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DISPOSITIF DE COMMANDE ELECTRONIQUE POUR MOTEURS A COURANT CONTINU.
@ La présente invention se rapporte aux dispositifs à commande électronique pour alimenter les moteurs à courant continu au moyen d'une source à courant alternatif.
L'invention a pour but la réalisation d'un dispositif du type men- tionné capable de fonctionner avec récupération, c'est-à-dire permettant au moteur de restituer de l'énergie à la ligne d'alimentation à courant alter- natif quand il fonctionne dans certaines conditions de charge. Plus particu- lièrement, l'invention a pour but d'assurer une telle récupération sans la né- cessité de contacteurs inverseurs et à l'aide d'un minimum de tubes de com- mande et d'appareillage accessoire.
Comme on l'expliquera plus loin, l'invention comprend un dispositif dans lequel le courant d'induit et l'excitation sont tous deux commandés élec- troniquement. En ce qui concerne cette commande, l'invention a encore pour buts de procurer un dispositif dans lequel le même moyen de commande agit sur le redresseur d'induit et les redresseurs d'inducteur, et d'organiser automa- tiquement la commande commune de telle façon que le redresseur d'induit ne démarre qu'après excitation de l'inducteur.
Un autre but de l'invention est de réaliser un dispositif moteur qui, quoique capable de récupération sans l'aide de commutateurs, a sa vitesse d'entraînement réglée et stabilisée, en principe,par une commande et une ré- gulation correspondantes de ses redresseurs d'induit et donc par une variati- on de son courant d'induit plutôt que par une variation de l'amplitude de son excitation:, ce qui assure une grande stabilité de commande même à de fai- bles vitesses à cause de la présence d'une forte excitation et d'un courant d'induit réduit de manière correspondante aux faibles vitesses.
Conformément à une caractéristique de l'invention, le moteur à cou- rant continu est pourvu, d'inducteurs doubles donnant des couples respective- ment opposés et reliés à une alimentation en courant alternatif par l'inter- médiaire de groupes respectifs de tubes redresseurs d'excitation réglables ay- ant tous un conducteur ou un point de potentiel commun avec la cathode d'un redresseur réglable pour le circuit d'induit.Partant de cette connexion catho-
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dique commune, les circuits de grille pour les tubes redresseurs d'induit et d'excitation sont réunis de sorte qu'un seul moyen de commande, tel que la différence entre une tension de référence et une tension proportionnelle à la vitesse,
commande les redresseurs d'excitation et le redresseur d'induit en relation mutuelle correcte. Grâce à cette caractéristique, le dispositif réalise ses commandes avec un minimum d'appareillage de commande électroni- que.
Conformément à une autre caractéristique de l'invention, et dans le cas d'un dispositif moteur avec deux redresseurs d'excitation pour alimen- ter l'inducteur dans l'un et dans l'autre sens respectivement, les deux re- dresseurs d'excitation ont leurs circuits de grille respectifs connectés aux bornes de résistances respectives dans les deux circuits plaque ou de sortie d'un amplificateur push-pull à un ou plusieurs étages qui règle les tensions . aux bornes des deux résistances en sens mutuellement opposés ;
et les grilles de l'étage d'entrée de l'amplificateur sont reliées entre elles à travers deux résistances qui ont un point intermédiaire commun relié aux cathodes associées et dont les autres extrémités sont reliées entre elles par deux sources de tensions de commande opposées, l'une ayant une polarité et une amplitude dé- terminées par la grandeur et le sens de la vitesse du moteur et l'autre ay- ant sa polarité et son amplitude déterminées par le sens et l'importance du déplacement d'un élément de commande par rapport à une position zéro de ré- férence..
Ces buts et caraétéristiques de l'invention ainsi que d'autres ressortiront clairement de la description suivante 'de la forme d'exécution d'un dispositif moteur conforme à l'invention, représentée par le schéma de principe du dessin annexé.-
Dans la description suivante, des références sont faites, entre parenthèses,à des types commerciaux'de tubes électroniques et à des données numériques de quantités électriques. Ces références ne sont données quq com- me exemple d'une des possibilités d'application de l'invention et ne sont pas exclusives.
Le dispositif est alimenté par une ligne à courant alternatif à travers un transformateur principal 1 avec des enroulements secondaires 2, 3, 4 et 5.
Le moteur à courant continu à alimenter et commander a une borne de son induit 6 reliée à la prise médiane de l'enroulement secondaire 2 et a deux induceurs 7 et 8. L'autre borne de l'induit 6 est reliée aux cathodes des deux tubes redresseurs 11 et 12 dont les anodes respectives sont reliées aux extrémités du secondaire 2. Les tubes Il et 12 consistent en disposi- tifs réglables à gaz ou à décharge à arc par exemple des thyratrons (type WL- 672).
Une génératrice tachymétrique 13 est reliée à l'induit 6 ou à une partie de l'appareillage entraîné par le moteur, la liaison étant représentée schématiquement par un arbre 14. Les bornes de sortie de la génératrice 13 sont mises aux bornes d'un rhéostat potentiométrique 15. La tension appli- quée par la génératrice aux bornes du rhéostat 15 est proportionnelle à la vitesse à commander et stabiliser.
Les conducteurs d'anode des redresseurs d'induit 11 et 12 contien- nent les primaires 16 et 17 d'un transformateur de courant 18 'dont le secon- daire produit une tension proportionnelle au courant d'induit. Un redresseur biplaque représenté par un tube double 21 (type 6 X5) est relié au secondaire 19 et son circuit de sortie est connecté aux bornes d'un circuit potentiomé- trique composé d'une résistance 22 (20.060 ohms) et d'une résistance 23 (33.000 ohms). La tension redressée, apparaissant aux bornes des résistances 22 et 23, est filtrée par un condensateur 24 (1 mfd).
Cette tension est proportionnelle au courant d'induit et sert à produire une commande de limitation de courant évitant un courant de charge d'induit excessif et aussi réglant l'accélération du moteur, comme il sera expliqué ultérieurement.
