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Les locomotives ou autres véhicules à traction électrique alimen- tés par une ligne de contact à tension sensiblement constante, sont fréquem- ment munis de moteurs à excitation série. Le plus souvent, la mise en vitesse de ces locomotives ou engins moteurs s'effectue en interposant en série, entre la ligne de contact et le ou les moteurs de traction, un rhéostat, dit de dé- marrage, dont on diminue progressivement la résistance jusqu'à l'éliminer complètement.
Le tracé en traits pleins de la Fig.l rappelle, sous sa forme la plus simple, le schéma classique d'un équipement de traction à un seul moteur série et à démarrage rhéostatique. Le courant capté sur la ligne de contact 1, par l'organe de prise 2 passe dans le rhéostat de démarrage 3 muni
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d'un curseur mobile 4 et, delà, se rend au rail (ou à la ligne) de retour 5 après avoir traversé le moteur de traction dont l'induit est figuré en 6 et l'inducteur série en 7 .
La caractéristique effort de traction F/ vitesse V ,correspondant à un cran de démarrage donné de l'équipement, c'est-à-dire à une position, donnée du curseur 4 et par suite à une valeur donnée de la résistance du rhéostat 3 , a l'allure de la courbe A à forte pente de la Fig. 2.
On sait que la susceptibilité au patinage d'un véhicule dépend pour beaucoup de la valeur de la pente des caractéristiques effort de traction F/ vitesse V des moteurs de son équipement; plus pette pente est grande en valeur absolue et plus il est difficile d'éviter qu'un léger glissement d'une roue ou d'un essieu ne dégénère en véritable patinage, au lieu de se résorber rapidement par "réaccrochage" de la ou des roues sur la table de roulement.
La présente invention a pour objet un perfectionnement ,de réali- sation particulièrement simple, qui permet de réduire la susceptibilité au patina- ge des véhicules à traction électrique'équipés de moteurs à excitation série et à mise en vitesse rhéostatique. @
Ce perfectionnement consiste essentiellement à shunter l'induit du ou des moteurs de traction par des résistances de valeur nettement supérieure à celle de la résistance du ou des induits qu'elles shuntent, ce sahuntage étant appliqué au moins pour ceux des crans de mise en vitesse où un patinage est parti- culiètement susceptible de se développer.
La mise en oeuvre de l'invention n'exige donc aucun relais spécial ou dispositif de contrôle automatique; dans le schéma simple de la Fig.l , elle comporte seulement l'adjonction, à l'équipement rhéostatique ordinaire, d'une résistance 8 (représentée en pointillé) branchée aux bornes de l'induit 6 .
Pour une position donnée du curseur 4 ,la présence de la résis- tance 8 réduit les variations de la tension aux bornes de l'induit quand le courant absorbé par celui-ci varie ; en résulte une réduction de la pente de la caractéristique effort de traction F/vitesse V et par conséquent une diminu- tion de la susceptibilité au patinage.
Si, en se reportant à la Fig. 2, on considère un point quelconque V , F de la caractéristique A , la tension U aux bornes de l'induit 6 du moteur est égale à la tension d'alimentation U du véhicule, diminuée des chutes
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de tension dans le rhéostat 3 et les inducteurs 7 ;la pension U varie donc notablement avec l'intensité du courant qui traverse l'induit 6 , ce qui donne à la caractéristique effort de traction/vitesse la forte pente de'la courbe A .
Dans les équipements conformes à l'invention, le shuntage de l'induit 6 par une résistance 8 réduisant les variations de la tensionv Uo en fonction des variations de l'intensité du courant qui traverse ltinduit, la pente de la caractéristique effort/vitesse est diminuée, la caractéristique passant par le point Fo , Vo prenant l'allure de la courbe B ,au lieu de celle de la courbe A correspondant aux équipements ordinaires, et la pente de la courbe B étant d'autant plus faible que lion admettra des courants d'intensité plus élevée dans la résistance de shuntage 8 .
L'addition de la résistance 8 entraîne évidemment une certaine perte d'énergie et un accroissement du volume total des résistances de l'équipe- ment ; mais il suffit de dériver dans la;résistance 8 un courant relativement faible (le dixième par exemple) pour obtenir une diminution très sensible de la pente de la caractéristique effort/vitesse et par suite pour améliorer notable- ment l'adhérence du véhicule.
Dans l'équipement représenté Fig.l, l'inducteur 7 est traversé par un courant égal à la somme des courants dans l'induit 6 et dans la résis- tance $ ; le courant dérivé dans cette résistance 8 étant relativement faible, cela n'entraînera en pratique aucun inconvénient du point de vue échauffement de l'inducteur 7, -étant donné que la constante de temps thermique de cet enroulement est en général très notable et que la durée de la portion de démarrage pendant laquelle le shuntage d'induit sera utilement mise en service- sera, en fait, très courte.
Par ailleurs, étant donné que le courant total passant dans l'in- ducteur varie moins vite que le courant dans l'induit, le flux inducteur variera moins que dans le cas d'un moteur série ordinaire et cela contribuera également à réduire la pente de la caractéristique effort/vitesse.
Il est connu que l'effet nocif, du point de vue adhérence, d'une résistance en série dans le circuit d'un moteur est d'autant plus marqué que la résistance est plus grande.
Bans le cas d'un équipement rhéostatique ordinaire, la suscepti- bilité au patinage est donc maximum sur les premiers crans de démarrage .
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C'est donc dans la région des assez fortes intensités de ces premiers crans que le ahuntage de l'induit objet de l'invention sera le plus efficace pour réduire la susceptibilité au patinage.
La nature du courant d'alimentation de la ligne de contact n'a pas été explicitée dans ce qui précède ; doit être bien entendu que la présente invention s'applique à une alimentation soit en courant continu, soit en courant alternatif.
