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B. SCHWARZy résidant à NORWICH, Norfolk (Gde Bret.) .
PERFECTIONNEMENTS AU REGLAGE DE LA VITESSE DES MOTEURS D'INDUCTION.
La présente invention est relative au réglage de la vitesse de mo- teurs d'induction et plus spécialement aux moteurs d'induction dont la vi- tesse doit être réglée, lorsqu'ils fonctionnent comme freins aussi bien que comme moteurs, comme c'est nécessaire, par exemple, dans les commandes d' ' engins de levage et de treuils et commandes similaires.
Il est bien connu qu'une opération de rétroaction des machines à induction n'est possible qu'à des vitesses hypersynchrones, et qu'un contrôle de la vitesse par réglage de résistances n'est efficace que lors- que des charges à travail positif sont appliquées, et devient inefficace en marche à vide
De nombreuses solutions du problème visant à l'obtention de vitesses stables en dessous de la vitesse synchrone sous toutes les conditions opéra- toires (c'est-à-dire, lors du fonctionnement comme moteur aussi bien que com- me frein) ont été proposées, les solutions connues tombant d'une façon géné- rale dans les cas principaux suivants a) utilisation de champs et de couples à rotations inverses, qui peuvent être obtenus, par exemple, par l'introduction d'une asymétrie dans le circuit primaire avec,
de ce fait, un effet monophasé; b) utilisation d'un frein contrôlé ou d'une machine de freinage séparée pour obtenir une charge à travail positif sur l'arbre du moteur de levage, même avec une charge à tirer; c) disposition pour la charge à tirer du rotor en fonction du champ tournant et prévision d'un réglage par résistance dans le circuit secondaire du moteur, le couple moteur contrebalançant le couple de charge..
Dans un système de réglage de la vitesse pour un moteur d'induction suivant l'invention, le moteur est pourvu de deux systèmes d'enroulements de stator et de rotor, dont les nombres de pôles sont dans un rapport pair un enroulement d'un, desdits systèmes étant alimenté par une source-de courant
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alternatif en vue du fonctionnement du moteur comme moteur d'induction , et un enroulement de l'autre système étant excité par du courant continu pour procurer un freinage dynamique simultané du moteur
Les exemples représentés schématiquement aux dessins annexés il- lustrent le principe fondamental de l'invention et sa mise en oeuvre ainsi que le résultat obtenu.
La figure 1 représente schématiquement un agencement suivant l'invention avec des enroulements distincts à nombre de pôles différent dans le stator et le rotor, un système étant utilisé comme moteur d'induc- tion à bagues collectrices et l'autre système avec une.excitation à courant continu en provenance d'un redresseur dans le circuit du rotor et avec une résistance dans le circuit du stator, comme agencement de freinage dynami- que
La figure la est une variante du système représenté à la figure dans laquelle les enroulements dusystème de freinage sont disposés de manière inverse à ceux de la figure 1.
La figure 2 montre des caractéristiques types charge/vitesse d'un agencement suivant la figure 1 ou la figure la
La figure 3 montre un système modifié à excitation dépendant de la charge pour un agencement basé sur celui de la figure 1.
La figure 4 montre un agencement basé sur la figure 1, mais avec une excitation à courant continu provenant d'une génératrice entraînée par le moteur.
La figure 4a montre une variante de l'agencement de la figure ..,. en ce qui concerne l'entraînement delà génératrice d'excitation qui, dans cet exemple, est entraînée par un moteur auxiliaire.
La figure 5 montre un agencement modifié, dans lequel le système d'enroulement utilisé pour le freinage peut également être utilisé pour obtenir un travail additionnel du moteur d'induction à vitesse élevée.
La figure 6 montre schématiquement un exemple d'un enroulement de stator, qui est utilisé à la fois comme l'enroulement d'une des séries de pôles, relié à l'alimentation, et comme l'enroulement secondaire à courant alternatif de l'autre série de pôles, en charge sur une résistance.