L'inducteur 7 est alimenté par l'enroulement secondaire 3 à travers
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deux tubes redresseurs 25 et 2 6 montés en biplaque. L'inducteur 8 est alimen- té par le secondaire 4 à travers deux tubes redresseurs 27 et 28 montés en biplaque. Les tubes 25, 26, 27, 28 sont des dispositifs à décharge à gaz ré- glables, par exemple, des thyratrons (type 3C23). Toutes leurs cathodes sont réunies par un conducteur 29 qui est relié aux cathodes des tubes redresseurs d'induit 11 et 12.
Comme l'exposé suivant le montrera, l'emploi d'une connexi- on cathodique commune 29 pour tous les redresseurs d'induit et d'excitation simplifie considérablement les circuits de commande accessoires et réduit en proportion le nombre de tubes de commande électroniques, les alimentations de courant et autres accessoires..
Les tensions et courant fournis par les tubes.redresseurs 11 et 12 à l'induit 6 dépendent de la phase du point d'allumage de ces tubes par rapport à la tension anodique alternative, et cette phase est commandée par les conditions de tension dans le circuit de commande associé. Celui-ci part des grilles de commande respectives 31, 32 et passe par les résistances de grille respectives 33, 34 (chacune 220. 000 ohms) pour aboutir au secondaire d'un transformateur déphaseur 35 (50 volts au secondaire).
Le primaire du transformateur 35 fait partie d'un circuit déphaseur 36 alimenté par le se- condaire 5. Le circuit de commande du redresseur d'induit part du point milieu A de l'enroulement secondaire du transformateur 35, et passe par -on conduc- teur.37 et une résistance 38 (68.000 ohms) pour aboutir à un point B auquel est reliée le cathode'd'un tube à décharge lumineuse 39. Le tube 39 est de préférence un tube à cathode froide habituellement utilisé pour les régulations de tension (type VR-150) et a une tension de rupture fixe (150 volts).
Du point B, le circuit de commande du redresseur d'induit se subdivise en deux parties parallèles. Une partie part du point B par une résistance 41 (220. 000 ohms), un point C et de là par une résistance 42 (33.000 ohms) à un point D. L'autre partie part du point B par une résistance 43 (220. 000 ohms), un point E et de là par une résistance 44 (33. 000 ohms) au point D.
Du point D, le circuit de grille passe par une résistance 46 (10. 000 ohms) pour aboutir au point F qui est relié électriquement par un conducteur 47 au conducteur cathodique commun 29.
Ce circuit de commande du redresseur d'induit contient trois sources de composantes de tension de grille pour chaque tube 11 et 12.Une composante de tension de grille est fournie par le transformateur de grille 35 et consiste en une tension alternative synchrone avec la tension anodi- que des tubes redresseurs respectifs mais déphasée par rapport à elle de façon appropriée.
Une seconde source de tension de grille pour le redresseur d'in- duit est représentée par la résistance 46. Celle-ci reçoit une tension con- tinue constante qui représente une polarisation de grille constante pour le circuit de commande des redresseurs d'induit. La chute de tension constante aux bornes de la résistance 46 provient d'une source de courant continu com- posée comme suit. Un transformateur 48 est alimenté par le secondaire 5 et applique sa tension de sortie à un redresseur double 49 (type 5Y3).
La ten- sion' redressée par le tube 49 est filtrée au moyen des condensateurs 51 (2 mfd), 52 (8 mfd) et d'une self 53 et est appliquée par l'intermédiaire d'une résistance 55 (1500 ohms) aux bornes d'une combinaison série limitée entre les points D et G et comprenant la résistance susmentionnée 46, une résis- tance 57 6.000 ohms) et un tube régulateur de tension 58. Le tube 58 peut être du type à cathode froide, (type VR 150). La tension redressée et filtrée appliquée entre les points d'extrémité D et G de la combinaison série préci- tée peut atteindre 375 volts. Avec les chiffres donnés comme exemple, la chu- te de tension aux bornes du tube 58 reste constante à 150 volts.
La chute de tension aux bornes de la résistance 57 est constante et vaut environ 85 volts, tandis que la chute de tension avx bornes de la résistance 46 est constante à environ 140 volts et, comme il a été dit, sert de polarisation constante de grille pour le circuit de commande des tubes redresseurs d'induit.
Une troisième source de tension de grille pour le redresseur d'in- duit est représentée par les résistances 42 et 44 réunies. La tension appli-
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quée au circuit de commande par ces résistances est variable et détermine la phase du point d'allumage et donc les tension et courant du circuit d'induit.
La tension variable aux bornes des résistances 42 et 44 est réglée par les dispositifs suivants. Les résistances 42 et 44 sont des charges respectives pour les circuits anodiques d'un tube amplificateur 61 (type 6SN7), dont les grilles de commande sont désignées par ? et 63 respectivement. Un circuit plaque du tube 61 part d'une des anodes et passe par le pointC, la résis- tance 42, le point D, la résistance 46, le point F et la résistance 57 pour aboutir à un point H du conducteur cathodique commun du tube 61.
L'autre circuit plaque part de l'autre apode, et passe par le point E, la résistance 44, le point D, la résistance 46, le point F, la résistance 57 pour aboutir au point H. Les deux circuits anodiques sont alimentés par la chute de ten- sion constante aux bornes des résistances 46 et 57. La tension variable ap- pliquée aux résistances 42 et 44 dépend de la conductivité des chemins de décharge respectifs du tube 61, et cette conductivité est réglée par les con- ditions de tension dans les circuits respectifs des grilles 62 et 63 de la manière décrite ci-dessous.
Une quatrième source de composante de tension de grille pour les tubes redresseurs d'induit il et 12 est constituée par la résistance 38.
Celle-ci ne sert cependant de source de tension de grille que lorsque le tube 39 est conducteur, c'est-à-dire quand le courant du circuit d'induit du mo- teur dépasse une valeur déterminée à laquelle la tension appliquée au tube 39 dépasse sa tension de rupture (150 volts). La tension apparaissant alors aux bornes de la résistance 38 change la phase des points dallumage des tubes redresseurs d'induit dans le sens voulu pour réduire et limiter le cou- rant d'induit. La valeur du courant pour laquelle le tube 39 et la résistan- ce 38 entrent en jeu est réglable au moyen du rhéostat 22.
