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MONTAGE POUR LE REGLAGE AUTOMATIQUE DE L'EXCITATION DES POLES DE COMMUTATION
DE MOTEURS SERIE A COURANT ALTERNATIF A COLLEOTEUR.
Dans les moteurs série à courant alternatif à collecteur, les spires d'induit qui sont mises en court-circuit par les balais sont, comme on le sait, le siège non seulement d'une tension de réactance comme dans les machines à courant continu, mais en outre d'une tension dite tension de transformation; en effet, l'axe de la spire sous commutation coïncide avec l'axe du pôle principal et par suite le champ principal induit dans cette 'spire une force électro-motrice déphasée de 90 en arrière de celle du cou- rant de l'induit
Il est connu de monter en parallèle avec l'enroulement des pô- les de commutation, qui possède une résistance principalement inductive, une résistance ohmique et par là de retarder comme on le désire le courant dans l'enroulement des pôles de commutation.
Actuellement, ce moyen est employé d'une manière générale pour les moteurs construits pour une fréquen- ce de 16 2/3 pér/sec.
Lorsqu'un moteur de ce genre doit être alimenté par un réseau à 50 périodes/secondés , une telle résistance ohmique en dérivation est an- ti-économique, car la tension aux bornes de l'enroulement des pôles de com- mutation monte à une valeur à peu près triple, et la perte dans la résis- tance augmente dans la même proportion. Il faut chercher des moyens de réa- liser le déphasage nécessaire du courant avec des pertes moindres. L'un de ces moyens consiste à mettre en dérivation aux bornes de l'enroulement des pôles de commutation un condensateur au lieu d'une résistance. L'emploi d'un condensateur pour ajuster l'intensité et la phase du courant dans l'enroule- ment des pôles de commutation a déjà été,souvent prévu.
C'est ainsi, par exemple, qu'il est connu d'obtenir dans des machines alimentées par du cou- rant continu pulsatoire, le réglage correct du courant en prévoyant un con- densateur du côté secondaire d'un transformateur dont le primaire est monté en série avec l'enroulement des pôles de commutation.
Mais même pour une
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machine à courant alternatif il a déjà été fait mention dans des publications de la disposition d-'un condensateur en dérivation sur l'enroulement des pôles de commutation; dans l'un-de ces'montages, ce condensateur se trouve en série avec une résistance. @
Un problème qui depuis nombre d'années déjà, occupe les construc- teurs, consiste à obtenir un réglage automatique du courant dans le circuit des pôles de commutation afin de créer l'état de choses nécessaire pour une commutation, satisfaisante entre des limites de charge relativement éloignées.
Il est connu de..régler les résistances en dérivation par les gran- deurs qui dépendent indirectement des courants de court-circuit des balais et qui à leur tour sont une mesure de la compensation plus ou moins parfaite de la tension de transformation par le champ de commutation. Mais cela n'ap- porte qu'à peine une solution satisfaisante du problème, vu que les courants de court-circuit des balais dépendent encore dans une large mesure de l'é- tat du collecteur et' des surfaces sur lesquelles frottent les balais, état qui peut être très'variable.
D'autres dispositifs connus prévoient des machines auxiliaires accouplées au moteur principal et dont l'excitation est influencée de telle sorte qu'elles modifient de la façon nécessaire l'inductance du circuit dé- rivé en fonction de l'intensité du courant et de la vitesse dudit moteur.
L'emploi de machines auxiliaires de vitesse correspondant à celle du moteur entraîne cet inconvénient que, en général, il est à peine possible de trou- ver la place nécessaire pour l'accouplement direct ou indirect de la machine auxiliaire, vu que l'on a un pressant besoin de cette place pour loger la puissance du moteur lui-même. Il est trop précieux pour qu'on soit autorisé à l'employer pour des buts secondaires de ce genre.
Dans le cas d'une capacité en dérivation, on a aussi la possi- bilité d'adaptation automatique de l'excitation des pôles de commutation aux exigences d'une bonne commutation. La modification désirée de la capa- cité en dérivation lorsque le courant du moteur varie pourrait s'obtenir par exemple en mettant plusieurs condensateurs en dérivation et en les fai- sant mettre en circuit et hors circuit par des interrupteurs influencés par le courant. Ce mode de réglage a pour lui l'avantage d'une grande simplici- té, mais l'inconvénient de régler par paliers, et d'utiliser des interrup- teurs sujets à usure.