La figure 7 est un exemple d'un enroulement de rotor utilisé comme enroulement secondaire d'une série de pôles du moteur d'induction, relié à une résistance, et comme enroulement d'excitation de l'autre sé- rie de pôles, reliés aux redresseurs.
La figure 8 montre une partie d'un système d'enroulement rotorique court-circuité de pas défini.
Dans l'exemple illustrée à la figure 1, S représente l'enroulement du stator d'un moteur d'induction, relié à une alimentation triphasée et bo- biné pour 8 pôles. R8 est l'enroulement rotorique également bobiné pour 8 pôles et relié aux trois bagues collectrices 1, 2 et 3. Les bagues collec- trices sont connectées à une résistance triphasée Res réglable par déplace- ment du point neutre, comme représenté par les lignes horizontales pleine et à traits interrompus
Dans les mêmes encoches que les enroulements S8 et R8 sont respecti- vement prévus 4 enroulements polaires Set R.
L'enroulement rotorique R est, dans l'exemple, bobiné pour trois phases en étoile dont deux phases sont connectées en parallèle à une bague collectrice 4 et dont la troisième phase est connectée à la bague collectrice 3 qui est également connectée à une phase de l'enroulement à huit pôles R8.
Les bagues collectrices 3 et 4, sont connectées à un redresseur Re qui est alimenté par une source de courant alternatif par l'intermédiaire d'un transformateur T.
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Dans le circuit du redresseur, est prévue une résistance de réglage
Res a.
L'enroulement de stator à 4 pôles S 4 est connecté aux extrémités opposées de la résistance Res, de manière qu'en modifiant le montage en étoile la résistance introduite dans l'enroulement S 4 soit réduite lorsque la ré- sistance introduite dans le circuit de R8 est augmentée, et vice versa, mais deux points distincts de l'étoile peuvent être agencés pour un réglage in- dépendant des résistances effectives dans les deux circuits.
La résistance dans un de ces enroulements est à son maximum lors- que l'autre enroulement est court-circuité.
Du fait du rapport de 2/1 des nombres de pôles des deux systèmes d'enroulements, S8, R8 d'unee part, et R4,S4 d'autre part, aucune tension ne sera induite dans l'un ou l'autre des enroulements d'une des séries de pôles par une tension appliquée à l'un quelconque des enroulements de l'autre série de pôles.
On comprendra aisément qu'un flux tournant de 4. pales ne peut pas induire une tension dans un enroulement de 8 pôles,, et inversement qu'un flux tournant de 8 pales est inefficace avec un enroulement de 4 pôles.
Les deux systèmes d'enroulements sont, par conséquent, indépen- dants, et il est possible de connecter l'enroulement de 4 pales R 4 à une source de courant continu, Re dans l'exemple, tandis que l'enroulement de 8 pôles S8 est connecté à l'alimentationen courant alternatif
Pendant que la machine reste à l'arrêta le couple développé par le champ tournant de 8 pôles est le seul couple efficace dans la machine, et sa grandeur est déterminée par la quantité de résistance Res, introduite dans le circuit rotorique R8.
Lors d'un accroissement de la vitesse, le flux créé par l'excitation à courant continu dans l'enroulement de 4 pôles R induira dans l'autre en-
4 roulement de 4 pales S, une force électromotrice d'une fréquence et d'une grandeur proportionnelles à la vitesse de rotation du rotor.
Lorsqu'on règle la résistance effective de Res dans le circuit de l'enroulement de 4 pôles S,, le courant passant sous l'influence de
4 la force électromotrice induite peut être réglé, et, de ce fait, tout cou- ple de freinage requis peut être obtenu à toute vitesse quelconque.
Une autre possibilité de réglage peut être obtenue par le réglage de l'excitation à courant continu par l'intermédiaire de la résistance Res a.
