Dispositif réalisant la transformation du courant continu à voltage constant en puissance mécanique à couple constant jusqu'à une vitesse donnée, avec réduction automatique au-delà., et la transformation inverse avec les mêmes caractéristiques mécaniques. L'invention. a pour objet un dispositif réalisant la transformation d'une puissance électrique fournie sous forme de courant con tinu à voltage constant en puissance mécani que à couple constant jusqu'à une vitesse donnée, avec réduction automatique au delà, et la transformation inverse avec les mêmes caractéristiques mécaniques.
Le dispositif suivant l'invention com prend., à côté d'au moins une machine princi pale, un groupe auxiliaire de trois machines électriques montées sur un même arbre, iudé- penda.nt de celui ,de la machine principale, l'induit de la première des trois machines étant monté en série avec l'induit de la ma chine principale, l'induit de la seconde des trois machines étant branché directement, c'est-à-dire sans interposition d'autres. in duits, aux bornes du réseau et l'induit de la troisième des trois machines étant en série avec l'inducteur de la machine principale, une partie des enroulements inducteurs de la.
seconde machine étant montée en série avec son induit et une autre partie de ces enroule ments, agissant en sens opposé, étant alimen tée aux bornes de la première machine, des enroulements inducteurs de la troisième ma chine étant alimentés, à partir d'une certaine vitesse de la machine principale, par la dif férence variable entre le voltage aux bornes de la machine principale et la tension de la ligne., la force électromotrice -de la première machine variant automatiquement de manière telle que l'intensité du courant qui traverse son induit ainsi que celui .de la machine principale ne varie que dans une mesure relativement faible, et des moyens étant pré- vus pour invertir le sens de ce courant en sorte que,
pour une vitesse et une excitation données de la machine principale, celle-ci peut agir soit en moteur, soit en générateur.
Ce dispositif peut particulièrement être appliqué à la traction électrique.
Une forme d'exécution de l'objet de l'in vention est- représentée, à titre d'exemple, au dessin annexé dans lequel: La fig. 1 montre un schéma des con- nc#xions; La fi-. 3 en est une variante d'une par- lie, et La fi-. 3 montre un diagramme.
Le dispositif (fi-. 1) comporte un groupe formé de trois dynamos D-in <I>Dl.</I> Di. montées sur un même arbre x y et contrôlant les cou rants d'induit et d'ëxcitition d'une quatrième dynamo ou machine principale M fonction nant suivant les cas, marche ou freinage, en moteur ou en générateur, l'arbre de cette dynamo étant indépendant mécaniquement rlc@ l'arbre .x y.
En période de fonctionnement normal, les balais de la machine DI sont connectés aux bornes -clé la, ligne d'alimentation; son exci tation est produite au moyen de trois enrou- lrments distincts, l'alimentation du premier (v, étant assurée par la ligne elle-même, celle du second, b, étant. prise aux bornes de la machine Dw, le troisième, c, étant un en roulement parcouru en série par le courant 1 raversant l'induit.
Les induits des machines<I>M et</I> Drn, sont monts en série sur la ligne.
L'excitation de la, machine Din est pro- duite par trois enroulements; l'alimentation du premier, d, est. assurée par la ligne elle- même, celle du second. e, est prise aux bornes de cette machine fin, le troisième, f, étant un enroulement parcouru en série par le cou rant traversant, l'induit.
La. machine M possède un inducteur ali- :Tienté par la machine Di.
La machine Di est excitée par deux en roulements, le premier, h, alimenté par la li!2:nP, le second. 1,., étant connecté aux balais d(, la machine Diit.. L'enroulement la se eom- pose, à, son tour, de .deux enroulements dis tincts h1 et h\. tous deux alimentés par la 1 i yne.
¯ Pour la clarté clé la description du fonc tionnement, on supposera. d'abord que la ten sion de la ligne et .la vitesse de rotation du groupe soient sensiblement constantes.
On a. déjà essayé de réaliser des dynamos tournant à vitesse constante et maintenant pratiquement eonstant le courant qui traverse leur induit, en les faisant fonetionner dans la partie non saturée de leurs caractéristiques magnétiques, et en les excitant par un en roulement en dérivation analogue à e, don nant, pour toute tension aux bornes de la dynamo, l'excitation nécessaire pour produire une force électromotrice égale à cette tension.
et par un deuxième enroulement, analogue à d, parcouru par un courant constant et don nant l'excitation nécessaire pour produire une force électromotrice égale à- la chute clé potentiel dans l'induit, pour la valeur cons tante du courant qui doit traverser celui-ci. Or ce ,courant, avec ces deux seuls enroule ments, ne saurait être sensiblement constant, à beaucoup près.
D'abord, la caractéristique à vide, dans ce que l'on est convenu d'ap peler sa, partie,droite, n'est pas, à. proprement parler, géométriquement., rectiligne; en outre; à cause de phénomènes connus, dîis en parti culier à. l'hystérésis, cette ligne n'est même pas fixe. Il ne saurait donc y avoir cons tamment la concordance voulue entre le vol tage induit par les ampères-tours de e et le voltage aux balais.
Dans les dynamos bien construites, la perte ohmique dans l'induit étant faible, les différences constatées dans la. pratique sont -clé l'ordre de grandeur du voltage induit par d, en sorte que ce courant soi-disant constant, peut varier du simple au triple. On sait cependant l'intérêt qu'il y a dans certains cas, notamment en traction électrique, à réaliser un courant pratiquement constant c'est-à-dire un couple constant; l'acl- jonction de l'enroulement série, f, permettra d'atteindre pratiquement le résultat désiré.
