de façon que la vitesse du moteur soit déterminée prin- cipalement par le signal des moyens produisant le signal prin- cipal et soit comparativement indépendant de la charge qui se trouve sur le moteur.
C'est pourquoi, il est en outre essen- tiel que les amplificateurs 13 et 14 soient hautement sensibles de manière à répondre au petit signal de commande résultant de la différence entre deux signaux sensiblement égaux et que les amplificateurs soient également capables de produire un courant continu de grandeur comparativement élevée requis pour actionner les réactances saturables. On comprendra que les amplificateurs compris ici sont représentés seulement à titre d'exemple et que le débit de ces amplificateurs peut être a- grandi par l'incorporation d'étages d'amplification supplémen- taires qui peuvent être exigés, ou bien que des amplificateurs de différentes autres constructions pourraient être employés.
Avec les voltages de signal-pilote directement proportionnels à la vitesse angulaire du moteur, avec le signal de commande se trouvant en relation par rapport au couple et à l'accélération et avec le système répondant à des changements très légers dans le signal de commande, il n'y aura pas de dé- passement de marche car les réactions électriques sont suffi- samment plus rapides que les changements mécaniques pour com- penser immédiatement ces changements, même pendant qu'ils sont encore en développement, et par-dessus tout, le rapport entre le signal de commande et le couple et l'accélération requis aura pour résultat que le moteur est toujours amené à vitesse et ne sera pas amené à un dépassement de marche.
De plus, quel- le que soit la variation de charge, le système maintient tou- jours le moteur en fonctionnement à la vitesse exigée, moins
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naturellement le très petit accroissement de vitesse nécessai- re pour produire le signal de commande. Le système s'adaptera aussi très rapidement des changements, soit dans la vitesse exigée, soit dans le sens de rotation du moteur ou dans la charge du moteur. Cette adaptation rapide est facilitée par les renversements de couple qui ont lieu dans certaines condi- tions, et par la possibilité d'application momentanée au moteur de voltages dépassant de beaucoup le voltage estimé du moteur, comme cela va être décrit.
On obtiendra le mieux la compréhension de ces avantages et de la manière de fonctionnement du circuit de com- mande si on considère la représentation graphique des figs.
5, 6 et 7 et les conditions qui y sont dessinées. On supposera que le moteur 10 est un moteur de 220 volts mais qui est en connexion pour recevoir sa puissance d'une source à 440 volts, condition qui est rendue possible par le présent circuit et qui est un des avantages importants de ce circuit. On suppose- ra en outre que lorsque le signal principal est tel qu'on l'a désigné arbitrairement comme "positif", la rotation du moteur dans la direction vers l'avant est exigée, et que lorsque le signal principal est négatif, la rotation du moteur en sens inverse est exigée.
De même on considérera comme positifs des couples tendant à actionner le moteur dans la direction vers l'avant, et comme négatifs des couples tendant à actionner le moteur en sens inverse, et que les signaux-pilotes produits lorsque.le moteur fonctionne dans la direction vers l'avant sont positifs, et qu'ils sont négatifs lorsque le moteur fonc- tionne en sens inverse. L'accélération sera toujours traitée, comme elle l'est en réalité, comme dérivant de la vitesse de rotation indépendamment du sens de rotation du moteur.
La courbe des figs. 6 et 7 représentant le signal principal sera désignée par la lettre de référence S, la courbe représentant le signal .pilote par la lettre P, la courbe représentant le
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signal résultant ou de commande par les lettres CS (celles-ci pour plus de clarté ont été dessinées à une échelle différente de celles de S et P), la courbe représentant le couple du moteur par la lettre Tm, et la courbe représentant l'accélé- ration par la lettre a. Si l'on suppose également que la charge du moteur est constante et est représentée par la ligne droite Lt, et que le moteur fonctionne à une vitesse moindre que sa pleine vitesse, on comprendra que les graphiques des figs.
5, 6 et 7 représentent seulement le fonctionnement et ne repré- sentent pas et ne doivent pas être pris comme des valeurs tracées réelles dérivées des essais réalisés dans le système de commande.
On supposera en outre, dans le but de la discus- sion du fonctionnement, laquelle suit immédiatement, que le moteur 10 est un moteur à rotor enroulé et qu'une résistance suffisante a été introduite de façon que la courbe de vitesse de couple du moteur a seulement une direction d'inclinaison comme la courbe représentée à la fig. 8, en d'autres termes pour produire un état dans lequel la courbe de vitesse-couple n'a pas de point d'inversion et assure donc le fonctionnement du moteur dans ce qui est normalement considéré comme la par- tie stable de la courbe.
Ceci est mentionné ici pour qu'on puisse apprécier la prise en considération du fait que des mo- teurs à induction triphasés possèdent réellement des cabacté- ristiques vitesse-couple instables et que dans le cas de mo- teurs en cage d'écureuil, il n'est pas possible d'ajouter des résistances dans le but de modifier cette caractéristique.
Avant de procéder à la discussion du fonctionne- ment ayant lieu au moment de changements nécessaires dans le fonctionnement du moteur, savoir une augmentation de vitesse, une diminution de vitesse et un renversement du sens de rotation du moteur, et à la discussion du fonctionnement résultant de changement dans la charge du moteur, la vitesse exigée restant
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constante, on estime convenable de considérer brièvement le rapport entre le signal de commande et le voltage appliqué au moteur. On comprendra d'après la description précédente que, lorsque le signal de commande est nul, il n'y a pas de voltage ou au moins pas de voltage important ou effectif appliqué au moteur.
Lorsque le signal de commande augmente, soit comme signal positif, soit comme signal négatif, du courant s'écou- lera dans la bobine à courant continu d'une des réactances, ce qui réduit l'impédance des bobines à courant alternatif de cette réactance et provoque l'application au moteur d'un vol- tage. Comme on le voit le mieux d'après la fig. 5, le voltage appliqué au moteur augmente très rapidement pour de petites augmentations du signal de commande, ce qui amène le plein voltage estimé du moteur, dans le cas présent 220 volts, à être appliqué pour cette valeur du signal de commande requise pour amener le moteur à fonctionner à la vitesse maximum estimée du moteur et à la charge maximum estimée du moteur, valeur de signal de commande qui est éventuellement comparativement petite.
Lorsque le signal de commande augmente au-dessus de la valeur indiquée, le voltage appliqué au moteur continue à s'élever rapidement jusqu'à ce que le plein voltage de la ligne soit sensiblement appliqué, moment auquel d'autres augmentations de signal de commande ne produisent pas d'autres augmentations dans le voltage appliqué, vu qu'elles ont déjà amené l'applica- tion du voltage de ligne maximum qu'on peut obtenir. Donc,entre le signal de commande nul et le signal de commande amenant 1' application du plein voltage de ligne au moteur, le voltage ap- pliqué au moteur est proportionnel au signal de commaade, bien que les changements au voltage appliqué soient grands pour des changements très petits dans le signal de commande.
Ce change- ment proportionnel, bien que rapide dansle voltage appliqué au moteur, produit une approximation progressive désirable vers le voltage nul et de là, vers le couple nul. En même temps, on
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verra que le ci-rouit prévoit l'application des 440 volts pleins pendant les valeurs de signal de commande dépassant marne légè- rement la valeur produisant les 20 volts sur le moteur, ce qui donne un couple ajouté pour effectuer rapidement l'accélération, le ralentissement et le renversement de marche, et entrant en jeu avec n'importe quels changements dépassant les petites va- riations de vitesse du moteur ou de charge sur le moteur.
Il est reconnu que le fonctionnement du moteur 10 à partir d'une source ayant un voltage plus élevé que le voltage estimé du moteur entraîne certains inconvénients par l'élévation des frais d'équipement et de fonctionnement. On estime toutefois que ces inconvénients sont plus que compensés par l'accéléra- tion rapide, le ralentissement rapide et le renversement rapide obtenus.
Dans les graphiques des figs. 6 et 7, l'axe des abscisses représente le temps, tandis que l'axe des ordonnées représente les unités appropriées de mesure des différentes quantités représentées par les courbes. La partie du graphique de la fig.6, à l'extrême gauche, représente le fonctionnement à l'état stable du système à une vitesse quelconque du moteur dans une direction vers l'avant moindre que la pleine vitesse.