S'il s'agit de courant continu, on notera que la présence pendant tout ou partie du démarrage d'une résistance aux bornes d'un induit ne présente aucun inconvénient en régime transitoire (variation brusque de tension à la ligne par exemple).
S'il s'agit au contraire de véhicules à courant monophasé utili- sant des moteurs série alimentés directement ou non par la ligne de contact à tra- vers un équipement à démarrage rhéostatique, les deux solutions classiques du moteur série monophasé à. collecteur et du moteur à courant ondulé fourni par un redresseur monophasé sont à examiner.
Dans le cas du moteur série monophasé à collecteur, le shuntage de l'ensemble induit + bobines de commutation + bobines éventuelles de compensation est à priori inadmissible, car il introduirait un déréglage nocif de la composante du flux émis par les pôles de commutation qui doit neutraliser la tension statique induite dans les sections d'induit en communication par le flux inducteur alterna- tif. Dans ce cas, conformément à l'invention, on sftuntera le moteur entier (c'est- à-dire induit + bobinesde commutation + bobines éventuelles de compensation + in- ducteurs) par la résistance 8 de la Fig.l.
Dans le cas du moteur série alimenté en courant ondulé par un redresseur monophasé, le shuntage de l'induit associé à ses bobines de commutation et à. ses bobines de compensation éventuelles ne présente aucun inconvénient; tout au contraire, ce shuntage par une résistance pure, dont l'admittance est très grande par rapport à celle de la branche induit, a pour effet de réduire le taux d'ondula- tion du courant dans l'induit et par suite de faciliter la commutation pendant les périodes de démarrage à forte intensité.
L'invention peut être utilisée non seulement sur les véhicules à un seul moteur, mais aussi sur les équipements comportant plusieurs moteurs et des couplages variables entre ceux-ci; elle s'applique aussi, non seulement aux
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véhicules alimentés de l'extérieur, mais aussi à ceux où l'énergie électrique est produite dans le véhicule lui-même.
En se référant aux schémas des Fig.3 à 5, on va décrire des exemples, donnés à titre non limitatif, de mise en oeuvre de l'invention. Les dispositions qui seront décrites à propos de ces exemples devront 'être considérées comme faisant partie de l'invention, étant bien entendu que toutes dispositions équivalentes pourront être aussi bien utilisées sans sortir du cadre de celle-ci.
Le schéma de la Fig.3 concerne un exemple d'équipement à deux moteurs et couplages série-parallèle de ceux-ci.
Le courant capté sur la ligne de contact 1 par l'organe de prise 2 passe dans les moteurs après avoir traversé deux bancs de résistance 3 & 3' et de là se rend au rail (ou à la ligne) de retour 5 .
Les induits des moteurs, avec leurs bobinages statoriques as- sociés de commutation et de compensation, sont figurés en 6 et 6' et les induc- teurs série correspondants en 7 et 7'
Les contacteurs 8, 9 & 11 sont des contacteurs de transition prévus, dans le-cas de la Fig.3,pour permettre le passage du couplage série au couplage parallèle des deux moteurs par la méthode classique du court-circuit.
Le contacteur 10 fermé, après transition, sur tous les crans du couplage parallèle, met alors, comme il est d'usage, les deux bancs de résis- tance 3 et 3' en parallèle et complète ainsi la barre d'équilibre prévue entre les deux moteurs.
Les contacteurs 12 à 17 inclus pour le banc de résistance 3 et les contacteurs homologues 12' à 17 'inclus pour le banc 3' sont des "con- tacteurs de résistances", connectés d'une part entre une barre commune reliée à la borne d'entrée de l'induit correspondant, d'autre part aux diverses prises des bancs de résistances 3 & 3'.
Enfin, les contacteurs 18 & 18' ,dits de shuntage d'induit, sont des appareils destinés à introduire ou à supprimer le shuntage des induits 6 & 6'.
Le fonctionnement de l'ensemble est le suivant :
Au premier cran de démarrage "série", les contacteurs 11, 18 et 18' sont fermés, tandis que les contacteurs 8, 9, 10 sont ouverts.
En ce qui concerne les contacteurs de résistances 12 à 17 inclus et 12'à 17'inclus, on notera que 17 et 17t sont fermés, tandis que
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tous les autres sont ouverts. Dans ces conditions : le courant total J ,capté sur la ligne 1, passe dtabord dans tous les éléments de résistance entre plots du rhéostat 3, à l'exclusion du dernier, qui par suite de la fermeture des contac- teurs 17 & 18 se trouve en parallèle avec l'induit 6 du premier moteur. Le courant J emprunte alors deux voies : - l'induit 6 qui est traversé par un courant I ,inférieur à J , - le dernier élément de résistance du banc 3 qui shunte l'induit 6 et qui est traversé par un courant J - I.
Ensuite, le courant total J traverse l'inducteur 7 du premier moteur, passe par le contacteur de couplage et de transition 11 et, de' là traverse le second banc de résistances 3' et le second moteur 6'-7'. exactement comme il a traversé les éléments correspondants 3, 6 & 7 du premier groupe résis- tances et moteur.
Pour chacun des deux groupes résistances et moteur, on se trouve ainsi ramené au schéma élémentaire de la Fig.l avec induit shunté.
En tenant compte du courant que l'on admet de dériver dans la résistance de shuntage de chaque induit 6 & 61, les considérations classiques telles que l'accélération initiale admissible au premier cran, permettent de dé- terminer la résistance totale des bancs 3 & 3 ' ainsi que la valeur ohmique de leur dernier entreplot qui shunte l'induit correspondant.