Cet enroulement est connecté de telle sorte que le voltage qu'il induit est toujours en sens inverse du courant qui traverse la machine, et par suite les ampères-tours qu'il engendre sont toujours de sens inverse aux ampères-tours de d; ceux-ci auront non seule ment à. compenser le voltage du à la. chute ohmique de l'induit, mais, au surplus, le vol tage induit par ce nouvel enroulement. série;
et; si ce :dernier, pour fixer les idées, est égal à dix fois le premier, un écart de la. carat- l éristique causant une variation de la. force électromotrice induite égale à .celui-ci en volts ne fera varier le courant de la machine que de dix pour cent environ, alors que la va riation aurait été, sans le concours de l'en roulement f et suivant le sens des volts per turbateurs de cinquante pour cent ou de cent pour cent.
Dans ces conditions l'enroulement d devra fournir environ -dix fois plus d'a.m- pères-tours et la carcasse de la. machine devra être prévue pour loger des enroulements vo lumineux, ce qui concourt -d'ailleurs à étendre son champ de fonctionnement normal. Dans la, pratique il sera d'ailleurs inutile de don ner une telle importance à l'enroulement f. On verra qu'il joue, en outre, un autre rôle important.
Du moment que la. récupération est en vue, il eonviendra d'éviter l'emploi de mo teurs comprenant des enroulements série, puisque, pendant la. période de récupération, ces enroulements série ont une action pertur batrice.
Mais, même. pour la période de dé marrage et nu point de vue des effets des variations brusques de la tension de ligne, (le tels enroulements dans les moteurs n'ont plus ,de raison :d'être si l'on emploie des grou pes @auxiliaires tels que décrit, dont la. ma chine en série avec la machine principale comprend elle-même un enroulement série important.
Pour un dispositif moteur .du genre décrit, l'étude économique de l'établissement d'une exploitation de traction électrique conduit à fixer la. vitesse des trains ou automotrices, quand le moteur a: atteint la, tension de ligne, pour la valeur normale de l'excitation, bien au-dessous de la vitesse maximum qu'il est nécessaire d'atteindre en certains points du réseau.
Cette dernière étant, dans beaucoup de cas, environ le .double de la première, il y a donc lieu, pour pouvoir l'atteindre, de prévoir un dispositif automatique de réduc tion .de l'excitation de M, dans le double but d'éviter une élévation de voltage anormale aux balais de cette machine, et de rester dans les .limites fixées pour le débit dans les câ- bles d'alimentation en ne forçant pas la. de mande de<I>Dl.</I>
La troisième dynamo<I>Di</I> réalise cette ré duction graduelle d'excitation, son excita tion, à. .partir d'une certaine vitesse, se trou vant en dépendance du voltage aux bornes du moteur.
On suppose dans ce qui suit que l'en roulement h1, branché en permanence sur la ligne, induit, dans la ;dynamo<I>Di,</I> les volts nécessaires pour que celle-ci alimente l'induc teur de 111 à pleine excitation. Le second en roulement, k, branché aux bornes de la dy- na#mo <I>Dm,</I> n'est alimenté qu'au moment de la fermeture d'un interrupteur A1 commandé par un relais A, lui-même branché aux ba lais de la machine M.
Ce relais ferme aussi en même temps le circuit de l'enroulement h2, alimenté par la ligne.
Suivant la. vitesse à partir -de laquelle le couple moteur devra être réduit, on fixera. la valeur U, du voltage U de la machine M, pour laquelle le relais A doit fermer les in terrupteurs A1 et A2; à ce moment les en roulements<I>k et</I> 1a2 seront alimentés, le pre mier sous un voltage V-U le second sous le voltage V, V désignant le voltage dle la ligne.
Les enroulements k et h2 .donnent, à ce même moment, des ampères-tours égaux et de sens inverse; l'enroulement k est connecté pour donner des ampères-tours de même sens que ceux de hl, pour V-U <I>> 0.</I>
L'introduction de l'enroulement k a ainsi lieu sans -changement brusque de l'excitation. Dans le cas particulier où l'on choisirait. Ï7, _-_ P, l'enroulement h.2 n'aurait plus de raison d'être.
D'autre part, l'enroulement k est calculé de façon que, alimenté sous la. tension zc (si l'on désigne par Ul + u la, limite de la ten sion de M, pour laquelle son excitation de viendrait 0), ses ampères-tours en valeur absolue soient égaux .à, ceux de h1.
Dans le but de réduire les dimensions de la machine Di, on peut employer le disposi tif (fig. 2); une des bornes de l'enroulement irdueteur de<I>-M.</I> supposé unique., étant con necté au pôle -f- de la ligne, le courant, au sortir des organes d'inversion permettant de faire marche avant ou arrière, n'ira pas directement au pôle-, mais au préalable il traversera l'induit de 1)i qui doit être placé côté - et non côté + par rapport à l'induc- t:
eur de 31, pour éviter des surtensions entre les inducteurs de DT et la masse, celle-ci étant supposée reliée au pôle - de la ligne.
Tant que l'équipage mobile de A ne s'est pas levé, l'excitation de Di. est nulle, et il est même loisible, sait de mettre pendant ce temps<I>Di</I> complètement hors circuit, en met tant l'enroulement inducteur de M en com munication directe avec le pôle-. soit de mettre son induit en court-circuit.
Dans ce qui précède, on a considéré comme constante la tension de ligne.
Mais ce n'est que très exceptionnellement que des lignes d'alimentation pourront être considérées comme possédant une tension constante, et presque toutes offrent des va riations de tension plus ou moins impor tantes; notamment dans les réseaux de trac tion, celles-ci sont continuelles, très impor tantes et très brutales.
Les dispositifs projetés, pour être prati ques. devront donc pouvoir fonctionner de fa çon satisfaisante dans de telles conditions, et on va montrer qu'il en est bien ainsi.
