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DISPOSITIF, PERMETTANT DE RECUIRE LES DIMENSIONS DU COLLECTEUR DES MACHINES
A COLLECTEUR A COURANT ALTERNATIF ET A COURANT TRIPHASE.
Les dimensions, le poids., la sécurité de fonctionnement, le prix et les frais d'entretien des machines à collecteur pour courant alternatif et pour courant continu, en particulier des machines à collecteur de ces types qui sont de grande puissance, dépendent de façon sensible de la tail- le du collecteur. 11 y a donc intérêts, du point de vue technique'et écono-- mique, à réduire le plus possible les dimensions du collecteur. On sait
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que 'les dimensions d'un collGtèu5:
'sn.t- déterminées- "pour une-maehine d'une puissance donnée, par la tension entra lames du collecteur, par- la- surface. de contact nécessaire, sur les balais en charbon, pour la transmission du courant passant pendant, le fonctionnement, et par la largeur des-, balais qu'on peut adopter compte tenu de l'intensité de court-circuit dont on peut charger les contacts.
Pour réduire l'intensité des courants de court-circuit sous les balais, on a mis au point des balais en charbon qui se composent de plusieurs couches de charbon électriquement séparées les unes des autres et qui présentent à l'extrémité du sommet des résistances d'amortissement. L'effet que peuvent donner de tels balais à couches et à tête dite à résistance est étroitement limité par le fait qu'on ne peut loger que des résistances relativement petites dans le balais, à cause de la chaleur gênante dégagée par les pertes. C'est la raison pour laquelle les balais à couches et à tête à résistance ne suffisent pas pour augmenter la largeur des balais ou la tension entre lames dans une mesure telle qu'on puisse réduire sensiblement les dimensions du collecteur.
Pour amortir plus fortement les courants de court-circuit., on a proposé des balais à couches présentant des dérivations séparées pour les couches et qui conduisent à des résistances ohmiques et inductives situées en dehors des balais et à des enroulements dans lesquels on produit une
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tension de sens contraire. Non seulement le branchement, de façon sûre,\) des conducteurs séparés d'amenée ou de raccordement aux minces couches des balais donne lieu à des difficultés considérables, mais les dispositions précitées adoptées pour les branchements ont tous l'inconvénient qu'elles peuvent provoquer des réactions très gênantes sur les pertes de contact provoquées par les courants de fonctionnement.
Pour l'explication de ce phénomène, on supposera qu'on adopte un balais à couches qui se compose de deux balais partiels, séparés élec- triquement et reliés entre eux mécaniquement. Par suite du basculement de l'ensemble du balais dans le sens du mouvement de rotation lequel existe toujours dans toutes les machines à vitesse ou sens de rotation variable, à cause du jeu.nécessaire entre le balais et le porte-balais; le balais partiel situé du côté de la sortie présente sur sa surface de contact avec le collecteur une résistance de contact beaucoup plus grande que le balais situé du côté de l'entrée ou arrivée du collecteur.
Le ba- lais partiel situé du côté de la sortie ne doit donc être chargé qu'avec une fraction du courant de fonctionnement que peut transmettre le balais partiel situé du côté de l'entrée Si les balais partiels sont alors branchés à une résistance inductive, par exemple à un diviseur de courant à montage symé- trique dont les dimensions sont suffisantes pour réprimer les intensités de court-circuit élevées, cette résistance impose une répartition parfaite- ment régulière des courants de fonctionnement entre les balais partiels.
La surface de contact du balais partiel situé du côté de la sortie est donc surchargée et se détruit en cas de fonctionnement de longue durée. Ce phénomène se produit dans une mesure encore plus marquée quand on se sert de bobines de self normales.
On connait enfin des solutions qui ont été proposées et qui con- sistent à limiter dans une large mesure ou à empêcher entièrement les cou- rants de court-circuit en donnant aux balais partiels branchés à un poten- tiomètre une largeur qui ne soit pas supérieure à celle d'une lame de col- lecteur et à utiliser en même temps des collecteurs spéciaux comprenant des lames actives et des lames inactives.