Cette détermination sera supposée faite pour une vitesse nulle Vo =o du véhicule à laquelle correspondront : - un courant total Jo dans la portion amont des bancs 3 & 3' et dans les in- ducteurs 7 & 7' - un courant Io dans les induits 6 & 6'.
- un courant Jo-Io dans llentreplot inférieur des bancs 3 & 3' servant de résistances de shuntage à l'induit correspondant.
:il est à noter qu'en l'absence de patinage, si le véhicule se met en marche sur ce premier cran et s'il atteint à un instant donné une vitesse V1 > Vo = 0, il est facile de vérifier que les trois courants J, I et J-I considérés ci-dessus varieront respectivement comme suit : - courant total J1 < Jo - courant induit I1 < Io - courant dans le shunt Jl - I1 > Jo- Io
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On supposera maintenant que, toujours sur ce mêmepremier cran du couplage série, le véhicule ne démarre pas et que par exemple le moteur 6-7 amorce un patinage.
En vertu de ce qui a été dit précédemment pour le cas simple de l'équipement à un seul moteur, la résistance de shuntage de l'induit 6 abs,orbera un courant plus élevé, ce qui tendra à réduire la variation de chute de tension dans les parties amont des bancs 3 & 3' ,donc s'opposera à une montée importante de la tension aux bornes de l'induit 6 et par suite de la vitesse du dit induit, d'autant plus que le flux inducteur, fonction du courant total J, diminuera mc-ins que dans le cas du démarrage rhéostatique ordinaire.
C'est ce qu'on vérifie en calculant et en traçant pour divers crans et pour diverses vitesses et' intensités initiales, les familles de courbes donnant la pente de la caractéristiques effort/vitesse d'un seul moteur qui patine, pente qui constitue le facteur électromagnétique le plus important pour caractéri- ser la tendance au potinage d'un véhicule;
Pour passer ensuite au second cran et aux crans suivants du dé- marrage "série", on pourra ,suivant une forme préférée d'application de l'in- vention :
au cran 2 ,fermer en plus le contacteur 16 au cran. 3 ,fermer en plus le contacteur 16' au cran 4 , fermer en plus le contateur 15 au cran 5 , fermer en plus le contacteur 15 etc... en laissant ainsi inchangée la valeur du dernier entrplot aval con- @@et la résistance de shuntage des induits 6 & 6' et en diminuant progreess t les portions amont des bancs 3 & 3' qui sont parcourues par le courant tatl.1.
Mais à un certain moment, par exemple juste au-delà du cran de décollage correspondant à l'effort de démarrage maximum maximorum à vitesse mile, la force électromotrice du moteur augmentant et si l'on veut limiter ou même réduire l'importance des courants J-I dérivés dans les porâtions de résistances servant au shuntage des induits 6 & 61, il y a intérêt conformément à l'inven- tion, à augmenter la valeur ohmique des dites résistances de shuntage.
A cet effet, il suffit d'ouvrir successivement les contacteurs
17 & 17' les contacteurs 16 & 161 étant déjà fermés, puis d'ouvrir 16 & 161, les contacteurs 15 & 15t étant déjà fermés, etc...
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De cette façon, la plupart des contacteurs de résistance, à l'exclusion de ceux tels que 12, 12', 13, 13',... qui se trouvent côté amont, sont utilisés à deux fins, tantôt pour faire varier la valeur de la résistance amont de chaque banc, tantôt pour modifier la résistance de shuntage d'induit.
Se même, un certain nombre d'entreplots des bancs 3 & 3' sont utilisés tantôt comme résistance amont, tantôt comme résistance de shuntage.
Cette double utilisation de contacteurs et de résistances conduit en pratique à une économie de matériel et constitue une mise en oeuvre particulièrement in- téressante de l'invention.
Toutefois, celle-ci couvre également toute variante dans laquelle on séparerait nettement, tant pour les contacteurs que pour les résistmces, les fonctions "résistance amont" et "shuntage d'induit", en utilisant par exemple un rhéostat et un commutateur séparés pour le shutage, commandé ,synchroniquement ou non, avec le dispositif de réglage du rhéostat amont.
I1 existe un certain cran, désigné ci-après sous le nom de cran limite, avec lequel, pour des courantsJ maximum et I maximum donnés, on obtient l'effet de shuntage désiré en utilisant, comme "résistance de shuntage dtinduit", la partie restante du rhéostat, déduction faite de la "résistance amont", donc sans adjonction de résistance à celles prévues pour l'ensemble de tous les crans série précédents. A ce moment, un seul contacteur de résistance par banc, 14 et 14' par exemple, est fermé.
Au-delà de ce cran limite, l'invention comprend deux variantes '
1 ) - On peut tout d'abord maintenir le shuntage des induits jusqu'au dernier cran "série sur résistances"; mais, du fait qu'entre le cran limite et ce dernier cran série, la tension aux bornes de l'induit continue à croître d'une manière sensible, cela peut impliquer l'introduction dans le circuit de shuntage des induits d'une résistance supplémentaire, non représentée Fig.3, dont le but es- sentiel est de limiter la consommation d'énergie et la surcharge de certains organes.
2 ) - On peut au contraire ouvrir les contacteurs 18 & 1S' et renoncerau shuntage d'induit, en se basant sur le fait qu'au cran limite la valeur de la résistance amont est réduite à une valeur déjà très faible, que la tendance au patinage en démarrage rhéostatique ordinaire dans la zone considérée est alors bien moindre qu'au début du démarrage et que le bénéfice du shuntage d'induit, très notable à faible vitesse, s'estompe et s'annule finalement ' sque
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toute résistance amont est éliminée.