Pour déterminer les conditions d'établis sement des inducteurs de<I>Di,</I> on se fixera, pour la valeur de V, la valeur approximative (le la moyenne des tensions, les cas de baisses exagérées et anormales ou de court-circuit n'entrant: naturellement pas en ligne de compte. L'analyse montre que si le fonc tionnement de A se produit au moment oii la tension de la ligne est différente de cette va leur de V. cela ne présente aucun inconvé nient pratique.
Le voltage aux bornes du mo teur se règle à un écart avec la tension de ligne voisin de l'écart V-U, prévu et la ré duction de son excitation se poursuivra, régu lièrement à mesure que la vitesse s'accroîtra; bien entendu, l'équipage du relais A une fois levé ne doit retomber que sous un voltage suffisamment inférieur à U, pour que ce re lais puisse rester fermé malgré les variations de tension de ligne, et on sait que cela. n'offre aucune difficulté.
Il y aura, d'autre part, lieu de prévoir, pour la période de récupéra tion, le court-circuitage d'une partie de la ré sistance de commande en série avec A, afin que, le relais fonctionnant alors pour des vol tages décroissants, son équipage mobile tombe bien pour la tension U, prévue aux balais de X pour le fonctionnement par voltage crois sants.
Ces variations brutales et importantes de tension pourraient aussi avoir, si l'enroule ment f n'avait pas été prévu, comme consé quence grave, -des surintensités brusques et dangereuses, causant des coups de feu vio lents aux collecteurs de<I>Dm</I> et de ill et une mise hors d'état de fonctionnement de ces machines. Mais l'enroulement f, pendant tout le cours des périodes de démarrage et de freinage, .donne toujours, et avec une rapidité satisfaisante, dans le circuit des induits, ,les volts de sens inverse au courant.
Sans donner à f des dimensions telles qu'il en résulte une protection absolue, on voit donc qu'il y a intérêt à lui donner une importance aussi grande que cela est prati quement réalisable, et on a expliqué, d'autre part, que, plus cet enroulement sera. impor tant, plus, pendant tout le temps où cela est requis, la constance du courant sera parfaite. C'est l'ensemble de ces deux propriétés, se complétant l'une l'autre. qui rend l'emploi de l'enroulement f particulièrement avantageux: et: la fonction de sécurité est de beaucoup là plus importante.
En ce qui concerne<I>Dl,</I> elle maintiendrait sensiblement constante le vitesse du groupe, avec un seul enroulement a. Hais pour pro téger<I>Dl</I> des brusques variations de teilsia)i de lignes, on a. également prévu un enroule ment série c assez important, et qui est d'au tant: plus nécessaire que la résistance ohmi- que supportant les à-coups est plus faible. la. machine <I>Dl</I> étant seule sous la tension de ligne.
Naturellement, cet inducteur devra être connecté de telle sorte que le voltage qu'il induit soit toujours de sens inverse au courant nui traverse l'induit de<I>Dl</I> et il tend ainsi à augmenter l'écart qui existe entre les vitesses maximum et minimum de fonction nement.
Si on considère comme négative la charge quand<I>Dl</I> fonctionne en génératrice, comme négatifs les ampères-tours produits à ce mo ment par l'enroulement série, et comme po sitifs les ampères-tours et la charge quand elle est motrice, on voit que la vitesse dimi nue à mesure que la charge croît, algébrique ment, du fait que les ampères-tours croissent aussi, algébriquement. Or, l'enroulement<B>b,</B> convenablement établi, pourra annuler dans de certaines limites convenables ces ampères- tours série.
Il y a lieu en effet de faire la constatation suivante: Si le courant qui tra verse<I>Dm</I> est maintenu pratiquement cons tant, l'énergie en jeu dans cette machine étant mesurée par le produit du voltage aux balais par cette intensité constante, il en ré sulte que la charge de cette machine est pro portionnelle à ce voltage, en valeur absolue.
Or, abstraction faite :de<I>Di</I> et de toutes les pertes du groupe. on voit qu'à tout mo ment et en valeur absolue les charges de D;n et :de<I>Dl</I> sont égales. D'où il suit que la charge de<I>Dl</I> est proportionnelle, en valeur absolue au voltage aux bornes de D n_ En distinguant la période de démarrage et d@ marche normale de ceïle du freinage, ou pé riode de récupération, on voit que, pendant que se poursuit la première, les organes mé caniques en liaison avec la machine M par tant du repos, le voltage aux balais de<I>Dm</I> d'abord opposé et sensiblement égal à celui de la ligne d'alimentation, décroît graduelle ment,
et peut ensuite passer par zéro et croî tre à nouveau en changeant de sens; le cou rant débité :dans b, donc les ampères-tours qu'il 'engendre dans ces conditions, partiront d'un maximum, passeront par zéro et croî tront en sens inverse. De même, les ampères- tours série de<I>DL</I> partent d'un maximum pour passer par zéro en même temps que les -pré cédentes et croître en sens inverse.
h en ré sulte qu'on pourra régler l'inducteur b pour qu'il .donne constamment des ampères-tours sensiblement égaux et opposés à ceux de l'en- roulement c.<B>Il</B> est facile de voir qu'en pé riode de récupération, pour que la correction apportée par l'enroulement b ait le sens voulu, il faudra inverser le sens du courant; cela signifie que l'enroulement b ne saura être connecté de façon invariable aux balais de <I>Dm,</I> mais qu'un organe inverseur devra être prévu pour renverser les connexions, quand on passera de la période de marche normale à celle de récupération.