Pour éviter cet inconvénient on peut, suivant la présente inven- tion, mettre en série avec le condensateur une petite bobine de self telle que la somme de ces deux réactances (WL-1 ) donne la valeur demandée. Le
WC réglage ne se fait que sur la bobine de self. Pour réduire la sensibilité aux variations de fréquence on peut monter une résistance ohmique en série avec le condensateur. Le réglage de la self-induction d'une bobine de self montée en dérivation sur l'enroulement des pôles de commutation n'est rendu possible que par l'emploi d'un condensateur.
Si l'on utilise une résistance ohmique branchée en parallèle avec l'enroulement des pôles de commutation, ce moyen ne peut évidemment pas en- trer en ligne de compte, car ici il est essentiel que la dérivation ne possè- de si possible pas du tout de self induction pour obtenir aux moindres frais (avec la moindre dépense de résistance ohmique, c'est-à-dire de pertes) le retard désiré du courant dans l'enroulement des pôles de commutation. Mais ce moyen offre en même temps une possibilité d'influencer la forme de la courbe de l'intensité dans l'enroulement des pôles de commutation. En effet l'inductance résultate (x= WL-l pour la fréquence f du réseau) 'ne donne
WC pour les deux valeurs L et C qu'une' seule condition.
Comme deuxième condi- tion on peut convenir que pour une fréquence vf la valeur x doit s'annuler, c'est-à-dire que l'on doit avoir LC = 1 @ Alors la dérivation représen-
V2 W2 te pour la fréquence vf une résistanceohmique pure (et faible), le courant de l'harmonique de rang vf passera ainsi par la dérivation et non par l'en- roulement des pôles de commutation. Il est donc utile d'en tenir compte
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lorsqu'on fixe L et Ca On peut encore poursuivre plus loin cette idée.
Si l'on divise la dérivation par exemple en deux combinaisons (condensateur et bobine- de self) et que l'on fasse en sorte que l'une entre en résonance pour la fré- quence v1f et l'autre pour la fréquence v2f, l'enroulement des pôles de com- mutation se trouvera protégé contre des courants tant de fréquence v1f que de fréquence v2f.
Mais il sera pratique de ne régler que l'une des deux bobines de self, et de préférence la plus grande. Il est également possible de ne faire-' la division qu'après la self réglable, c'est-à-dire de mettre un condensa- teur en parallèle avec un circuit comprenant la deuxième self et un deuxième condensateur.. La figure 1 du dessin annexé montre cette disposition.
Or comme la self induction de la bobine de self doit être réglée, il n'est évidemment pas possible de respecter cette condition de résonance sur toute l'étendue du domaine de réglage. Il faudra se contenter de réali- ser la résonance des harmoniques à peu près au milieu de ce domaine. Le do- maine total de réglage de l'inductance de la dérivation n'étant pas grand, l'enroulement des pôles de commutation sera encore toujours suffisamment pro- tégé contre les harmoniques de courant dans ce domaine.
L'inductance de la bobine de self peut se régler de plusieurs manières. On peut par exemple exécuter son enroulement avec des prises de courant que l'on met en circuit et hors circuit suivant les besoins. On peut aussi doter la bobine de self d'une armature mobile pouvant se déplacer de telle sorte que lorsque le courant augmente, la self induction varie dans le sens voulu. L'analyse montre que la considération d'une bonne commutation é- quivaut à demander que l'impédance capacitive de la dérivation décroisse lorsque le courant croit, c'est-à-dire que la self induction de la bobine de self croisse lorsque le courant croit. On ne peut donc pas obtenir ce résul- tat par la saturation magnétique, car ainsi qu'on le sait, la self induction tombe lorsque la saturation magnétique croit.