On a expliqué que le courant d'induit dépend normalement de la conductance et des conditions dans le circuit de grille du tube 61. Le cir- cuit de grille du tube 61 a une partie partant de la grille 62 et passant par une résistance 64. (220.000 ohms), le point I, une résistance 65 (68.000 ohms), le point F, la résistance 57 pour aboutir au point H.
L'autre partie du circuit de grille passe de la grille 63 par une résistance 66 (220.000 ohms) et une résistance 67 (68.000 ohms) pour aboutir au point F. De là, elle suit le même chemin que la première partie jusqu'au point H. Le circuit de grille du tube 61 'comprend la résistance 57 qui sert de cource de polarisation de grille constante, et chacune de ses parties de circuit contient aussi la résistance 65 ou 67 comme source de polarisation de grille variable. Cette polarisation de grille variable commande la con- ductance des chemins de décharge respectifs du tube 61 et dépend de la cpn- dition de fonctionnement d'un tube double de commande 68 (type 6SL7).
Un circuit anodique du tube 68 passe par les résistances 65 et 57, le tube 58, le point G et une résistance 69 (1. 000 ohms) pour aboutir à un point J commun aux cathodes du tube 68. L'autre circuit anodique passe par le point K, la résistance 67, la résistance 57, le tube 58, le point G et la résistance 69 pour aboutir au point de cathode J. Les deux circuits anodiques du tube 68 sont alimentés par la chute de tension aux bornes de la résistan- ce 57 et du tube 58. La tension variable apparaissant aux bornes des résis- tances 65 et 67 dépend de la conductance des chemins de décharge respectifs du tube 68, et cette conductance est réglée par les conditions des circuits de grille associés aux grilles de commande respectives 71 et 72.
Les circuits des grilles 71 et 72 passent par des résistances res- pectives 73, 74 (chacune 220.000 ohms) et des résistances respectives 75, 76 (chacune 33.000 ohms) pour aboutir à un point commun relié par la résistance 69 au point de cathode J du tube 68. Les deux chemins de décharge du tube 68 sont ainsi commandés par les chutes de tension variables appliquées aux résis- tances 75 et 76. Cette chute de tension est le résultat de la différence entre deux tensions de commande. Une d'elles est prise à la partie de dérivation du rhéostat tachymétrique 15 et est, comme il a été dit, proportionnelle à la vi- tesse à commander et stabiliser. L'autre est fournie par une tension constante
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composée de la façon suivante..
Un transformateur 77 est alimenté par le secondaire 5 du transfor- mateur principal 1 et applique sa tension secondaire à un redresseur double 78 (type 6X5). La tension redressée est appliquée par une résistance 79 (4.000 ohms) aux bornes d'un condensateur 81 (4 mfd) shunté par la combinaison sé- rie du tube régulateur de tension 82 et de la résistance 83 (6..000 ohms)..
Le tube 82 consiste de préférence en tube à décharge à cathode froide (type VR 150). Aux bornes du tube 82 se trouve un rhéostat de commande de vitesse 84 avec une prise médiane fixe au point L et un curseur M. Celui-ci est re- lié au curseur du rhéostat tachymétrique 15 par le contact 85 d'un relais CR dont la bobine 86 est alimentée par le sècondaire 5 . Le relais CR ferme le contact 85 chaque fois que le transformateur 1 est suffisamment alimenté..
Ce qui précède démontre que les redresseurs d'induit 11 et 12 sont commandés en fonction de la somme algébrique des deux tensions de commande provenant de la partie ajustée du rhéostat de commande de vitesse 85 et de la partie active du rhéostat tachymétrique 15 respectivement, cette commande se faisant par l'intermédiaire du tube 68 et du tube 6l de manière à varier la chute de tension aux bornes des résistances 42 et 44 qui appliquent des - tensions de grille variables respectivement aux deux tubes redresseurs d'in- duit .
Avant d'expliquer le détail du fonctionnement de cette commande, une description sera donnée des circuits de grille pour les tubes redresseurs d'excitation, Le circuit de grille pour les tubes redresseurs d'excitation 25 eb 26 passe par des résistances respectives 87 et 88 (220. 000 ohms cha- cure) qui aboutissent aux extrémités de l'enroulement secondaire d'un trans- formateur de tension de grille 89 qui fait partie d'un circuit déphaseur 90 et est alimenté par le secondaire 5 du transformateur principal 1.
Le circuit de grille avec les tubes 25 et 26 va de la prise média- ne du secondaire du transformateur 89 au point C et par les résistances 42 et 46 au conducteur 47 relié au conducteur cathodique commun 29.
Le circuit de- grille pour les'tubes redresseurs d'excitation 27 et 28 passe par les résistances 91 et 92 (220. 000 ohms chacune) à un transfor- mateur de grille 93 qui fait partie d'un transformateur déphaseur 94 alimenté par le secondaire 5. La prise médiane du secondaire du transformateur 93 est reliée au point E et va par les résistances 44 et 46 au conducteur 47 et au conducteur cathodique commun 29.
Les'circuits de grille pour les deux groupes de tubes redresseurs d'excitation comprennent chacun une source de composante alternative de ten- sion de grille représentée par le transformateur 89 ou 93, et aussi une sour- ce de tension de polarisation de grille constante représentée par la résistan- ce 46. De plus, le circuit de grille pour les tubes 25 et 26 comprend la ré- sistance 42 qui fournit une composante continue variable fonction de la vites- se dont l'amplitude décide si les tubes 25 et 26 sont conducteurs ou non. De même, le circuit de 'grille pour les tubes redresseurs d'excitation 27 et 28 comprend la résistance 44 qui sert de source de tension variable commandée par la vitesse de manière à rendre les tubes 27 et 28 conducteurs ou non.
C'est un avantage essentiel que la polarisation constante de gril- le pour les redresseurs d'excitation prise à la résistance 46, provient de la même source de courant continu qui fournit la polarisation constante de grille pour les redresseurs d'induit. On remarquera aussi que .les résistances 42 et 44 qui déterminent le point d'allumage des redresseurs d'excitation sont les mêmes éléments qui commandent le point d'allumage des tubes redres- seurs d'induit, Par conséquent, les circuits susmentionnés comprenant les tubes 61 et 68, ainsi que le rhéostat tachymétrique 15 et le rhéostat de com- mande de vitesse 84, servent aussi à régler l'allumage des redresseurs d'ex- citation.