Si maintenant, on tient compte du couple additionnel dû<I>à Di</I> et des rendements des machines<I>Dm</I> et<I>Dl,</I> c'est-à-dire des pertes du groupe moteur générateur, on voit qu'on ne peut faire qu'une correction approximative avec l'enroulement b.. Cependant celle-ci sera suffisante pour que l'on puisse faire emploi d'un enroulement série c assez important et que néanmoins la variation de vitesse du. groupe soit comprise entre des limites assez étroites. La détermination des caractéristiques de l'enroulement b peut se faire graphique ment en se servant de la caractéristique à v 'de de<I>Dl</I> et des caractéristiques des enroule ments a et c, -et elle ne présente aucune dif ficulté.
Ce que l'on doit avoir en vue dans le pré sent dispositif c'est évidement d'obtenir les meilleurs conditions pour le démarrage des trains et non pas de s'attacher à avoir une vitesse aussi constante que possible pour le, groupe; bien au contraire, cette variation de vitesse convenablement conduite permettra de mieux atteindre le résultat cherché.
Le fonctionnement de la machine<I>Dm</I> sera mieux compris à l'aide du diagramme fig. 3. Le groupe étant supposé tourner à vitesse constante et la courbe de magnétisation de la machine<I>Dm</I> étant supposée invariable, une courbe B 0 À correspondante à cette vitesse constante exprime la relation entre les am pères-tours totaux 0 Y et les voltages induits aux bornes de la machine<I>Dm,</I> 0 Y, lesquels sont portés positivement lorsqu'ils sont oppo sés au voltage du .réseau.
En période de démarrage, 0 K représente les ampères-tours de l'enroulement d et, si on, considère le moment où le voltage aux bornes de Dira est<I>0 31,</I> les ampères-tours résultant de l'action (les enroulements e et d sont re présentés en 0 D, en menant M <I>E</I> parallèle ment à o x<I>et E D</I> parallèle à o y, l'inclinai son de la droite li <I>C</I> dépendant des carac téristiques de l'enroulement e.
Ces carac téristiques sont supposées choisies de manièe telle que K e est parallèle à la partie approxi- rrativement rectiligne de B 0 A; on a alors <I>O D -</I> 111 <I>H - 0</I> Ii, négatif dans le cas de la figure. E F représente les ampères-tours dûs à l'enroulement série<I>f</I> et<I>F N</I> la chute ohmi- que de l'induit de Dwî.
<I>E F</I> et<I>F N</I> étant constamment propor tionnels au courant traversant l'induit de cette machine Drn., le triangle<I>E F N</I> reste toujours semblable à 1 ui-même et la longueur <I>F al</I> et par suite la. longueur<I>E</I> N qui lui est proportionnelle mesure ce courant à une échelle convenable.
On conçoit que le groupe ne tournant pas à vitesse constante, le courant sera. indiqué à chaque instant par la longueur<B>EN"</B> com prise entre la droite K C et une courbe <I>B' 0</I> A'' qui différera de la courbe<I>B 0 A en</I> raison des variations de vitesse. Le sens de la, déformation indiquée sur la figure corres pond au cas où les vitesses supérieures à la vitesse normale lorsque la machine Drn, agit comme moteur et inférieures à. la normale lors qu'elle agit comme générateur.
Il y a lieu de faire au sujet des enroule ment; e et f les remarques suivantes: Ils seront d'autant plus efficaces que les circuits magnétiques seront plus éloignés de leur point de saturation; or précisément.. la. plus grande partie du fonctionnement de. <I>DI</I> et de Dnn se l'ait dans ces conditions.
Cependant les variations d'intensité du courant dans les enroulements série c et f produites par les variations de tension de ligne induisent des forces électromotrices dans les enroulements a. b d'une part, d e d'autre part. Les variations du courant qui en résultent dans ces enroulements ont pour conséquence d'atténuer le rôle protecteur des enroulements série, parce qu'ils entravent la, variation protectrices chi flux dans les cir- cuits magnétiques.
Afin de tendre vers le maximum de protection, il y aura. lieu d'em ployer un dispositif annulant, ou diminuant autant que possible les volts induits dans les quatre enroulements c( <I>b</I> et<I>d e.</I> Il est évident qu'on arrivera au résultat cherché par l'em ploi de deux transformateurs. Par exemple, le transformateur associé<I>à DI</I> comportera trois enroulements, le premier parcouru par le même courant que c, le second étant en série avec a. et le troisième en série avec b. Les volts induits dans les deux derniers se ront, par suite des connexions, opposés aux volts induits par le circuit magnétique de la. machine<I>DI</I> (fig. <B>3).</B>
De même, un second transformateur com portera aussi trois enroulements, en série res pectivement avec d e et f, et fonctionnant: dans les mêmes conditions pour la machine Drn. (fig. 3).
Enfin, il Z a. à remarquer que les varia tions brusques d'ampères dans les enroule ments<I>c et f</I> induisent dans les carcasses des machines<B>Dl</B> et Dira des courants dans la masse même du métal, et, si l'on veut don ner aux enroulements série leur entière effi cacité, il y aura lieu d'employer des car casses feuilletées ou rainurées convenable ment.
Il est clair que l'on peut remplacer la ma chine contrôlée 11l1 par un groupe de machines en série ou en parallèle sans qu'il n'y ait rien à, changer à tout ce qui vient d'être dit.
Pour faciliter l'examen des appareils de mise en route de contrôle et de sécurité, on supposera. à titre d'exemple, le cas concret d'un automotrice commandée à distance. Toute autre application s'en déduirait aisé ment.