Pour cet état, l'accélération est nulle, le couple du moteur est égal au couple de la charge, le signal principal a une va- leur correspondant à la vitesse désirée du moteur et le signal- pilote est exaotement suffisamment moindre que le signal prin- cipal pour que le signal de commande soit obligé de produire un couple suffisant pour maintenir la vitesse du moteur à la charge donnée. Si les moyens 11 produisant le signal principal sont alors réglés pour le fonctionnement exigé du moteur dans une direction vers l'avant à une vitesse accrue, le signal prinoi- pal augmentera en valeur jusqu'au niveau 80 de la courbe S.
On produira immédiatement un signal de commande de valeur grandement augmentée, s'élevant brusquement jusqu'à la pointe
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indiquée en 81 sur la courbe CS. Il est à remarquer que le graphique représente le signal appliqué aux points A,B et non le débit très fortement amplifié des amplificateurs 13 et 14.
Cette augmentation dans le signal de commande augmentera, sui- vant sa grandeur, le voltage sur le moteur, éventuellement en augmentant même le voltage jusqu'au maximum de 440 volts.
Pour autant que le couple d'un moteur électrique soit propor- tionnel au carré du voltage, il apparattra clairement que, même si l'accroissement de voltage du moteur peut être moindre que la quantité maximum, il se produira momentanément un grand couple tendant à accélérer le moteur dans une direction vers l'avant. Cette augmentation de couple est représentée en 82 à la courbe Tm. Avec cette augmentation importante dans le couple, il y aura évidemment une accélération très rapide, comme on l'a indiqué par l'augmentation rapide de la courbe d'accélération a atteignant une pointe au point 83.
Lorsque le moteur s'accélère, le signal-pilote augmentera également en valeur (voir courbe P) et réduira graduellement la diffé- rence entre lui et le signal principal jusqu'à ce qu'en un point tel que 84, le signal de oommande ait de nouveau une valeur telle qu'il provoque la production d'un couple exacte- ment suffisant pour actionner le moteur à la vitesse nouvelle.
Au. point correspondant au point 84 de la courbe P, la courbe CS s'aplatit évidemment pour devenir horizontale , et de même, la courbe de couple et la courbe d'accélération s'aplatiront et deviendront horizontales. La courbe d'accélération se trou- vera à partir du point 85 sous l'axe de zéro, la courbe Tm sera exactement un peu plus élevée qu'elle n'avait été à cause du couple supplémentaire requis pour surmonter la frottement accru,et la torsion et les autres oouples résistants créés par la vitesse aocrue du moteur, et la courbe du signal de commande sera également légèrement plus élevée en valeur.
L'exemple précédent illustre le fonctionnement
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dans le cas le plus simple pour le changement entraîné unique- ment par une augmentation de la vitesse du moteur ne nécessi- tant aucun ralentissement et maintenant donc positifs tous les signaux, couples et analogues. On supposera toutefois que les moyens 11 produisant le signal principal sont de nouveau réglés pour provoquer le fonctionnement du moteur à la même vitesse que précédemment. Il en résulte que la courbe S, représentant le signal principal, tombera brusquement au point 86.
Le mo- teur ne peut évidemment pas ralentir aussi rapidement que se fait le réglage des moyens produisant le signal principal et par conséquent un contre-couple tendant à favoriser le ralen- tissement du moteur sera obtenu comme on le voit facilement à la fig. 6, et comme cela va être décrit actuellement. Lorsque le signal principal S diminue de sa valeur représentée au point 87 jusqu'à sa valeur dernière au point 86, les différences dans le signal principal et les signaux-pilotes diminuent jusqu' à ce que soit atteint le point 88 où le signal principal est égal au signal-pilote P. Pendant cet intervalle, le voltage du moteur a évidemment diminué rapidement, et par conséquent, le couple a été en diminuant et le moteur s'est ralenti par suite de la charge appliquée. Momentanément, il n'y a évidemment aucun voltage du tout sur le moteur.
Comme le voltage du si- gnal principal continue sa chute du point 88 au point 86, il a une valeur moindre que le signal-pilote et, par conséquent, il y a de nouveau une augmentation de la différence entre les deux signaux, c'est-à-dire du signal du commande, mais, alors que le signal de commande était positif, il est actuellement négatif et atteint une valeur négative représentée en 89.(Bien que le signal-pilote produit pendant la rotation vers l'avant soit considéré uomme positif, il faut se rappeler que le géné- rateur de signal-pilote est en connexion inverse.) Ce renverse- ment dans le signal de commande est ici utilisable dans la plus
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plus grande mesure possible à cause de la disposition des ré- actances saturables pour la commande directe du moteur.
Les réaotances,étant entièrement electriques dans leur fonctionne- ment et exemptes de toutes pièces mécaniques dans la commande du voltage appliqué au moteur, sont capables de répondre instan- tanément à ces renversements du signal de commande. Avec ce renversement dans le signal de commande, l'autre réactance prend la commande et, par conséquent, il y a également un ren- versement dans le couple développé dans le moteur. Ce couple est actuellement un contre-couple aidant le ralentissement du moteur et atteint une valeur maximum représentée en 90 au mo- ment de la valeur maximum du signal de commande.
De même, la courbe a représente maintenant le ralentissement et est donc négative, atteignant un point maximum en 91 et diminuant en- suite de plus en plus jusqu'à ce qu'elle atteigne zéro, point où le moteur a été finalement réduit à la vitesse moindre désirée.
Avec le contre-couple aidant maintenant le couple de charge à ralentir le moteur, un ralentissement rapide est effectué et avec ce ralentissement le signal-pilote diminue rapidement et, ce faisant, il traverse la courbe S représentant le signal principal au point 92, où les deux signaux sont de nouveau reliés. Il n'y a actuellement pas de contre-couple, mais le couple de charge continue évidemment à ralentir le moteur et le signal-pilote tombe par conséquent en dessous du signal principal en valeùr, et il y a donc un second renversement dans la nature du signal de commande et également du couple du moteur. Le signal de commande est maintenant à nouveau positif et le couple du moteur est positif et reprendra donc l'acti on- nement du moteur en prenant graduellement la charge pour ac- tionner le moteur à la vitesse exigée.
Les valeurs du signal principal et du signal-pilote et la différence entre les deux ou du signal de commande et du couple-moteur sont maintenant toutes identiques, comme elles le sont à l'extrême gauche du
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graphique.
La fig.7 représente le fonctionnement lors d'un ré- glage des moyens 11 produisant le signal principal exigeant une inversion dans la direction de rotation du moteur, depuis une vitesse dans le/direction vers l'avant jusqu'à la même vitesse dans la direotion inverse. Dans ces conditions, le voltage de signal principal changera depuis la valeur indiquée en 93 jusqu'à la valeur indiquée en 94. La grandeur du signal aux points 93 et 94 est la même, mais a un caractère ou un signe opposé.
Tandis que le signal principal change depuis la valeur en 93 jusqu'au point 95 où il est exactement egal au signal-pilote, le couple est évidemment encore tel qu'il tend à actionner le moteur dans une direction vers l'avant, mais diminue progressivement jusqu'à ce qu'il soit nul, et pendant ce court intervalle, le moteur a donc été ralenti par la charge du moteur et par les autres facteurs tels que frottement, tor- sion etc. Suivant ceci, il se produit immédiatement un contre- couple formidable qui tend à ralentir très rapidement le mo- teur depuis le point 95 vers l'avant; le signal de commande est négatif et amène donc l'autre réactance à prendre la commande du moteur.
La grandeur de ce contre-couple sera appréciée si on se rend compte que le signal-pilote et le signal principal s'ajoutent pour produire le signal de commande depuis le mo- ment où le signal principal change de signe, jusqu'au moment où le moteur renverse son sens de rotation, c'est-à-dire lors- que la courbe P représentant le signal-pilote coupe l'axe du zéro du graphique, comme en 96. Ce caractère d'addition du signal-pilote et du signal principal devient en fait presque simultané avec le réglage des moyens 11 produisant le signal principal, car ce réglage peut être réalisé aussi rapidement qu'une personne peut agir.
Il n'est pas nécessaire avec ce système de faire, une pause dans une position neutre jusqu'à ce que le moteur soit venu au repos, mais les moyens 11 produisant
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le signal principal peuvent par un seul mouvement être réglés à partir d'une position, en passant par la position neutre, jusqu'à une position opposée. Tandis qu'à l'échelle du dessin de la fig. 7, le couple s'élèverait jusqu'à une valeur telle qu'il sortirait de l'échelle, on notera qu'il y a évidemment une limite définie au couple, savoir celle obtenue lorsque les pleins 440 volts sont appliqués au moteur. On notera/que même ainsi, le couple tendant à ralentir le moteur sera quatre fois le couple du moteur à son voltage estimé.