De cette manière, comme il ressortira plus clairement de la descrip- tion suivante du dispositif complet, le même groupe d'appareils de commande servent à commander conjointement les redresseurs d'induit et d'excitation en corrélation les uns avec les autres. Non seulement on obtient ainsi un foncti-
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onnement intéressant du système mais surtout une réduction considérable de l'appareillage et une simplification correspondante des circuits et de leurs réglages.
Un condensateur 95 (2 mfd), en série avec une résistance-96 (22.000 ohms), est connecté entre les cathodes des tubes redresseurs d'induit 11 et 12 et la prise médiane A du secondaire du transformateur de grille 35. Le circuit 95-96 a l'effet d'éviter l'emballement de la commande du redresseur d'induit et limite aussi les pointes de courant pouvant être imposées avx redresseurs d'induit, spécialement pendant le tout début des périodes de dé- marrage.
Les condensateurs 97, 98, 99 et 100 sont les condensateurs de gril- le habituels de faible capacité (0,005 mfd). Les deux parties du tube 61 sont de préférence pourvues d'un circuit de contre-réaction pour empêcher les ten- dances à l'emballement. Un circuit de contre-réaction comprend un condensateur 101 (0,01 mfd) et une résistance 102 (22. 000 ohms) et est inséré entre une a- node et la grille associée 62 du tube 61. L'autre circuit de contre-réaction comprend une condensateur 103 (0,01 mfd) et une résistance série 104 (22. 000 ohms) et est inséré entre l'autre anode et la grille 63.
L'ensemble du dispositif fonctionne de la façon suivante.
Soit le point M du rhéostat de commande de vitesse 84 au même po- tentiel que le point L. Avec ce réglage et le contact 85 du relais Cr fermé, les points P et Q sont au potentiel du point R. Les grilles 71, 72 reliés aux points P et Q respectivement sont négatives d'une quantité déterminée par le réglage de la résistance de commande de polarisation 69. Comme avec des potentiels de grille égaux, les deux parties du tube 68 conduisent des cou- rants de même intensité, les points I et K sont au même potentiel par rapport au point H. Dans ces conditions, les deux parties du tube 61 conduisent des courants de même intensité.
Il s'en suit que les points E, C et B sont au même potentiel par rapport au point F. En choisissant convenablement les cons- tantes de circuit, les points E, C et B peuvent être assez négatifs par rap- port au point F, pour mettre tous les thyratrons au cut-off. Ces conditions ne conviennent donc pas pour que le moteur développe un couple positif. Ce réglage du point 14 peut donc être considéré comme le réglage de "repos".
Il faut remarquer qu'au point de vue potentiel le point B se trouve à peu près à mi-chemin entre le point D et les points C,E.
Si on amène le point M vers le haut, c'est-à-dire vers l'extrémi- é positive du potentiomètre de commande 84, le point P devient positif par rapport au point R, et le point Q devient négatif par rapport au point R.
Les intensités de courant dans le tube 68 changent de façon que le point K devienne plus positif et le point I plus négatif par rapport au point H, par comparaison à la position de repos. Pour des motifs semblables, les courants deviennent inégaux dans les deux parties du tube 61 et le point C devient plus positif par rapport au point F, le point E devenant plus négatif par rapport au point F, en comparaison au réglage de repos du point M.Donc, en rendant le point C assez positif par rapport au point F, les tubes 25 et 26 conduisent le courant dans l'inducteur (inverse) 7. Les grilles des tubes 27 et 28 sont rendues plus négatives que dans le cas du réglage de repos du point H et ne peuvent donc pas envoyer de courant à l'inducteur (marche avant) 8.
A cause des caractéristiques non linéaires du tube 61, et du fait que le point B se trouve à mi-chemin entre les points E et C, le potentiel du point B ne varie pas autant par rapport aux F que ne le font les potentiels des points E et C.
A cause du déplacement mentionné du point M, la partie du tube 61 reliée au point I se rapproche du cut-off. Le point B devient plus positif par rapport au point F, mais moins que le point C. C'est pourquoi, l'inducteur à exciter peut recevoir sa pleine tension, et cela se produira avant que les tubes d'in- duit conduisent le courant. Ceci est une condition favorable pour un bon fonc- tionnement, quand on commande le couple moteur par réglage du courant d'induit.
En supposant toujours le point 1.1 déplacé, comme il a été dit ci-des- sus, vers l'extrémité positive (supérieure) du rhéostat 84, on suppose cette
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fois qu'il l'est suffisamment pour permettre le courant d'induit approprié.
Comme l'inducteur 7 (marche arrière) n'est pas à pleine tension, suivant 1' eicposé ci-dessus, le couple approprié est produit et le moteur se met à tour- ner. Quand la vitesse augmente, la tension tachymétrique augmente proportion- nellement.-Le rhéostat tachymétrique 15 est connecté avec une polarité telle qu'il tend à ramener le potentiel résultant des points P et Q par rapport au point R à la valeur de repos, c'est-à-dire zéro. Donc, quand la vitesse du moteur augmente, l'angle d'allumage des tubes 11 et 12 se modifie de façon que le courant d'induit est juste suffisant à fournir le-couple exigé.
En d' autres mots, la vitesse pour n'importe quelle tension de référence du rhéostat 84 est telle, que la différence entre la tension de référence et la tension tachymétrique est juste suffisante pour régler l'angle d'allumage des tubes 11 et 12 de manière à laisser passer dans l'induit le courant voulu.
Si le point de référence M est écarté du point de repos dans l'autre sens, 1'inducteur de marche avant 8 reçoit du courant et le moteur tournera en marche avant pour des raisons analogues à celles données pour 1' inducteur de marche arrière.
Quand le moteur tourne à une certaine vitesse et que le point M est poussé vers le point de repos, le résultat est le même que si le point M était écarté du point de repos d'une quantité qui produirait une tension de référence égale à la différence entre la tension tachymétrique et la tension de référence mais de polarité opposée à celle du déplacement original. Donc, l'inducteur de marahe inverse est alimenté en courant et un couple négatif sera produit avec récupération, si les conditions sont appropriées,
Si on suppose que le moteur tourne à une certaine vitesse et que le couple positif de charge est augmenté, le moteur tendant donc à ralentir, toute réduction de vitesse augmente la différence entre les tensions de ré- férence et tachymétrique.