Un inverseur à main enverra, du courant dans l'un des (feux fils de commande action nant chacun un relais pour la commande, dans un sens ou dans l'autre, de l'inverseur de courant disposé dans le circuit d'excita- 1;
.ion de la machine Q11 et déterminant ainsi le sens de marche, et dans tin contacteur P fer mant<I>Dl</I> sur la ligne, à. travers une résistance appropriée Pl. Un relais B actionné par le courant de<I>Dl</I> provoquera, par sa chute, au moment con venable, la fermeture d'un second contacteur Q mettant en court-circuit la résistance de démarrage P, Le groupe ayant atteint sa vitesse nor male, un contrôleur permettra d'effectuer par des relais non dessinés les opérations sui vantes 11) Préparer la fermeture d'un troisième contacteur B,
mettant sous la tension de ligne l'ensemble de<I>Dm</I> et des machines princi pales, fermeture qui sera d'ailleurs empêchée par un relais jusqu'au moment où le voltage de<I>Dm</I> préalablement excitée par l'enroule ment e fera approximativement équilibre à la ligne; 20 Le couplage étant ainsi fait sans à- coup, envoyer du courant dans l'enroule ment d, à l'intensité voulue, et dans le sens convenable suivant qu'on veut réaliser la pé riode de démarrage ou de freinage; <B>30</B> Provoquer la chute du contacteur B afin de couper le courant d'induit des ma chines i11 et<I>Dm.</I>
Il y a également intérêt à faire cette rup ture sans à-coup et ce but sera atteint par l'emploi d'un -relais E actionné par le cou rant d'induit des machines .11 et<I>Dm.</I> Ce der nier est maintenu levé tant que du courant traverse ces machines à un taux suffisant et dans cette position le courant ne peut être coupé sur le dernier contacteur. Si alors l'on interrompt le courant d'alimentation clé d, le courant d'induit .des machines M et Dm -tombe pratiquement à zéro, le relais E tombe, et toute relation de ces machines avec la ligne est coupée.
L'on passe de la période de marche nor male à la période de freinage en intervertis- sant le sens du courant en d.
Les relais B et E étant sous la dépendance des courants de<I>Dl</I> et de D-rn seront en outre utilisés comme organes clé protection: Sous l'action d'une intensité anormale leur équi page mobile accomplira une course supplé mentaire ayant pour conséquence de couper le courant en P, Q et B. Si pendant une période de freinage, il se produit une circonstance rendant la récupéra tion impossible, telle que, par exemple, la rupture accidentelle du câble principal d'ali mentation de l'automotrice, l'énergie libérée par les machines principales tend à provo quer l'emballement de la. vitesse du groupe.
Il y a donc lieu de prévoir un relais F, bran ché aux balais de<I>Dl,</I> qui; pour un voltage trop élevé, fonction de la vitesse, provoque l'ouverture des interrupteurs P, Q et B et par là la rupture @de la communication des ma chines contrôlées avec la machine<I>Dl.</I>
Enfin il faut tenir compte du fait que le mé canicien n'ayant pas besoin normalement de son frein pneumatique, sauf dans les cas d'ur gence, pourrait par inadvertance laisser tom ber la pression de l'air de ses réservoirs. Une valve de sûreté, branchée sur la. conduite générale, empêchera tout démarrage dans ces conditions, en coupant le courant .des organes de ,commande des appareils @de fermeture du courant es moteurs.
De même pour éviter, que le mécanicien ne fasse simultanément frein électrique et frein à air, ce qui occasionnerait des plats aux roues, une seconde valve pneumatique, en communication avec le cylindre à frein, opère de la même manière, dès qu'il y a- af flux d'air dans cet organe.
Device transforming direct current at constant voltage into mechanical power at constant torque up to a given speed, with automatic reduction beyond, and the reverse transformation with the same mechanical characteristics. The invention. has for object a device realizing the transformation of an electric power supplied in the form of direct current at constant voltage into mechanical power at constant torque up to a given speed, with automatic reduction beyond, and the inverse transformation with the same mechanical characteristics.
The device according to the invention comprises, next to at least one main machine, an auxiliary group of three electric machines mounted on the same shaft, dependent on that of the main machine, the armature. the first of the three machines being mounted in series with the armature of the main machine, the armature of the second of the three machines being connected directly, that is to say without the interposition of others. leads, at the terminals of the network and the armature of the third of the three machines being in series with the inductor of the main machine, part of the inductor windings of the.
second machine being mounted in series with its armature and another part of these windings, acting in the opposite direction, being supplied to the terminals of the first machine, inductor windings of the third machine being supplied, from a certain speed of the main machine, by the varying dif ference between the voltage at the terminals of the main machine and the line voltage, the electromotive force of the first machine varying automatically so that the intensity of the current flowing through its induced as well as that of the main machine varies only to a relatively small extent, and means being provided for reversing the direction of this current so that,
for a given speed and excitation of the main machine, it can act either as a motor or as a generator.
This device can particularly be applied to electric traction.
An embodiment of the object of the invention is shown, by way of example, in the accompanying drawing in which: FIG. 1 shows a diagram of the connections; The fi-. 3 is a variation of a part thereof, and La fi. 3 shows a diagram.
The device (fi-. 1) comprises a group formed of three dynamos D-in <I> Dl. </I> Di. mounted on the same xy shaft and controlling the armature and excitation currents of a fourth dynamo or main machine M, depending on the case, running or braking, as a motor or as a generator, the shaft of this dynamo being mechanically independent rlc @ tree .x y.
During normal operation, the brushes of the DI machine are connected to the key terminals la, the supply line; its excitation is produced by means of three distinct windings, the supply of the first (v, being ensured by the line itself, that of the second, b, being taken at the terminals of the machine Dw, the third, c, being a rolling one traversed in series by the current 1 passing through the armature.
The armatures of the <I> M and </I> Drn machines are mounted in series on the line.