Dans se départir du principe et de la fonction de base du système de réglage suivant l'invention, on peut prévoir des variantes, une de cel- les-ci étant représentée à la figure la. Dans cette figure, les enroule- ments du système de freinage à 4 pôles sont disposés d'une manière inverse de celle de la figure 1, c'est-à-dire que l'enroulement excité par courant continu est un enroulement monophasé S 4 dans le stator, excité par le redres- seur Re qui est connecté au transformateur T,
la tension du courant continu étant réglée par des prises intermédiaires TSW dans l'enroulement secondaire de ce transformateur
L'enroulement à courant alternatif R du système de freinage à 4 pôles est disposé dans le rotor exigeant entout cinq bagues collectrices des résistances réglables Res 8 et Res 4 étant prévues respectivement pour les systèmes à 8 et à 4 pôles.
Grâce à la combinaison prévue dans cet agencement, à savoir le ré- glage de la résistance dans l'enroulement secondaire du système à 8 pôles et le réglage de la résistance dans l'enroulement secondaire du système à
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4 pôles et/ou de l'excitation à courant continu dans l'enroulement primaire du système à 4 pôles, des caractéristiques stables vitesse/couple peuvent être obtenues à la fois lors du levage et lors de la descente, à tous les niveaux de vitesse sous-synchrone, aussi bien qu'un réglage hypersynchrone dans la direction descendante, comme nécessaire pour les commandes d'engins de levage, treuils, etc.
Gomme l'effet de freinage du système à 4 pôles, pour toute excita- tion à courant continu donnée et toute résistance donnée dans le circuit à courant alternatif augmente rapidement avec la vitesse, les différences de vitesses avec une variation de la charge sont relativement faibles, et des vitesses à vide sous-synchrones et des vitesses de freinage peuvent être facilement obtenues. La figure 2 montre les caractéristiques couple/vites- se d'un agencement suivant l'invention.
Il y a six marches disponibles dans les directions ascendante et descendante, dont les marches 1-4 eh direction ascendante et 2-5 dans la direction descendante sont obtenues par la superposition décrite du couple moteur produit par le système à 8 pôles et le couple de freinage produit par le système à 4 pales, avec différents réglages de la résistances secon- daire dans le moteur d'induction et le circuit de freinage, combinés avec des réglages de l'excitation à courant continu. Les marches 5 et 6 en di- rection ascendante et la marche 6 en direction descendante sont obtenues par le fonctionnement du système à 8 pôles comme moteur d'induction, et la marche 1, en descente, par l'utilisation du système de freinage seule- ment avec une excitation à courant continu.
A la figure 2, les vitesses sont données en % en ordonnée et les couples en % en abscisse, la partie supérieure étant relative à la montée et la partie inférieure à la descente.
Les caractéristiques couple/vitesse de l'agencement suivant l'in- vention peuvent être modifiées par l'introduction d'une excitation dépendait de la charge ou de la vitesse dans le circuit du système de freinage.
A la figure 3, un exemple d'un tel agencement est représenté.
On s'y base sur les mêmes enroulements qu'à la figure 1 et, en vue de simplifier la figure, une phase seulement des circuits triphasés est re- présentée, les références des éléments similaires étant les mêmes qu'à la figure 1.
A la figure 3, il est prévu une autre résistance Res s dans le circuit du stator S8, qui ajoute à l'effet de saturation produit dans le système à courant alternatif par l'excitation à courant continu. Cet effet est atteint par une augmentation du courant d'aimantation dans le système à courant alternatif, due à la saturation provoquée par l'excitation à courant continu, avec, en conséquence, une augmentation du flux de fuite primaire et une réduction du flux des huit pôles et de ce fait aussi des pertes dans la résistance secondaire du système à huit pôles. Inversement la saturation du circuit magnétique amenée par le système à courant alternatif augmente la stabilité du système de freinage excité par courant continu.
