Dispositif électromécanique pour démarrage économique sous charge et pour freinage avec récupération d'énergie. L'objet (le l'invention est un dispositif électro-rnécanique pour démarrage économi que sous charge et pour freinage avec récu pération d'énergie.
Il comporte au moins une paire de mo- teurs-générateurs électriques d'une puissance totale égale à celle à transformer en énergie mécanique et. reliés entre eux par un dis positif de transmission différentielle qui leur permet (le tourner dans le même sens ou en sens opposés et par l'intermédiaire duquel l'énergie mécanique produite est transmise, le tout dans le but que le démarrage puisse avoir lieu avec le minimum de consomma tion d'énergie électrique et que le freinage permette la récupération jusqu'à l'absorption complète de l'énergie mécanique disponible.
L e dessin annexé représente schéma tiquement un exemple d'exécution du dis positif électromécanique.
Les fig. i à 4 se rapportent au fonction nement de. cet exemple; Les fig. 5 et 6 sont une coupe et une vue de face de l'organe de transmission diffé rentielle, prises à<B>90'</B> l'une de l'autre. L'exemple d'exécution représenté com porte deux moteurs-générateurs électriques À R à. courant continu en dérivation et de puissance égale (fig. 1 à 4). Leurs induits <I>a. b</I> peuvent être reliés électriquement â deux conducteurs c d destinés à être mis en relation par un interrupteur e avec les deux conducteurs f g d'un réseau à courant. con tinu.
Leurs enroulements de champ al b1 peuvent être connectés à deux conducteurs <I>h</I> i relies aux conducteurs<I>f g</I> avant Finter- rupt.eur e, de façon que l'excitation puisse avoir lieu même au cas où celui-ci est ouvert.
Les arbres a3 b3 des deux induits a b sont reliés mécaniquement par le dispositif de transmission différentielle k (fig. 5 et 6) qui présente cieux roues dentées coniques<I>a=</I> b= de même diamètre, calées chacune sur l'un (le ces arbres a3 b3 et engrenant simultané ment. toutes deux avec deux roues coniques <I>1' k=</I> de même diamètre.
Les arbres k4 k5 des roues dentées<I>1c1</I> k2, sont. portés par une couronne dentée k3 engrenant avec une roue dentée l., appartenant à la machine due le dispositif doit. actionner, La puissance totale des deux moteurs- générateurs A B est égale à celle qu'absorbe la machine actionnée.
Des enroulements excitateurs <I>a' b<B>'</B></I> sont. disposés dans<I>A</I> et<I>B</I> en dérivation sur les bornes des induits<I>a b</I> et servent à stabiliser les vitesses de<I>A</I> et de<I>B</I> comme cela sera indiqué plus loin.
Le fonctionnement de l'exemple décrit est le suivant: Lorsque le dispositif électromécanique, décrit pour l'exemple ci-dessus est arrêté, l'interrupteur e est ouvert., si bien que les conducteurs e d ne sont pas reliés aux con ducteurs<I>f</I> g et que les induits<I>a b</I> ne re çoivent pas de courant. D'autre part, les en roulements al b2 ne sont pas connectés aux conducteurs<I>h i.</I> C'est ce que montre la fig. 1.
Le démarrage comporte une phase préli minaire et quatre phases principales.
La phase préliminaire consiste à faire marcher les deux moteurs-générateurs A B comme. moteurs fonctionnant à vide, couplés en dérivation: ils doivent tourner alors en sens inverses l'un de l'autre et à la même vitesse. Pour cela l'interrupteur e est, fermé et du courant est envoyé clans le sens voulu dans les induits<I>a b,</I> ainsi que dans les en roulements al b1, le démarrage ayant lieu par des moyens connus non indiqués à la fig. 2 du dessin qui correspond à cette phase préliminaire.
Pendant. cette dernière. aucune énergie n'a cté transmise à la machine que le dis positif doit actionner, car tant que les deux moteurs A et B tournent à vide à la même vitesse et en sens inverse l'un de l'autre, au cun couple n'agit sur les roues dentées k' et l de l'organe de transmission différentielle h# qui restent immobiles.
Les quatre phases principales qui suc cèdent à la phase préliminaire se rapportent au démarrage de la machine à actionner, une locomotive, par exemple.
