Moteur à courant alternatif monophasé à vitesse variable La présente invention concerne un moteur à courant alternatif monophasé à vitesse variable, à collecteur et à caractéristique shunt.
Ce type de moteur était considéré généralement comme n'étant pas commercial, étant donné ses défauts. L'un de ceux-ci était son faible couple au démarrage et aux faibles vitesses. Pour diminuer ce défaut, on a proposé de connecter en série les enrou lements d'excitation et d'induit lors du démarrage et de les connecter en parallèle lorsque l'induit a atteint une certaine vitesse.
On a aussi proposé de régler la phase ou l'am plitude du flux d'excitation en une fonction de la charge. On a, par exemple, proposé d'utiliser un transformateur dont les deux enroulements sont reliés en série, l'enroulement primaire étant situé dans le circuit d'excitation de l'inducteur et l'enrou lement secondaire étant situé dans le circuit de l'in duit, ceci afin de régler la phase du flux d'excitation en fonction des variations de charge. On a aussi proposé d'utiliser une capacité et une résistance en série avec le circuit d'excitation de l'inducteur afin de maintenir le flux d'excitation en phase avec la tension d'alimentation.
Le but de la présente invention est d'obtenir un moteur shunt monophasé à vitesse variable dans lequel la phase et l'amplitude du flux d'excitation sont maintenues sensiblement constantes indépen damment des changements de charge ou de vitesse et qui est capable de développer un couple suffisant pour une gamme de vitesses s'étendant d'une valeur proche de zéro à la vitesse maximum.
Un tel moteur présente une puissance de sortie qui peut varier dans un domaine étendu.
Le moteur à courant alternatif monophasé à vitesse variable et à caractéristique shunt, objet de l'invention, comprend un inducteur comprenant lui- même un enroulement d'excitation, un enroulement de compensation destiné à diminuer la réaction d'in duit et un enroulement série de commutation monté en série avec l'enroulement de compensation, un induit comprenant lui-même un enroulement d'induit et un collecteur coopérant avec deux groupes de balais, l'un de ces groupes étant connecté avec l'une des bornes de la source d'alimentation et l'autre de ces groupes étant connecté avec l'une des extrémités de l'enroulement de compensation,
chaque lame du collecteur étant connectée à l'enroulement d'induit par une résistance destinée à améliorer la commu tation et à diminuer la distorsion du champ provo quée par les tensions induites dans les parties de l'enroulement d'induit situées entre les lames du collecteur qui sont court-circuitées par les balais, et un condensateur connecté en série avec l'enroule ment d'excitation pour amener le flux inducteur sen siblement en phase avec la tension d'alimentation appliquée à l'induit.
Il est caractérisé en ce qu'un autotransformateur destiné à maintenir la phase et l'amplitude du courant d'excitation sensiblement constantes, est relié en série, par un point situé entre ses extrémités, avec l'enroulement d'excitation, et est relié par l'une de ses extrémités, d'une part avec l'autre extrémité de l'enroulement série commutation et, d'autre part, avec une prise réglable d'un trans formateur connecté aux bornes de la source d'ali mentation et destiné à permettre de faire varier la tension appliquée à l'induit pour modifier la vitesse du moteur, et, par son autre extrémité, à la source d'alimentation,
et en ce qu'il comprend en outre un enroulement shunt de commutation connecté entre l'une des bornes de la source d'alimentation et une prise intermédiaire fixe dudit transformateur. Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de l'invention ainsi que des schémas explicatifs.
La fig. 1 représente le schéma d'un moteur à courant alternatif monophasé à vitesse variable.
La fig. 2 représente le développement du stator avec les encoches à la périphérie intérieure et la disposition de l'enroulement d'excitation et d'autres enroulements associés dans lesdites encoches.
La fig. 3 est un schéma représentant l'enroule ment d'excitation et d'autres enroulements associés. La fig. 4 est un schéma représentant le collecteur et la disposition des balais.
La fig. 5 est une vue simplifiée du moteur selon la fig. 1, les connexions étant les mêmes mais dispo sées autrement afin de faciliter la comparaison avec la fig. 6.
La fig. 6 est le schéma d'un moteur connu.
Les fig. 7 et 8 sont des diagrammes vectoriels relatifs au moteur de la fig. 5.
Les fig. 9 et 10 sont des diagrammes vectoriels relatifs au moteur de la fig. 6 ; et la fig. 11 représente des caractéristiques de fonc tionnement du moteur selon la fig. 5.
Dans les fig. 7 à 10 on a Ef = force électromotrice du circuit inducteur, Vds = tension de l'induit, V, = tension du condensateur, Vf = tension aux bornes de l'enroulement de l'inducteur, V f,, = tension appliquée au circuit inducteur, V, = tension aux bornes de Ru, flux inducteur.
