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Machines électriques à induite multiples.
Les machines électriques de construction normale sont composées au moins de deux parties dont l'une est fixe et l'autre tournante, chacune des parties contenant au moins un bobinage. Undes bobinages sert en règle générale à la formation du champ magnétique et est monté dans la partie de la machine appelée inducteur, l'autre bobinage étant le bobinage appelé induit lequel sert à l'échange d'énergie entre la machine et le réseau extérieur auquel elle est con- nectée. Les fonctions d'inducteur de d'induit sont tout spé- cialement bien déterminées dans les machines synchrones à courant alternatif et dans les machines à courant continu normales. L'inducteur se trouve d'habitude dans le rotor des machines synchrones et dans le stator des machine. ,
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courant continu.
Dans les machines asynchrones à courant alternatif, le bobinage du rotor qui fonctionne comme indue teur reçoit par transformation son énergie de l'induit qui se trouve dans le stator. Il est connu que l'on peut influ- encer la vitesse des machines asynchrones de part et d'autr de leur vitesse nominale synchrone en introduisant dans le circuit de leur rotor une force électromotrice additionnelli de fréquence correspondant au glissement. Ce système est tout spécialement utilisé pour l'échange d'énergie entre réseaux non synchronisés, échange devant pouvoir se faire dans les deux sens, indépendamment du rapport des fré- quences. Mais ce dispositif n'a pour but qu'un réglage de vitesse de quelques pour cent de part et d'autre de la vitesse nominale.
Si d'autre part on veut obtenir des machines sans collecteur ayant des vitesses plus élevées que la vitesse nominale des machines à deux pôles pour la fréquence donnée on est obligé de construire des machines compliquées à double rotor. L'utilisation du bobinage d'une des parties d'une machine électrique exclusivement dans le but de produire le champ inducteur occasionne des pertes et limite le degré d'utilisation des machines.
Selon l'invention nous proposons de construire des ma- chines électriques dont les bobinages se trouvant dans le stator et le rotor fonctionneraient en même temps comme bobinages inducteur et induit, le champ inducteur n'étant plus stationnaire ou presque par rapport à l'une des parties des machines électriques, mais étant au contraire tournant
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à une vitesse inférieure, par exemple de moitié, à celle du rotor.
On obtiendra la position de phase désirée du champ induc- teur éventuellement à l'aide de condensateurs dans le cas de machines à courant alternatif, et même dans celui de celles à courant continu, dans lesquelles on pourra toute- fois encore agir sur le décalage du champ magnétique en influençant la position des balais.
La construction proposée permet théoriquement de doubler la vitesse limite des machines électriques et par conséquent d'augmenter considérablement leur puissance, ou réciproque- ment de réduire considérablement les dimensions d'une machine de puissance donnée. Dans certains cas on pourra encore augmenter le rendement ou même le facteur de puis- sance par rapport aux machines de construction classique.
La fig. 1 présente une machine électrique à courant alternatif dans laquelle le stator et le rotor sont pourvus de bobinages semblables 1 et 2, destinés tous deux à être connectés au réseau 4, le bobinage 1 du stator directement, tandis que le bobinage 2 du rotor sera connecté par l'entre- mise des bagues 3. Dans le cas où le bobinage 2 ne serait pas identique au bobinage 1, ou si un décalage de phase peut être utile, il sera possible d'utiliser la machine en intercalant entre le réseau 4 et le bobinage 2 un transformateur, auto- transformateur ou régulateur d'induction 6. En outre, et pour des raisons de stabilité, ou pour améliorer le cos @ on pourra introduire entre les bornes du stator et certains points du bobinage 1, des condensateurs 7.
On pourrait aussi monter des condensateurs semblables entre certains points du
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bobinage du rotor, condensateurs qui devraient être, ou tournant avec le rotor, ou connectés au bobinage 2 de ce dernier par l'intermédiaire de bagues 3 supplémentaires.
La fig. 2 montre une vue latérale de la machine montrée schématiquement par la fig. 1, vue latérale permettant de rendre compte de la position du bobinage du stator 1, de celui du rotor 2 ainsi que des bagues 3, et de l'alimen- tation par le réseau 4. Il serait du reste possible d'alimen- ter le stator seulement par le réseau 4, et le rotor par un deuxième réseau 8 dont la fréquence pourrait être différente de celle du réseau 4 ; lechangement d'alimen- tation pourrait être obtenu en manoeuvrant le commutateur 5.
Le fonctionnement de la machine présentée par les fig. 1 et 2 sera le suivant : le rotor sera tout d'abord alimenté par le réseau 4, le bobinage 2 du rotor étant mis en court-circuit à l'aide du commutateur 5. On obtient ainsi une machine asynchrone normale, qui si elle a par exemple deux pôles tournera à une vitesse un peu inférieure à trois mille tours dans les réseaux à 50 périodes et un peu inférieure à 1800 tours dans les réseaux à 60 périodes.