Elles rendent possible d'atteindre succes sivement toutes les vitesses comprises entre zéro et le maximum admis, tout en permet- tant d'utiliser des moteurs de dimensions réduites par rapport à la. puissance à trans mettre.
Il est, en outre, possible d'arrêter le dé marrage à n'importe quelle vitesse comprise entre zéro et le maximum admis et de con tinuer ensuite à marcher à cette vitesse.
L'organe de transmission différentielle k ne fonctionne comme tel que pour les deux premières phases principales du démarrage, pour lesquelles on n'atteint que le quart de la vitesse maximum, pour la troisième phase on atteint la moitié et enfin pour la qua trième phase la vitesse finale et maximum.
Les deux dernières phases rappellent le système de démarrage série parallèle des tramways électriques. Pour elles les deux moteurs<I>A</I> et<I>B</I> ne tournent plus en sens in verse l'un de l'autre, mais dans le même sens et à la même vitesse. Ils attaquent alors la machine à actionner par les roues dentées k.; <I>et L,</I> sans que les roues coniques k' et k= tournent autour de leurs axes kl et k5.
Le fonctionnement pour les quatre phases principales est. le suivant: Prem=ière <I>phase</I> principale. Lorsque la phase préliminaire est ter minée, on affaiblit. l'excitation de l'une des machines A ou B, celle de. A, par exemple. On provoque ainsi une augmentation de la vitesse du moteur A et, comme la roue k3 est encore immobileja machine B augment:, également de vitesse.
L'excitation de la machine B n'ayant pas été affaiblie, cette machine devient généra trice et un courant de circulation s'établit entre les induits<I>b</I> et<I>a.</I> II provoque un couple moteur sur l'arbre a' et un couple résistant sur l'arbre b'.
Ces deux couples agissent dans le même sens sur la roue k3 et la roue L, par l'inter médiaire des roues coniques k' et k'. Dès que la somme de ces couples est, plus grande que le couple résistant d e la machine à actionner, la locomotive- par exemple, le dé marrage en charge de celle-ci commence. Au fur et à mesure que l'on diminue l'excitation du moteur A, la vitesse de ce dernier augmente.
La vitesse de la génératrice B, dont l'ex citation n'a pas été modifiée, reste constante, si l'on a soin de ne pas laisser augmenter son débit en ampères et alors les roues k" et<I>L</I> du dispositif<I>7c</I> tournent de plus en plus vite.
L'énergie mécanique fournie par le mo teur<I>A à</I> la roue<I>L</I> est empruntée sous forme d'énergie électrique aux conducteurs f g du réseau à courant continu.
L'induit<I>a</I> du moteur<I>A</I> est parcouru par le courant de ligne augmenté du courant de circulation fourni par l'induit b de la géné ratrice B.
Lorsque le moteur A a atteint le double de la vitesse qu'il avait au moment où l'on a commencé à. affaiblir son excitation, on passe à. la seconde phase principale.
Deuxième, <I>phase principale, dite de passage.</I> Le but de cette phase est de changer le sens de rotation de la machine B et d'amener les vitesses des deux machines<I>A</I> et<I>B</I> à la même valeur en vue de les faire fonctionner toutes deux comme moteurs sur les roues k! et<I>L</I> sans que les roues coniques 7,1 et k2 tournent autour de leurs axes k4 et k5.
On évitera en outre, ainsi, d'être obligé de pousser la vitesse du moteur A, au delà de la valeur 2.
La manoeuvre s'effectue comme suit: On sépare les conducteurs c d et les in duits<I>a b</I> des conducteurs<I>f g</I> après avoir toutefois ramené à zéro le courant absorbe par les moteurs- générateurs<I>A</I> et<I>B</I> en ren forçant l'excitation du moteur A (le la quan tité voulue.
Une fois l'interrupteur couvert, on affai blit de nouveau l'excitation du moteur A. Le courant de circulation se rétablit et, l'énergie est fournie par la force vive accu mulée dans les masses en mouvement. La machine A fonctionne de nouveau en mo teur et la machine B en génératrice, mais n'étant plus connectées sur le réseau<I>f</I> ri. leurs induits<I>a et b</I> ne sont parcourus que par le courant de circulation qui est le même pour les deux.