L'angle d'allumage des tubes 11 et 12 change et l'induit reçoit plus de courant, restituant la vitesse normale. Par consé- quent, la vitesse est stabilisée de manière à rester à.la valeur déterminée par le réglage du point M, indépendamment des variations de charge dans la gamme de charges admise.
Si le moteur tourne à une certaine vitesse avec un couple de char- ge positif, et que le couple devient négatif (entraînement), le moteur tend à s'emballer et la tension tachymétrique dépasserait la tension de référence.
Le résultat est le même que si.le point M était écarté du point de repos dans une direction opposée à celle du déplacement original d'une quantité qui pro- duirait une tension de référence égale à la différence entre la tension ta- chymétrique et la tension de référence. Il y aura récupération si les autres conditions sont appropriées,
Dans les conditions décrites ci-dessus dé réglages de polarisati- on, tout changement des conditions de fonctionnement amenant de la récupéra- tion, c'est-à-dire un couple opposé au sens de marche, met l'autre redresseur d'excitation et l'autre inducteur en marche, ce qui permet la récupération aussi longtemps que le couple moteur-reste opposé à celui produit par le champ créé par le nouvel inducteur mis en route.
Ce fonctionnement peut être considéré en principe comme une commande "flip-flop" de l'excitation du mo- teur. Cela veut dire que, pour tout changement majeur des conditions de com- mande ou de fonctionnement amenant un couple négatif (récupération), le sens - de l'inducteur du moteur est inversé et intervient immédiatement à puissance appréciable ou normale, alors que la stabilisation de la vitesse est toujours maintenue par la commande du redresseur d'induit.
Il est évident que l'on peut apporter diverses modifications aux dispositifs conformes à l'invention sans sortir de son cadre. Par exemple, on peut utiliser du redressement monophasé ou polyphasé. pour les redresseurs d' induit ou d'excitation ou les deux, ou bien deux tubes séparés au lieu des tubes doubles représentés. Le nombre d'étages amplificateurs entre les sour- ces de tensions de commande (15, 84) et les redresseurs'd'excitation peut être différent, ou bien on peut utiliser une seule source de courant continu à tension constante au lieu des deux représentées au dessin. De telles modifica-
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tions ou d'autres équivalentes sont trop évidentes et faciles à comprendre sur la base de l'exemple donné, pour exiger d'autres explications.
Il est donc entendu que l'invention n'est pas limitée à la forme d'exécution par- ticulière décrite mais qu'elle peut être mise en application de différentes manières sans s'écarter des buts et des principales caractéristiques de 1' invention.
EMI8.1
P U i p I C g T I 0 1 S
1) Dispositif moteur électrique, comprenant un dispositif d'ali- mentation en courant alternatif, un moteur à courant continu ayant un induit et un inducteur, un dispositif électronique redresseur d'induit et un dispo- sitif électronique redresseur d'inducteur reliant respectivement l'induit et l'inducteur au dispositif d'alimentation, les dispositifs redresseurs ayant un conducteur cathodique commun et des circuits de grille respectifs et des dispositifs de commande insérés entre le conducteur précité et les circuits de grille-respectifs et ayant une source de tension variable pour commander les deux dispositifs redresseurs.
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ELECTRONIC CONTROL DEVICE FOR DIRECT CURRENT MOTORS.
@ The present invention relates to electronically controlled devices for supplying direct current motors by means of an alternating current source.
The object of the invention is to provide a device of the type mentioned capable of operating with recovery, that is to say allowing the motor to restore energy to the AC supply line. when it works under certain load conditions. More particularly, the object of the invention is to ensure such recovery without the need for reversing contactors and with the aid of a minimum of control tubes and accessory equipment.
As will be explained later, the invention comprises a device in which the armature current and the excitation are both electronically controlled. With regard to this control, another object of the invention is to provide a device in which the same control means act on the armature rectifier and the inductor rectifiers, and to automatically organize the common control of such that the armature rectifier does not start until after the inductor has been energized.
Another object of the invention is to provide a motor device which, although capable of recovery without the aid of switches, has its drive speed set and stabilized, in principle, by corresponding control and regulation of its. armature rectifiers and therefore by a variation of its armature current rather than by a variation of the amplitude of its excitation :, which ensures great control stability even at low speeds because of the presence of strong excitation and correspondingly reduced armature current at low speeds.
In accordance with a characteristic of the invention, the direct current motor is provided with double inductors giving respective opposite torques and connected to an alternating current supply via respective groups of rectifier tubes. adjustable excitation all having a common conductor or point of potential with the cathode of an adjustable rectifier for the armature circuit.
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Common dique, the grid circuits for the armature and excitation rectifier tubes are joined together so that only one control means, such as the difference between a reference voltage and a voltage proportional to the speed,
controls the field rectifiers and the armature rectifier in correct mutual relation. Thanks to this feature, the device performs its commands with a minimum of electronic control equipment.
According to another characteristic of the invention, and in the case of a motor device with two excitation rectifiers for supplying the inductor in one direction and in the other direction respectively, the two rectifiers d The excitation have their respective gate circuits connected to the respective resistance terminals in the two plate or output circuits of a single or multistage push-pull amplifier which regulates the voltages. across the two resistors in mutually opposite directions;
and the gates of the input stage of the amplifier are connected to each other through two resistors which have a common intermediate point connected to the associated cathodes and whose other ends are connected to each other by two sources of opposite control voltages, one having a polarity and an amplitude determined by the magnitude and the direction of the speed of the motor and the other having its polarity and its amplitude determined by the direction and the magnitude of the displacement of an element of control with respect to a reference zero position.
These aims and characteristics of the invention as well as others will emerge clearly from the following description of the embodiment of a motor device according to the invention, represented by the block diagram of the appended drawing.
In the following description, references are made, in parentheses, to commercial types of electron tubes and to digital data of electrical quantities. These references are given only as an example of one of the possibilities of application of the invention and are not exclusive.