Quelle que soit la variante adoptée pour maintenir ou non le shuntage d'induit après le cran limite, il est nécessaire que sur le cran "série sans résistance", qui est un cran de marche économique, les contacteurs de shun- tage d'induit 18 & 18' soient ouverts, le maintien du shuntage dinduit n'ayant alors que des inconvénients.
La transition ou passage du couplage série au couplage parallèle, s'effectue ,comme on le sait, au moyen des contacteurs 11, 8, 9 puis 10. Suivant la forme préférée, mais non limitative, de miseu en oeuvre de l'invention : - le cran série sans résistance - les divers temps de l'opération "transition" - le premier cran sur résistances du couplage parallèle sont tous réalisés comme dans les équipements classiques, sans recourir au shun- tage d'induit.
On sait pa Lieurs que la tendance au patinage d'un équipement tel que celui représenté Fig.3 est nettement moindre au couplage parallèle qu'au couplage série, à condition bien entendu que le contacteur 10 soit fermé pour égaliser les tensions entre les deux moteurs.
Conformément à l'invention, on peut donc poursuivre le démarrage parallèle : - soit en remettant en service les résistances de shuntage des induits sur tous les crans sur résistances du couplage parallèle ou sur certains d'entre eux seulement, - soit en laissant ouverts les contacteurs 18 & 18' et en renonçant alors au bénéfice du shuntage des induits sur les dits crans.
Dans ce qui précède, on a utilisé l'expression résistance amont pour désigner la portion de banc de rhéostat parcourue par la somme des. courants dans un induit et dans sa résistance de shuntage. Il doit être bien entendu que l'ordre des divers éléments des circuits est indifférent et que toutes d'sposi- tions équivalentes de connexion font partie de l'invention.
De nombreux véhicules électriques à démarrage shéostatique, surtout dans le cas d'alimentation en courant continu à 3.000 Volts, sont munis de moteurs connectés en permanence par deux en série , les diverses paires de moteurs, considérées chacune comme un moteur unique, pouvant être couplées en série, en série-parallèle, en parallèle, etc...
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Cette disposition présente de nombreux avantages en ce qui concerne les moteurs et l'appareillage; toutefois, il est connu qu'elle n'est pas favorable du point de vue utilisation optimum de l'adhérence. Le shuntage des induits prévu par la présente invention, s'applique également aux véhicules munis de moteurs connectés en permanence par deux ou plus en série et permet de réduire notablement leur susceptibilité au patinage. Dans un tel cas, il est avantageux, conformément à l'invention, si les induits des moteurs connectés en permanence en série rie sont pas lités mécaniquement en rotation, de munir chaque induit d'une résistance de shuntage individuelle.
A titre d'exemple non limi- tatif, il a été représenté Fig.4 le schéma de principe très simplifié d'une branche de deux moteurs connectés en permanence en série associés avec leur ré- sistance de démarrage et leurs résistances de shuntage d'induit.
Le courant entre dans l'équipement en 19 et sort en 20 après avoir traversé successivement la résistance de démarrage commune 3, l'induit 21 et sa résistance de shuntage individuelle 22 ,l'induit 23 et sa résistance de shuntage individuelle 24, les inducteurs série 25 & 26 correspondant l'un au premier moteur, dont l'induit est figuré en 21, l'autre au second mo- teur, dont l'induit est figuré en 23.
Conformément à l'invention, on pourrait, en variante, se conten- ter d'une résistance unique pour shunter l'ensemble des deux induits, mais l'amélioration de l'adhérence effective ainsi obtenue serait bien moindre que avec des résistances individuelles de shuntage telles que 22 & 24 , résistances individuelles dont l'emploi constitue, comme on l'a dit, la forme préférée de mise en oeuvre de l'invention.
Certains équipements de traction comportent des groupes généra- teurs ou convertisseurs, dont l'élément final est une génératrice à courant continu qui alimente un ou plusieurs moteurs de traction à excitation série (ou composée); c'est le cas notamment des transmissions électriques pour loco- motives Diesel, des équipements à convertisseur rotatif monophasé-continu,etc..
Dans la majorité des cas, la génératrice a une caractéristique tension-courant d'allure décroissante. Cela confère à ces équipements une certaine susceptibi- lité au patinage, puisque sur un cran donné, lorsque l'intensité absorbée par un ou plusieurs moteurs décroît, la tension à leurs bornes augmente. Cette allure de caractéristique est dans une certaine mesure comparable à celle que l'on obtiendrait avec une génératrice à tension constante dans le circuit de
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laquelle on aurait inséré une résistance assez élevée.
On est donc ramené à, un cas très semblable à celui des équipements à démarrage rhéostatique et par suite la présente invention, mettant toujours en oeuvre le shuntage des induits pour réduire la susceptibilité au patinage, couvre non seulement les équipements à démarrage rhéostatique, mais aussi ceux dont le ou les moteurs de traction sont alimentés par une génératrice ou par un groupe convertisseur rotatif ou statique fournissant du courant continu ou ondulé sous tension décroissant lorsque le courant augmente.
Ce shuntage d'induit sera particulièrement efficace dans la zone des gros efforts et basses vitesses ; pourra être mis hors service dès que les courants et efforts seront retombés à des valeurs assez faibles.
A titre d'exemple non limitatif, on trouvera Fig.5 le schéma de principe très simplifié d'une locomotive Diesel à transmission électrique à quatre moteurs de traction.