La génératrice B étant excitée plus forte ment que le moteur A, son couple est aussi plus fort que celui du moteur A. La tendance de la génératrice B à l'arrêt est alors aussi plus forte que celle de l'augmentation de la vitesse de A et comme la somme algébri que des deux vitesses doit rester une cons tante si la roue k3 ne change pas de vitesse, la tendance à la diminution l'emportera pour les deux machines.
En* ralentissant, les machines A et B transmettront une partie de leur force vive il, la roue dentée<I>L</I> par le dispositif<I>k.</I>
On continue à diminuer graduellement l'excitation du moteur A et lorsque cette ex citation passera par la valeur "zéro" la géné ratrice B aura ralenti jusqu'à l'arrêt com plet.
Si l'on excite maintenant, la machine A clans l'autre sens, elle sera génératrice et la machine B sera motrice et son sens de rot.a- tion inversé.
En faisant prendre à l'excitation de la génératrice A des valeurs de plus en plus grandes jusqu'à ce qu'elle atteigne la même valeur que celle de l'excitation du- moteur B, on obtiendra que les machines A et B tour nent finalement à la même vitesse et dans le même sens. Cette vitesse finale est égale à la moitié (le celle de la marche à vide chi début.
Comme cette deuxième phase dite dé pas sage est de courte durée, la machine à. ac tionner, la locomotive par exemple, n'aura. pas varié sensiblement de vitesse. Le chan gement de sens de rotation de la machine B et le ralentissement de la machine A ont pu s'effectuer grâce à l'organe de transmission différentielle 1c. Au début de la deuxième phase, la machine A tourrait à la vitesse 2 et la machine B à la vitesse 1.
A la fin de cette phase, les machines A et B tournent chacune à la vitesse '/.,. La somme des vi tesses des machines A et B a donc passé de 2 + 1 - 3 à 1/, + 1/, - 1. et la force vive c(es induits a. et b correspondante à la dif férence des sommes des vitesses soit 3 - i - ?. a été transformée en énergie qui a été transmise à la roue L.
<I>Troisième phase principale.</I>
Dans la troisième phase principale, les deux induits<I>a b</I> des deux moteurs-géné- rateurs <I>A B</I> sont. connectés en série, leurs ex citations étant de même valeur. Comme ils tournent tous deus à la vitesse ;!_ et que l'excitation est la même qu'au début, s'ils sont connectés convenablement, les forces électromotrices produites par eux, font équi libre à la différence de tension régnant entre les conducteurs f g, avec lesquels on peut les relier alors au moyen de l'interrupteur e. C'est à cette troisième phase que correspond la fig. 3.
Dans cet état.. la vitesse de chacun des deux moteurs-générateurs<I>A B</I> est instable, mais leur somme est constante, lorsque la tension entre les conducteurs f g et les ex citations de A et de B sont invariables. Les enroulements excitateurs supplémentaires (;\ M, branchés en dérivation aux borne: ales deux moteurs-générateurs eux-mêmes. réinédient à cet inconvénient en stabilisant. les vitesses.
On continue le démarrage en désexcitant simultanément, de la même valeur chacun clés moteurs-générateurs <I>A B</I> jusqu'à cc qu'on atteigne de nouveau la vitesse initialL ou de marche à. vide de valeur i.
Qziatrièm.e <I>phase</I> principale.
Dans cette dernière phase. on passe au couplage des deux induits a b en parallèle (fig. Ii) après avoir préalablement renforcé les deux excitations, dans le but d'amener à zéro le courant pris aux conducteurs f @/ et après avoir en dernier lieu ouvert, l'inter rupteur e pour le fermer lorsque le couplae en parallèle a. été effectué.
La vitesse clé A et de B pourra finalement "être amenée à la valeur ?- en affaiblissant. une dernière fois simultanément. et de la même quantité les excitations de<I>A</I> et de<I>B.</I> Il ressort de la description du démarrage que celui-ci a lieu avec le minimum de con sommation d'énergie électrique puisque clans aucune des quatre phases principales on ne se sert de résistances ohririques et que la puissance totale des moteurs-générateurs est égale à celle à transformer en énergie mé canique.