Pour atteindre la vitesse supérieure à laquelle notre machine est principalement destinée, il faudra par contre la lancer mécaniquement à l'aide d'une machine auxiliaire, quelconque, jusqu'au double de sa vitesse synchrone, l'interrupteur 9 de synchronisation étant ouvert ; quand le double de la vitesse synchrone est atteint, et la concordance de phase obtenue on fermera l'interrupteur 9 ; La machine est alors synchronisée au courant alternatif et tournera au double de la vitesse d'une machine corres- pondante synchronisée au courant continu. Les condensateurs
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7 assureront la stabilité de la machinele champ tournera à 2 vite... en avant par rapport au stator, et àvitesse en arrière par rapport au rotor, la vitesse du rotor étant égale à l'unité.
Si, selon fig. 2 on alimente le stator par le réseau 4, et le rotor par le réseau 8, on obtiendra dans le cas d'une machine à deux pôles une vitesse positive du champ de 60 fois la fréquence du réseau 4 par rapport au stator, et une vitesse négative de 60 fois la fréquence du réseau 8 par rapport au rotor, la vitesse en tours/min. du rotor étant alors de 60 fois la somme des fréquences des réseaux 4 et 8, et étant admise positive. Si dans ce dernier cas on inverse le sens de rotation de champ de l'un des bobinages, on ob- tiendra comme vitesse synchrone la différence des fréquences des réseaux 4 et 8 multipliée par 60.
Si dans le cas de la fig. 1 on fait la même inversion on obtiendra une vitesse synchrone du rotor identiquement nulle, qui correspond à un blocage électrique de ce dernier, blocage présentant un caractère élastique car l'angle du rotor par rapport au sta- tor est alors fonction du couple applique au rotor.
La synchronisation de la machine synchrone telle qu'elle est présentée par les fig. 1 à 4, est dans le cas aussi où elle fonctionnerait comme commutatrice peut avoir lieu élec- triquement à l'aide d'une machine asynchrone auxiliaire à bagues.
Les 2 machines sont d'abord lancées comme machines asyn- chrones, puis le circuit de rotor de la machine à synchroni- ser est ouvert et cette machine est accouplée mécaniquement à la machine auxiliaire de telle façon que la machine à syn- cnroniser tourne de quelques pourcent plus vite que le champ ae son stator ; à ce moment-là, les rotors des deux mâchées
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sont interconnectés, et la machine auxiliaire freinée mé niquement. La machine auxiliaire a une position électriqt identique à celle du transformateur 6 dans la fig. 1. Que la machine auxiliaire est totalement bloquée, elle cesse d'être un transformateur de fréquence et alimente le rote de la machine 1 à la fréquence désirée, soit du réseau 4, soit du réseau 8 selon les cas, et la synchronisation de machine principale est obtenue.
Il suffit alors de déplac le commutateur 5 de la position nulle à la position de ré seau désirée. La fig. 1 présente la machine avec des enro; ments schématiques simplifiés, montés en parallèle. Dans fig. 3, les enroulements sont montés en série et alimenté: par le réseau 4. Les condensateurs 7, qui peuvent être aus des condensateurs variables sont connectés entre le statoi et le rotor éventuellement aussi à l'aide d'un transforma- teur, autotransformateur ou régulateur d'induction 6 dont les rapports de transformation peuvent aussi être variable
La fig. 4 présente le schéma d'une machine asynchrone s chronisée au courant alternatif monophasé dans laquelle le réseau 4 alimente le bobinage 1 du rotor et le bobinage 2 du stator en série.
Dans ce schéma le rotor compte encore bobinage auxiliaire 10 alimenté en série avec des condensa. teurs et dérivé en oarallèle du bobinage 1.
Un bobinage auxiliaire de ce genre pourrait aussi être installé dans le rotor. Les machines décrites peuvent être utilisées comme générateurs ou moteurs, en particulier dan: le cas où une très grande vitesse est désirée, ce qui sera plus souvent le cas pour les petites unités, mais elles per mettent de faire des turbo-générateurs à très grande vitess ainsi que des petites installations entièrement automatique car elles peuvent fonctionner comme machines synchrones
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sans source auxiliaire de courant continu pour l'excitation.
Ces machines sont donc susceptibles d'être- utilisées partout où il n'est pas indispensable de faire un réglage fin de la vitesse. Ce réglage fin serait du reste encore possible à l'aide d'un réseau 4 dans lequel on agirait sur la fréquence mais si deux fréquences sont à disposition, dont l'une, celle du réseau 4 serait par exemple de 50, et celle du réseau 8 de 2/3 de celle du réseau 4, on obtiendrait le tableau des vitesses suivant :
Si la fréquence est de 50 :
EMI7.1
<tb> échine <SEP> alimentée <SEP> en <SEP> asyn- <SEP> 2/e. <SEP> 60 <SEP> . <SEP> f4 <SEP> 2000
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> chrone <SEP> par <SEP> le <SEP> réseau <SEP> 8
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<tb> Machine <SEP> alimentée <SEP> en <SEP> asynchrone
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<tb> 1 <SEP> . <SEP> 60 <SEP> . <SEP> f4 <SEP> 3000
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<tb> par <SEP> le <SEP> réseau <SEP> 4
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<tb> Rotor <SEP> et <SEP> stator <SEP> alimentés
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<tb> dans <SEP> le <SEP> même <SEP> sens <SEP> par <SEP> chacun <SEP> 1 <SEP> . <SEP> 60 <SEP> .