On peut conce- voir en effet qu'un moteur à 110 volts peut être actionné à partir d'une source à 440 volts, afin que le couple pouvant être obtenu pendant l'inversion pour effectuer le ralentisse- ment, variant comme il le fait avec le carre du voltage, soit seize fois celui du moteur au voltage estimé. Ce même couple élevé est évidemment disponible pendant la période d'accélé- ration initiale faisant suite à l'inversion du moteur.
Lors de l'inversion du moteur, le signal-pilote sera de nouveau en opposition avec le signal principal et le signal de commande diminuera donc en grandeur bien qu'il reste négatif lorsque la vitesse du moteur augmente. Ce changement continue alors que le signal-pilote augmente progressivement en valeur lorsque la vitesse du moteur augmente, tandis que le signal de commande et le couple diminuent progressivement jusqu'à ce qu'on atteigne le point où il y a de nouveau exac- tement cette différence entre le signal principal et le signal- pilote qui produira le couple nécessaire pour actionner le moteur à la vitesse pour laquelle les moyens de signal principal ont été réglés.
La courbe représentant l'accélération du moteur lors de ce renversement augmentera d'abord dans une direction négative, ce qui indique le ralentissement rapide du moteur, et atteindra sa valeur maximum au moment où le moteur change de sens de marche, et retournera alors plus graduellement à zéro lorsque le moteur atteint un fonctionnement à l'état stable.
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Le fonctionnement dans cette condition supposée de changement de charge, avec le réglage des moyens 11 pro- duisant le signal principal restant le même, sera facilement compris d'après la description qui précède et les graphiques des figs.6et 7. Un exposé très bref du fonctionnement sera donc suffisant. Si le changement de charge est graduel, il n'y aura pas d'effet appréciable dans le fonctionnement du moteur, que la charge augmente ou diminue. Lors du plus petit changement de la vitesse du moteur provenant d'un changement de la charge, le signal-pilote ohangera et par conséquent le signal de commande prendra une grandeur différente et oblige- ra donc le couple développé par le moteur à augmenter ou à diminuer pour compenser le changement de charge.
Les change- ments électriques etant ainsi beaucoup plus rapides que le changement mécanique du moteur, et le circuit ayant une pa- reille sensibilité, le changement de la charge sera compensé avant qu'il y ait un changement appréoiable. dans la vitesse du moteur.
S'il y a une augmentation très brusque et grande en même temps dans la charge du moteur, il en résulte tempo- rairement un état et une réaction qui seraient d'une manière générale semblables à ceux qui se produisent lorsque les moyens 11 produisant le signal principal sont réglés pour une vitesse plus élevée, comme on l'a décrit précédemment.
Dans l'un ou l'autre cas, il y a une grande augmentation du signal de commande. Evidemment, ceci provoquera immédiatement un voltage plus élevé à appliquer au moteur avec une grande augmentation résultante du couple développé par le moteur.
L'augmentation de signal de commande résulterait, dans ce cas, évidemment d'un ralentissement du moteur dû à l'application brusque de la charge accrue, et lorsque le moteur a de nou- veau pris de la vitesse, le signal-pilote augmenterait,de nouveau de grandeur jusqu'à ce que le signal de commande ait de nouveau une valeur telle que le couple produit par le
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moteur soit exactement suffisant pour maintenir le fonction- nement du moteur à la vitesse exigée tandis qu'il supporte la charge accrue. Ce signal de commande final sera naturellement un peu plus grand, avec la charge accrue sur le moteur, qu'il n'était pour la charge plus faible.
S' il y a une diminution brusque et importante de charge, le moteur s'accélérera naturellement passagèrement et dépassera la vitesse exigée. Il en résulterait, par conséquent, un état généralement semblable à celui décrit ci-dessus lorsque les moyens 11 produisant le signal principal sont réglés pour produire une vitesse moindre.
Gomme on l'a décrit dans l'exem- ple en question, il se produit un renversement du signal de com- mande ayant pour résultat la production pour le moteur d'un contre-couple agissant pour aider le ralentissement du moteur, le signal de commande se renversant une seconde fois en un point antérieur au moment où le moteur a été réduit à la vitesse con- venable, ce qui permet au couple d'agir de nouveau dans le sens de rotation du moteur et de reprendre graduellement la commande du moteur, de sorte qu'au moment où la vitesse exigée est attein- te, le couple sera de nouveau exactement suffisant pour actionner le moteur à la vitesse exigée tout en supportant la charge moindre.
Tandis que le fonctionnement précédent a été dé- crit comme apparaissant lorsque le circuit est utilisé en cor- rélation avec un moteur destiné à avoir seulement la branche stable de sa caractéristique couple-vitesse réglée de cette manière, il apparaît que le circuit fonctionne avec succès en corrélation avec un moteur tel qu'un moteur à induction en cage d'écureuil ayant la caractéristique vitesse-couple habituelle avec une branche instable et une branche stable, comme on l'a représenté à la fig.9. Si on se base sur l'expérience passée, il apparaîtra que le circuit serait instable pour toute vitesse du moteur moindre que la vitesse indiquée par le point le plus
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élevé de la courbe de la fig.9.
Le circuit indique ici a tou- tefois prouvé par l'essai réel qu'il est stable pour toutes les vitesses du moteur comprenant la gamme allant de la vitesse nulle jusqu'à la vitesse à laquelle le couple maximum est dé- veloppé, comme on l'a indiqué par la courbe de la fig.9. Ceci peut être expliqué par la raideur des courbes de la fig. 5 et par le fait que le générateur 12 de signal-pilote est réglé de manière à produire,pour une vitesse donnée quelconque du moteur, un signal dont la grandeur correspond de très près à la gran- deur du signal principal lorsque les moyens produisant le si- gnal principal sont réglés pour exiger des vitesses correspon- dantes du moteur.
Avec un circuit d'amplification ayant des caractéristiques propres à produire les courbes de la fig.5 et avec les réactances saturables capables de répondre avec très grande rapidité aux changements du signal de commande, le circuit peut fonctionner comme on l'a décrit pour un moteur à rotor enroulé, ou une commande oscillatoire du moteur peut en résulter.
Par commande oscillatoire, on veut dire que le moteur est excité à des intervalles plus ou moins uniformes, pour être actionné dans la direction désirée avec des inter- valles intermittents pendant lesquels l'énergie fournie au moteur est fortement réduite et peut même être renversée de manière à produire un contre-couple. La tendance naturelle d' un moteur en cage d'écureuil'.pour une charge donnée quelconque est évidemment de rechercher la vitesse la plus élevée des deux vitesses correspondant à une valeur donnée quelconque du couple.
Donc, l'emballement du moteur lorsqu'une ohute de vi- tesse dans la partie instable ou branche de la courbe vitesse- couple est désirée, est la condition qui doit être la plus conservée. ICI, ce dépassement de marche est empêché dès que la vitesse du moteur approche de la vitesse exigée par le ré- glage des moyens de signal principal ; le signal-pilote approchera
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à un degré de plus en plus grand de la grandeur du signal prin- cipal et aura ainsi pour résultat une réduction très importante dans le voltage appliqué au moteur, si pas un raccourcissement reel de tout voltage existant. Cette réduction momentanée très grande ou cette inversion complète du voltage aura évidemment comme résultat une réduction de la vitesse du moteur.
Avec cette réduction, le signal-pilote est également réduit et à cause du caractère abrupt des courbes de la fig. 5, une petite augmentation du signal de voltage aura pour résultat l'applica- tion d'un voltage important au moteur. Avec le circuit non sen- sible, le pourcentage change dans la vitesse du moteur, ce qui amène cette application alternée d'un voltage important, et la réduction à un bas voltage est évidemment très petite et com- plètement imperceptible sauf pour les dispositifs très sensi- bles. La stabilité est ainsi obtenue parce que le moteur est empêché, dans les circonstances ordinaires, d'atteindre réelle- ment la vitesse exigée.
S'il existe un état tel que celui où le signal principal est réglé pour produire une réduction de vitesse, une inversion réelle du couple se produira évidemment comme on l'a décrit à propos du moteur à rotor enroulé. Ce renversement de couple, lorsque le signal-pilote dépasse en grandeur le signal principal, constitue une sauvegarde supplémentaire as- surant le fonctionnement convenable du circuit à tous moments et est disponible pour entrer en jeu lorsque, pour l'une ou l'autre raison, le moteur tend à dépasser la vitesse exigée malgré la grande réduction de voltage, comme on l'a décrit ci-dessus. En fait, il ne sort pas des possibilités que le circuit ici exposé soit sensible au point de constituer en réalité un circuit d'inversion..