Mais la répression des courants de court-circuit nuisibles se fait dans ce cas au détriment de la commutation du courant de fonctionnement bien plus encore que dans les montages indi- qués ci -dessus, parce que l'intensité dont chaque balais partiel est char- gé par le courant de fonctionnement varie nécessairement et constamment., au rythme de la fréquence de passage des lames du collecteur, entre zéro et le double de la valeur de l'entensité du courant de fonctionnement qui pas- serait dans un balais partiel en cas de répartition égale de ce courant entre les balais partiels.
Il s'ajoute à cela l'inconvénient supplémen- taire que le doublement de la valeur de la charge se produit toujours à un instant où le balais partiel considéré ne fait contact qu'avec la moitié de sa surface, que le diviseur de courant., d'autre part,\) empêche, à cause de sa grande inductance, une coupure sans arc des courants partiels par les lames inactives, et que lors de sa rupture l'arc devient un généra- teur de surtensions nuisibles. Comme la manoeuvre de coupure dépend en l'espèce non seulement de la vitesse de rotation, mais encore d'autres facteurs sur lesquels on ne peut pas agir avec les moyens simples de la compensation, on ne peut l'améliorer pratiquement d'une façon suffisante pour tous les états de fonctionnement.
De plus, la solution qui consiste à donner des dimensions plus importantes aux surfaces de contact,, comme cela est nécessaire du fait de la surcharge périodique des balais partiels, ainsi que l'adaptation de la largeur des lames a la largeur nécessaire pour des raisons mécaniques des balais et enfin., le logement des lames inactives de même largeur demandent une place supplémentaire telle qu'il n'est pas pos- sible d'obtenir de cette façon une réduction des dimensions du collecteur dans les machines modernes.
On remédie aux inconvénients décrits en faisant, avec une réu- nion des balais en groupes qui fonctionnent en-parallèle par l'intermédiai- re de diviseurs de courant, le nécessaire pour une répartition à tout in-
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stant régulière des courants.de fonctionnement entre les groupes de balais et pour la présence de résistances de contact de même valeur dans les groupes, et cela en adoptant les mesures suivantes :
Les balais en charbon de chaque tige porte-balais qui sont disposés l'un à côté de l'autre dans le sens de la périphérie du collecteur sont logés dans des par te-balais séparés électriquement et par conséquent aus- si séparés mécaniquement les uns des autres.
Ils peuvent donc se mouvoir in- dépendamment l'un de l'autre, par différence avec les plaques de charbon mé- caniquement liées les unes aux autres dans les balais à couches, de telle sorte qu'en moyenne ils ont une résistance de contact de même valeur. Par ce moyen, on évite les pertes accrues aux contacts sous l'action des courants de fonctionnementcomme cela se produit lors du basculement des balais à couches qui sont branchés à des résistances inductives en sérieo
Pour obtenir à cet égard que les résistances de contact des dif- férents balais qui varient constamment sous l'influence par exemple des vibrations propres au frottement, puissent s'égaliser aussi complètement que possible, les branches des balais de même potentiel de tous les porte-balais d'une même polarité sont réunies en groupes et branchées à un diviseur de courant commun.
Par l'utilisation d'un collecteur qui ne présente que 'des lames actives, on obtient d'autre part, lorsque les dimensions des diviseurs de courant sont convenables, que les courants de fonctionnement ne varient pas constamment dans les branches des balais montées en parallèle, comme cela se produit avec les collecteurs à lames inactives quand les balais doubles sont branchés de façon analogue, et qu'il ne soit pas nécessaire d'interrompre ces courants au rythme de la fréquence de passage des lames du collecteur.
Les courants de fonctionnement ont, au contraire, dans le cas présent, pra- tiquement la même valeur,la même forme de courbe et la même phase, de sorte que les champs magnétiques produits par ces courants dans les moitiés du diviseur de courant se compensent à chaque instant et qu'il ne peut par con- séquent pas se produire de réactions défavorables sur les pertes des courants de fonctionnement aux contacts ni sur la formation d'étincelleso
Il faut enfin prendre les mesures nécessaires pour que le divi- seur de courant ne produise pas de surtensions agissant sur la tension entre lames et nuisant à la commutation.