The excitation of the Din machine is produced by three windings; the feeding of the first, d, est. provided by the line itself, that of the second. e, is taken at the terminals of this fine machine, the third, f, being a winding traversed in series by the through current, the armature.
The machine M has an inductor supplied: Held by the machine Di.
The machine Di is excited by two bearings, the first, h, supplied by the li! 2: nP, the second. 1,., Being connected to the brushes d (, the machine Diit .. The winding 1a is removed, in turn, from two separate windings h1 and h \. Both supplied by the 1 i yne.
¯ For key clarity, the description of the operation will be assumed. first that the tension of the line and the speed of rotation of the group are appreciably constant.
We have. already tried to make dynamos rotating at constant speed and maintaining practically constant the current which crosses their armature, by making them function in the unsaturated part of their magnetic characteristics, and by exciting them by a rolling in derivation analogous to e, so However, for any voltage at the terminals of the dynamo, the excitation necessary to produce an electromotive force equal to this voltage.
and by a second winding, analogous to d, traversed by a constant current and giving the necessary excitation to produce an electromotive force equal to the key potential drop in the armature, for the constant value of the current which must cross that -this. Now, this current, with these two windings alone, cannot be appreciably constant, very close.
First, the empty characteristic, in what we have agreed to call its, part, right, is not, to. properly speaking, geometrically., rectilinear; in addition; because of known phenomena, especially in. hysteresis, this line is not even fixed. There can therefore not be constant the desired concordance between the vol tage induced by the ampere-turns of e and the voltage at the brushes.
In well-built dynamos, the ohmic loss in the armature being low, the differences observed in the. In practice, the order of magnitude of the voltage induced by d is key, so that this supposedly constant current can vary from one to three times. However, we know the interest that there is in certain cases, in particular in electric traction, in producing a practically constant current, that is to say a constant torque; the combination of the series winding, f, will practically achieve the desired result.
This winding is connected so that the voltage it induces is always in the opposite direction to the current flowing through the machine, and consequently the ampere-turns that it generates are always in the opposite direction to the ampere-turns of d; these will not only have to. compensate the voltage from to. ohmic drop of the armature, but, in addition, the vol tage induced by this new winding. series;
and; if this: last, to fix ideas, is equal to ten times the first, a gap of the. characteristic causing variation of the. induced electromotive force equal to this in volts will only cause the current of the machine to vary by about ten percent, whereas the variation would have been, without the help of the rolling f and according to the direction of the volts per fifty percent or one hundred percent turbators.
Under these conditions the winding d will have to provide about ten times as much of a.m- father turns and the carcass of the. The machine must be designed to house luminous vo windings, which also helps to extend its normal operating range. In practice, it will also be useless to give such importance to the winding f. We will see that it also plays another important role.
As long as the. recovery is in sight, it will be necessary to avoid the use of motors comprising series windings, since, during the. recovery period, these series windings have a disturbing beating action.
But even. for the starting period and from the point of view of the effects of abrupt variations in the line voltage, (such windings in the motors no longer have any reason: to be if one uses auxiliary groups as described, of which the series machine with the main machine itself comprises a large series winding.
For a motor device .du kind described, the economic study of the establishment of an operation of electric traction leads to fix the. speed of trains or railcars, when the motor has: reached the line voltage, for the normal excitation value, well below the maximum speed which it is necessary to reach at certain points of the network.
The latter being, in many cases, approximately the double of the first, it is therefore necessary, in order to be able to reach it, to provide an automatic device for reducing the excitation of M, with the double aim of Avoid an abnormal rise in voltage to the brushes of this machine, and to stay within the limits set for the flow rate in the power cables by not forcing it. request from <I> Dl. </I>
The third dynamo <I> Di </I> achieves this gradual reduction of excitation, its excitation, to. . start from a certain speed, depending on the voltage at the motor terminals.
It is assumed in what follows that the rolling h1, permanently connected to the line, induces, in the dynamo <I> Di, </I> the volts necessary for it to supply the inductor of 111 full of excitement. The second in rotation, k, connected to the terminals of the dy- na # mo <I> Dm, </I> is only supplied when a switch A1 is closed, controlled by a relay A, itself. even connected to the M.
This relay also closes at the same time the circuit of the winding h2, supplied by the line.
Following the. speed from which the motor torque must be reduced, we will fix. the value U, of the voltage U of the machine M, for which the relay A must close the switches A1 and A2; at this moment the bearings <I> k and </I> 1a2 will be supplied, the first under a voltage V-U the second under the voltage V, V denoting the voltage of the line.
The windings k and h2. Give, at this same moment, equal ampere-turns and in the opposite direction; winding k is connected to give ampere-turns of the same direction as those of hl, for V-U <I>> 0. </I>
The introduction of the winding k thus takes place without a sudden change in the excitation. In the particular case where one chooses. Ï7, _-_ P, the winding h.2 would no longer be necessary.
On the other hand, the winding k is calculated so that, supplied under the. voltage zc (if one designates by Ul + u the limit of the voltage of M, for which its excitation would come to 0), its ampere-turns in absolute value are equal to those of h1.
In order to reduce the dimensions of the machine Di, the device can be used (fig. 2); one of the terminals of the irdueteur winding of <I> -M. </I> supposed to be unique., being connected to the -f- pole of the line, the current, at the exit of the reversing devices allowing to go forward or rear, will not go directly to the- pole, but first it will cross the armature of 1) i which must be placed on the - side and not on the + side with respect to the inductor:
eur 31, to avoid overvoltages between DT inductors and ground, the latter being supposed to be connected to the - pole of the line.
Until A's mobile crew got up, Di. is zero, and it is even permissible to know how to put <I> Di </I> completely off circuit during this time, by putting both the inductor winding of M in direct communication with the pole-. either to put its armature in short-circuit.