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En pareil cas, la commande oscillatoire du moteur ne serait pas une simple oscillation entre des valeurs élevées et basses de voltage mais entre des valeurs de voltage quisont de signe inverse, c'est-à-dire de succession inverse de phase.
Il résulte de ce qui précède qu'on a réalisé un système unique pour la commande de la direction et de la vites- se de rotation de moteurs à courant alternatif, particulière- ment de moteurs multiphasés du type à induction et qu'on a fourni ainsi une solution réelle d'un problème existant depuis longtemps et n'ayant jamais été résolu antérieurement.
REVENDICATIONS
1. Un circuit pour commander la phase'et la grandeur du courant alternatif fourni à un dispositif fonction- nant au courant alternatif, dans lequel on a prévu deux réac- tances saturables ayant chacune un enroulement de courant alternatif monté en série avec chaque ligne d'alimentation d'énergie vers ledit dispositif et un enroulement de commande relié électro-magnétiquement à tous les enroulements de cou- rant alternatif, lesquels enroulements de courant alternatif ont normalement une impédance suffisamment élevée pour empê- cher l'application de tout voltage effectif à ce dispositif, des moyens d'exciter l'enroulement de commande de l'une ou de l'autre des deux réactances pour régler l'impédance des enrou- lements de courant alternatif de cette réactance suivant le degré d'excitation,
des moyens de circuit reliant les deux séries d'enroulement de courant alternatif à ce dispositif de telle manière que la phase de la fourniture de courant audit dispositif est commandée suivant la série qui porte l'alimen- tation en courant.
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"Improvements to the control circuit for AC motors" ..
The present invention relates generally to a control circuit and more particularly to a control circuit for an AC motor.
An object of the invention is to provide a new and improved control circuit for use with a variety of AC motors and more particularly with induction motors.
Another object is to provide a new and improved control circuit for AC motors which is free of switches, relays and other devices.
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circuit breakage tifs in the motive force circuit for the motor.
Another object is to provide a control circuit for an induction motor which can be operated to regulate the direction and speed of rotation of the motor and to keep the motor running at any desired speed of the motor. range, in either direction of rotation.
Another object is to provide a control circuit for an induction motor in which the direction and speed of rotation of the motor are regulated by a small pilot or control current, and without breaking or other physical manipulation of the circuits. of motive power for the engine.
Another object is to provide a control circuit for an induction motor which can be operated to regulate the direction and speed of rotation of the motor, thereby effecting, when desired, acceleration or control. rapid deceleration of the motor and allows adjustment of the control circuit, from a state requiring full speed of the motor in one direction to a state requiring full speed in the opposite direction without the need for a stop at the neutral state, while waiting for the engine to come to rest and free from sparking, or loading of parts of the circuit, or the like undesirable reactions.
Another object is to provide a control circuit for an induction motor which can be operated to adjust the direction and speed of rotation of the motor and which can further operate when adjusting requiring a reversal of the direction of rotation. the rotation of the motor or during an adjustment calling for any material reduction in the speed of rotation, to immediately produce a counter-torque acting so as to slow the motor rapidly whatever the direction of rotation of the motor.
Yet another object is to provide a circuit
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control for an induction motor which can be actuated so as to adjust the direction and speed of rotation of the motor and which can further be actuated, during the adjustment requiring a reversal of the direction of rotation of the motor, so as to produce instantaneously high counter-torque for slowing the motor down to zero speed, and then acting to accelerate the motor in the opposite direction, the torque gradually reducing to the value required to operate the motor at a constant speed of the requested value.
Yet another object is to provide a control circuit for an induction motor which can be operated remotely and with a small control current to adjust the direction and speed of the motor rotation.
Yet another object is to provide a control circuit for an AC motor operable to control the speed and direction of rotation of the motor and further operable to cause corn to be momentarily subjected. motor to operate normally at its set voltage, / during periods of overturning or other abnormal acceleration or slowing down, at voltages higher than its set voltage.
Yet another object is to provide a circuit capable of functioning in correlation with the appropriate windings and a source of three-phase motive force to produce rotating a magnetic field, of varying magnitude, and of varying direction of rotation, without disconnection or other physical changes in the connections to the windings.
According to the present invention, a circuit for adjusting the phase and magnitude of the alternating current supplied to an alternating current operated device is characterized in that there is provided a pair of saturated reactors, each having a alternating current winding
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native connected in series with each motive power supply line to this device, and a control winding electro-magnetically linked to all ac windings, ac windings which have an impedance high enough to prevent the application of any effective voltage to the device,
means for supplying this control winding with one or the other of the two reactors to reduce the impedance of the alternating current windings of this reactance according to the degree of excitation, and circuit means connecting the two series of alternating current windings to this device, so that the phase of the current supply to this device is controlled according to the series which carries the current supply.
Means may be provided which produce a main signal which can be actuated to produce signals of opposite character and of variable magnitude, means associated with the electrical device and which can be actuated to produce signals of opposite character having a relation with the operation of the device to control, said means being connected to the reverse-fed main signal generating means so that, by combining the signals of opposite character mentioned first and second, a control signal is provided, and means for the application of the control signal to this control winding of one or the other of the reactances according to the character of the control signal.
These means for applying the control signal to the appropriate control winding can comprise a pair of amplifier circuits each having in connection to be regulated by them, one of these control windings and arranged so as to supply power by a direct current one or the other of these control windings according to the character of the control signal.
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Other objects and advantages will become apparent from the following description given in conjunction with the accompanying drawings in which:
Fig. 1 is a type of schematic block showing a control circuit comprising the invention.
Fig. 2 is a schematic view showing a particular form that the circuit of FIG. 1 can take.
Fig. 3 is an elevational view of a saturable reactor suitable for use in the circuit of FIG. l.
Fig. 4 is a horizontal sectional view of the saturable reactance of FIG. 3.
Fig. 5 is a graphical representation showing the relationship between the control signal and the voltage on the motor.
Fig. 6 is a graphical representation of the operation of the circuit with the circuit manipulated first to call for an increase in engine speed and then to call for a decrease in engine speed.
Fig. 7 is a graphical representation analogous to FIG. 6 of the operation of the circuit effecting the reversal of the motor.
Fig. 8 is a graphic representation of a characteristic speed torque of a three-phase induction motor with a wound rotor.
Fig. 9 is a graphic representation of a characteristic speed torque of a three-phase, squirrel-cage induction motor.
Although the invention is susceptible of various variations and other constructions, it is shown here and will be described later in a preferred embodiment. However, it is not intended to limit the invention to the specific construction in question. We intend to
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On the contrary, to cover any variant and other constructions and all uses and adaptations of the invention which come within the spirit and the scope of the invention defined by the appended claims.
For the purpose of explanation, the invention is shown and will be described hereinafter in its application to the control of a multiphase induction motor 10, in the present example, three-phase, including the control of the speed and the speed. Rapid reversals remained problems for a long time which had not been satisfactorily resolved. Although the circuit is discussed here as being applied to a three-phase induction motor, it should not be assumed that the circuit is usable only for the control of this special type of motor. On the contrary, the use of the circuit for controlling other motors and other possible electrical devices will be readily apparent to those skilled in the art during the description of the circuit.
The circuit generally comprises means 11 producing the main signal, capable of producing signals of variable magnitude and of opposite character. Actuated from the motor 10 are second signal producing means 12, of such nature and coupled to the motor in such a way as to produce a pilot signal or indicating an operation, varying in magnitude with the speed of rotation. tation of the motor and producing signals of opposite character when the direction of rotation of the motor is reversed. These second signal producing means are connected in the circuit as a reverse power supply in a manner and for purposes which will all be set forth hereinafter in more detail.
Also in the circuit are two similar and parallel amplifiers 13 and 14, connected so that one will operate only in response to a one character signal while the other will operate only in response to a one character signal.
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opposite character. A pair of saturable reactors 15 and 16 complete the circuit, and together with amplifiers 13 and 14 constitute an important feature of the invention. These reactors have some of their coils connected in the driving force conductors to motor 10 while other coils are connected to amplifiers 13 and 14.
While, for purposes of further detailed description, the circuit has been divided into signal producing means 11, amplifiers 13 and 14, and saturable reactors 15 and 16, it is readily apparent that these different units can be considered. as a single very large amplifier, transforming small signals into currents and voltages suitable for motor operation.
In general, saturable reactors are effective without interrupting the driving force circuit to the motor in response to a signal resulting from the combination of the main signal and the pilot signal or indicating an operation, for controlling the voltage applied to the motor so as to obtain the operation of the motor at the various desired speeds, and to control the phase succession of the voltage applied, so as to adjust the direction of rotation of the motor.