The device is powered by an AC line through a main transformer 1 with secondary windings 2, 3, 4 and 5.
The direct current motor to be supplied and controlled has a terminal of its armature 6 connected to the center tap of the secondary winding 2 and has two inducers 7 and 8. The other terminal of the armature 6 is connected to the cathodes of the two. rectifier tubes 11 and 12, the respective anodes of which are connected to the ends of the secondary 2. The tubes II and 12 consist of adjustable gas or arc discharge devices, for example thyratrons (type WL-672).
A tachometric generator 13 is connected to the armature 6 or to a part of the equipment driven by the motor, the connection being represented schematically by a shaft 14. The output terminals of the generator 13 are placed at the terminals of a rheostat. potentiometric 15. The voltage applied by the generator to the terminals of the rheostat 15 is proportional to the speed to be controlled and stabilized.
The anode conductors of armature rectifiers 11 and 12 contain the primaries 16 and 17 of a current transformer 18 ', the secondary of which produces a voltage proportional to the armature current. A two-plate rectifier represented by a double tube 21 (type 6 X5) is connected to the secondary 19 and its output circuit is connected to the terminals of a potentiometric circuit composed of a resistor 22 (20.060 ohms) and a resistor. 23 (33,000 ohms). The rectified voltage, appearing across resistors 22 and 23, is filtered by a capacitor 24 (1 mfd).
This voltage is proportional to the armature current and serves to produce a current limiting control avoiding excessive armature load current and also regulating the acceleration of the motor, as will be explained later.
Inductor 7 is supplied by secondary winding 3 through
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two rectifier tubes 25 and 2 6 mounted in biplate. The inductor 8 is supplied by the secondary 4 through two rectifier tubes 27 and 28 mounted as a two-plate. Tubes 25, 26, 27, 28 are adjustable gas discharge devices, for example, thyratrons (type 3C23). All their cathodes are joined by a conductor 29 which is connected to the cathodes of the armature rectifier tubes 11 and 12.
As the following discussion will show, the use of a common cathode connection 29 for all the armature and excitation rectifiers considerably simplifies the accessory control circuits and proportionally reduces the number of electronic control tubes, power supplies and other accessories.
The voltages and current supplied by the rectifier tubes 11 and 12 to the armature 6 depend on the phase of the ignition point of these tubes with respect to the alternating anode voltage, and this phase is controlled by the voltage conditions in the associated control circuit. This starts from the respective control gates 31, 32 and passes through the respective gate resistors 33, 34 (each 220,000 ohms) to end at the secondary of a phase-shifting transformer 35 (50 volts at the secondary).
The primary of transformer 35 forms part of a phase shifting circuit 36 supplied by secondary 5. The control circuit of the armature rectifier starts from the midpoint A of the secondary winding of transformer 35, and passes through -on conduc - tor. 37 and a resistor 38 (68,000 ohms) to end at a point B to which is connected the cathode of a light discharge tube 39. The tube 39 is preferably a cold cathode tube usually used for the regulation of voltage (type VR-150) and has a fixed breakdown voltage (150 volts).
From point B, the armature rectifier control circuit is subdivided into two parallel parts. One part starts from point B via a resistor 41 (220,000 ohms), a point C and from there via a resistor 42 (33,000 ohms) to a point D. The other part starts from point B via a resistor 43 (220 . 000 ohms), a point E and from there by a resistance 44 (33. 000 ohms) to point D.
From point D, the gate circuit passes through a resistor 46 (10,000 ohms) to end at point F which is electrically connected by a conductor 47 to the common cathode conductor 29.
This armature rectifier control circuit contains three sources of gate voltage components for each tube 11 and 12 A gate voltage component is supplied by the gate transformer 35 and consists of an alternating voltage synchronous with the anodized voltage. - that of the respective rectifier tubes but out of phase with respect to it in an appropriate manner.
A second gate voltage source for the induction rectifier is represented by resistor 46. This receives a constant DC voltage which represents a constant gate bias for the control circuit of the armature rectifiers. The constant voltage drop across resistor 46 is from a direct current source composed as follows. A transformer 48 is supplied by the secondary 5 and applies its output voltage to a double rectifier 49 (type 5Y3).
The voltage rectified by tube 49 is filtered by means of capacitors 51 (2 mfd), 52 (8 mfd) and an inductor 53 and is applied via a resistor 55 (1500 ohms) to the terminals of a limited series combination between points D and G and comprising the aforementioned resistor 46, a resistor 57 6.000 ohms) and a voltage regulator tube 58. The tube 58 may be of the cold cathode type, (type VR 150). The rectified and filtered voltage applied between the D and G end points of the above series combination can reach 375 volts. With the figures given as an example, the voltage drop across tube 58 remains constant at 150 volts.
The voltage drop across resistor 57 is constant and is about 85 volts, while the voltage drop across resistor 46 is constant at about 140 volts and, as has been said, serves as a constant gate bias. for the armature rectifier tube control circuit.
A third gate voltage source for the induction rectifier is represented by resistors 42 and 44 together. The applied voltage
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that the control circuit by these resistors is variable and determines the phase of the ignition point and therefore the voltage and current of the armature circuit.
The variable voltage across resistors 42 and 44 is regulated by the following devices. The resistors 42 and 44 are respective loads for the anode circuits of an amplifier tube 61 (type 6SN7), the control gates of which are designated by? and 63 respectively. A plate circuit of the tube 61 starts from one of the anodes and passes through point C, resistance 42, point D, resistance 46, point F and resistance 57 to end at a point H of the common cathode conductor of the tube. tube 61.
The other plate circuit starts from the other apode, and passes through point E, resistor 44, point D, resistor 46, point F, resistor 57 to end at point H. The two anode circuits are powered. by the constant voltage drop across resistors 46 and 57. The variable voltage applied to resistors 42 and 44 depends on the conductivity of the respective discharge paths of tube 61, and this conductivity is regulated by the conditions voltage in the respective circuits of the gates 62 and 63 as described below.
A fourth gate voltage component source for the armature rectifier tubes 11 and 12 is resistor 38.