In the foregoing, the line voltage has been considered constant.
But it is only very exceptionally that power lines can be considered as having a constant voltage, and almost all of them offer varying degrees of voltage variations; especially in traction networks, these are continuous, very significant and very brutal.
The planned devices, to be practical. must therefore be able to function satisfactorily under such conditions, and we will show that this is indeed the case.
To determine the conditions for establishing inductors of <I> Di, </I> we will fix, for the value of V, the approximate value (the average of the voltages, the cases of exaggerated and abnormal drops or of short -circuit not entering: naturally not taken into account. The analysis shows that if the operation of A occurs when the line voltage is different from this value of V. this does not present any practical disadvantage .
The voltage at the motor terminals is set at a deviation from the line voltage close to the expected V-U deviation and the reduction of its excitation will continue, steadily as the speed increases; of course, once the relay A has been lifted, it should only drop under a voltage sufficiently lower than U, so that this relay can remain closed despite the variations in line voltage, and we know that that. offers no difficulty.
On the other hand, it will be necessary to provide, for the recovery period, for the short-circuiting of part of the control resistor in series with A, so that, the relay then operating for voltages decreasing, its moving equipment is good for the voltage U, provided for the brushes of X for operation by increasing voltage.
These sudden and important voltage variations could also have, if the winding f had not been foreseen, as a serious consequence, sudden and dangerous overcurrents, causing violent shots at the collectors of <I> Dm </I> and ill and a shutdown of these machines. But the winding f, during the whole of the starting and braking periods, always gives, and with satisfactory rapidity, in the armature circuit, the volts in the opposite direction to the current.
Without giving f dimensions such that absolute protection results from it, we can therefore see that it is advantageous to give it as great an importance as is practically possible, and it has been explained, on the other hand, that , the longer this winding will be. impor tant, more, during all the time when it is required, the constancy of the current will be perfect. It is the set of these two properties, complementing each other. which makes the use of the winding f particularly advantageous: and: the safety function is much more important there.
As regards <I> Dl, </I> it would keep the speed of the group substantially constant, with a single winding a. But to protect <I> Dl </I> from abrupt variations in teilsia) i lines, we have. a fairly large c series winding is also provided, and which is so much more necessary than the ohmic resistance supporting the jolts is lower. the. <I> Dl </I> machine being alone under the line voltage.
Naturally, this inductor should be connected in such a way that the voltage it induces is always in the opposite direction to the harmful current flowing through the <I> Dl </I> armature and thus tends to increase the difference which exists between the maximum and minimum operating speeds.
If we consider as negative the load when <I> Dl </I> operates as a generator, as negative the ampere-turns produced at this time by the series winding, and as positive the ampere-turns and the load when it is driving, we see that the speed decreases as the load increases, algebraically, because the ampere-turns also increase, algebraically. Now, the winding <B> b, </B> suitably established, will be able to cancel these series amperes-turns within certain suitable limits.
The following observation should in fact be made: If the current flowing through <I> Dm </I> is kept practically constant, the energy at play in this machine being measured by the product of the voltage at the brushes by this constant intensity, it follows that the load of this machine is proportional to this voltage, in absolute value.
However, apart from: <I> Di </I> and all the group's losses. we see that at any time and in absolute value the charges of D; n and: of <I> Dl </I> are equal. From which it follows that the load of <I> Dl </I> is proportional, in absolute value to the voltage at the terminals of D n_ By distinguishing the period of starting and normal operation of the braking island, or period of recovery, we see that, while the first is continuing, the mechanical organs in connection with the machine M by so much rest, the voltage at the brushes of <I> Dm </I> initially opposite and substantially equal to that of the supply line, gradually decreases,
and can then go through zero and grow again by changing direction; the current output: in b, therefore the ampere-turns which it generates under these conditions, will start from a maximum, will pass through zero and will increase in the opposite direction. Likewise, the series ampere-turns of <I> DL </I> start from a maximum to pass through zero at the same time as the preceding ones and to increase in the opposite direction.
h as a result that the inductor b can be adjusted so that it constantly gives substantially equal and opposite ampere-turns to those of the winding c. <B> It </B> is easy to see that in the recovery period, for the correction made by the winding b to have the desired direction, it will be necessary to reverse the direction of the current; this means that the winding b cannot be connected in an invariable way to the brushes of <I> Dm, </I> but that an inverter device must be provided to reverse the connections, when we go from the period of normal operation to that of recovery.
If now, we take into account the additional torque due <I> to Di </I> and the efficiencies of the machines <I> Dm </I> and <I> Dl, </I> that is to say losses of the generator motor unit, it can be seen that only an approximate correction can be made with winding b .. However, this will be sufficient for us to be able to use a fairly large series winding c and that nevertheless the speed variation of. group is between fairly narrow limits. The determination of the characteristics of the winding b can be done graphically using the characteristic v 'of <I> Dl </I> and the characteristics of the windings a and c, - and it does not present any difficulty. difficulty.
What we must have in view in the present device is obviously to obtain the best conditions for starting trains and not to strive to have a speed as constant as possible for the group; on the contrary, this suitably conducted speed variation will better achieve the desired result.
The operation of the <I> Dm </I> machine will be better understood with the help of the diagram in fig. 3. The group being supposed to rotate at constant speed and the magnetization curve of the machine <I> Dm </I> being supposed to be invariable, a curve B 0 À corresponding to this constant speed expresses the relation between the total am per-revolutions 0 Y and the voltages induced at the terminals of the machine <I> Dm, </I> 0 Y, which are carried positively when they are opposed to the voltage of the network.