In order that the signal to which the saturable reactors respond, hereinafter referred to as the "control signal", can operate automatically and quickly and precisely cause and maintain the desired operation of the motor, the magnitude dm main signal is in a defined relation relative to to motor speed and the main signal character is related to the direction of motor rotation. The pilot signal brings about a similar relation in magnitude and character, respectively with respect to the speed and direction of rotation of the motor, the resultant or control signal, in the steady state operation of the circuit, being proportional to the torque required to ac-
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Operate the motor at the speed necessary for adjustment from the main signal means.
The term "proportional" is used here in a broad sense, opposed to "inversely proportional" and is not intended to mean direct or even straight line proportionality. Fig. 5 is mentioned as indicating proportionality. During periods of change, such as the necessary change in motor rotational speed or direction of rotation, the control signal will not remain proportional to the torque required to operate the motor at the required speed but will indicate higher torques or even counter torques, so that the adjustment can be made as quickly as possible.
If we consider things in a more particular way, it will become clear during the description that when the signal of the means 11, producing the main signal, is zero, the motor 10 will be at rest and when the signal increases. , the motor speed will be increased, and that there will / no longer be defined speeds for various signal values, the direction of rotation of the motor being determined by the character of the signal.
It will also be clear that this motor speed for any given main signal value is, by combination of the pilot signal with the main signal, substantially maintained, whatever the load on the motor, assuming obviously that this load is within the capacity of the motor, with the motor torque varying automatically to produce exactly the torque needed to maintain the given speed while it carries the applied load. The rapid acceleration and in particular the deceleration of the engine are obtained, the circuit operating in such a way as to cause a counter torque to be produced in the engine, during certain periods of slowing down of the engine.
If we now deal with the circuit in more detail-
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the shown as an example in FIG. 2, the main signal producing means II are shown here as direct current signal producing means operable to produce a positive or negative signal. These means producing a direct current can, as here, take the form of a battery 17 having its terminal terminals interconnected by a resistor 18 forming part of a potentiometer 19 having an adjustable contact 20. The means 12 producing the signal-pi- lot or indicating operation are a direct current generator proportional to the speed of rotation of the motor 10.
Generator 12 is selected and calibrated to produce a voltage substantially equal, in magnitude, to the voltage of the main signal for given engine rotational speeds. One terminal of the generator 12 is connected by a conductor 21 to the adjustable contadt 20 of the potentiometer 19, while the other terminal of the generator is connected by a conductor 22 to a terminal terminal B of a pair of resistors 24 and 25 connected. in series and having their other terminal A connected by a conductor. 27 at the midpoint of the battery 17.
The generator 12 is connected in such a way that when the contact 20 is set to produce a positive signal from the battery 17, the generator, being driven in the direction required by this positive signal, will produce a signal opposite to the signal. main and, conversely, when the battery produces a negative signal, the generator 12, being actuated in the direction required by this negative signal, will again produce a signal of opposite polarity to the main signal.
The control signals resulting from the combination of the main signal and the pilot signal are amplified by amplifiers 13 and 14 which are connected in parallel and can be actuated, one to respond only to a signal of one character, here a positive signal, the other to respond only to a signal of the opposite character, here a si-
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ae gnal negative. While many amplifiers varying in construction detail can be employed to achieve this object, it is shown in detail in FIG. 2, for the purpose of full explanation, a pair of amplifiers connected in parallel, operating as generally described above.
Each amplifier comprises three electronic tubes 30, 31, 32 and 33, 34, 35 respectively, arranged so as to form two amplification stages 36 and 37 and a current flow stage 38. The tubes 30, 31, 33 and 34 are standard five-element vacuum tubes known commercially as No. 1852 each having an anode or plate 39, cathode 40, control grid 41, and two screen grids 42 and 43. tubes 32 and 35 are each three element tubes known in the trade as no. 2A3, each having an anode or plate 44, cathode 45 and grid 46. The cathodes of the tubes are heated in the usual manner by means not shown here.
The control gates 41 of the tubes 30 and 33 are connected by conductors 47 and 48 respectively to the terminal terminals A and B of the voltage divider formed by the resistors 24 and 25.
Cathodes 40 of tubes 30 and 33 are connected by suitable resistors 49 to a common point 50, which point is connected to the common terminal of resistors 24 and 25 by a conductor 51. The plate potential is provided by suitable means shown here in the form of a battery 53, connected in the well-known manner to form plate circuits 54. Each plate circuit here comprises a variable resistor 55, with the screen grid 42 comprising in its connection its to the plate circuit a resistor 56.
The second amplification stages 37 of each amplifier are identical to the first. It suffices to say therefore that these stages are coupled to the first stages 36 by means of a voltage divider composed of resistors 57 and
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58, connected between the plate circuits of the first stages at points C and D. As in the first stages, the control grid of the tube 31 is connected by a conductor 59 to the terminal terminal of the resistor 57, while the grid of control of tube 34 is connected by a conductor 60 to the terminal terminal of resistor 58. The plate circuits of the second amplification stages provide points comparable to points C and D of the first stages, and for reference they are. designated by F and G respectively.
The grids 46 of the tubes 32 and 35 are connected by the conductors 61 and 62 respectively to the points F and G.
The grid circuit for the tubes 32 and 35 comprises suitable means 63 urging the grid, common to both tubes and a plate potential for the tubes is provided by suitable means 64, common to the plate circuits 65 and 66 of the tubes. bes 32 and 35. The means 63 and 64 are again shown by way of example in the form of batteries.
Each tube 30, 31, 33 and 34 is here critically biased to respond to negative signals only. This thus means that a change of the gate voltage from the demand voltage in a positive direction causes only a very slight increase in current flow, while a change of the gate voltage in a negative direction to. From the solicitation voltage leads to a strong and proportional decrease in the current flow. Stressing tubes 30, 31, 33 and 34 in this manner is not essential to the operation of the circuit, but is desirable from the standpoint of protecting tubes at large positive gate potentials.
Tubes 32 and 35 'on the other hand are normally biased to cut, and operate when the gate potential rises above the aperture value.
If we leave aside for the moment the signal
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produced by the pilot signal generator 12, it will be seen from the above that if the signal generating means 11 are mainly set to their neutral positions, i.e. 7 to produce neither a positive signal nor a negative signal, the tubes 32 and 35 will not be in operation. As indicated above, tubes 32 and 35 are normally biased when opening.
If then the means producing the main signal do not apply any signal, there will be no change in the operation of tubes 30 and 33, and thus the potentials at points C and D will remain the same and balanced, which as a result, there is no change in the operation of tubes 31 and 34, and thus no change in the normal stress of tubes 32 and 35.
If, however, it is assumed that the means producing the main signal are adjusted so as to produce a signal suitable for causing the potential of terminal A to be raised and the potential of terminal B to be lowered, which adjustment of the means producing a The main signal will be considered here as producing a positive signal, a plate current will be obtained from tube 32, which is proportional to the magnitude of the signal produced by the means producing the main signal.
The circuit operates as follows: With terminal A potentialally raised, there will be an increase in the current flow through the plate circuit of tube 30. This, however, due to in the following manner, - which the tube is stressed, will be, as already indicated, a very slight increase only.
This slight increase in the plate current will slightly lower the potential of point C. However, the grid potential of tube 33 has decreased, which decrease causes a substantial decrease in the plate current of tube 33. With this large decrease in current plate, the potential at point D increases. This potential difference between the points
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C and D, being applied as it is across the voltage divider formed by resistors 57 and 58, results in an increase in the gate potential of tube 34 and a decrease in the gate potential of tube 31. As before. , increasing the grid potential of tube 34 will only slightly increase its plate current, which slightly lowers the potential at point G.
This will therefore keep the potential of the grid 46 of the tube 35 below its aperture value and therefore keep the tube 35 open. On the contrary, decreasing the potential of the control grid of the tube 31 will appreciably decrease the plate current in this tube, which substantially increases the potential of the point F. This increase of the potential of the point F increases the voltage. potential of the grid 46 of tube 32, causing a plate current to flow proportional to the signal applied to tubes 30 and 33.
If the means 11 producing the main signal are now set in the opposite direction from their neutral position, which for convenience will be called the negative signal, then the terminal or point B will have its potential high while the bern or point A will have its potential lowered. The operation will therefore be exactly the reverse of that described above, with tube 32 remaining open and with tube 35 having a plate current proportional to the signal.