Dans la fig. 1, l'induit rotatif comprend un enroulement a du type ondulé et un collecteur com prenant des lames<I>b.</I> Chaque lame<I>b</I> est reliée au moyen d'une résistance e à un point de l'enroulement a, les points de connexion étant répartis uniformé ment. Les résistances servent à améliorer la commu tation et à réduire au minimum la distorsion du champ inducteur.
En contact avec le collecteur sont montées deux paires de balais d, dl. Il est préférable de prévoir deux balais d, disposés à 1800 l'un de l'autre, et reliés comme indiqué, ainsi que deux balais dl, dis posés de même à 180,) l'un de l'autre et reliés com me indiqué. Les paires de balais d, dl peuvent être disposées à 90o l'une de l'autre, mais elles peuvent aussi être disposées d'une façon différente, comme cela sera décrit plus loin en regard de la fig. 4.
La fig. 1 représente, à titre d'exemple, un moteur à quatre pôles ayant les quatre balais habituels dis posés sous forme de paires opposées diamétralement, les balais de chaque paire étant connectés en paral lèle. Un moteur construit de cette façon comprend un ensemble d'enroulements statoriques <I>e, m, n, o</I> (décrits plus loin) associés à chacun des pôles ; tou tefois un seul de ces ensembles a été représenté pour des raisons de simplicité.
L'inducteur comprend un enroulement d'excita tion principal e dont une extrémité est reliée à la ligne d'alimentation f. L'autre extrémité de cet en roulement est reliée, à travers un condensateur g monté en série, à une prise intermédiaire d'un auto- transformateur h, dont une extrémité est reliée à une ligne i qui peut être le conducteur neutre du réseau d'alimentation. L'autre extrémité de cet autotrans- formateur est reliée à un point intermédiaire réglable d'un transformateur de tension k, dont les extrémités sont connectées aux lignes d'alimentation f, <I>i.</I>
Le condensateur g a pour but d'amener le flux d'excitation en phase avec la tension de la source d'alimentation, tandis que l'auto-transformateur h maintient cette phase ainsi que la tension Vf aux bornes de l'enroulement d'excitation sensiblement constantes. La commutation est d'autant meilleure et le couple est d'autant plus constant dans le domaine de variation de la vitesse que la variation de flux est plus petite.
L'inducteur comprend en outre un enroulement de compensation m connecté en série avec les balais dl et, en série avec l'enroulement m, est connecté un enroulement série de commutation n qui est relié à une extrémité de l'auto-transformateur h et audit point intermédiaire du transformateur de tension k. L'inducteur comprend en outre un enroulement shunt de commutation o dont une extrémité est reliée à la ligne d'alimentation f et l'autre extrémité est reliée à un autre point intermédiaire du transforma teur k.
L'enroulement de compensation m a pour but de réduire la réaction d'induit, ce qu'il opérera dans toute la gamme des vitesses en maintenant constant le courant y circulant lorsque la charge est constante ou au contraire en le modifiant dans le cas où la charge change.
Le but des enroulements de commutation n, o est d'améliorer la commutation. L'enroulement série n intervient dans tout le domaine de vitesses en rai son des variations de courant dans cet enroulement qui sont liées aux changements de la charge. L'en roulement shunt de commutation o provoque la for mation d'une tension opposée à celle engendrée aux lames du collecteur par l'enroulement a et court- circuitée par les balais ; ces tensions se compensent progressivement lorsque la vitesse augmente, ceci sauf pour les vitesses très faibles.
La tension induite entre les lames du collecteur produit un courant qui interfère avec le courant d'excitation circulant dans l'enroulement e. Cette interférence est très sensible aux basses vitesses et diminue progressivement lorsque la vitesse augmente jusqu'à la vitesse maximum pour laquelle l'enroule ment shunt de commutation o agit pleinement afin de réduire ladite tension induite. Afin de diminuer cette interférence, il est nécessaire d'appliquer au circuit de l'inducteur, formé par l'enroulement e,
la capacité g et la partie de l'enroulement de l'auto- transformateur h située entre les points de con- nexion avec le condensateur g et la ligne i, une ten sion inversement proportionnelle à celle appliquée à l'induit suivant la vitesse à obtenir, cette vitesse étant fonction de cette tension appliquée à l'induit. Com me cela sera expliqué en détail plus loin, la tension adéquate est appliquée automatiquement au circuit de l'inducteur par l'auto-transformateur h.
La tension appliquée au circuit de l'inducteur augmentera ou diminuera avec la tension appliquée entre les extrémités de l'auto-transformateur h, cette dernière tension dépendant de la valeur à laquelle la tension de sortie du transformateur k est réglée en vue d'obtenir la vitesse voulue de l'induit et dépendant par conséquent de la tension aux bornes du circuit de l'induit et de la vitesse de l'induit.