In the starting period, 0 K represents the ampere-turns of the winding d and, if we consider the moment when the voltage at the terminals of Dira is <I> 0 31, </I> the ampere-turns resulting from the 'action (the windings e and d are represented in 0 D, by leading M <I> E </I> parallel to ox <I> and ED </I> parallel to oy, tilting it from the right li <I> C </I> depending on the characteristics of the winding e.
These characteristics are supposed to be chosen in such a way that K e is parallel to the approximately rectilinear part of B 0 A; we then have <I> O D - </I> 111 <I> H - 0 </I> Ii, negative in the case of the figure. E F represents the ampere-turns due to the series winding <I> f </I> and <I> F N </I> the ohmic drop of the armature of Dwî.
<I> EF </I> and <I> FN </I> being constantly proportional to the current passing through the armature of this machine Drn., The triangle <I> EFN </I> always remains similar to 1 ui- same and the length <I> F al </I> and consequently the. length <I> E </I> N which is proportional to it measures this current at a suitable scale.
It is understood that the group not rotating at constant speed, the current will be. indicated at each instant by the length <B> EN "</B> between the straight line KC and a curve <I> B '0 </I> A' 'which will differ from the curve <I> B 0 A in </I> due to the speed variations. The direction of the deformation indicated in the figure corresponds to the case where the speeds higher than the normal speed when the machine Drn, acts as a motor and lower than. The normal when it acts as a generator.
It is necessary to do about the windings; e and f the following remarks: They will be all the more effective the further the magnetic circuits are from their saturation point; or precisely .. the. most of the functioning of. <I> DI </I> and de Dnn have it under these conditions.
However, the variations in current intensity in the series c and f windings produced by the line voltage variations induce electromotive forces in the a windings. b on the one hand, d e on the other hand. The resulting variations in current in these windings have the consequence of attenuating the protective role of the series windings, because they hinder the protective variation in flux in the magnetic circuits.
In order to strive for maximum protection, there will be. instead of employing a device canceling, or reducing as far as possible the volts induced in the four windings c (<I> b </I> and <I> d e. </I> It is obvious that we will arrive at the result sought by the use of two transformers. For example, the associated transformer <I> with DI </I> will have three windings, the first carrying the same current as c, the second being in series with a. and the third in series with B. The volts induced in the last two will, as a result of the connections, be opposed to the volts induced by the magnetic circuit of the <I> DI </I> machine (fig. <B> 3). </B>
Likewise, a second transformer will also have three windings, in series respectively with d e and f, and operating: under the same conditions for the machine Drn. (fig. 3).
Finally, there Z a. to note that the sudden variations of amperes in the windings <I> c and f </I> induce in the carcasses of the machines <B> Dl </B> and Dira currents in the mass of the metal itself, and , if we want to give the series windings their full effi ciency, it will be necessary to use laminated or suitably grooved cores.
It is clear that we can replace the controlled machine 11l1 by a group of machines in series or in parallel without there being anything to do, change everything that has just been said.
To facilitate the examination of the control and safety start-up devices, we will assume. for example, the concrete case of a railcar controlled remotely. Any other application would easily be deduced from this.
A hand-operated inverter will send current to one of the (lights) control wires each actuating a relay to control, in one direction or the other, the current inverter placed in the excitation circuit. 1;
.ion of the machine Q11 and thus determining the direction of travel, and in tin contactor P iron mant <I> Dl </I> on the line, to. through an appropriate resistor Pl. A relay B actuated by the current of <I> Dl </I> will cause, by its drop, at the appropriate time, the closing of a second contactor Q short-circuiting the starting resistor P, Once the group has reached its normal speed, a controller will enable the following operations to be carried out using relays not drawn 11) Prepare for the closing of a third contactor B,
putting the line voltage on all <I> Dm </I> and the main machines, closing which will also be prevented by a relay until the voltage of <I> Dm </I> previously excited by the winding e will approximately balance on the line; The coupling being thus made smoothly, send current in the winding d, at the desired intensity, and in the appropriate direction according to whether one wishes to carry out the starting or braking period; <B> 30 </B> Cause contactor B to drop in order to cut off the armature current of machines i11 and <I> Dm. </I>
There is also an interest in making this breakage smoothly and this goal will be achieved by the use of a -relay E actuated by the armature current of the machines .11 and <I> Dm. </ I > This last is kept raised as long as current flows through these machines at a sufficient rate and in this position the current cannot be cut on the last contactor. If then the key supply current d is interrupted, the armature current of the machines M and Dm drops to practically zero, the relay E drops off, and all relation of these machines to the line is cut.
We go from the normal running period to the braking period by reversing the direction of the current in d.
The relays B and E being dependent on the currents of <I> Dl </I> and D-rn will also be used as key protection devices: Under the action of an abnormal intensity their mobile team will complete a race. addition, which cuts off the current at P, Q and B. If, during a braking period, a circumstance occurs that makes recovery impossible, such as, for example, the accidental breakage of the main supply cable of the railcar, the energy released by the main machines tends to cause the runaway. group speed.
It is therefore necessary to provide a relay F, connected to the <I> Dl, </I> brushes which; for too high a voltage, depending on the speed, causes the opening of the switches P, Q and B and thereby the breaking of the communication of the machines controlled with the machine <I> Dl. </I>
Finally, it must be taken into account that the mechanic who does not normally need his pneumatic brake, except in emergency cases, could inadvertently let the air pressure in his reservoirs drop. A safety valve, connected to the. general operation, will prevent any start-up under these conditions, by cutting off the current to the control devices of the current closing devices to the motors.
Likewise, to prevent the mechanic from simultaneously applying the electric brake and the air brake, which would cause the wheels to flatten, a second pneumatic valve, in communication with the brake cylinder, operates in the same way, as soon as there is a- af air flow in this organ.