When the signal produced by the means 12 producing the pilot signal is considered and is no longer left out as in the preceding description, the magnitude of the resulting signal or control signal applied to the resistors 24 and 25 will obviously vary. compared to that produced by the means actuating the main signal 11 and the signal may even have the character changed, that is to say from positive to negative and vice versa, depending on the character and size of the pilot signal. However, the operation of the amplifier
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This will be the same and will produce the operation of tube 32 when the resultant or control signal is positive and causing the operation of tube 35 when the resultant or control signal is negative, as defined above.
The magnitude of the plate current of each tube 32 or 35 will obviously vary with the magnitude of the resulting or control signal.
This small control circuit is used here to adjust the direction and speed of rotation of an AC motor without interrupting the driving force circuit for the motor and, in fact, without mechanical or adjustable change in the force circuit. motor for the motor or the parts contained therein. This is achieved by employing a pair of saturable reactors 15 and 16 mentioned generally above. Saturable reactors have the same construction, with reactance 15 consisting of three AC windings 67, 68 and 69, each actually wound on a separate branch of an iron core, and one DC winding 70, wound in reality on a branch of a core common to all the alternating current windings.
Likewise, the reactance 16 has three AC windings 71, 72 and 73 and one DC winding 74.
For a better understanding of the magnetic circuit of saturable reactances, a single reactance has been shown in figs. 3 and 4. As best seen in fig. 4, the magnetic circuit of the reactance is composed of three cores 76, 77 and 78 arranged at an angle of 120, with respect to each other, and with each core divided so as to form two parallel branches. An AC winding is wound on the outer leg of each core while the common DC winding surrounds the three inner legs of the cores. The appropriate state of the reactions
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saturable voltage consists in that no alternating current flow is connected to the direct current coil, producing a voltage dahs it.
Since in most cases the current in the three AC coils will be equal but different in phase, the AC flows in the branches of the cores common to the DC coil will oppose and therefore be equal. to zero.
Note, however, that it may be necessary in certain cases to employ saturable reactors of more complicated construction, in which for example the currents in the three alternating current coils are not equal.
The AC coils of the saturable reactors are connected in the driving force circuit of the motor 10, which, as indicated, is a three-phase induction motor. The winding 67 is connected between a line wire L1 and a terminal T1 of the motor 10. Likewise, the winding 68 is connected between a line wire L2 and a terminal T2, while the winding 69 is connected between a L3 line wire and a T3 motor terminal. The winding 71 of the saturable reactance 16 is also connected between the line wire L1 and the good T1. The windings 72 and 73 are however reversed with respect to the windings 68 and 69, with the winding 72 connected between the wire. line L2 and terminal T3, and with winding 73 connected between line wire L3 and terminal T2.
DC winding 70 of reactor 15 is connected in series in plate circuit 65 of tube 32, while DC winding 74 of reactor 16 is connected in series in plate circuit 66. of tube 35. The AC windings of each reactance have, under normal conditions, such a high impedance that substantially the entire voltage drop occurs across the windings, so that the voltage applied to the motor is insufficient to operate it. With
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current flow in the DC winding, however, the impedance of the AC windings is lowered so as to allow the line voltage to be applied to the motor.
Therefore, depending on the DC winding 70 and 74 which is traversed by the current, the motor will be under the control of one or the other of the reactors, and thus will have its determined direction of rotation, while its The speed of rotation will be determined by the magnitude of the current flowing through the DC winding. More particularly, since one or the other of the windings 70 and 74 is traversed by a current, the core of this reactance will become progressively more saturated as the current increases and will therefore reduce 1 (impedance of the alternating current windings , which allows an increasing portion of the line voltage to be applied to the motor.
The reactor core, whose DC winding is not current, will naturally not change the impedance of its AC windings and therefore will continue to prevent line voltage from being applied to the reactor. engine. There is therefore no dilution or simultaneous application to the motor of voltages of different phase succession.
Thus, when the phase succession of the applied voltage is modified by the excitation of one or the other of the DC windings and when the magnitude of the applied voltage is controlled by the magnitude of the current flowing in the winding with energized direct current, the motor will run in one direction or the other, depending on which of the direct current windings is energized and the speed of rotation for a given load sefa in relation to the magnitude of the current in the winding direct current, at least within certain limits.
It should be noted that the driving force circuit for the motor is not cut at any time, even for the motor.
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motor reversal, that all switches, whether manual, actuated by solenols or parts of relays, all rheostats or other mechanically adjustable elements, have been eliminated and that there is no relation between the driving force circuit for the motor and the control circuit itself, and that the motor can be controlled by a small current from a remote point.
As generally indicated, the circuit is completed by means 12 producing a pilot signal or indicating operation. These means producing the pilot signal, as indicated above, consist of a direct current generator and are mechanically coupled to the motor 10 by means shown at 75, which must be operated at speeds proportional to the speed. motor rotational speed. The generator in turn produces a direct current voltage or a signal proportional to the rotational speed of the generator and thus a signal proportional to the angular speed of the motor 10.
The voltage of the signal thus produced is calibrated here so as to be substantially equal to the voltage of a signal produced by the means 11 producing the main signal, when these are set to a position corresponding to a given motor speed. 10. The generator 12 is then connected inversely in the circuit to the means 11 producing the main signal, so that the difference between the main signal and the pilot signal is an indication of the instantaneous torque required to maintain the operation of the engine at the speed. required by the main signal, regardless of the motor load.
It is obviously essential for any motor control circuit to be certain that it maintains the operation of the motor at the speed required by the adjustment of the means 11 producing the main signal, and that quickly and without seeking readjust the engine speed to the new
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This is the speed required by a change in the setting of the medium producing the main signal.
The circuit described here is extremely efficient in this connection, because the reverse feed works to add stability not only through the very principle of such a reverse feed, but also because here, because of the nature of amplifiers and saturable reactors, it cooperates in a unique way with this amplifier and the saturable reactors to produce the counter-torques in order to quickly and positively effect a reduction in the speed of the motor or a reversal of the direction of rotation of the motor. motor, or else it keeps the motor speed constant in the event of load variations.
As the magnitude of the voltage applied to the motor and in particular as the phase succession of the latter is changed rapidly with the speed of the electrical phenomenon, without the delay of the control produced by the presence of mechanical or partially mechanical devices and with amplifying means responding to signals of the opposite character, the means 12 producing the pilot signal is not limited here to a simple reduction of the main signal as is usually the case.
On the contrary, the reverse signal of the generating means 12 is used, fully here and is effective here when it exceeds the magnitude of the main signal to produce a counter torque in order to effect a rapid adjustment of the speed. engine speed at the desired or required speed, regardless of the cause that may have required the speed adjustment. The manner in which these counter-torques are produced herein and the manner in which they are used to produce circuit stability, coupled with rapid and positive adjustments at new engine speeds, will be discussed and better understood from here. after the description of the operation of the circuit, which follows.
It is desirable, as already indicated, that
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the magnitude of the signal produced by the means 12, at a given engine speed, is substantially equal to the magnitude of the signal produced by the means 11 producing the main signal, when it is set to call this particular engine speed so that the speed of the motor is determined mainly by the signal from the means producing the main signal and is comparatively independent of the load on the motor.
Therefore, it is further essential that the amplifiers 13 and 14 be highly sensitive so as to respond to the small control signal resulting from the difference between two substantially equal signals and that the amplifiers are also capable of producing a current. comparatively high magnitude required to operate saturable reactors. It will be understood that the amplifiers included herein are shown only by way of example and that the throughput of these amplifiers can be increased by the incorporation of additional amplification stages which may be required, or alternatively amplifiers. different other constructions could be used.
With the pilot signal voltages directly proportional to the angular speed of the motor, with the control signal in relation to torque and acceleration and with the system responding to very slight changes in the control signal, there will be no overshoot because electrical reactions are faster enough than mechanical changes to immediately compensate for these changes, even while they are still developing, and above all, the ratio of the control signal to the required torque and acceleration will result in the motor always being brought up to speed and will not be caused to overshoot.
In addition, whatever the load variation, the system always keeps the motor running at the required speed, less
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of course the very small increase in speed required to produce the control signal. The system will also adapt very quickly to changes, either in the required speed, or in the direction of motor rotation or in the motor load. This rapid adaptation is facilitated by the reversals of torque which take place under certain conditions, and by the possibility of momentary application to the motor of voltages in excess of the motor's estimated voltage, as will be described.
The best understanding of these advantages and of the manner of operation of the control circuit will be obtained if one considers the graphical representation of Figs.