Il se produit de telles surtensions éga- lement sur les collecteurs sans lames inactives par exemple lorsque le di- viseur de courant est temporairement court-circuité lors du shuntage d'un intervalle du collecteur par deux balais partiels branchés en parallèle., Ce cas est la règle avec les balais à couches munis d'un isolement intermé - diaire réfractaire, dont les couches de charbon assemblées mécaniquement sont reliées à une résistance inductive en série, et il exige par conséquent des mesures de protection spécialeso Avec la, disposition selon la présente inventionil s'établit impérativementdu fait qu'on loge les balais partiels ou groupes de balais dans des porte-balais séparés,
un intervalle tel entre les balais que le diviseur de courant n'est court-circuité à aucun-moment.
Le mode de branchement est applicable à des balais pleins et à des balais à couches qui présentent des résistances intérieures d'amortisse- ment et peuvent, par conséquent, se brancher comme des balais pleins- ou mas- sifs. En ce que concerne la largeur des balais on n'est pas lié, comme on l'était jusqu'ici., dans- les montages actuellement connus à diviseur de courant, à la largeur des lames des collecteurs Si on adopte par exemple dans des machines à faible tension entre les lames du collecteur des balais de largeur habituelle disposés de façon que les balais placés normalement, sur chaque tige porte-balais, l'un derrière l'autre dans le sens de l'axe de l'armatur@ soient maintenant fixés par moitié les uns à côté des autres, on peut réduire de moitié la-longueur active du collecteur.
Comme on n'est plus tenu désormais à l'utilisation de balais aussi larges que possible pour économiser de la longueur du collecteur, la présente invention permet d'au- tre part de donner aux balais une largeur aussi faible que cela est possi-
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ble compte tenu de leur fatigue mécanique. Comme bénéfice, il en résulte en raison du moindre recouvrement des lames, soit une meilleure commuta- tion dans le cas normale soit la possibilité d'augmenter la force électro- motrice de transformateur dans les spires de l'armature en cours de commu- tation,et par conséquent de réduire l'intensité du courant dans l'armatu- re, le nombre des pôles, la longueur et le diamètre du collecteur, ainsi que le poids de la machine rapporté à sa puissance.
On peut)) enfin, combiner les moyens précités de façon à obtenir aussi bien une réduction des dimensions du collecteur qu'une réduction des pertes aux balais jusqu'à des valeurs qui sont adaptées à la superficie réduite du collecteur En générale on peut mettre l'importance dés moyens utilisés pour les diviseurs de courant dans un rapport particulièrement avantageux avec le poids économisé sur la machine et avec les autres avan- tages.
Les principes de l'agencement ressortent des figures du dessin joint. La figure 1 représente à titre d'exemple un moteur à répulsion à double jeu de balais, dans lequel deux balais ou groupes de balais sont montés en parallèle sur chaque tige porte-balais., de sorte qu'on peut rac- courcir le collecteur à 50 % de sa longueur active nécessaire autrement Les balais fixes sont branchés aux diviseurs de courant Tf et les balais mobiles aux diviseurs de courant Tv.
Comme la tension entre lames atteint, dans la zône des balais fixes, des valeurs relativement faibles, les divi- seurs de courant Tf ont un nombre de spires inférieur- à celui des diviseurs
Tv. Le. cas échéant, les diviseurs de courant des balais fixes peuvent être remplacés par des connexions en court-circuit, de telle sorte qu'il ne reste que les deux diviseurs de courant des balais mobileso
A titre d'autre exemple, la figure 2 représente le montage d'un moteur shunt triphasé alimenté par le stator et muni d'un jeu de trois balais.
Les conducteurs de branchement triphasés durotor conduisent chacun par l'in- termédiaire des diviseurs de courant T1 à T@ à deux groupes de balais placés l'un à côté de l'autre. Dans les machines triphasées à collecteur compre- nant un jeu de six balais., le montage comprend d'une façon correspondante six diviseurs de courant.
Le nombre des diviseurs de courant dépend du nombre de paires de pôles, étant donné qu'on peut affecter à des tiges porte-balais montées en parallèle un diviseur de courant commun, ce dont la figure 3 donne un exemple. Il s'agit du montage d'un moteur série alternatif à six pôles dans lequel deux balais ou-groupes de balais fonctionnent l'un à côte de l'autre sur chaque tige porte-balais.
Les balais de même polarité sont reliés chaque fois par l'inter- médiaire de connexions circulaires collectrices Sa et Sb respectivement, et sont branchés à deux diviseurs de courant Ta et Tb respectivement situées en dehors de la machine.