Dans le cas de l'armature mo- bile, lorsque le.courant croit, l'entrefer doit donc être réduit suffisamment pour que la self augmente malgré une saturation accrue. Ce réglage est conti- nu et ne nécessite pas d'organes de couplage, mais dans certains cas il sera fâcheusement influencé par les vibrations sur un véhicule. Son installation sur un tel véhicule devra donc.se faire avec beaucoup de prudence et de soin.
Une autre possibilité réside dans l'utilisation de bobines de self préalablement saturées, dont la' self sera réglée par variation de la saturation préalable-. La figure 2 représente à titre d'exemple le schéma com- plet de montage d'un moteur série monophasé ainsi réglé,
Circuit principal :Le courant alternatif J circule de la borne A du transformateur principal HT par l'enroulement de compensation Kp, le @ transformateur d'intensité Sw, le transformateur d'intensité St (côté primai- re), l'excitation HP des pôles principaux et l'induit A pour retourner à la borne A2 de HT.
Circuit des pôles de commutation : L'enroulement secondaire de St alimenté l'enroulement w, des pôles de commutation. En parallèle avec w se trouve l'enroulement 3 de la bobine de self Dr et le condensateur K éven- tuellement suivant figure 1.
La bobine de self Dr porte encore deux autres enroulements 1 et 2 parcourus respectivement par des courants continus il et i2. Ces'enroule- ments agissent en opposition l'un à l'autre. L'enroulement 1 reçoit son cou- rant d'un groupe de redresseurs en montage de Graetz (en pont) Gr 1 dont.les bornes à courant alternatif sont reliées à la tension constante Ao A1 du transformateur principal. Dans ce circuit est intercalé (outre une self d'é- galisation non représentée) un rhéostat de réglage R1. Le courant il est donc fonction de la charge du moteur. L'enroulement 2 est monté en parallè- le avec une résistance régla.ble R2.
Tous deux sont alimentés (éventuellement encore par l'intermédiaire d'une self d'égalisation) à partir des bornes à courant continu d'un deuxième pont de Graetz Gr2 dont les bornes à courant alternatif sont reliées aux bornes secondaires du transformateur d'intensi- té Sw. En conséquence le courant i2 dans l'enroulement 2 varie, pour une
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position fixe de R2, comme le courant J du moteur. Avec ces moyens on peut obtenir, en ajustant convenablement les résistances R1 et R2, toutes les variations désirées de la saturation préalable. En agissant sur R1 on amène la ligne de courant il de la figure 3 à se déplacer parallèlement à elle- même. Si l'on déplace R2, la ligne de courant i2 peut tourner à volonté autour du point 0 de cette même figure 3.
Si par exemple R1 est dans une position telle que le courant il soit représenté par la droite il et si i2 varie suivant la droite i2, le domaine de réglage est donné par l'aire F1, c'est-à-dire que lorsque le courant J croit, la saturation préalable dé- croit et la self induction de la bobine Dr augmente. Si, en augmentant la résistance Rl on réduit la valeur de il à il' sans toucher au rhéostat R2, le réglage automatique est représenté par la surface F2, ainsi donc, lors- que le courant J ira en croissant, la saturation préalable ira également en croissant, par contre la self induction de'Dr décroîtra.
Si en réduisant la résistance du régulateur R2 la modification de 12 est représentée par la droite i2, la surface F3 indique le changement éprouvé par la satura- tion préalable comme le fait voir la figure 3, cette saturation décroît ain-. si de nouveau quand le courant J croit, toutefois la variation est plus fai- ble que dans le cas représenté par F1. Il peut être désirable de ne pas fai- re passer la droite i2 par le point 0 (figure 3) mais de lui donner la po- sition représentée à la figure 5 pour la ligne (i2 + i3).
Cela peut s'obte- nir avec une extension de peu d'importance du montage de la figure 2 ; cette modification est indiquée à la figure 4 : la bobine 2 de la self n'est pas seulement traversée par le courant i2, mais également par un courant i3 qui est fourni par Gr 1 par l'intermédiaire d'une résistance de réglage R3.