<SEP> f4 <SEP> 1000
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<tb>
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<tb> 3
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<tb> des <SEP> 2 <SEP> réseaux
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<tb> Rotor <SEP> et <SEP> stator <SEP> alimentés
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<tb> à <SEP> différents <SEP> sens <SEP> par <SEP> chacun <SEP> 5/3. <SEP> 60 <SEP> . <SEP> f4 <SEP> 5000
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb> des <SEP> 2 <SEP> réseaux
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<tb>
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<tb>
<tb>
<tb> Machine <SEP> synchronisée <SEP> à <SEP> l'al- <SEP> 4/3. <SEP> 60 <SEP> . <SEP> f4 <SEP> 4000
<tb>
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<tb> ternatif <SEP> sur <SEP> réseau
<tb>
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<tb>
<tb> Machine <SEP> synchronisée <SEP> à <SEP> l'al-
<tb>
<tb>
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<tb> 2 <SEP> . <SEP> 60 <SEP> .
<SEP> f4 <SEP> 6000
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> tenatif <SEP> sur <SEP> réseau <SEP> 4
<tb>
On a donc de cette façon 6 vitesses étagées de sixième en sixième.
L'utilisation de machines asynchrones synchronisées à l'alternatif pourrait même être intéressante dans la
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traction à 16 2/3 périodes ou à 25 périodes, les machines pouvant atteindre respectivement 2000 ou 3000 tours, et de plus petites unités pouvant alors être construites. Les machines seront toujours robustes, puisqu'elles peuvent être construites sans collecteur, et seront utilisables tant dans l'industrie que dans n'importe quel genre de traction.
La fig. 5 montre une machine à 2 enroulements inducteur et induit et à deux collecteurs, machine ayant la carac- téristique d'une machine série à courant continu. Le col- lecteur 11 correspondant à l'enroulement 1 du stator est stationnaire, tandis que le collecteur 12, correspondant à l'enroulement 2 du rotor tournera à la vitesse de ce dernier. Les balais 13 des 2 collecteurs doivent tourner à la vitesse de rotation du champ magnétique, vitesse dé- terminée par le jeu d'engrenages 15. Les bagues 3 tournent aussi à la vitesse du champ magnétique, tandis qu'elles sont connectées au réseau 4, par des balais 13 qui sont stationnaires.
La fig. 6 est une vue latérale de la machine présentée par la fig. 5. Dans cette figure, le dispositif d'engre- nages 15 entraîne un disque 16, lequel entraîne les bagues 3, les balais des collecteurs 13 et d'éventuels pôles auxiliaires de commutation 14 à la vitesse du champ magné- tique, qui est une vitesse comprise entre 0 et celle du rotor. Cette vitesse est la moitié de celle du rotor dans le cas de la fig. 6 car le dispositif 15 est fixé d'une part à l'arbre 18 du rotor, d'autre part à un support sta- tionnaire 17 par de grandes roues coniques qui agissent indirectement sur le disque 16 par de petites roues coniques @
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intermédiaires. Le dispositif 15 peut être construit de façon à produire d'autres vitesses du champ magnétique.
Dans les fig. 5 et 6, les enroulements 1 et 2 sont connectés en parallèle.
La fig. 7 présente une machine semblable à celle de la fig. 5 mais dans laquelle les bobinages 1 du stator et 2 du rotor sont connectés en série au réseau du courant continu 4.
Si les enroulements de la machine, selon fig. 5 sont simultanément connectés à un réseau continu et à un réseau alternatif selon fig. 1 on obtiendra une commutatrice syn- chrone dont le cos pourra être amélioré par des conden- sateurs 7.
La machine de la fig. 5 sera avant tout utilisée comme moteur à courant continu de caractéristique série. Cette machine ne pourra vraisemblablement pas fonctionner comme générateur auto-excité. Une batterie éventuelle oourra pour- voir à l'excitation ou au moins à son amorçage, excitation qui pourra être amplifiée par des condensateurs tels que ceux désignés sous chiffre 7 dans les fig. 1, 3, et 4.
La fig. 8 présente l'utilisation de machines selon l'in- vention dans le cas de l'entraînement d'une machine d'indus- trie 21.Les machines 19 et 20 sont accouplées à deux arbres différents d'un différentiel 23 au troisième arbre duquel est accouplée la machine à entraîner 21.20 est une machine asynchrone ordinaire à induit en court circuit par exemple, dont la position d'arrêt est assurée par le frein electro- magnétique 24, et dont le sens de rotation peut être changé à l'aide de l'inverseur 25. Dans l'exemple décrit, nous su 'posons que cette machine est prévue à deux pôles tournan:
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à environ 3000 tours dans le cas où le réseau 4 est à 50 périodes.