S'il s'agit de récupérer sous forme d'éner gie électrique. au moyen d'un freinage par les moteurs-générateurs, l'énergie mécaniqrie momentanément transmise par la machina normalement actionnée par eux, cri opère de la même façon que pour le démarrage, mais en sens inverse: Tout d'abord on augmente simultanément de la même quantité l'excitation des deux i-coteurs-générateurs A B couplés en paral lèle, comme à la fin de la dernière phase du démarrage.
Aussitôt que l'augmentation at teint une certaine valeur, le freinage com mence et de l'énergie électrique est envoyée dans le réseau f g.
Ori passe ensuite au couplage (les induits <I>a b</I> eii série, puis au couplage des induits en parallèle avec renforcement de l'excita- tion (le l'un seulement ales moteurs-généra- leurs. On peut de la sorte freiner jusctu' < r l'arrêt complet. de la roue dentée 1, en ren voyant toujours dans le réseau sous forme (l'énergie électrique, l'énergie mécanique ab sorbée.
Une fois cet arrêt complet obtenu, on peut laisser les deux moteurs générateurs A 1i tocirner en moteurs à vide. en vue d'un dé- ,ii ai ra=ge ultérieur, par exemple.
il a été supposé clans cet exemple, pour ;;lits de simplicité, que les moteurs-généra- leurs sont alimentés par (lu courant continu. <B>Il</B> est évi(lent qu'en lieu et place de ce der nier, on peut choisir un autre genre de cou rant utilisé en combinaison. avec des mo- terirs-,-énéi,ateurs permettant la circulation clé travail. par exemple des machines à cou rant alternatif avec réglage. par décalage des balais.
L'excitation des moteurs-générateurs peut naturellement être fournie aussi par une source indépendante du réseau, par exemple, par des excitatrices spéciales.
Il peut y avoir plus d'une paire de mo- teurs-générateurs réunis dans chaque paire par un dispositif de transmission différen tielle pouvant d'ailleurs ne pas être sem blable à celui indiqué aux fig. 5 et 6.
Electromechanical device for economical starting under load and for braking with energy recovery. The object (the invention is an electro-mechanical device for starting economically under load and for braking with energy recovery.
It comprises at least one pair of electric motor-generators with a total power equal to that to be transformed into mechanical energy and. connected to each other by a differential transmission device which allows them (to turn it in the same direction or in opposite directions and through which the mechanical energy produced is transmitted, all with the aim that starting can take place with the minimum consumption of electrical energy and that the braking allows recovery until the complete absorption of the available mechanical energy.
The accompanying drawing schematically represents an exemplary embodiment of the electromechanical device.
Figs. i to 4 relate to the operation of. this example; Figs. 5 and 6 are a sectional view and a front view of the differential transmission member, taken at <B> 90 '</B> from each other. The example of execution represented com carries two electric motor-generators À R à. direct current in shunt and of equal power (fig. 1 to 4). Their induced <I> a. b </I> can be electrically connected to two conductors c d intended to be connected by a switch e with the two conductors f g of a current network. continued.
Their field windings al b1 can be connected to two conductors <I> h </I> i connected to conductors <I> fg </I> before the switch e, so that the excitation can take place even in case it is open.
The shafts a3 b3 of the two armatures ab are mechanically connected by the differential transmission device k (fig. 5 and 6) which has bevel gear wheels <I> a = </I> b = of the same diameter, each wedged on the 'un (these shafts a3 b3 and simultaneously meshing. both with two bevel gears <I> 1' k = </I> of the same diameter.
The k4 k5 shafts of the <I> 1c1 </I> k2 cogwheels are. carried by a toothed ring k3 meshing with a toothed wheel l., belonging to the machine due the device must. actuate, The total power of the two motor-generators A B is equal to that absorbed by the driven machine.
Exciter windings <I> a 'b <B>' </B> </I> are. arranged in <I> A </I> and <I> B </I> in derivation on the terminals of the armatures <I> ab </I> and serve to stabilize the speeds of <I> A </I> and of <I> B </I> as will be indicated later.
The operation of the example described is as follows: When the electromechanical device, described for the example above is stopped, the switch e is open., So that the conductors ed are not connected to the conductors <I > f </I> g and that the <I> ab </I> armatures do not receive current. On the other hand, the in bearings al b2 are not connected to the conductors <I> h i. </I> This is what fig. 1.