However, this only serves as a gate voltage source when the tube 39 is conductive, that is to say when the current of the armature circuit of the motor exceeds a determined value at which the voltage applied to the tube. 39 exceeds its breakdown voltage (150 volts). The voltage then appearing across resistor 38 changes the phase of the ignition points of the armature rectifier tubes in the desired direction to reduce and limit the armature current. The value of the current for which the tube 39 and the resistor 38 come into play is adjustable by means of the rheostat 22.
It has been explained that the armature current normally depends on the conductance and conditions in the grid circuit of tube 61. The grid circuit of tube 61 has a portion extending from grid 62 and passing through a resistor 64. (220,000 ohms), point I, a resistor 65 (68,000 ohms), point F, resistor 57 to end at point H.
The other part of the gate circuit passes from gate 63 through resistor 66 (220,000 ohms) and resistor 67 (68,000 ohms) to end at point F. From there it follows the same path as the first part to point H. The grid circuit of tube 61 'includes resistor 57 which serves as a constant gate bias course, and each of its circuit portions also contains resistor 65 or 67 as a variable gate bias source. This variable gate bias controls the conductivity of the respective discharge paths of tube 61 and is dependent on the operating mode of a dual control tube 68 (type 6SL7).
An anode circuit of the tube 68 passes through the resistors 65 and 57, the tube 58, the point G and a resistor 69 (1000 ohms) to end at a point J common to the cathodes of the tube 68. The other anode circuit passes through point K, resistor 67, resistor 57, tube 58, point G and resistor 69 to end at cathode point J. The two anode circuits of tube 68 are supplied by the voltage drop across the terminals of the resistance 57 and tube 58. The variable voltage appearing across resistors 65 and 67 depends on the conductance of the respective discharge paths of tube 68, and this conductance is regulated by the conditions of the gate circuits associated with the gates. 71 and 72 respectively.
The circuits of the grids 71 and 72 pass through respective resistors 73, 74 (each 220,000 ohms) and respective resistors 75, 76 (each 33,000 ohms) to end at a common point connected by resistor 69 to the cathode point J of tube 68. The two discharge paths of tube 68 are thus controlled by the varying voltage drops applied to resistors 75 and 76. This voltage drop is the result of the difference between two control voltages. One of them is taken at the bypass portion of the tachometric rheostat 15 and is, as has been said, proportional to the speed to be controlled and stabilized. The other is supplied by a constant voltage
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composed as follows.
A transformer 77 is supplied by the secondary 5 of the main transformer 1 and applies its secondary voltage to a double rectifier 78 (type 6X5). The rectified voltage is applied by a resistor 79 (4,000 ohms) across a capacitor 81 (4 mfd) shunted by the serial combination of the voltage regulator tube 82 and the resistor 83 (6..000 ohms). .
The tube 82 is preferably a cold cathode discharge tube (type VR 150). At the terminals of the tube 82 is a speed control rheostat 84 with a fixed center tap at point L and a cursor M. This is connected to the cursor of the tachometric rheostat 15 by the contact 85 of a relay CR whose the coil 86 is supplied by the secondary 5. Relay CR closes contact 85 whenever transformer 1 is sufficiently supplied.
The above demonstrates that the armature rectifiers 11 and 12 are controlled according to the algebraic sum of the two control voltages coming from the adjusted part of the speed control rheostat 85 and the active part of the tachometric rheostat 15 respectively, this control being effected through tube 68 and tube 6l so as to vary the voltage drop across resistors 42 and 44 which apply varying grid voltages to the two induced rectifier tubes respectively.
Before explaining the detail of the operation of this control, a description will be given of the grid circuits for the excitation rectifier tubes, The grid circuit for the excitation rectifier tubes 25 and 26 passes through respective resistors 87 and 88 (220,000 ohms chase) which terminate at the ends of the secondary winding of a gate voltage transformer 89 which is part of a phase shifter circuit 90 and is supplied by the secondary 5 of the main transformer 1.
The grid circuit with tubes 25 and 26 goes from the middle tap of the secondary of transformer 89 to point C and through resistors 42 and 46 to conductor 47 connected to common cathode conductor 29.
The grid circuit for the excitation rectifier tubes 27 and 28 passes through resistors 91 and 92 (220,000 ohms each) to a gate transformer 93 which is part of a phase-shifting transformer 94 powered by the. secondary 5. The middle tap of the secondary of transformer 93 is connected to point E and goes through resistors 44 and 46 to conductor 47 and to common cathode conductor 29.
The gate circuits for the two groups of field rectifier tubes each include a gate voltage AC component source represented by transformer 89 or 93, and also a constant gate bias voltage source shown. by resistor 46. In addition, the grid circuit for tubes 25 and 26 includes resistor 42 which provides a variable DC component as a function of speed, the magnitude of which decides whether tubes 25 and 26 are. drivers or not. Likewise, the grid circuit for the excitation rectifier tubes 27 and 28 includes resistor 44 which serves as a variable voltage source controlled by the speed so as to make the tubes 27 and 28 conductive or not.
It is an essential advantage that the constant gate bias for the field rectifiers taken at resistor 46, comes from the same direct current source which provides the constant gate bias for the armature rectifiers. It will also be noted that the resistors 42 and 44 which determine the firing point of the excitation rectifiers are the same elements which control the firing point of the armature rectifier tubes. Therefore, the aforementioned circuits comprising the tubes 61 and 68, as well as the tachometric rheostat 15 and the speed control rheostat 84, also serve to regulate the firing of the excitation rectifiers.
In this way, as will become clearer from the following description of the complete device, the same group of control apparatuses serve to jointly control the armature and field rectifiers in correlation with one another. Not only do we thus obtain a
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Interesting development of the system but above all a considerable reduction in the equipment and a corresponding simplification of the circuits and their settings.
A capacitor 95 (2 mfd), in series with a resistance-96 (22,000 ohms), is connected between the cathodes of the armature rectifier tubes 11 and 12 and the middle tap A of the secondary of the grid transformer 35. Circuit 95 -96 has the effect of preventing runaway control of the armature rectifier and also limits the current peaks that can be imposed on the armature rectifiers, especially during the very beginning of the starting periods.