La machine 19 est supposée à 4 pôles, tournant à une vitesse un peu inférieure à 1500 tours avec induit en court circuit, et à une vitesse de 3000 tours quand elle fonctionne en machine synchrone, synchronisée au courant alternatif. Le commutateur 5 relie son rotor au réseau 4, l'interrupteur 9 étant enclanché. Pour synchroniser la machine 19 on procédera de la faon suivante : la machine 20 sera enclanchée en marche arrière, l'interrupteur 9 étant ouvert, et le commutateur 5 en position de court circuit.
Dans cette éventualité, le frein électromagnétique 22 agis- sant sur l'arbre de la machine entraînée se trouve bloqué et le différentiel impose à la machine 19 une vitesse voisine de 3000 tours dans le sens positif. Le commutateur 5 est alors déplacé sur la position du réseau, et l'inter- rupteur 9 fermé au moment de la concordance des phases, con- trôlée par des moyens connus. Le frein 22 se trouve simul- tanément débloqué et les deux machines 19 et 20 tournent respectivement aux vitesses + 3000 et - 3000 tours, de telle façon que la vitesse de la machine à entrainer 21 reste pratiquement nulle. Si maintenant, on ouvre l'inter- rupteur 29 commandant la machine 20, celle-ci se trouve progressivement freinée par le frein électromagnétique 24 et la machine 21 se met à tourner jusqu'à la vitesse de 1500 tours.
Si maintenant on enclanche le commutateur 5 sur la position de court-circuit, la vitesse de la machine sera un peu inférieure à 750 tours, le rapport des engrenage du différentiel 23 étant supposé de 1/1/1. Si dans cette position la machine 20 est enclanchée dans le sens +, la machine 21 tournera à 2250 tours environ et si les deux
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machines 19 et 20 sont connectées de façon à ce qu'elles tournent toutes 2 à 3. 000 tours, la machine 21 tournera aussi à 3.000 tours.
La fig. 9 représente un schéma d'entraînement Diesel électrique destiné par exemple à l'entraînement de l'hélice ou des roues d'un bateau. Ce dispositif est caractérisé par le fait que sur l'arbre du moteur 26 est montée une machine principale 20 devant fonctionner comme générateur principal pour actionner le moteur 19 dont la vitesse est réglée par l'action, sur le bobinage de son rotor, de la machine 27, laquelle est entraînée par le moteur 26 à l'aide d'un dis- positif différentiel électromécanique oermettant de régler la vitesse de la machine 27 au moins en partie indépendamment de celle du moteur 26. Le dispositif de transmission électromécanique comporte une excitatrice 28, deux machines principales à courant continu 29 et 30 et un différentiel 23.
Le régulateur de courant 32 monté en série avec les machines 29 et 30 agit par l'intermédiaire du potentiomètre 33 sur le bobinage 34 de l'excitation de la machine 29, la machine 30 étant excitée d'une façon constante par le bo- binage 31. L'intensité du courant traversant le régulateur 32 est fixée par la position du levier 37 agissant sur le ressort 38 et par son entremise sur la position du potentio- mètre 33. Ce dispositif permet d'obtenir un couple constant d'entraînement de la macnine 27, quelle que soit sa vitesse, et par conséquent une puissance constante de la machine 19.
Si l'on admet que la génératrice 20 est construite pour la puissance totale du moteur Diesel 26, la puissance nominale de la machine 27 n'aura besoin d'être que d'un tiers et celle des machines 29 et 30 que d'un sixième de celle de la
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machine 26 si l'on veut pouvoir obtenir un réglage de vitesse de la machine 19 de plus ou moins 33 % c'est à dire de 1 à 2 indépendamment de la vitesse du moteur Diesel 26. Un ré- gulateur de vitesse 39 agissant en fonction de la vitesse du moteur Diesel 26, par exemple, pourrait agir sur le po- tentiomètre 33 à la place du régulateur d'intensité 32. On pourrait aussi avoir simultanément le réglage du couple par le régulateur d'intensité 32 et le réglage de la vitesse du moteur 26 par le régulateur 39.
La fig. 10 montre un exemple d'utilisation des machines à induits multiples 19 et 20 appliquée à la traction ferro- viaire telle qu'automotrice ou locomotive électrique ali- mentées en particulier par du courant alternatif monophasé à fréquence industrielle (50 ou 60 périodes)L'énergie est fournie par la ligne de contact 37 qui alimente tout d'abord l'autotransformateur 6 duquel est dérivée une tension à prises réglables destinée à alimenter le condensateur 7 qui sera utilement un condensateur variable de façon à obtenir du courant triphasé dans le réseau interne 4 par la méthode sus-indiquée connue.
Les machines 19 et 20 peuvent donc avoir deux vitesses, soit qu'eles fonctionnent en machines asyn- chrones, le commutateur 5 étant en position de court-circuit, soit qu'elles fonctionnent en machines asynchrones synchro- nisées au courant alternatif, rotor et stator étant reliés chacun pour soi au réseau 4. La première vitesse correspond- rait utilement à l'entraînement des trains de marchandises, et la deuxième vitesse, du double de la première, à celui des trains express ; si les vitesses sont réglables de 1 à 3, et la locomotive construite pour 150 km/h, la position pour train de marchandises permettrait de rouler de 25 à 75
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km/h, et la position pour train de voyageurs de 50 à 150 km/h, en régime continu.