Start-up comprises a preliminary phase and four main phases.
The preliminary phase consists in running the two motor-generators A B as. motors operating at no load, coupled in shunt: they must then turn in opposite directions to each other and at the same speed. For this the switch e is closed and current is sent in the desired direction in the armatures <I> ab, </I> as well as in the bearings al b1, starting taking place by known means not indicated in fig. 2 of the drawing which corresponds to this preliminary phase.
During. the latter. no energy has been transmitted to the machine that the device must actuate, because as long as the two motors A and B are running at no load at the same speed and in the opposite direction to each other, no torque is acts on the toothed wheels k 'and l of the differential transmission member h # which remain stationary.
The four main phases which follow on from the preliminary phase relate to the starting of the machine to be operated, a locomotive, for example.
They make it possible to successively reach all the speeds between zero and the maximum allowed, while allowing the use of motors of reduced dimensions compared to the. power to be transmitted.
It is also possible to stop starting at any speed between zero and the maximum allowed and then to continue walking at that speed.
The differential transmission unit k only functions as such for the first two main phases of starting, for which only a quarter of the maximum speed is reached, for the third phase one reaches half and finally for the fourth phase the final and maximum speed.
The last two phases are reminiscent of the parallel series starting system of electric trams. For them, the two motors <I> A </I> and <I> B </I> no longer turn in the opposite direction to each other, but in the same direction and at the same speed. They then attack the machine to be operated by the toothed wheels k .; <I> and L, </I> without the bevel gears k 'and k = turning around their axes kl and k5.
The operation for the four main phases is. the following: First = 1st main <I> phase </I>. When the preliminary phase is over, we weaken. the excitation of one of the machines A or B, that of. A, for example. This causes an increase in the speed of the motor A and, as the wheel k3 is still stationary, the machine B also increases in speed.
The excitation of machine B not having been weakened, this machine becomes a generator and a circulating current is established between the armatures <I> b </I> and <I> a. </I> It causes a motor torque on the shaft a 'and a resistive torque on the shaft b'.
These two couples act in the same direction on the wheel k3 and the wheel L, via the bevel gears k 'and k'. As soon as the sum of these torques is greater than the resistive torque of the machine to be actuated, the locomotive - for example, the starting under load thereof begins. As the excitation of motor A is reduced, the speed of the latter increases.
The speed of generator B, whose excitation has not been modified, remains constant, if care is taken not to allow its output to increase in amperes and then the wheels k "and <I> L </ I> of the device <I> 7c </I> are running faster and faster.
The mechanical energy supplied by the motor <I> A to </I> the wheel <I> L </I> is borrowed in the form of electrical energy from the conductors f g of the direct current network.
The armature <I> a </I> of the motor <I> A </I> is traversed by the line current increased by the circulating current supplied by the armature b of the generator B.
When the motor A has reached double the speed it had when we started. weaken his excitement, we move on. the second main phase.
Second, <I> main phase, called passage. </I> The purpose of this phase is to change the direction of rotation of machine B and to bring the speeds of the two machines <I> A </I> and <I> B </I> to the same value in order to make them both work as motors on the k wheels! and <I> L </I> without the bevel wheels 7,1 and k2 rotating about their axes k4 and k5.
In this way, we will also avoid having to push the speed of the motor A beyond value 2.
The operation is carried out as follows: Separate the cd conductors and the <I> ab </I> leads from the <I> fg </I> conductors after having however reduced the current absorbed by the motor-generators to zero < I> A </I> and <I> B </I> by forcing the excitation of motor A (the required quantity.
Once the switch is covered, the excitation of motor A is again weakened. The circulating current is reestablished and the energy is supplied by the live force accumulated in the moving masses. Machine A is again working as a motor and machine B as a generator, but no longer connected to the <I> f </I> ri network. their induced <I> a and b </I> are only traversed by the circulation current which is the same for both.
As generator B is excited more strongly than engine A, its torque is also greater than that of engine A. The tendency of generator B to stop is then also greater than that of increasing the speed of A and since the algebraic sum that of the two speeds must remain a constant if the wheel k3 does not change speed, the tendency to decrease will prevail for both machines.