5, 6 and 7 and the conditions drawn therein. It will be assumed that the motor 10 is a 220 volt motor but which is connected to receive its power from a source at 440 volts, a condition which is made possible by the present circuit and which is one of the important advantages of this circuit. It will be further assumed that when the main signal is as arbitrarily designated as "positive", rotation of the motor in the forward direction is required, and that when the main signal is negative, the motor rotation is required. reverse motor rotation is required.
Likewise, torques tending to operate the motor in the forward direction will be considered as positive, and torques tending to operate the motor in the reverse direction as negative, and the pilot signals produced when the motor is operating in the forward direction. forward are positive, and negative when the engine is running in reverse. The acceleration will always be treated, as it is in reality, as deriving from the speed of rotation regardless of the direction of rotation of the motor.
The curve of figs. 6 and 7 representing the main signal will be designated by the reference letter S, the curve representing the pilot signal by the letter P, the curve representing the
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resulting or control signal by the letters CS (these for clarity have been drawn on a different scale from those of S and P), the curve representing the engine torque by the letter Tm, and the curve representing the acceleration by the letter a. If it is also assumed that the motor load is constant and is represented by the straight line Lt, and that the motor is operating at a speed less than its full speed, it will be understood that the graphs of figs.
5, 6 and 7 represent operation only and do not represent and should not be taken as actual plotted values derived from tests performed in the control system.
It will be further assumed, for the purpose of the operation discussion, which immediately follows, that the motor 10 is a wound rotor motor and that sufficient resistance has been introduced so that the torque speed curve of the motor has only one direction of inclination like the curve shown in fig. 8, in other words to produce a state in which the speed-torque curve has no reversal point and therefore ensures the operation of the motor in what is normally considered to be the stable part of the curve. .
This is mentioned here so that one can appreciate the consideration that three-phase induction motors do have unstable speed-torque characteristics and that in the case of squirrel-cage motors, they do. It is not possible to add resistors in order to modify this characteristic.
Before proceeding to the discussion of the operation taking place at the time of necessary changes in the operation of the motor, namely an increase in speed, a decrease in speed and a reversal of the direction of rotation of the motor, and the discussion of the resulting operation. change in motor load, the required speed remaining
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constant, it is considered appropriate to briefly consider the relationship between the control signal and the voltage applied to the motor. It will be understood from the foregoing description that, when the control signal is zero, there is no voltage or at least no significant or effective voltage applied to the motor.
When the control signal increases, either as a positive signal or as a negative signal, current will flow through the DC coil of one of the reactors, which reduces the impedance of the AC coils of that reactance. and causes the application to the motor of a voltage. As best seen from fig. 5, the voltage applied to the motor increases very rapidly for small increases in the control signal, causing the full estimated motor voltage, in this case 220 volts, to be applied for that value of the control signal required to bring the motor engine to operate at the maximum estimated engine speed and the maximum estimated engine load, which control signal value is possibly comparatively small.
As the control signal increases above the indicated value, the voltage applied to the motor continues to rise rapidly until full line voltage is noticeably applied, at which time further control signal increases. do not produce any further increases in the applied voltage, as they have already brought the application of the maximum line voltage obtainable. Thus, between the zero drive signal and the drive signal causing the application of full line voltage to the motor, the voltage applied to the motor is proportional to the drive signal, although the changes in the applied voltage are large for low voltage. very small changes in the control signal.
This proportional change, although rapid in the voltage applied to the motor, produces a desirable gradual approximation to zero voltage and thence to zero torque. At the same time, we
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will see that the ci-rouit foresees the application of the 440 full volts during the control signal values slightly exceeding the value producing the 20 volts on the motor, which gives an added torque to effect rapid acceleration, the slowing down and reversing, and coming into play with any changes exceeding small variations in engine speed or load on the engine.
It is recognized that the operation of the motor 10 from a source having a voltage higher than the estimated voltage of the motor causes certain inconveniences through the increase in equipment and operating costs. However, it is believed that these drawbacks are more than offset by the rapid acceleration, rapid deceleration and rapid overturning achieved.
In the graphics of figs. 6 and 7, the x-axis represents time, while the y-axis represents the appropriate units of measurement for the various quantities represented by the curves. The far left portion of the graph in Fig. 6 represents steady state operation of the system at any engine speed in a forward direction less than full speed.
For this state, the acceleration is zero, the motor torque is equal to the load torque, the main signal has a value corresponding to the desired motor speed, and the pilot signal is exactly sufficiently less than the main signal. - cipal so that the control signal is forced to produce sufficient torque to maintain the speed of the motor at the given load. If the means 11 producing the main signal is then set for the required operation of the motor in a forward direction at increased speed, the main signal will increase in value to level 80 of the S curve.
A command signal of greatly increased value will immediately be produced, rising sharply to the peak.
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indicated at 81 on the CS curve. It should be noted that the graph represents the signal applied to points A, B and not the very strongly amplified flow rate of amplifiers 13 and 14.
This increase in the control signal will, depending on its magnitude, increase the voltage on the motor, possibly even increasing the voltage to the maximum of 440 volts.
As long as the torque of an electric motor is proportional to the square of the voltage, it will be clear that, even though the voltage increase of the motor may be less than the maximum amount, there will momentarily occur a large torque tending to accelerate the engine in a forward direction. This increase in torque is shown at 82 at the curve Tm. With this large increase in torque, there will obviously be a very rapid acceleration, as has been indicated by the rapid increase in the acceleration curve a reaching a point to point 83.
As the motor accelerates, the pilot signal will also increase in value (see curve P) and gradually reduce the difference between it and the main signal until at a point such as 84 the control signal again has a value such that it produces the production of exactly sufficient torque to operate the motor at the new speed.
At. point corresponding to point 84 of curve P, curve CS obviously flattens to become horizontal, and likewise, torque curve and acceleration curve will flatten and become horizontal. The acceleration curve will be from point 85 below the zero axis, the Tm curve will be exactly a little higher than it was because of the extra torque required to overcome the increased friction, and torsion and other resistant torque created by the cranking speed of the motor, and the curve of the control signal will also be slightly higher in value.
The previous example illustrates the operation
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in the simplest case for the change driven only by an increase in engine speed not requiring any slowing down and therefore keeping all signals, torques and the like positive. However, it will be assumed that the means 11 producing the main signal are again set to cause the motor to operate at the same speed as previously. As a result, the S curve, representing the main signal, will drop sharply at point 86.
The motor obviously cannot slow down as quickly as the adjustment of the means producing the main signal is made and consequently a counter-torque tending to promote the slowing down of the motor will be obtained, as can easily be seen in FIG. 6, and as will be described now. When the main signal S decreases from its value shown at point 87 to its last value at point 86, the differences in the main signal and the pilot signals decrease until point 88 is reached where the main signal is equal to the pilot signal P. During this interval, the motor voltage evidently decreased rapidly, and as a result, the torque was decreasing and the motor slowed down as a result of the applied load. Momentarily, there is obviously no voltage at all on the motor.
As the voltage of the main signal continues to drop from point 88 to point 86, it has a lower value than the pilot signal and, therefore, there is again an increase in the difference between the two signals, that is, that is, the control signal, but, while the control signal was positive, it is currently negative and reaches a negative value shown at 89. (Although the pilot signal produced during forward rotation is considered as positive, it must be remembered that the pilot signal generator is in reverse connection.) This reversal in the control signal can be used here in most cases.
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greatest possible due to the arrangement of saturable reactors for direct motor control.
The reactors, being entirely electric in their operation and free of any mechanical parts in the control of the voltage applied to the motor, are able to respond instantaneously to these reversals of the control signal. With this reversal in the control signal, the other reactance takes control and, therefore, there is also a reversal in the torque developed in the motor. This torque is currently a counter-torque helping the slowing down of the motor and reaches a maximum value represented at 90 at the time of the maximum value of the control signal.
Likewise, curve a now represents deceleration and is therefore negative, reaching a maximum point at 91 and then decreasing more and more until it reaches zero, where the motor has finally been reduced to speed. lower speed desired.
With the counter torque now helping the load torque to slow the motor, a rapid deceleration is effected and with this deceleration the pilot signal decreases rapidly and in doing so it crosses the S curve representing the main signal at point 92, where the two signals are connected again. There is currently no counter torque, but the load torque obviously continues to slow the motor and the pilot signal therefore falls below the main signal in value, and there is therefore a second reversal in nature. of the control signal and also of the motor torque. The control signal is now positive again and the motor torque is positive and will therefore resume motor operation gradually taking on the load to operate the motor at the required speed.
The values of the main signal and the pilot signal and the difference between the two or the control signal and the motor torque are now all the same, as they are at the far left of the
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graphic.