La machine 19 est destinée exclusivement à l'entraîne- ment de la machine à courant continu 29, et à l'excitatrice 28, tandis que la machine 20 est accouplée par l'intermédi- aire d'un différentiel 23 à un des axes de traction 21 en même temps que la machine à courant continu 30. Dans la règl il sera installé un différentiel 23, une machine 20 et une machine 30 pour chacun des axes de traction 21, les machines 20 ou les machines 30 étant normalement connectées entre elles en parallèle.
Si l'on désire en service continu avoir une possibilité de réglage de 1 à 3, la puissance des machin 30 pourra être prévue pour la moitié de celle des machines 2 Si l'on admet par exemple que le présent dispositif est appl qué à une locomotive à 4 essieux de traction d'une puissance totale de 3600 CV on devra installer dans cette locomotive les machines électriques suivantes :
EMI13.1
<tb> 1 <SEP> machine <SEP> 19 <SEP> de <SEP> 1200 <SEP> CV
<tb>
<tb> 4 <SEP> 20 <SEP> " <SEP> 600 <SEP> "
<tb>
<tb> 1 <SEP> " <SEP> 29 <SEP> " <SEP> 1200 <SEP> "
<tb>
<tb> 4 <SEP> " <SEP> 30 <SEP> " <SEP> 300 <SEP> "
<tb>
<tb> 1 <SEP> excitatrice <SEP> 28 <SEP> " <SEP> 120 <SEP> "
<tb>
Le régulateur 32 agissant sur le potentiomètre 33 permett:
de maintenir le couple de la locomotive constant pour chaque position fixée pour le levier 39, lequel déterminera la ten- sion du ressort 38 agissant sur le dispositif d'un réglage.
Tout le dispositif décrit est réversible, et la locomotive présente une puissance de freinage égale à sa puissance de tr-ction.
La fig. 11 montre l'utilisation d'une machine 19 selon
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l'invention destinée à l'entraînement d'un trolleybus ; cette machine sera utilement une machine synchronisée au courant alternatif, monophasée, par exemple à 6. 000 volts. Elle pourrait être polyphasée si l'on utilisait un dispositif électrostatique de transformation comme celui décrit dans la fig. 10. L'énergie de la machine synchrone 19 est transmise aux roues de traction du trolleybus par l'entre- mise d'un dispositif différentiel électromécanique composé des machines 29 et 30 excitées à l'aide de l'excitatrice 28 et dont l'énergie est réglée par le régulateur d'intensité 32 agissant sur le potentiomètre 33.
Pour que ce trolleybus puisse fonctionner au moins temporairement dans des régions non pourvues de ligne de contact, il est pourvu d'un volant 38 qui peut être lancé par la machine 30 lorsque l'embrayage 39 est débrayé, la machine 30 étant alimentée par la machine 29 fonctionnant en générateur et entraînée par la machine 19 alimentée par le réseau. En déplaçant l'embrayage 39 jusqu'à la position où il sera bloqué par des machoires 40, le trolleybus pourrait fonctionner sur des parcours droits par exemple à vitesse synchrone, les machines 29 et 30 ayant été préalablement amenées à la même vitesse ; pendant cette circulation, l'excédent d'énergie pourrait servir à lancer le volant.
Un moteur auxiliaire 26, qui deut être avec intérêt un mo- teur à explosion, permettrait de mainteir plus longtemps le fonctionnement du trolleybus hors du réseau électrique d'ali- mentation. uand le véhicule est entraîné par le volant 38 ou par le motet 26, le rôle des machines 29 et 30 est inversé à l'aide du commutateur 5. Le volant sera surtout utilisé en trafic
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intermittent, car il permettra d'utiliser un moteur 26 beaucoup plus faible, de l'ordre de grandeur de la moitié d'un moteur devant remplir le même but, en Darticulier si l'on renvoie au volant 38 l'énergie de freinage ainsi récupérée.
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Multiple induced electric machines.
Electrical machines of normal construction are composed of at least two parts, one of which is fixed and the other rotating, each of the parts containing at least one winding. One of the coils is generally used for the formation of the magnetic field and is mounted in the part of the machine called the inductor, the other coil being the coil called the armature which is used for the exchange of energy between the machine and the external network to which it is connected. The functions of the armature inductor are especially well determined in synchronous ac machines and in normal dc machines. The inductor is usually found in the rotor of synchronous machines and in the stator of machines. ,
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direct current.
In asynchronous AC machines, the winding of the rotor which functions as an inductor receives its energy by transformation from the armature which is in the stator. It is known that it is possible to influence the speed of asynchronous machines on either side of their synchronous nominal speed by introducing into the circuit of their rotor an additional electromotive force of frequency corresponding to the slip. This system is especially used for the exchange of energy between unsynchronized networks, an exchange having to be able to be done in both directions, independently of the frequency ratio. But the purpose of this device is only to adjust the speed of a few percent on either side of the nominal speed.