Dans la figure 4 est représenté le montage du diviseur de cou- rant T et des connexions circulaires S de l'un des pôles ou de l'une- des phases dans le cas où il-s'agit de disposer trois balais ou groupes de balais l'un à côté de l'autre sur chaque tige porte-balais.
On peut ré- duire dans ce cas le collecteur à 33% de sa longueur active autrement usuel- le, si on prend les mesures nécessaires pour une aération- renforcée pour l'évacuation de la chaleur des pertes laquelle n'a pas variée renforcement que est nécessaire à cause de la-surface plus petite du collecteuro Dans le cas présent, cela est possible sans suites nuisibles et malgré les dif- férences de température plus grandes, parce que, comme on sait, un collec- teur tend d'autant moins aux déformations sous l'action des contraintes thermiques alternées que les lames du collecteur sont plus courteso Dans le conducteur du milieu qui, dans la figure 4, conduit au diviseur de cou- rant T, il existe- une résistance d'équilibrage R qui à la- valeur de la ré- sistance ohmique- d'une- moitié d'enroulement du diviseur de courant.
Par
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ce moyen, on obtient que la totalité du courant qui passe dans la machine se répartisse de façon uniforme entre les trois conducteurs circulaires collecteurs.
Le courant de court-circuit qui passe par les balais disposés les uns à côte des autres dépend de la tension entre balais et de l'induc= tance du diviseur de courant qui, dans @e cas, agit comme une bobine de self.
Il est souhaitable de pouvoir utiliser un diviseur de courant aussi petit que possible et de limiter néanmoins le courant de court-circuit à des va- leurs où il n'est pas nuisibleo Cela peut se faire par compensation du courant magnétisant de la bobine de self, qui est alors relativement grand, à l'aide d'un condensateur C disposé comme le montre la figure 5 et branché avec avantage sur un' enroulement spécial de compensation K du côté secon- daire du diviseur de courant To
Par différence avec des montages connus de diviseurs de courant dans lesquels on propose un condensateur en parallèle soit pour l'extinction de l'arc lors de la coupure périodique des courants de fonctionnement au rythme de la fréquence de passage des lames, laquelle dépend de la vitesse de rotation;
, soit pour réduire l'importance des harmoniques supérieurs, de même fréquence, qui se produisent dans le cas des balais partiels ayant la largeur des lames, le condensateur doit servir, dans le cas de la présente invention, à compenser de préférence l'onde fondamentale du courant de court-circuit.
Sa fréquence dépend de la vitesse de rotation et est rela- tivement faible, ce qui est la raison pour laquelle le condensateur doit avoir, dans le cas présent, une capacité beaucoup plus grande que dans les montages précitéso Pour l'empêcher de provoquer dans ce cas une augmenta- tion inacceptable des harmoniques supérieurs dans le circuit du diviseur de courant, on monte en série avec le condensateur C une bobine de self D d'a- mortissement dont l'inductance est accordée sur la capacité du circuit de compensation de façon que les courants aux fréquences des harmoniques supé- rieurs qui passent par les balais soient également limités à des valeurs qui ne soient pas nuisibles.
Avec le circuit de compensation ainsi réali- sé, on obtient en même temps que les résistances de contact des balais s'é- galisent, dans les différents groupes,9 encore plus fortement et que dans le diviseur de courant soient supprimées les dissymétries qui dépendent du courant de court-circuit. De cette façon le circuit de compensation contribue sensiblement à une amélioration de la répartition du courant de fonctionnement et à éviter les réactions nuisibles.
On peut réaliser une autre économie dans les diviseurs de cou- rant si on dispose dans les machines à courant alternatif les enroulements Ta et Tb des diviseurs de courant sur un noyau de fer commun suivant le montage représenté dans la figure 6. Les connexions circulaires collec- trices Sa et Sb sont reliées dans ce cas aux enroulements Ta et Tb des di- viseurs de courant de telle sorte que leurs champs magnétiques, qu'il pro- duisent entant que bobines de self servant à limiter les courants de court- circuit, s'ajoutent. Le circuit oscillant constitué par l'enroulement K, le condensateur C et la bobine de self D qui possède l'effet de compensa- tion que vient d'être décrit fonctionne en commun pour les groupes de con- nexions circulaires collectrices des deux polarités.