Fig. 7 shows the operation when adjusting the means 11 producing the main signal requiring a reversal in the direction of rotation of the motor, from a speed in the forward direction to the same speed in the forward direction. the opposite saying. Under these conditions, the main signal voltage will change from the value shown at 93 to the value shown at 94. The signal size at points 93 and 94 is the same, but has an opposite character or sign.
As the main signal changes from the value at 93 to point 95 where it is exactly equal to the pilot signal, the torque is obviously still such that it tends to operate the motor in a forward direction, but decreases. gradually until it is zero, and during this short interval the engine has therefore been slowed down by engine load and by other factors such as friction, torsion etc. Following this, there immediately occurs a formidable counter torque which tends to slow down the engine very quickly from point 95 forward; the control signal is negative and therefore causes the other reactance to take control of the motor.
The magnitude of this counter-torque will be appreciated if it is realized that the pilot signal and the main signal add up to produce the control signal from the moment the main signal changes sign, until the moment when the motor reverses its direction of rotation, that is to say when the curve P representing the pilot signal intersects the zero axis of the graph, as in 96. This addition character of the pilot signal and the main signal in fact becomes almost simultaneous with the adjustment of the means 11 producing the main signal, since this adjustment can be achieved as quickly as a person can act.
It is not necessary with this system to pause in a neutral position until the engine has come to rest, but the means 11 producing
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the main signal can by a single movement be adjusted from one position, passing through the neutral position, to an opposite position. While at the scale of the drawing of FIG. 7, the torque would rise to a value such that it would go off the scale, it will be noted that there is obviously a defined limit to the torque, namely that obtained when the full 440 volts are applied to the motor. Note that even so, the torque tending to slow the motor will be four times the torque of the motor at its estimated voltage.
It can in fact be conceived that a 110 volt motor can be operated from a 440 volt source, so that the torque obtainable during the reversing to effect the deceleration, varying as it does. with the voltage square, sixteen times that of the motor at the estimated voltage. This same high torque is obviously available during the initial acceleration period following engine reversal.
When the motor is reversed, the pilot signal will again be in opposition to the main signal and the control signal will therefore decrease in magnitude although it remains negative as the motor speed increases. This change continues as the pilot signal gradually increases in value as the engine speed increases, while the control signal and torque gradually decrease until the point is reached where it is again exactly. this difference between the main signal and the pilot signal which will produce the torque necessary to operate the motor at the speed for which the main signal means have been set.
The curve representing the acceleration of the motor during this reversal will first increase in a negative direction, which indicates the rapid deceleration of the motor, and will reach its maximum value when the motor changes direction of travel, and then return more gradually to zero when the motor reaches steady state operation.
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The operation under this supposed load change condition, with the adjustment of the means 11 producing the main signal remaining the same, will be readily understood from the foregoing description and the graphs of Figs. 6 and 7. A very brief discussion operation will therefore be sufficient. If the load change is gradual, there will be no appreciable effect in the operation of the motor, whether the load is increasing or decreasing. On the smallest change in motor speed resulting from a change in load, the pilot signal will change and therefore the control signal will take on a different magnitude and therefore force the torque developed by the motor to increase or decrease. decrease to compensate for the change in load.
As the electrical changes are thus much faster than the mechanical change of the motor, and the circuit having the same sensitivity, the change in load will be compensated before there is an appreciable change. in engine speed.
If there is a very sudden and large increase at the same time in the load on the motor, this temporarily results in a condition and a reaction which would be generally similar to those which occur when the means 11 producing the motor. main signal are set for a higher speed, as previously described.
In either case, there is a large increase in the control signal. Obviously, this will immediately cause a higher voltage to be applied to the motor with a resulting large increase in the torque developed by the motor.
The increase in control signal would, in this case, obviously result from a slowing down of the motor due to the sudden application of the increased load, and when the motor again picked up speed, the pilot signal would increase. , again of magnitude until the control signal has again a value such that the torque produced by the
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motor is exactly sufficient to keep the motor running at the required speed while it is carrying the increased load. This final control signal will naturally be a little larger, with the increased load on the motor, than it was for the lower load.
If there is a sudden and significant decrease in load, the engine will naturally accelerate temporarily and exceed the required speed. This would result, therefore, in a condition generally similar to that described above when the means 11 producing the main signal is set to produce a slower speed.
As described in the example in question, a reversal of the control signal occurs resulting in the production of the motor of a counter torque acting to aid in slowing the motor, the signal. control reversing a second time to a point prior to the moment when the motor was reduced to the correct speed, which allows the torque to act again in the direction of rotation of the motor and gradually take over control of the motor. motor, so that by the time the required speed is reached, the torque will again be exactly sufficient to operate the motor at the required speed while supporting the lesser load.
While the foregoing operation has been described as occurring when the circuit is used in correlation with a motor intended to have only the stable branch of its torque-speed characteristic set in this manner, the circuit appears to be operating successfully. correlated with a motor such as a squirrel cage induction motor having the usual speed-torque characteristic with an unstable branch and a stable branch, as shown in Fig. 9. Based on past experience, it will appear that the circuit would be unstable for any engine speed lower than the speed indicated by the highest point.
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high of the curve of fig. 9.
The circuit indicated here has however proved by actual testing that it is stable for all engine speeds including the range from zero speed to the speed at which maximum torque is developed, as one indicated by the curve in fig. 9. This can be explained by the stiffness of the curves in fig. 5 and in that the pilot signal generator 12 is adjusted so as to produce, for any given engine speed, a signal the magnitude of which corresponds very closely to the magnitude of the main signal when the means producing the Main signals are set to require corresponding speeds from the motor.
With an amplification circuit having characteristics suitable for producing the curves of fig. 5 and with saturable reactors capable of responding very quickly to changes in the control signal, the circuit can operate as described for a wound rotor motor, or oscillatory motor control may result.
By oscillatory control we mean that the motor is excited at more or less uniform intervals, to be operated in the desired direction with intermittent intervals during which the energy supplied to the motor is greatly reduced and can even be reversed by. so as to produce a counter-torque. The natural tendency of a squirrel cage motor for any given load is obviously to seek the higher of the two speeds corresponding to any given value of torque.
So engine runaway when a speed drop in the unstable part or branch of the speed-torque curve is desired, is the condition that should be most conserved. HERE, this overshoot is prevented as soon as the engine speed approaches the speed required by the adjustment of the main signal means; the pilot signal will approach
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to an increasing degree of the magnitude of the main signal and thus will result in a very large reduction in the voltage applied to the motor, if not an actual shortening of any existing voltage. This very large momentary reduction or complete inversion of the voltage will obviously result in a reduction in motor speed.
With this reduction the pilot signal is also reduced and because of the steepness of the curves in fig. 5, a small increase in the voltage signal will result in a large voltage being applied to the motor. With the non-sensitive circuit, the percentage changes in the speed of the motor, which brings about this alternating application of a large voltage, and the reduction to a low voltage is obviously very small and completely imperceptible except for the very devices. sensitive. Stability is thus obtained because the engine is prevented, under ordinary circumstances, from actually reaching the required speed.
If there is a state such as that where the main signal is set to produce a speed reduction, an actual torque reversal will obviously occur as described in connection with the wound rotor motor. This torque reversal, when the pilot signal exceeds in magnitude the main signal, constitutes an additional safeguard ensuring the correct operation of the circuit at all times and is available to come into play when, for one or the other reason. , the motor tends to exceed the required speed despite the large voltage reduction, as described above. In fact, it does not leave the possibilities that the circuit exposed here is sensitive to the point of constituting in reality an inversion circuit.
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In such a case, the oscillatory control of the motor would not be a simple oscillation between high and low voltage values but between voltage values which are of inverse sign, that is to say of reverse phase succession.
It follows from the foregoing that a unique system has been produced for controlling the direction and speed of rotation of alternating current motors, in particular multi-phase induction type motors, and that we have supplied thus a real solution to a problem that has existed for a long time and has never been solved previously.
CLAIMS
1. A circuit for controlling the phase and magnitude of the alternating current supplied to an alternating current device, in which two saturable reactors are provided each having an alternating current winding connected in series with each line of the alternating current. 'power supply to said device and a control winding electro-magnetically connected to all of the ac windings, which ac windings normally have an impedance high enough to prevent the application of any effective voltage to it. this device, means of exciting the control winding of one or the other of the two reactors in order to adjust the impedance of the alternating current windings of this reactance according to the degree of excitation,
circuit means connecting the two series of alternating current windings to this device in such a way that the phase of supplying current to said device is controlled according to the series which carries the current supply.