By * slowing down, machines A and B will transmit part of their force to it, the toothed wheel <I> L </I> through the device <I> k. </I>
We continue to gradually reduce the excitation of motor A and when this excitation passes through the value "zero", generator B will have slowed down to a complete stop.
If we now energize machine A in the other direction, it will be a generator and machine B will be driving and its direction of rotation reversed.
By making the excitation of generator A take larger and larger values until it reaches the same value as that of the excitation of motor B, we will obtain that machines A and B turn finally at the same speed and in the same direction. This final speed is equal to half (the speed of the idle start chi.
As this second phase, known as the rolling step, is short-lived, the machine. actuate, the locomotive for example, will not. not significantly varied in speed. The change of direction of rotation of machine B and the deceleration of machine A could be effected by means of the differential transmission member 1c. At the start of the second phase, machine A was running at speed 2 and machine B at speed 1.
At the end of this phase, machines A and B each turn at speed '/.,. The sum of the speeds of machines A and B has therefore gone from 2 + 1 - 3 to 1 /, + 1 /, - 1. and the live force c (are induced a. And b corresponding to the difference in the sums of speeds or 3 - i -?. was transformed into energy which was transmitted to the wheel L.
<I> Third main phase. </I>
In the third main phase, the two armatures <I> a b </I> of the two motor-generators <I> A B </I> are. connected in series, their ex citations being of the same value. As they all turn deus at speed;! _ And the excitation is the same as at the beginning, if they are connected properly, the electromotive forces produced by them equilibrate to the voltage difference prevailing between the conductors fg, with which they can then be connected by means of the switch e. It is to this third phase that FIG. 3.
In this state .. the speed of each of the two motor-generators <I> A B </I> is unstable, but their sum is constant, when the voltage between the conductors f g and the excitations of A and B are invariable. The additional exciter windings (; \ M, connected in bypass to the terminals: ales the two motor-generators themselves. Reinstate this drawback by stabilizing. The speeds.
Starting is continued while simultaneously de-energizing, by the same value each of the motor-generator keys <I> A B </I> until cc, once again reaching the initial speed or running at. void of value i.
Qziatrièm.e <I> phase </I> main.
In this last phase. one passes to the coupling of the two armatures ab in parallel (fig. Ii) after having previously reinforced the two excitations, with the aim of bringing to zero the current taken at the conductors f @ / and after having lastly opened, the inter breaker e to close it when the couplae in parallel a. been carried out.
The key speed A and B can finally "be brought up to the value? - by weakening, one last time simultaneously, and by the same amount the excitations of <I> A </I> and <I> B. </ I> It emerges from the description of the starting that this takes place with the minimum consumption of electrical energy since in none of the four main phases ohric resistances are used and that the total power of the motor-generators is equal to that to be transformed into mechanical energy.
If it is a question of recovering in the form of electrical energy. by means of braking by the motor-generators, the mechanical energy momentarily transmitted by the machine normally operated by them, cry operates in the same way as for starting, but in the opposite direction: First of all, we simultaneously increase by the same amount of excitation of the two i-coteurs-generateurs AB coupled in parallel, as at the end of the last phase of the start-up.
As soon as the increase has reached a certain value, braking begins and electrical energy is sent to network f g.
Ori then proceeds to coupling (the <I> ab </I> eii series armatures, then to coupling of the armatures in parallel with strengthening of the excitation (the only one of the motors-generators. We can de so slow down to the complete stop of toothed wheel 1, always returning to the network in the form of (electrical energy, mechanical energy absorbed.
Once this complete stop has been obtained, the two generator motors A 1i can be left to operate as empty motors. in view of a de-, ii ai ra = ge, for example.
it has been assumed in this example, for ;; simplicity, that the motors-generators are supplied by direct current. <B> It </B> is avoided that instead of this Finally, we can choose another type of current used in combination with -, - energy engines, ators allowing the circulation of the work, for example alternating current machines with adjustment by offset of the brushes.
The excitation of the motor-generators can of course also be provided by a source independent of the network, for example, by special exciters.
There may be more than one pair of motor-generators joined together in each pair by a differential transmission device which may moreover not be similar to that indicated in FIGS. 5 and 6.