Les deux courants d'excitation pour la saturation préalable de la bobine de self Dr peuvent être branchés sur un enroulement d'excitation commun. Le montage qui sert à cet effet est représenté à la figure 6. Dans ce montage il est tenu compte de ce que l'enroulement est parcouru par la différence (il-i2) des deux courants. Par cette simplification, non seule- ment on économise du cuivre, mais on réduit également l'énergie nécessaire au réglage de la self induction de la bobine de self. Les tensions aux deux ponts de Graetz ne peuvent alors plus être choisies indépendantes l'une de l'autre; il faut plutôt les accorder l'une sur l'autre de telle sorte qu'en réglant les rhéostats R1 et R2 on obtienne les caractéristiques d'excitation désirées.
Tant que le moteur est relié à deux bornes déterminées de ET (par exemple à Ao A2) la relation entre la vitesse de ce moteur et le courant J est bien déterminée. Il suffit dès lors que le réglage automatique de la bobine de self Dr ne soit commandé que par le courant. L'amplitude du ré- glage (courbe de réglage) dépend de la vitesse et de l'intensité J ; est donnée par la construction du moteur. C'est par un ajustement approprié de R1 et R2 (et éventuellement R3) que la variation automatique de la self induction doit être adaptée au réglage demandé. Or si le moteur est branché sur une autre tension du transformateur principal HT, il s'établit entre la vitesse et l'intensité du courant une autre relation également bien détermi- née, qui conditionne éventuellement une modification déterminée de la courbe de réglage.
En même temps que cette commutation des bornes de raccordement, on modifie alors R1 et R2 (et éventuellement R3), de: sorte que le réglage automatique s'effectue en conformité de la nouvelle exigence.
A chaque tension du moteur correspond ainsi une position détermi- née des rhéostats R1 et R2 (et éventuellement R3). De cette manière, on ob- tient que sur toute l'étendue du domaine de réglage, le courant des pôles de commutation prenne pour chaque valeur de la tension une intensité correcte, naturellement pour autant seulement que cet ajustement soit possible, car aux très faibles vitesses, on sait que la tension de transformation ne peut plus être compensée.
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ASSEMBLY FOR AUTOMATIC ADJUSTMENT OF SWITCHING POLE EXCITATION
FROM ALTERNATIVE CURRENT SERIES MOTORS TO COLLEOOR.
In series AC collector motors, the armature turns which are short-circuited by the brushes are, as we know, the seat not only of a reactance voltage as in DC machines, but also a voltage called transformation voltage; in fact, the axis of the coil under commutation coincides with the axis of the main pole and consequently the main field induces in this coil an electro-motive force phase-shifted by 90 behind that of the armature current.
It is known to run in parallel with the winding of the switching poles, which has a mainly inductive resistance, an ohmic resistance, and thereby to delay the current in the winding of the switching poles as desired.
Currently, this means is generally used for engines built for a frequency of 16 2/3 per / sec.
When such a motor is to be supplied from a 50 period / second network, such a shunt ohmic resistor is uneconomical, since the voltage across the winding of the switching poles rises to a the value nearly triples, and the loss in resistance increases in the same proportion. Means must be sought to achieve the necessary phase shift of the current with lower losses. One of these means consists in putting a capacitor instead of a resistance at the terminals of the winding of the switching poles. The use of a capacitor to adjust the intensity and the phase of the current in the winding of the switching poles has already been, often foreseen.
It is thus, for example, that it is known to obtain in machines supplied by pulsating direct current, the correct adjustment of the current by providing a capacitor on the secondary side of a transformer whose primary is. mounted in series with the switching pole winding.
But even for a
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alternating current machine it has already been mentioned in publications of the arrangement of a shunt capacitor on the winding of the switching poles; in one of these assemblies, this capacitor is in series with a resistor. @
A problem which for many years now has occupied manufacturers, consists in obtaining an automatic adjustment of the current in the circuit of the switching poles in order to create the state of affairs necessary for a satisfactory switching between load limits. relatively remote.
It is known to adjust the shunt resistances by the magnitudes which depend indirectly on the short-circuit currents of the brushes and which in turn are a measure of the more or less perfect compensation of the transformation voltage by the field. of commutation. But this hardly gives a satisfactory solution to the problem, since the short-circuit currents of the brushes still depend to a large extent on the condition of the commutator and the surfaces on which the brushes rub. , condition which can be very variable.