Ceci est exprimé dans une caractéristique couple/vitesse avec le point de couple maximum à une vitesse relativement élevée, ce qui permet de passer de la marche 6 de fonctionnement en moteur d'induction, à la figure 2, à un fonctionnement superposé de moteur d'induction et de freinage spécialement en direction descendante, dans la gamme stable du système.
En plus du redresseur Re, il est prévu, à la figure 3, un second redresseur Re connecté en série dans le circuit Ret qui est alimenté par un transformateur d'intensité CT dans le circuit d'enroulement du stator S4.
On verra qu'avec une augmentation du courant dans le circuit à courant alternatif du système de freinage, c'est-à-dire S., l'excitation dans le circuit à courant continu augmente.
De cette manière, un autre effet de stabilisation est introduit car
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pour toute valeur de la résistance dans le circuit de S , la plus légère élévation de courant, due à une augmentation de la vitesse, augmentera l'excitation et de ce fait augmentera le couple de freinage, en limitant ainsi l'augmentation de vitesse à une quantité négligeable.
L'effet est obtenu à la fois en montée et en descente et peut, de plus par le choix judicieux des deux excitations et des valeurs des ré- sistances dans les systèmes de freinage et moteur,être utilisé pour di- minuer les pertes dans l'agencement sous différentes conditions de charge
Un résultat similaire peut être obtenu en shuntant le second redresseur Re' aux bornes de l'enroulement secondaire du système excité par courant continu.
Ou bien l'excitation à courant continu peut être procurée par une génératrice de courant continu, accouplée à l'arbre du moteur d'induc- tion.
De cette manière également, il est possible d'obtenir une excita- tion rapidement croissante avec une augmentation de la vitesse et un effet de frein qui est sensible à la vitesse réelle, de sorte que les courbes carac- téristiques résultantes couple/vitesse sont aplaines,c'est-à-dire, que l'influence du couple de charge sur la vitesse est minime.
A la figure 4, un exemple de l'utilisation d'une telle généra- trice à courant continu suivant l'invention est représenté, la génératrice G étant entraînée par l'arbre du moteur
Seul le système d'enroulements de freinage S4, R4 est représenté à la figure 4, le système moteur étant supposé identique à celui des figu- res 1 et 3.
En vue d'obtenir une excitation dans le circuit de R 4 déjà avec le moteur à l'arrêt,un petit redresseur Re est prévu et connecté en paral- lèle à l'induit de la génératrice G et à son enroulement inducteur F1, Dès qu'une certaine vitesse est dépassée, la tension de la génératrice dépasse- ra celle du redresseur et aucun courant ne passera alors à travers ce der- nier.
Il apparaîtra du dessin et de la description que l'effet désiré d'excitation du système de freinage,augmentant rapidement avec la vitesse est obtenu.
Au lieu ou en plus de l'enroulement d'excitation F1, on peut pré- voir un enroulement d'excitation F2 alimenté par le redresseur Re" connecté au même transformateur T, et si on désire une autre excitation dépendant de la charge, elle peut être obtenue du transformateur d'intensité CT par le redresseur Re' qui alimente l'enroulement inducteur F3 de la génératrice.
En utilisant l'un ou l'autre ou une combinaison de ces systèmes, tout fonctionnement voulu peut être obtenu.
La génératrice G, au lieu d'être entraînée par l'arbre du moteur principal peut, comme montré à la figure 4a, être entraînée par un moteur auxiliaire AM, dont l'enroulement du stator est connecté aux bornes de 1' enroulement à courant alternatif S du système de freinage, et* par consé- quent, alimenté avec une fréquence 4variable, ce qui a pour résultat une aug- mentation de la vitesse de la génératrice G avec une augmentation de la vi- tesse de la machine principale, mais avec l'avantage d'une vitesse plus élevée de la génératrice,car le moteur d'entraînement AM peut,être bobiné pour un nombre inférieur de pôles, par exemple deux,
et la génératrice rendue mécaniquement indépendante de l'entraînement principal. La généra- trice peut également être entraînée par un moteur à vitesse constante et, de cette manière, être utilisée comme amplificateur pour un certain nombre de signaux, en liaison avec ce qui précède.