Sur cette figure, 27 & 28 représentent respectivement le moteur Diesel et la génératrice qu'il entraîne. Cette génératrice a une caractéristique tension-courant plongeante, due par exemple à la présence d'enroulements d'exci- tation séparée 29 et anti-compound 30 .La génératrice 28 alimente les quatre moteurs'de traction, dont les induits et bobines de commutation sont fi- gurés en 31, 32, 33 & 34 et les inducteurs série correspondant en 35,36, 37 & 38. Ces quatre moteurs sont supposés couplés en série-parallèle. Quatre résistances de shuntage, de valeur fixe ou réglable, 39, 40, 41 & 42 sont bran- chées respectivement aux bornes des induits 31, 32, 33 & 34.
Des contacteurs, non représentés, sont insérés dans le circuit de ces résistances et servent à les mettre ou non en service.
Le fonctionnement du dispositif découle de ce qui a été exposé précédemment ; on voit par exemple que si l'essieu moteur 31 commence à patiner, le courant absorbé par la branche 31,35 ,32,36 diminue, la tension aux bornes de l'induit 31 augmente du fait que la tension de la génératrice 28 augmente par suite de la réduction du courant total qu'elle débite, et du fait de la vitesse accrue prise par l'induit 31
Ces effets sont très atténués par la présence des résistances de shuntage d'induit, notamment par celle de la résistance 39 qui shunte l'in- duit 31 et qui absorbe d'autant plus de courant que la tension aux bornes de
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cet induit croît davantage.
La pente de la caractéristique effort/vitesse de l'induit 31 qui patine est donc très réduite ainsi que sa sucaptiblité au patinage.
Ainsi qu'on l'a dit, les exemples de mise en oeuvre de l'in- vention relatifs à divers équipements de véhicules électriques ou à transmission électrique qui viennent d'être décrits ne sont nullement limitatifs et l'utili- sation du shuntage d'induit en vue d'améliorer l'adhérence pratique de véhicules à moteurs série constitue la caractéristique essentielle de l'invention et est applicable à des cas très variés, notamment : - équipements à un ou plusieurs moteurs et à un ou plusieurs couplages; - équipements à plusieurs moteurs, pouvant être coplés parellèle dès le début du démarrage; - équipements comportant une ou plusieurs branches de moteurs, chaque branche comprenant plusieurs moteurs connectés en permanence en série; - véhicules à courant continu à moteurs à excitation série ou composée;
- véhicules à courant monophasé à démarrage rhéostatique et à moteurs série à collecteur, ces moteurs étant alimentés soit en courant monophasé, soit en courant ondulé fourni par des redresseurs monophasés; .
- véhicules à accumulateurs; - véhicules à démarrage rhéostatique pouvant fonctionner sous cousant continu et sous¯courant monophasé redressé; - véhicules de toutes sortes : locomotives, automotrices, tracteurs, locomotives de mines, tramways,.... sur rails ou sur route; - équipements à une ou plusieurs transitions par les méthodes du court-circuit ou du pont; - équipements utilisant des types absolument qielconques de résistances de démarrage ou de shuntage d'induit et de contacteurs, combinateurs ou collec- teurs modifiant les dites résistances; - équipements comportant un nombre quelconque de crans de démarrage à chacun des couplages;
- équipements rhéostatiques dans lesquels à chaque valeur des résistances "amont" correspond une valeur bien déterminée des résistances de shuntage d'induits ou au contraire dans lesquels, pour une résistance amont donnée, les dites résistances de shuntage peuvent varier entre centraineslmintes
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Locomotives or other electric traction vehicles supplied by a substantially constant voltage contact line are frequently fitted with motors with series excitation. Most often, these locomotives or engines are brought up to speed by interposing in series, between the contact line and the traction motor (s), a so-called starting rheostat, the resistance of which is gradually reduced. until it is completely eliminated.
The line in solid lines of Fig.l recalls, in its simplest form, the classic diagram of traction equipment with a single series motor and rheostatic starting. The current picked up on the contact line 1, by the tap unit 2 passes into the starting rheostat 3 fitted
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of a movable cursor 4 and, beyond, goes to the return rail (or line) 5 after passing through the traction motor whose armature is shown at 6 and the series inductor at 7.
The characteristic traction force F / speed V, corresponding to a given start-up step of the equipment, that is to say to a given position of cursor 4 and consequently to a given value of the resistance of rheostat 3 , has the shape of the curve A with a steep slope in FIG. 2.
It is known that the susceptibility to skidding of a vehicle depends to a great extent on the value of the slope of the traction force F / speed V characteristics of the motors of its equipment; the greater the slope is in absolute value and the more difficult it is to prevent a slight slip of a wheel or of an axle from degenerating into real skidding, instead of being quickly reabsorbed by "re-hooking" the one or more wheels on the tread.
The object of the present invention is an improvement, of particularly simple realization, which makes it possible to reduce the susceptibility to slipping of electric traction vehicles equipped with motors with series excitation and rheostatic speed setting. @
This improvement consists essentially in shunting the armature of the traction motor (s) by resistors of a value markedly greater than that of the resistance of the armature (s) they shunt, this loosening being applied at least for those of the speed setting notches. where slippage is particularly likely to develop.
The implementation of the invention therefore does not require any special relay or automatic control device; in the simple diagram of FIG. 1, it only comprises the addition, to the ordinary rheostatic equipment, of a resistor 8 (shown in dotted lines) connected to the terminals of the armature 6.
For a given position of cursor 4, the presence of resistor 8 reduces the variations in the voltage across the armature when the current absorbed by the latter varies; The result is a reduction in the slope of the characteristic traction force F / speed V and consequently a reduction in the susceptibility to slipping.
If, referring to FIG. 2, we consider any point V, F of the characteristic A, the voltage U at the terminals of the armature 6 of the motor is equal to the supply voltage U of the vehicle, minus the drops
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voltage in the rheostat 3 and the inductors 7; the pension U therefore varies notably with the intensity of the current which crosses the armature 6, which gives the characteristic traction force / speed the strong slope of curve A.