Ainsi, lorsque le contact réglable du transfor mateur k est déplacé vers la gauche (fia. 1), la ten sion d'alimentation V,,, qui est appliquée au circuit de l'induit, est augmentée et la tension appliquée aux bornes de l'auto-transformateur h est aussi augmen tée. Par conséquent, la tension aux bornes du cir cuit de l'inducteur est abaissée automatiquement. Ceci a pour effet de maintenir sensiblement constante la tension V f aux bornes de l'enroulement e ainsi que par conséquent la phase du flux d'excitation.
Lorsque le contact est déplacé vers la droite (fia. 1) c'est l'inverse qui se produit, de sorte que la phase du flux d'excitation et la tension VI demeu rent aussi sensiblement constantes lorsque la tension de sortie du transformateur k est changée.
La commande du changement du sens de rota tion de l'induit s'effectue à l'aide de moyens connus destinés à changer le sens du courant d'alimentation dans l'enroulement d'excitation e, ou bien dans l'en roulement de l'induit et dans l'enroulement de com mutation o.
Afin d'expliquer l'effet produit par l'auto-trans- formateur h, on va décrire de façon comparative les fia. 5 et 6.
La fia. 6 représente un moteur connu compre nant une résistance RL et un condensateur g montés en série avec le circuit d'excitation de l'inducteur.
Bien que les fia. 5 et 6 soient très ressemblantes, elles représentent des moteurs fonctionnant très dif féremment. A la fia. 5, l'auto-transformateur h com mande la tension appliquée au circuit d'excitation de l'inducteur et cette tension ne dépend d'aucune façon du courant passant dans le circuit de l'induit. Ceci peut être démontré en mettant l'induit à circuit ouvert par enlèvement des balais ; la tension appli quée au circuit d'excitation de l'inducteur n'en sera pas affectée. A la fia. 6, par contre, le courant pas sant dans le circuit de l'induit influence le courant de sortie du transformateur k.
De plus, à la fia. 5, l'auto-transformateur h applique au circuit d'excita tion de l'inducteur une tension dont la valeur varie automatiquement en sens inverse de la tension de l'induit, laquelle dépend directement de la vitesse, tandis qu'à la fia. 6, le transformateur k règle l'in tensité du flux d'excitation automatiquement en fonc- tion des changements de charge, ce réglage n'étant pas nécessaire dans le cas de la fia. 5.
Le moteur de la fia. 1 est tel que l'enroulement de commutation shunt o a un effet marqué sur l'exci tation principale et l'auto-transformateur h doit être adapté en conséquence.
On va maintenant comparer les diagrammes vec toriels relatifs aux deux moteurs, les fia. 7 à 10 se rapportant au cas des moteurs non chargés.
La fia. 7 correspond à une vitesse de 600 t/m (tours/minute). Le vecteur flux 0 est en retard d'un angle de 1 par rapport à la tension Vts. La fia. 8 correspond à une vitesse voisine du maximum, soit 3000 t/m et le vecteur flux est en avance d'un angle de 2o par rapport à cette tension. Le changement est ainsi de 3 seulement. Ainsi, la phase du flux d'exci tation reste sensiblement constante lorsque la vitesse varie.
A la fia. 9, qui correspond à une vitesse de 600 t/m, on voit que le flux 0 retarde d'un angle de 8o par rapport à la tension Vts ; à la fia. 10, correspondant à une vitesse voisine de la vitesse maximum de 3000 t/m, le flux 0 est en avance de 4o par rapport à cette tension, ce qui fait une diffé rence de 12,1, qui est supérieure à celle du cas des fia. 7 et 8.
La faible variation de la phase du flux 0 est par conséquent due à l'auto-transformateur h. Plus la variation de la phase du flux 0 est faible, meil leure est la commutation, et plus le couple est régu lier dans le domaine de vitesses en question.
Les avantages résultant de l'emploi d'un auto- transformateur sont, on le voit, très importants. Lorsque le contact réglable du transformateur k est positionné de façon que Vas = 40 volts par exemple, fia. 7, une tension Vf, de 197 volts appli quée au circuit d'excitation de l'inducteur par les connexions représentées à la fia. 1 amènera la ten sion V f aux bornes des enroulements de l'inducteur à 450 volts.
Lorsque le contact est déplacé vers la droite de façon que Vas = 250 volts, fia. 8, la ten sion<B>V</B> I, appliquée au circuit d'excitation de l'induc teur sera de 79 volts lorsque la position du contact entre les deux extrémités de l'auto-transformateur h n'est pas changée et la tension VI aux bornes des enroulements de l'inducteur sera de 431 volts. Le changement n'est donc que de 4%. Ainsi, l'ampli tude du flux d'excitation demeure sensiblement cons tante lorsque la vitesse change.