If, on the other hand, one wants to obtain machines without a collector having speeds higher than the nominal speed of two-pole machines for the given frequency, one is obliged to construct complicated double-rotor machines. The use of the winding of one of the parts of an electric machine exclusively for the purpose of producing the inductive field causes losses and limits the degree of use of the machines.
According to the invention we propose to construct electric machines whose windings located in the stator and the rotor would function at the same time as inductor and armature coils, the inductor field no longer being stationary or almost relative to one. parts of electrical machines, but being on the contrary rotating
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at a speed lower, for example half that of the rotor.
The desired phase position of the inductive field will be obtained if necessary with the aid of capacitors in the case of alternating current machines, and even in that of direct current machines, in which however, we can still act on the offset. magnetic field by influencing the position of the brushes.
The proposed construction theoretically makes it possible to double the limit speed of electric machines and consequently to considerably increase their power, or conversely to considerably reduce the dimensions of a machine of given power. In certain cases, it will be possible to further increase the efficiency or even the power factor compared to machines of conventional construction.
Fig. 1 shows an alternating current electric machine in which the stator and the rotor are provided with similar windings 1 and 2, both intended to be connected to the network 4, the winding 1 of the stator directly, while the winding 2 of the rotor will be connected by inserting the rings 3. In the event that winding 2 is not identical to winding 1, or if a phase shift may be useful, it will be possible to use the machine by interposing between network 4 and the winding 2 a transformer, autotransformer or induction regulator 6. In addition, and for reasons of stability, or to improve the cos @ we can introduce between the terminals of the stator and certain points of the winding 1, capacitors 7 .
We could also mount similar capacitors between certain points of the
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rotor winding, capacitors which should be, or rotating with the rotor, or connected to the winding 2 of the latter by means of additional rings 3.
Fig. 2 shows a side view of the machine shown schematically in FIG. 1, side view showing the position of the winding of the stator 1, that of the rotor 2 as well as the rings 3, and the power supply by the network 4. It would also be possible to power the stator only by network 4, and the rotor by a second network 8, the frequency of which could be different from that of network 4; the change of supply could be obtained by operating switch 5.
The operation of the machine shown in fig. 1 and 2 will be the following: the rotor will first of all be supplied by the network 4, the rotor winding 2 being short-circuited using the switch 5. We thus obtain a normal asynchronous machine, which if it a for example two poles will turn at a speed a little less than three thousand turns in the networks with 50 periods and a little less than 1800 turns in the networks with 60 periods.
To reach the higher speed for which our machine is mainly intended, it will on the other hand be necessary to start it mechanically using any auxiliary machine, up to double its synchronous speed, the synchronization switch 9 being open; when the double of the synchronous speed is reached, and the phase concordance obtained, switch 9 will be closed; The machine is then synchronized to the alternating current and will run at double the speed of a corresponding machine synchronized to the direct current. Capacitors
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7 will ensure the stability of the machine the field will rotate at 2 quickly ... forward with respect to the stator, and at reverse speed with respect to the rotor, the speed of the rotor being equal to unity.
If, according to fig. 2 the stator is supplied by network 4, and the rotor by network 8, in the case of a two-pole machine a positive field speed of 60 times the frequency of network 4 with respect to the stator will be obtained, and a negative speed of 60 times the frequency of the network 8 with respect to the rotor, the speed in revolutions / min. of the rotor then being 60 times the sum of the frequencies of networks 4 and 8, and being admitted positive. If in the latter case we reverse the direction of field rotation of one of the windings, we will obtain as synchronous speed the difference in frequencies of networks 4 and 8 multiplied by 60.
If in the case of fig. 1 we make the same inversion we will obtain a synchronous rotor speed identically zero, which corresponds to an electrical blocking of the latter, blocking having an elastic character because the angle of the rotor with respect to the stator is then a function of the torque applied to the rotor. rotor.
The synchronization of the synchronous machine as shown in FIGS. 1 to 4, is also in the case where it functions as a commutator can take place electrically by means of an auxiliary asynchronous ring machine.
The 2 machines are first started as asynchronous machines, then the rotor circuit of the synchronizing machine is opened and this machine is mechanically coupled to the auxiliary machine so that the synchronizing machine turns at a few percent faster than the field of its stator; at that time, the rotors of both chewed
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are interconnected, and the auxiliary machine braked mechanically. The auxiliary machine has an electrical position identical to that of transformer 6 in fig. 1. That the auxiliary machine is totally blocked, it ceases to be a frequency transformer and supplies the rote of machine 1 at the desired frequency, either from network 4 or from network 8 as appropriate, and machine synchronization main is obtained.
It is then sufficient to move the switch 5 from the zero position to the desired network position. Fig. 1 presents the machine with enro; Simplified schematic elements, mounted in parallel. In fig. 3, the windings are connected in series and supplied: by the network 4. The capacitors 7, which can be also variable capacitors are connected between the statoi and the rotor possibly also using a transformer, autotransformer or induction regulator 6 whose transformation ratios can also be variable
Fig. 4 shows the diagram of an asynchronous machine s chronized with single-phase alternating current in which the network 4 supplies the winding 1 of the rotor and the winding 2 of the stator in series.