In the equipment according to the invention, the shunting of the armature 6 by a resistor 8 reducing the variations of the voltage V Uo as a function of the variations in the intensity of the current flowing through the armature, the slope of the force / speed characteristic is decreased, the characteristic passing through the point Fo, Vo taking the shape of the curve B, instead of that of the curve A corresponding to ordinary equipment, and the slope of the curve B being all the lower as lion will admit higher current in the shunt resistor 8.
The addition of resistor 8 obviously involves a certain loss of energy and an increase in the total volume of resistances of the equipment; but it suffices to drift in resistor 8 a relatively low current (one tenth for example) to obtain a very appreciable reduction in the slope of the force / speed characteristic and consequently to considerably improve the grip of the vehicle.
In the equipment shown in Fig.l, the inductor 7 is crossed by a current equal to the sum of the currents in the armature 6 and in the resistor $; the derivative current in this resistor 8 being relatively low, in practice this will not cause any disadvantage from the point of view of the heating of the inductor 7, given that the thermal time constant of this winding is generally very significant and that the duration of the start-up portion during which the armature shunt will be usefully put into service will, in fact, be very short.
Also, since the total current flowing through the inductor varies less quickly than the current in the armature, the inductive flux will vary less than in the case of an ordinary series motor and this will also help to reduce the slope. of the force / speed characteristic.
It is known that the harmful effect, from the point of view of adhesion, of a resistance in series in the circuit of a motor is all the more marked as the resistance is greater.
In the case of ordinary rheostatic equipment, the susceptibility to slip is therefore maximum on the first notches of starting.
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It is therefore in the region of the fairly high intensities of these first notches that the ahuntage of the armature object of the invention will be the most effective in reducing the susceptibility to slipping.
The nature of the supply current of the contact line has not been explained in the foregoing; It must be understood that the present invention applies to a supply either in direct current or in alternating current.
If it is direct current, it will be noted that the presence during all or part of the start-up of a resistance at the terminals of an armature does not present any disadvantage in transient conditions (sudden variation in line voltage for example).
If, on the contrary, it is a question of single-phase current vehicles using series motors supplied directly or not by the contact line through a rheostatic starting equipment, the two conventional solutions of the single-phase series motor to. collector and ripple current motor supplied by a single-phase rectifier are to be examined.
In the case of the single-phase collector series motor, the shunting of the armature assembly + switching coils + any compensation coils is a priori inadmissible, as it would introduce a harmful adjustment of the component of the flux emitted by the switching poles which must neutralize the static voltage induced in the armature sections in communication by the alternating inductor flux. In this case, in accordance with the invention, the entire motor (that is to say armature + switching coils + possible compensation coils + inductors) will be taken through resistor 8 in FIG.
In the case of the series motor supplied with corrugated current by a single-phase rectifier, the armature shunt associated with its switching coils and with. its possible compensation coils do not present any drawback; on the contrary, this shunting by a pure resistance, the admittance of which is very large compared to that of the armature branch, has the effect of reducing the rate of ripple of the current in the armature and consequently of facilitating switching during periods of high current starting.
The invention can be used not only on single-engine vehicles, but also on equipment comprising several engines and variable couplings between them; it also applies, not only to
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vehicles powered from the outside, but also to those where electrical energy is produced in the vehicle itself.
With reference to the diagrams of FIGS. 3 to 5, examples will be described, given without limitation, of implementation of the invention. The arrangements which will be described with regard to these examples should be considered as forming part of the invention, it being understood that any equivalent arrangements may equally well be used without departing from the scope thereof.
The diagram in Fig. 3 relates to an example of equipment with two motors and series-parallel couplings thereof.
The current picked up on the contact line 1 by the receptacle 2 passes into the motors after having crossed two resistance banks 3 & 3 'and from there goes to the return rail (or line) 5.
The armatures of the motors, with their associated switching and compensation stator windings, are shown at 6 and 6 'and the corresponding series inductors at 7 and 7'
The contactors 8, 9 & 11 are transition contactors provided, in the case of Fig. 3, to allow the passage from the series coupling to the parallel coupling of the two motors by the conventional short-circuit method.
The contactor 10 closed, after transition, on all the notches of the parallel coupling, then places, as usual, the two resistance banks 3 and 3 'in parallel and thus completes the balance bar provided between the two engines.
The contactors 12 to 17 included for the resistance bank 3 and the corresponding contactors 12 'to 17' included for the bank 3 'are "resistance contactors", connected on the one hand between a common bar connected to the terminal input of the corresponding armature, on the other hand to the various taps of the resistance banks 3 & 3 '.
Finally, the contactors 18 & 18 ', referred to as armature shunting, are devices intended to introduce or eliminate the shunting of the armatures 6 & 6'.
The operation of the assembly is as follows:
At the first "series" start notch, contactors 11, 18 and 18 'are closed, while contactors 8, 9, 10 are open.
Regarding the contactors with resistors 12 to 17 inclusive and 12 'to 17' inclusive, it will be noted that 17 and 17t are closed, while
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all others are open. Under these conditions: the total current J, picked up on line 1, first passes through all the resistance elements between pads of rheostat 3, to the exclusion of the last, which following the closing of contactors 17 & 18 is found in parallel with the armature 6 of the first motor. The current J then takes two paths: - armature 6 which is crossed by a current I, less than J, - the last resistance element of bank 3 which shunts armature 6 and which is crossed by a current J - I .
Then, the total current J passes through the inductor 7 of the first motor, passes through the coupling and transition contactor 11 and, from there, passes through the second bank of resistors 3 'and the second motor 6'-7'. exactly as it went through the corresponding elements 3, 6 & 7 of the first group of resistors and motor.