Au lieu d'une excitatrice à courant continu, tout type de généra-
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trice tachymètre accouplée à l'arbre du moteur d'induction peut être uti- lisé, qui par l'un quelconque des moyens d'amplification connus du type élec- tromagnétique ou électronique, donnera l'effet de freinage requis; une tel- le génératrice tachymètre peut également être utilisée pour fournir un signal pour le réglage automatique de la résistance dans le circuit secondaire du système d'excitation à courant continu.
Le système d'enroulement de la polarité, utilisé pour un freinage dynamique à l'intervention de courant continu peut également être connecté à l'alimentation en vue d'obtenir une vitesse différente'du moteur d'induc- tion, basée sur la vitesse synchrone procurée par ce système d'enroulement Ceci est spécialement intéressant dans les cas où ce système d'enroulement auxiliaire a un nombre de pôles inférieur à celui du système d'enroulement principal, ce qui a pour résultat une vitesse élevée qui peut être utilisée pour un fonctionnement à faible charge ou à crochet libre dans un système de levage @
La figure 5 montre un exemple d'un tel agencement, de nouveau es- sentiellement basé sur la machine décrite avec référence à la figure 1.
L'enroulement rotorique à 4 pales R est cependant connecté aux trois bagues collectrices 3, 4 et 5, ce qui amène le nombre total de bagues collectrices à 5 @
On a aussi représenté à la figure 5 des interrupteurs séparés C1 C@, ce dernier étant un commutateur qui peut être., soit constitué de con- tacteurs, soit incorporé dans le contrôleur.
Le fonctionnement tel que décrit pour la figure 1 est obtenu en fermant C1, ce qui connecte ainsi S8 à l'alimentation,et en mettant le redresseur Re en circuit avec l'enroulement rotorique R8en branchant C2 dans la position de gauche.
En vue d'obtenir un fonctionnement à vitesse élevée, c2 est bran- ché dans la position de droite, en connectant ainsi R. à l'alimentation, et l'interrupteur C1 est ouvert.
Ces deux interrupteurs peuvent cependant rester fermés en même temps dans le. but de passer de la vitesse de 8 pâles à celle de 4 pôles , ou même être laissés fermés pour obtenir une phase de vitesse intermédiaire car, suivant les explications précédentes, les deux systèmes n'interfèrent pas fondamentalement l'un avec l'autre, le rapport des nombres de pales était de 2/1.
Un enroulement monophasé, au lieu de S ,peut être utilisé éga- lement pour l'agencement de la figure 5 car, au moment de connecter celui- ci à l'alimentation, le moteur est déjà à mi-vitesse et atteindra, par conséquent, une pleine vitesse, même comme moteur monophasé, spécialement avec une charge légère, par exemple pour une montée ou une descente rapide un crochet à vide, pour lesquelles un tel fonctionnement à vitesse élevée peut être requis
Il est également possible d'utiliser des enroulements à prises intermédiaires comme connu dans la technique des moteurs à inversion de pô- les,simultanément pour les deux séries de pôles.
A la figure 6, un exemple d'un tel agencement d'enroulement est représenté pour une combinaison d'un enroulement primaire à nombre de pôles élevé,connecté à l'alimentation, servant en même temps comme enroulement secondaire à bas nombre de pôles, connecté à une résistance.
L'enroulement Se 4 peut être bobiné pour 8 pôles en étoile avec un pas d'enroulement suivant ce nombre de pôles.
Si comme il est bien connu, les enroulements étaient alimentés à partir de prises intermédiaires au milieu de chaque phase et si un autre
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point neutre Sp, représente en traits interrompus,étaient réalisé en même temps,cet enroulement fonctionnerait comme un enroulement de 4 pôlesà double étoile
Dans le présent casune résistance triphasée Res , est connectée à ces prises intermédiaires, avec le résultat que le second point neutre Sp pour le système à pôles est remplacé par le système d'alimentation triphasé qui représente un court-circuit pour la tension de basse fréquence induite par le champ tournant tétrapolaire qui est excité par l'excitation à courant continu dans le rotor.