In this diagram the rotor still has auxiliary winding 10 supplied in series with condensa. coils and parallel derivative of winding 1.
An auxiliary winding of this kind could also be installed in the rotor. The machines described can be used as generators or motors, in particular in the case where a very high speed is desired, which will be more often the case for small units, but they make it possible to make very large turbo-generators. speeds as well as small fully automatic plants because they can operate as synchronous machines
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without auxiliary direct current source for excitation.
These machines are therefore likely to be used wherever it is not essential to make a fine adjustment of the speed. This fine adjustment would moreover still be possible using a network 4 in which we would act on the frequency but if two frequencies are available, one of which, that of network 4 would be for example 50, and that of network 8 by 2/3 of that of network 4, we obtain the following table of speeds:
If the frequency is 50:
EMI7.1
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In this way, we have 6 gears stepped from sixth to sixth.
The use of asynchronous machines synchronized with the AC could even be interesting in the
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16 2/3 or 25 period traction, the machines being able to reach 2000 or 3000 revolutions respectively, and smaller units can then be built. The machines will always be robust, since they can be built without a manifold, and will be usable both in industry and in any kind of traction.
Fig. 5 shows a machine with 2 inductor and armature windings and two collectors, a machine having the characteristic of a direct current series machine. The collector 11 corresponding to the winding 1 of the stator is stationary, while the collector 12, corresponding to the winding 2 of the rotor, will rotate at the speed of the latter. The brushes 13 of the 2 collectors must rotate at the speed of rotation of the magnetic field, speed determined by the set of gears 15. The rings 3 also rotate at the speed of the magnetic field, while they are connected to the network 4 , by brushes 13 which are stationary.
Fig. 6 is a side view of the machine shown in FIG. 5. In this figure, the gear device 15 drives a disc 16, which drives the rings 3, the brushes of the collectors 13 and any auxiliary switching poles 14 at the speed of the magnetic field, which is a speed between 0 and that of the rotor. This speed is half that of the rotor in the case of FIG. 6 because the device 15 is fixed on the one hand to the shaft 18 of the rotor, on the other hand to a stationary support 17 by large bevel gears which act indirectly on the disc 16 by small bevel gears @
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intermediaries. Device 15 may be constructed to produce other magnetic field velocities.
In fig. 5 and 6, windings 1 and 2 are connected in parallel.
Fig. 7 shows a machine similar to that of FIG. 5 but in which the coils 1 of the stator and 2 of the rotor are connected in series to the direct current network 4.
If the machine windings, according to fig. 5 are simultaneously connected to a DC network and to an AC network according to FIG. 1 we will obtain a synchronous commutator, the cos of which can be improved by capacitors 7.
The machine of FIG. 5 will primarily be used as a series characteristic DC motor. This machine will probably not be able to function as a self-excited generator. A possible battery will be able to provide for the excitation or at least its starting, excitation which can be amplified by capacitors such as those designated under number 7 in figs. 1, 3, and 4.
Fig. 8 shows the use of machines according to the invention in the case of driving an industrial machine 21. The machines 19 and 20 are coupled to two different shafts of a differential 23 at the third shaft. which is coupled the machine to be driven 21.20 is an ordinary asynchronous machine with armature in short circuit, for example, whose stop position is ensured by the electromagnetic brake 24, and whose direction of rotation can be changed using of the inverter 25. In the example described, we assume that this machine is provided with two rotating poles:
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at approximately 3000 revolutions in the case where the network 4 is at 50 periods.
Machine 19 is assumed to have 4 poles, rotating at a speed a little less than 1500 revolutions with armature in short circuit, and at a speed of 3000 revolutions when it operates as a synchronous machine, synchronized with the alternating current. Switch 5 connects its rotor to network 4, switch 9 being switched on. To synchronize the machine 19, the following procedure will be carried out: the machine 20 will be engaged in reverse gear, the switch 9 being open, and the switch 5 in the short circuit position.
In this event, the electromagnetic brake 22 acting on the shaft of the driven machine is blocked and the differential imposes on the machine 19 a speed close to 3000 revolutions in the positive direction. Switch 5 is then moved to the network position, and switch 9 closed when the phases are matched, controlled by known means. The brake 22 is simultaneously released and the two machines 19 and 20 rotate respectively at speeds + 3000 and - 3000 revolutions, so that the speed of the machine to be driven 21 remains practically zero. If now, the switch 29 controlling the machine 20 is opened, the latter is progressively braked by the electromagnetic brake 24 and the machine 21 begins to rotate up to the speed of 1500 revolutions.
If now switch 5 is engaged in the short-circuit position, the speed of the machine will be a little less than 750 revolutions, the gear ratio of the differential 23 being assumed to be 1/1/1. If in this position the machine 20 is engaged in the + direction, the machine 21 will turn at approximately 2250 revolutions and if the two
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machines 19 and 20 are connected so that they all turn 2 to 3,000 turns, machine 21 will also turn at 3,000 turns.