Other known devices provide auxiliary machines coupled to the main motor and the excitation of which is influenced in such a way that they modify the inductance of the branch circuit as necessary as a function of the intensity of the current and of the voltage. speed of said motor.
The use of auxiliary machines with a speed corresponding to that of the engine entails this drawback that, in general, it is hardly possible to find the space necessary for the direct or indirect coupling of the auxiliary machine, since we has an urgent need of this place to accommodate the power of the engine itself. It is too valuable to be allowed to be used for such secondary purposes.
In the case of a shunt capacitance, there is also the possibility of automatically adapting the excitation of the switching poles to the requirements of good switching. The desired change in bypass capacity when the motor current varies could be achieved, for example, by bypassing several capacitors and having them turned on and off by switches influenced by the current. This adjustment mode has for him the advantage of great simplicity, but the drawback of adjusting in stages, and of using switches subject to wear.
To avoid this drawback, it is possible, according to the present invention, to put in series with the capacitor a small inductor coil such that the sum of these two reactances (WL-1) gives the requested value. The
WC adjustment is only done on the choke coil. To reduce the sensitivity to frequency variations, an ohmic resistance can be mounted in series with the capacitor. The adjustment of the self-induction of a choke coil mounted in shunt on the winding of the switching poles is only made possible by the use of a capacitor.
If an ohmic resistor is used which is connected in parallel with the winding of the switching poles, this means obviously cannot be taken into account, because here it is essential that the branch should not have any connection if possible. everything from self induction to obtain at the least expense (with the least expenditure of ohmic resistance, that is to say of losses) the desired delay of the current in the winding of the switching poles. But this means at the same time offers a possibility of influencing the shape of the current curve in the winding of the switching poles. Indeed the resulting inductance (x = WL-l for the frequency f of the network) 'does not give
WC for the two values L and C as a single condition.
As a second condition we can agree that for a frequency vf the value x must cancel out, that is to say that we must have LC = 1 @ Then the derivation represents
V2 W2 te for the frequency vf a pure ohmic resistance (and low), the current of the harmonic of order vf will thus pass through the bypass and not through the winding of the switching poles. It is therefore useful to take this into account
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when we fix L and Ca We can continue this idea further.
If we divide the derivation, for example, into two combinations (capacitor and choke coil) and make sure that one resonates for the frequency v1f and the other for the frequency v2f, the winding of the switching poles will be protected against currents of both frequency v1f and frequency v2f.
But it will be practical to adjust only one of the two choke coils, and preferably the larger one. It is also possible to make the division only after the adjustable inductor, that is to say to put a capacitor in parallel with a circuit comprising the second inductor and a second capacitor. accompanying drawing shows this arrangement.
However, since the choke induction of the choke coil must be adjusted, it is obviously not possible to comply with this resonance condition over the entire extent of the adjustment range. It will be necessary to be satisfied with realizing the resonance of the harmonics approximately in the middle of this domain. As the total adjustment range of the shunt inductance is not large, the winding of the switching poles will still be sufficiently protected against current harmonics in this range.
The inductance of the choke coil can be adjusted in several ways. For example, it can be wound with sockets that are switched on and off as needed. It is also possible to provide the coil with an inductor with a movable armature which can move so that when the current increases, the inductance varies in the desired direction. The analysis shows that the consideration of a good commutation is equivalent to asking that the capacitive impedance of the shunt decrease when the current increases, that is to say that the self induction of the choke coil increases when the current believes. We therefore cannot obtain this result by magnetic saturation, because as we know, the self induction falls when the magnetic saturation increases.
In the case of the mobile armature, when the current increases, the air gap must therefore be reduced sufficiently so that the choke increases despite increased saturation. This adjustment is continuous and does not require coupling members, but in some cases it will be adversely affected by vibrations on a vehicle. Its installation on such a vehicle must therefore be done with great caution and care.
Another possibility lies in the use of pre-saturated choke coils, the choke of which will be adjusted by varying the pre-saturation. FIG. 2 represents by way of example the complete assembly diagram of a single-phase series motor thus adjusted,
Main circuit: The alternating current J flows from terminal A of the main transformer HT through the compensation winding Kp, the @ current transformer Sw, the current transformer St (primary side), the HP excitation of the main poles and armature A to return to terminal A2 of HV.