For each of the two groups resistors and motor, we are thus brought back to the elementary diagram of Fig.l with shunted armature.
By taking into account the current that is allowed to drift in the shunt resistance of each armature 6 & 61, conventional considerations such as the initial admissible acceleration at the first notch, allow the total resistance of banks 3 & to be determined. 3 'as well as the ohmic value of their last interplot which shunts the corresponding armature.
This determination will be assumed to be made for a zero speed Vo = o of the vehicle to which will correspond: - a total current Jo in the upstream portion of banks 3 & 3 'and in the inductors 7 & 7' - a current Io in the armatures 6 & 6 '.
- a current Jo-Io in the lower interplot of banks 3 & 3 'serving as shunt resistors for the corresponding armature.
: it should be noted that in the absence of skidding, if the vehicle starts up on this first notch and if it reaches a speed V1> Vo = 0 at a given moment, it is easy to check that the three J, I and JI currents considered above will vary respectively as follows: - total current J1 <Jo - induced current I1 <Io - current in the shunt Jl - I1> Jo- Io
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It will now be assumed that, still on this same first notch of the series coupling, the vehicle does not start and that, for example, engine 6-7 begins to slip.
By virtue of what has been said above for the simple case of single motor equipment, the armature shunt resistor 6 abs, will orbit a higher current, which will tend to reduce the voltage drop variation. in the upstream parts of banks 3 & 3 ', therefore will oppose a significant rise in the voltage at the terminals of the armature 6 and as a result of the speed of said armature, all the more so as the inductive flux, depending on the total current J, will decrease mc-ins than in the case of ordinary rheostatic starting.
This is what is verified by calculating and plotting for various notches and for various initial speeds and intensities, the families of curves giving the slope of the force / speed characteristics of a single motor which slips, slope which constitutes the the most important electromagnetic factor in characterizing a vehicle's tendency to gossip;
To then go to the second notch and to the following notches of the “series” start-up, it is possible, according to a preferred form of application of the invention:
at notch 2, additionally close switch 16 to notch. 3, additionally close contactor 16 'to step 4, additionally close contactor 15 to step 5, additionally close contactor 15 etc ... thus leaving unchanged the value of the last downstream input con- @@ and the resistance bypassing the armatures 6 & 6 'and progressively reducing the upstream portions of the banks 3 & 3' which are traversed by the current tatl.1.
But at a certain moment, for example just beyond the take-off notch corresponding to the maximum starting force maximorum at mile speed, the electromotive force of the motor increasing and if we want to limit or even reduce the importance of the currents JI derivatives in the portions of resistors used for shunting the armatures 6 & 61, there is an advantage in accordance with the invention to increase the ohmic value of said shunt resistors.
To do this, it suffices to successively open the contactors.
17 & 17 'contactors 16 & 161 being already closed, then open 16 & 161, contactors 15 & 15t already closed, etc ...
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In this way, most of the resistance contactors, excluding those such as 12, 12 ', 13, 13', ... which are on the upstream side, are used for two purposes, sometimes to vary the value. the upstream resistance of each bank, sometimes to modify the armature shunt resistance.
Likewise, a certain number of interplots of banks 3 & 3 'are sometimes used as upstream resistance, sometimes as shunt resistance.
This dual use of contactors and resistors leads in practice to a saving in material and constitutes a particularly advantageous implementation of the invention.
However, this also covers any variant in which one would clearly separate, both for the contactors and for the resistors, the “upstream resistance” and “armature shunting” functions, using for example a rheostat and a separate switch for the. shutage, controlled, synchronously or not, with the upstream rheostat adjustment device.
There is a certain notch, hereinafter referred to as the limit notch, with which, for given maximum and maximum currents, the desired shunt effect is obtained by using, as the "armature shunt resistance", the part remaining rheostat, minus the "upstream resistance", therefore without adding resistance to those provided for all of all the previous series notches. At this moment, only one resistance contactor per bank, 14 and 14 'for example, is closed.
Beyond this limit notch, the invention comprises two variants'
1) - First of all, the armature shunting can be maintained until the last "series on resistors" notch; but, due to the fact that between the limit notch and this last series notch, the voltage across the armature continues to increase significantly, this may imply the introduction into the armature shunt circuit of a resistor supplement, not shown in Fig. 3, the main purpose of which is to limit energy consumption and the overload of certain organs.
2) - On the contrary, we can open the contactors 18 & 1S 'and dispense with the armature shunting, based on the fact that at the limit notch the value of the upstream resistance is reduced to an already very low value, that the tendency slipping in ordinary rheostatic starting in the zone considered is then much less than at the beginning of starting and that the benefit of armature shunting, very noticeable at low speed, fades and is finally canceled out.
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any upstream resistance is eliminated.
Whatever variant is adopted to maintain or not the armature shunt after the limit notch, it is necessary that on the "series without resistance" notch, which is an economical operating notch, the armature shunt contactors 18 & 18 'are open, maintaining the induced shunt then only having drawbacks.
The transition or passage from series coupling to parallel coupling is carried out, as is known, by means of contactors 11, 8, 9 then 10. According to the preferred, but non-limiting, form of implementation of the invention: - the series notch without resistance - the various times of the "transition" operation - the first notch on resistors of the parallel coupling are all performed as in conventional equipment, without resorting to armature shunting.
It is known from pa Binders that the tendency of equipment such as that shown in Fig. 3 to slip is markedly less with parallel coupling than with series coupling, provided of course that contactor 10 is closed to equalize the voltages between the two motors. .
In accordance with the invention, parallel starting can therefore be continued: - either by putting the armature shunt resistors back into service on all the notches on the resistors of the parallel coupling or on some of them only, - or by leaving them open. contactors 18 & 18 'and then renouncing the benefit of shunting the armatures on the said notches.