Capacitors 97, 98, 99 and 100 are the usual low capacitance (0.005 mfd) grill capacitors. Both parts of tube 61 are preferably provided with a feedback circuit to prevent runaway tendencies. A feedback circuit includes a capacitor 101 (0.01 mfd) and a resistor 102 (22,000 ohms) and is inserted between an anode and the associated grid 62 of tube 61. The other feedback circuit Feedback comprises a capacitor 103 (0.01 mfd) and a series resistor 104 (22,000 ohms) and is inserted between the other anode and the gate 63.
The entire device operates as follows.
Let point M of speed control rheostat 84 at the same potential as point L. With this setting and contact 85 of relay Cr closed, points P and Q are at the potential of point R. Grids 71, 72 connected to points P and Q respectively are negative by an amount determined by the adjustment of the bias control resistor 69. As with equal gate potentials, the two parts of tube 68 conduct currents of the same magnitude, the points I and K are at the same potential with respect to point H. Under these conditions, the two parts of tube 61 conduct currents of the same intensity.
It follows that points E, C and B are at the same potential with respect to point F. By choosing the circuit constants suitably, points E, C and B can be quite negative with respect to point F, to cut all the thyratrons. These conditions are therefore not suitable for the motor to develop positive torque. This adjustment of point 14 can therefore be considered as the "rest" adjustment.
It should be noted that from a potential point of view point B is located approximately halfway between point D and points C, E.
If the point M is brought upwards, that is to say towards the positive end of the control potentiometer 84, the point P becomes positive with respect to the point R, and the point Q becomes negative with respect to the point R.
The current intensities in tube 68 change so that point K becomes more positive and point I more negative relative to point H, compared to the rest position. For similar reasons, the currents become unequal in the two parts of tube 61 and point C becomes more positive with respect to point F, point E becoming more negative with respect to point F, compared to the rest setting of point M .So, by making the point C fairly positive with respect to the point F, the tubes 25 and 26 conduct the current in the inductor (reverse) 7. The grids of the tubes 27 and 28 are made more negative than in the case of adjustment of the H point and therefore cannot send current to the inductor (forward) 8.
Because of the nonlinear characteristics of tube 61, and the fact that point B is midway between points E and C, the potential of point B does not vary as much from F as do the potentials of points E and C.
Due to the mentioned displacement of point M, the part of tube 61 connected to point I approaches the cut-off. Point B becomes more positive with respect to point F, but less than point C. Therefore, the inductor to be excited can receive its full voltage, and this will happen before the induction tubes conduct the current. This is a favorable condition for good operation, when the motor torque is controlled by adjusting the armature current.
Assuming always the point 1.1 moved, as was said above, towards the positive (upper) end of the rheostat 84, we assume this
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once it is high enough to allow the correct armature current.
Since the inductor 7 (reverse) is not at full voltage, as stated above, the proper torque is produced and the motor begins to rotate. As the speed increases, the tacho voltage increases proportionally .-- The tacho rheostat 15 is connected with a polarity such that it tends to bring the resulting potential of the points P and Q with respect to the point R back to the quiescent value, c 'is zero. So, as the engine speed increases, the firing angle of tubes 11 and 12 changes so that the armature current is just enough to provide the required torque.
In other words, the speed for any reference voltage of rheostat 84 is such that the difference between the reference voltage and the tacho voltage is just sufficient to adjust the firing angle of tubes 11 and 12. so as to allow the desired current to pass through the armature.
If the reference point M is moved away from the rest point in the other direction, the forward inductor 8 receives current and the motor will run forward for reasons analogous to those given for the reverse inductor.
When the motor is running at a certain speed and the point M is pushed towards the rest point, the result is the same as if the point M were moved away from the rest point by an amount which would produce a reference voltage equal to the difference between tacho voltage and reference voltage but of opposite polarity to that of the original displacement. So the reverse gear inductor is supplied with current and a negative torque will be produced with recovery, if the conditions are suitable,
If it is assumed that the motor is rotating at a certain speed and that the positive load torque is increased, thus the motor tending to slow down, any reduction in speed increases the difference between the reference and tacho voltages.
The firing angle of tubes 11 and 12 changes and the armature receives more current, restoring normal speed. Consequently, the speed is stabilized so as to remain at the value determined by the adjustment of point M, regardless of load variations within the permitted load range.
If the motor is running at a certain speed with a positive load torque, and the torque becomes negative (drive), the motor tends to rev up and the tacho voltage would exceed the reference voltage.
The result is the same as if the point M were moved away from the point of rest in a direction opposite to that of the original displacement by an amount which would produce a reference voltage equal to the difference between the tachymetric voltage and the reference voltage. There will be recovery if the other conditions are appropriate,
Under the conditions described above for polarization adjustments, any change in the operating conditions leading to recovery, that is to say a torque opposite to the direction of operation, sets the other excitation rectifier. and the other inductor on, which allows recovery as long as the motor-torque remains opposite to that produced by the field created by the new inductor started up.
This operation can be considered in principle as a "flip-flop" control of the excitation of the motor. This means that, for any major change in the control or operating conditions causing negative torque (recovery), the direction - of the motor field is reversed and intervenes immediately at appreciable or normal power, while stabilization speed is always maintained by the armature rectifier control.
It is obvious that various modifications can be made to the devices according to the invention without departing from its scope. For example, single-phase or polyphase rectification can be used. for armature or excitation rectifiers or both, or two separate tubes instead of the double tubes shown. The number of amplifier stages between the control voltage sources (15, 84) and the field rectifiers may be different, or a single constant voltage direct current source can be used instead of the two shown. to the drawing. Such changes
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tions or other equivalents are too obvious and easy to understand from the example given, to require further explanation.
It is therefore understood that the invention is not limited to the particular embodiment described but that it can be implemented in different ways without departing from the aims and main characteristics of the invention.
EMI8.1
P U i p I C g T I 0 1 S
1) Electric motor device, comprising an alternating current supply device, a direct current motor having an armature and an inductor, an electronic armature rectifier device and an inductor rectifier electronic device respectively connecting the 'armature and inductor to the power supply device, the rectifier devices having a common cathode conductor and respective gate circuits and control devices inserted between the aforementioned conductor and the respective gate circuits and having a variable voltage source to control the two rectifier devices.