Switching pole circuit: The secondary winding of St powered the winding w, of the switching poles. In parallel with w is winding 3 of the choke coil Dr and the capacitor K possibly according to figure 1.
The coil of choke Dr carries two more windings 1 and 2 respectively traversed by direct currents il and i2. These windings act in opposition to each other. Winding 1 receives its current from a group of rectifiers in Graetz assembly (in bridge) Gr 1 whose AC terminals are connected to the constant voltage Ao A1 of the main transformer. In this circuit is interposed (in addition to an equalization choke not shown) an adjustment rheostat R1. The current is therefore a function of the motor load. Winding 2 is mounted in parallel with an adjustable resistor R2.
Both are supplied (possibly also via an equalization choke) from the direct current terminals of a second Graetz Gr2 bridge, the alternating current terminals of which are connected to the secondary terminals of the intensity transformer. - tee Sw. Consequently, the current i2 in winding 2 varies, for a
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fixed position of R2, like the current J of the motor. With these means, it is possible to obtain, by suitably adjusting the resistors R1 and R2, all the desired variations of the prior saturation. By acting on R1 we cause the current line il of FIG. 3 to move parallel to itself. If we move R2, the current line i2 can rotate at will around point 0 of this same figure 3.
If for example R1 is in a position such that the current is represented by the line il and if i2 varies along the line i2, the adjustment range is given by the area F1, that is to say that when the current J increases, the prior saturation decreases and the self induction of coil Dr increases. If, by increasing the resistance Rl we reduce the value of il to il 'without touching the rheostat R2, the automatic adjustment is represented by the surface F2, so therefore, when the current J increases, the previous saturation will also go increasing, on the other hand the self induction of 'Dr will decrease.
If by reducing the resistance of the regulator R2 the modification of 12 is represented by the straight line i2, the surface F3 indicates the change experienced by the prior saturation as shown in FIG. 3, this saturation thus decreases. if again when the current J increases, however the variation is smaller than in the case represented by F1. It may be desirable not to pass the line i2 through the point 0 (figure 3) but to give it the position shown in figure 5 for the line (i2 + i3).
This can be achieved with a minor extension of the arrangement of Figure 2; this modification is shown in figure 4: coil 2 of the choke is not only traversed by current i2, but also by current i3 which is supplied by Gr 1 via an adjustment resistor R3.
The two excitation currents for the pre-saturation of the choke coil Dr can be connected to a common excitation winding. The assembly which serves for this purpose is represented in FIG. 6. In this assembly, account is taken of the fact that the winding is traversed by the difference (il-i2) of the two currents. This simplification not only saves copper, but also reduces the energy required for adjusting the choke induction of the choke coil. The voltages at the two Graetz bridges can then no longer be chosen to be independent of one another; rather, they must be tuned one to the other so that by adjusting the rheostats R1 and R2 the desired excitation characteristics are obtained.
As long as the motor is connected to two determined terminals of ET (for example to Ao A2) the relation between the speed of this motor and the current J is well determined. It is therefore sufficient that the automatic adjustment of the choke coil Dr is only controlled by the current. The amplitude of the adjustment (adjustment curve) depends on the speed and the intensity J; is given by the construction of the engine. It is by an appropriate adjustment of R1 and R2 (and possibly R3) that the automatic variation of the choke induction must be adapted to the requested adjustment. Now, if the motor is connected to another voltage of the main transformer HT, another equally well determined relationship is established between the speed and the intensity of the current, which possibly conditions a determined modification of the adjustment curve.
At the same time as this switching of the connection terminals, then R1 and R2 (and possibly R3) are modified, so that the automatic adjustment is carried out in accordance with the new requirement.
Each motor voltage thus corresponds to a determined position of the rheostats R1 and R2 (and possibly R3). In this way, one obtains that over the whole extent of the adjustment range, the current of the switching poles assumes for each value of the voltage a correct intensity, naturally only insofar as this adjustment is possible, because at very low speeds, we know that the transformation voltage can no longer be compensated.