A la fia. 9, par contre, lorsque Vas = 40 volts, une tension d'alimentation Vts de 230 volts appli quée au circuit d'excitation amènera la tension<B>VI</B> aux bornes des enroulements de l'induit à 394 volts. Lorsque Vas <I>= 250</I> volts, fia. 10, la tension<B>V</B> I, = 230 volts d'alimentation est toujours appliquée et la tension<B>VI</B> est maintenant de 455 volts, le chan gement étant de 13,5 % contre 4 % dans le cas des fia. 7 et 8. Un changement de 13,5 % signifie que l'intensité du champ varie de façon sensible lorsque la vitesse passe du minimum nu maximum et que le couple diminue avec la vitesse.
Ces inconvénients sont dus à la résistance RL et à la capacité g ainsi qu'à l'absence de l'auto-transformateur h.
La fig. 11, qui représente les variations de vitesse en fonction des changements de tension de l'induit, ne concerne qu'un moteur tel que celui représenté à la fig. 5. La courbe FL correspond à la pleine charge du moteur selon la figure 5. Les courbes désignées par 1/2 et 11/4 correspondent à des charges égales à 0,50 % et 125 % de la pleine charge, tandis que la courbe 0 correspond à une charge nulle. La linéarité de ces courbes signifie que le flux est main tenu sensiblement constant en amplitude et en phase dans tout le domaine de vitesses. Cette constance est due principalement à l'auto=transformateur h.
On va décrire, à titre d'exemple, un moteur d'un cheval destiné à être alimenté par un courant alter natif monophasé de 240 volts et de 50 périodes/ seconde, le moteur pouvant tourner à toutes les vitesses jusqu'à un maximum de 3000 t/min et ceci dans les deux sens.
Le moteur comprend un stator annulaire en fer qui a été représenté sous forme développée en p à la fig. 2.
Les enroulements sont disposés comme indiqué sur les fig. 2 et 3. L'enroulement d'excitation e com prend 187 spires par pôle, faites en fil de cuivre dont la section transversale est égale à 0,245 mm2. Cet enroulement est logé dans 6 encoches par pôle et 83 spires de cet enroulement par pôle embrassent 8 dents, 83 spires embrassent 6 dents et 21 spires embrassent 4 dents. L'enroulement de compensation m comprend 53 spires faites en fil de cuivre, dont la section transversale est égale à 2,94 mm2 et il est logé dans 8 encoches par pôle, ce qui fait 212 spires montées en série.
L'enroulement shunt de commu tation o comporte 450 spires faites en fil de cuivre, dont la section transversale est égale à 0,0937 mm2 et qui sont enroulées autour d'une dent se trouvant entre chaque paire des pôles adjacents. L'enroule ment série de commutation n comporte 13 spires faites en fil de cuivre dont la section transversale est égale à 2,94 mue et qui sont enroulées autour de trois dents adjacentes entre chaque paire de pôles adjacents.
L'induit comporte 25 encoches et l'enroulement ondulé simple a logé dans ces encoches possède 625 spires faites en fil de cuivre, dont la section trans versale est égale à 0,98 mm-.
Le collecteur représenté sur la fig. 4 comprend 125 lames dont chacune est reliée à une partie asso ciée de l'enroulement a au moyen d'une résistance c de 1,04.Q, comme cela a été indiqué en liaison avec la fig. 1. Quatre balais<I>d, d, dl, dl</I> sont prévus. Les balais d, d sont disposés sur un axe qui est incliné et forme un angle avec l'axe sur lequel sont disposés les balais dl, qui est légèrement inférieur à l'angle droit, comme c'est indiqué sur la fig. 4.
L'épaisseur de chaque balai est telle qu'il n'embrasse pas plus de deux lames. La disposition des balais est telle qu'à un instant donné un balai embrasse une paire de lames, cependant que l'autre balai embrasse une lame entière et les parties de deux lames adjacentes, comme montré sur la fig. 4, afin de réduire au mini mum les courants de circulation dans les spires associées de l'enroulement a.
Le condensateur g monté en série avec l'enroule ment d'excitation e a une capacité d'environ 9 micro- farads et l'auto-transformateur h est relié au trans formateur de tension k comme indiqué à la fig. 1.
L'enroulement shunt de commutation o réparti sur les quatre pôles du stator est monté en parallèle avec un branchement de 45 V sur le transformateur de tension k.
La variation de la vitesse de rotation de l'induit et le changement du sens de rotation sont obtenus comme décrit ci-dessus en regard de la fig. 1.