La tension de la fréquence proportionnelle à la vitesse du moteur est alors alimentée à partir de ces prises à la résistance, les courants dans le système tétrapolaire étant superposés et passant indépendamment des courants provenant du système à 8 pôlesbien qu'un courant de la fré- quence d'alimentation passe également à travers la résistance, dont la va- leur sera cependant faible à cause de l'impédance élevée des éléments de 1' enroulement en circuit
La figure 7 montre un enroulement de stator ou de rotor connecté en étoile , W8.4 de la même conception en principe que celle de la figure 6 et dans lequel, tandis que l'enroulement de 8 pôles est utilisé comme en- roulement secondaire du système moteur en liaison avec la résistance Res 8,
la connexion tétrapolaire est utilisée pour introduire l'excitation à courant continu au moyen de deux redresseurs Re2 connectés en série avec les résistances Res'. Ces redresseurs obtiennent leur courant, du système à 8 pôles, car ils utilisent la différence de tension entre les prises in- termédiaires de ce système.
Les résistance Res' sont nécessaires pour une limitation du courant.
On comprendra que d'autres combinaisons de résistances et systèmes d'excitation, en dehors de ceux décrits dans l'exemple, peuvent être utili- sées suivant l'invention avec ces enroulements à inversion de pales aussi bien qu'avec des enroulements séparés de différents nombres de pôles
Au lieu de résistances, des selfs et/ou des condensateurs peuvent être utilisés dans ces circuits; ils ont un effet différent sur des courants de fréquence différente.
Au lieu d'enroulements à bagues collectrices,des enroulements rotoriques court-circuités avec un pas déterminé peuvent être utilisés en vue de contrôler l'influence des champs de nombre de pôles différent sur les courants et couples développés par ces champs, de préférence aux enrou- lements à cage d'écureuil qui, bien qu'applicables et efficaces avec les deux séries de pôles, ne permettent un tel contrôle que par un réglage re- latif de .la résistance du conducteur et de la bague.
De tels enroulements secondaires court-circuités à pas peuvent être agencés pour une des deux séries de pôles tandis que l'autre reste un enroulement à bague,et il est également possible d'utiliser un tel en- roulement rotorique pour les deux séries de pôles.
Un enroulement consistant en spires court-circuitées est repré- senté à la figure 8; dans cet enroulement le pas p est représenté comme étant égal au pas polaire p8 du système à 8 pôles et comme la moitié du pas polaire p4 du système à , pôles. Dans ce cas, la résistance secondaire se rapportant à l'enroulement primaire correspondant est deux fois aussi élevée pour le système à 4 pôles que la résistance pour le système à 8 pales, en supposant le même nombre effectif de spires primaires.
Sp était rendu égalà p,, la résistance de l'enroulement rotorique se rapportant à l'enroulement primaire à 3 pales serait alors infinie, et la.résistance se rapportant à l'enroulement primaire à pôles serait mi- nimum.
On peut voir que, de cette manière,des réglages relatifs de la
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résistance peuvent être réalisés et que l'enroulement rotorique court- circuité peut être rendu inefficace pour l'un des systèmes.
EMI8.1
BEVENDIDATIONS.
1. Un système de réglage de la vitesse pour un moteur d'indiuc- tion, dans lequel le moteur est pourvu de deux systèmes d'enroulements de stator et de rotor, dont les nombres de p81es sont dans un rapport pair, un enroulement d'un desdits systèmes étant alimenté par une source de cou- rant alternatif en vue du fonctionnement du moteur comme moteur d'induc- tion et un enroulement de l'autre système étant excité par du courant con- tinu pour procurer un freinage dynamique simultané du moteur.