In the foregoing, the expression upstream resistance has been used to denote the portion of the rheostat bank traversed by the sum of. currents in an armature and in its shunt resistance. It should of course be understood that the order of the various elements of the circuits is immaterial and that all of the equivalent connection positions form part of the invention.
Many electric vehicles with shheostatic starting, especially in the case of direct current supply at 3,000 Volts, are provided with motors permanently connected by two in series, the various pairs of motors, each considered as a single motor, can be coupled. in series, in series-parallel, in parallel, etc ...
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This arrangement has many advantages as regards the motors and the equipment; however, it is known that it is not favorable from the point of view of optimum use of adhesion. The shunting of the armatures provided for by the present invention also applies to vehicles provided with motors permanently connected by two or more in series and makes it possible to significantly reduce their susceptibility to slipping. In such a case, it is advantageous, in accordance with the invention, if the armatures of the motors permanently connected in series are not linked mechanically in rotation, to provide each armature with an individual shunt resistor.
By way of non-limiting example, FIG. 4 shows the very simplified block diagram of a branch of two motors permanently connected in series associated with their starting resistance and their shunt resistors. induced.
The current enters the equipment at 19 and leaves at 20 after having passed successively through the common starting resistor 3, the armature 21 and its individual shunt resistance 22, the armature 23 and its individual shunt resistor 24, the inductors series 25 & 26, one corresponding to the first motor, of which the armature is shown at 21, the other to the second motor, of which the armature is shown at 23.
According to the invention, one could, as a variant, be satisfied with a single resistance to bypass all of the two armatures, but the improvement in the effective adhesion thus obtained would be much less than with individual resistances of. shuntage such as 22 & 24, individual resistors the use of which constitutes, as has been said, the preferred form of implementation of the invention.
Certain traction equipment includes generator sets or converters, the final element of which is a direct current generator which supplies one or more traction motors with series (or compound) excitation; this is particularly the case with electric transmissions for diesel locomotives, equipment with a single-phase-to-continuous rotary converter, etc.
In the majority of cases, the generator has a decreasing voltage-current characteristic. This gives this equipment a certain susceptibility to slipping, since on a given notch, when the current absorbed by one or more motors decreases, the voltage at their terminals increases. This characteristic appearance is to a certain extent comparable to that which one would obtain with a generator at constant voltage in the circuit of
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which we would have inserted a fairly high resistance.
We are therefore brought back to a case very similar to that of rheostatic starting equipment and therefore the present invention, still implementing the shunting of the armatures to reduce the susceptibility to slipping, covers not only rheostatic starting equipment, but also those whose traction motor (s) are supplied by a generator or by a rotary or static converter unit supplying direct or undulating current with decreasing voltage when the current increases.
This armature shunting will be particularly effective in the area of high forces and low speeds; can be taken out of service as soon as the currents and forces have fallen to fairly low values.
By way of non-limiting example, there will be found in FIG. 5 the very simplified block diagram of a diesel locomotive with electric transmission with four traction motors.
In this figure, 27 & 28 respectively represent the diesel engine and the generator which it drives. This generator has a plunging voltage-current characteristic, due for example to the presence of separate excitation windings 29 and anti-compound 30. The generator 28 supplies the four traction motors, including the armatures and switching coils. are shown at 31, 32, 33 & 34 and the corresponding series inductors at 35, 36, 37 & 38. These four motors are assumed to be coupled in series-parallel. Four shunt resistors, of fixed or adjustable value, 39, 40, 41 & 42 are respectively connected to the terminals of the armatures 31, 32, 33 & 34.
Contactors, not shown, are inserted into the circuit of these resistors and are used to put them into service or not.
The operation of the device follows from what has been explained previously; we see for example that if the driving axle 31 starts to slip, the current absorbed by the branch 31,35, 32,36 decreases, the voltage across the armature 31 increases because the voltage of the generator 28 increases as a result of the reduction in the total current which it delivers, and because of the increased speed taken by the armature 31
These effects are very attenuated by the presence of the armature shunt resistors, in particular by that of the resistor 39 which shunts the input 31 and which absorbs all the more current as the voltage at the terminals of
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this armature grows more.
The slope of the force / speed characteristic of the armature 31 which slips is therefore very low, as is its success when slipping.
As has been said, the examples of implementation of the invention relating to various pieces of equipment for electric vehicles or with electric transmission which have just been described are in no way limiting and the use of shunting armature with a view to improving the practical adhesion of vehicles with series motors constitutes the essential characteristic of the invention and is applicable to a wide variety of cases, in particular: equipment with one or more engines and with one or more couplings; - equipment with several engines, which can be copied at the same time from the start of start-up; - equipment comprising one or more branches of motors, each branch comprising several motors permanently connected in series; - direct current vehicles with motors with series or compound excitation;
- vehicles with single-phase current with rheostatic starting and with series motors with collector, these motors being supplied either with single-phase current, or in rippled current supplied by single-phase rectifiers; .
- accumulator vehicles; - rheostatic starting vehicles able to operate with continuous sewing and rectified single-phase undercurrent; - vehicles of all kinds: locomotives, railcars, tractors, mine locomotives, tramways, .... on rails or on the road; - equipment with one or more transitions by the methods of the short-circuit or the bridge; - equipment using absolutely different types of starting or armature shunt resistors and of contactors, combiners or collectors modifying said resistors; - equipment comprising any number of start notches at each of the couplings;
- rheostatic equipment in which each value of the "upstream" resistors corresponds to a well-determined value of the armature shunt resistors or, on the contrary, in which, for a given upstream resistance, the said shunt resistances can vary between centraineslmintes
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