Fig. 9 shows an electric diesel drive diagram intended for example for driving the propeller or the wheels of a boat. This device is characterized by the fact that on the shaft of the motor 26 is mounted a main machine 20 which must operate as a main generator to actuate the motor 19, the speed of which is regulated by the action, on the winding of its rotor, of the machine 27, which is driven by motor 26 by means of an electromechanical differential device allowing the speed of machine 27 to be adjusted at least in part independently of that of motor 26. The electromechanical transmission device comprises an exciter 28, two main direct current machines 29 and 30 and a differential 23.
The current regulator 32 mounted in series with the machines 29 and 30 acts by means of the potentiometer 33 on the winding 34 of the excitation of the machine 29, the machine 30 being constantly energized by the winding. 31. The intensity of the current passing through the regulator 32 is fixed by the position of the lever 37 acting on the spring 38 and by its intervention on the position of the potentiometer 33. This device makes it possible to obtain a constant driving torque of the machine 27, whatever its speed, and consequently a constant power of the machine 19.
Assuming that the generator 20 is built for the full power of the diesel engine 26, the rated power of the machine 27 will only need to be one third and that of the machines 29 and 30 only one third. sixth of that of the
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machine 26 if we want to be able to obtain a speed adjustment of the machine 19 of plus or minus 33%, that is to say from 1 to 2 independently of the speed of the diesel engine 26. A speed regulator 39 acting by function of the speed of the Diesel engine 26, for example, could act on the potentiometer 33 in place of the intensity regulator 32. It would also be possible to simultaneously have the adjustment of the torque by the intensity regulator 32 and the adjustment of the speed of the engine 26 by the regulator 39.
Fig. 10 shows an example of the use of multiple armature machines 19 and 20 applied to railway traction such as a self-propelled motor or electric locomotive supplied in particular by single-phase alternating current at industrial frequency (50 or 60 periods). energy is supplied by the contact line 37 which supplies first of all the autotransformer 6 from which is derived a voltage with adjustable taps intended to supply the capacitor 7 which will usefully be a variable capacitor so as to obtain three-phase current in the internal network 4 by the above-mentioned known method.
Machines 19 and 20 can therefore have two speeds, either that they operate as asynchronous machines, switch 5 being in the short-circuit position, or that they operate as asynchronous machines synchronized with alternating current, rotor and stator being connected each for itself to network 4. The first speed would correspond usefully to the drive of the freight trains, and the second speed, twice the first, to that of the express trains; if the speeds are adjustable from 1 to 3, and the locomotive built for 150 km / h, the freight train position would allow to run from 25 to 75
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km / h, and the position for passenger trains from 50 to 150 km / h, in continuous mode.
The machine 19 is intended exclusively for driving the direct current machine 29, and for the exciter 28, while the machine 20 is coupled through the intermediary of a differential 23 to one of the axes of traction 21 at the same time as the direct current machine 30. In the regulation there will be installed a differential 23, a machine 20 and a machine 30 for each of the traction axes 21, the machines 20 or the machines 30 being normally connected to each other. in parallel.
If it is desired in continuous service to have a possibility of adjustment from 1 to 3, the power of the machine 30 may be provided for half that of the machines 2 If it is assumed, for example, that the present device is applied to a machine. locomotive with 4 traction axles with a total power of 3600 HP, the following electric machines must be installed in this locomotive:
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The regulator 32 acting on the potentiometer 33 allows:
to keep the locomotive torque constant for each position fixed for the lever 39, which will determine the tension of the spring 38 acting on the adjustment device.
All the device described is reversible, and the locomotive has a braking power equal to its tr-ction power.
Fig. 11 shows the use of a machine 19 according to
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the invention intended for driving a trolleybus; this machine will usefully be a machine synchronized with the alternating current, single-phase, for example at 6,000 volts. It could be polyphase if an electrostatic transformation device such as that described in fig. 10. The energy of the synchronous machine 19 is transmitted to the traction wheels of the trolleybus through the input of an electromechanical differential device composed of the machines 29 and 30 excited by means of the exciter 28 and of which the energy is regulated by the intensity regulator 32 acting on the potentiometer 33.
So that this trolleybus can operate at least temporarily in regions not provided with a contact line, it is provided with a flywheel 38 which can be started by the machine 30 when the clutch 39 is disengaged, the machine 30 being powered by the machine 29 operating as a generator and driven by machine 19 supplied by the network. By moving the clutch 39 to the position where it will be blocked by jaws 40, the trolleybus could operate on straight paths, for example at synchronous speed, the machines 29 and 30 having been previously brought to the same speed; during this circulation, the excess energy could be used to start the steering wheel.
An auxiliary motor 26, which should with interest be an internal combustion engine, would make it possible to maintain the operation of the trolleybus for a longer period of time outside the electrical supply network. When the vehicle is driven by the steering wheel 38 or by the motet 26, the role of the machines 29 and 30 is reversed using the switch 5. The steering wheel is mainly used in traffic.
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intermittent, because it will allow the use of a much weaker motor 26, of the order of magnitude of half of a motor having to fulfill the same purpose, in particular if the braking energy is returned to the flywheel 38 as well recovered.