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Procédé et appareillage pour la traction par accumulateurs
La traction électrique par ligne de contact à courant continu soit sous forme de fil aérien, soit sous forme de troisième rail, a le grand inconvénient d'utili- ser une source d'énergie à tension constante, ce qui n'est pas sans présenter d'assez sérieuses difficultés pour le démarrage. Les moteurs partant du repos, sans force con- tre-électromotrice par conséquent, il est nécessaire de prévoir des résistances capables d'absorber la presque totalité de la tension de la ligne de contact.
Le seul artifice qui soit utilisé en pratique pour améliorer ces conditions défavorables consiste à
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prévoir deux ou un nombre pair de moteurs et de les connec- ter d'abord en série, puis en parallèle dès que la force contre-électromotrice est devenue suffisante. La marche se fait donc, pendant la période d'accélération, presque exclusivement sur résistances, ce qui entraîne une perte d'énergie relativement très élevée.
Jusqu'à ce jour, il n'y a guère que la traction électrique à courant monophasé qui permette de parer à cet- te difficulté par l'installation d'un transformateur à prises multiples au secondaire. Les moteurs sont ainsi soumis à une tension qui va en croissant pendant toute la période du démarrage.
La traction par accumulateurs, qui n'entre bien entendu en ligne de compte que pour le courant continu, per- met d'améliorer d'une façon très sensible ces conditions normales de démarrage.
La présente invention a pour objet un procédé de traction par accumulateurs suivant lequel on utilise, lors de chaque démarrage, successivement des fractions croissantes de la batterie de manière à alimenter les mo- teurs sous une tension croissante.
Le fractionnement peut être poussé aussi loin qu'on le veut. En pratique on pourra se contenter d'un fractionnement en 4 parties, de sorte que les moteurs se- ront soumis.d'abord au quart de la tension normale, puis à la moitié et enfin à la totalité de cette tension.
Les résultats de cette façon de procéder seront d'abord une diminution très appréciable des pertes d'éner- gie, et ensuite la possibilité d'avoir des efforts de trac- tion considérables pendant la période de démarrage sans at-
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teindre une intensité de décharge anormale pour tous les éléments de la batterie.
L'invention a aussi pour objet la combinaison avec la batterie fractionnée et les moteurs d'un appareil- lage comportant un contrôleur approprié et une série de contacteurs servant à produire les changements de connexions nécessaires pour la mise en circuit ou hors circuit des différentes fractions de la batterie, et cela sans danger de mise en court-circuit de la batterie ni de fausses ma- noeuvres.
Le dessin annexé représente à titre d'exemple une forme d'exécution du dispositif suivant l'invention.
La fig. 1 est un diagramme de fonctionnement.
La fig. 2 est un schéma de l'appareillage.
La fige , est un tableau des combinaisons d'en- clenchement d'un système de contacteurs.
Sur la fig. 1 est représenté le diagramme de fonctionnement de deux moteurs alimentés suivant l'inven- tion pendant la période de démarrage. Ce dessin montre clairement les avantages intrinsèques de cette invention.
Le diagramme situé à gauche représente, en fonc- tion de l'intensité du courant traversant le moteur, les efforts de traction à la jante et la vitesse.
Le diagramme de droite donne l'effort de trac- tion en fonction de la vitesse du véhicule.
Pendant la dernière partie du démarrage, tous les éléments de la batterie étant en série, l'intensité du courant traversant le moteur est compris entre les va- leurs IDI et ID2 auxquelles correspondent les efforts de traction F1 et F2.
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Au début du démarrage, l'intensité du courant traversant le moteur pourra être porté jusqu'à ID3 sans que l'intensité débitée par chaque élément de la batterie dépasse la valeur normale. On obtiendra ainsi un effort de traction F3 beaucoup plus considérable*
La figure qui est tracée qualitativement à l'é- chelle montre l'importance de cet effort de traction par rapport à ceux que l'on pourrait obtenir sans fractionne- ment de la batterie.
Les parties représentées en pointillé sur la figure correspondant aux périodes de marche sur résistan- ces. On voit que ces périodes-sont très réduites et l'on peut chiffrer la perte d'énergie à environ 1/@@de ce qu'el- le serait sans fractionnement. Ce chiffre démontre assez clairement l'importance de la présente invention.
L'accélération de mise en vitesse pourra être poussée ainsi aussi loin qu'on le voudra. On ne sera plus limité que par la condition de ne pas dépasser une accélération limite pour le confort des voyageurs (environ
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0m 70/sec.sec. ).
Le fractionnement de la batterie en parties éga- les a le grand avantage de soumettre tous les éléments au même régime de décharge.
Dautre part, ce fractionnement permet aussi de pousser jusqu'à l'extrême limite la récupération de l'é- nergie vive du train pendant les périodes de ralentisse- ment ou de freinage en permettant la charge de la batterie par les moteurs fonctionnant en dynamos jusqu'à ce que leur force électro-motrice soit devenue égale au quart de la tension normale de la batterie dans l'exemple consi# déré.
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Pratiquement, le fractionnement de la batterie en 4 parties par exemple permettra la récupération jusqu'à des vitesses de 4 ou 5 km. à l'heure environ.
On a complété les deux diagrammes indiqués ci- dessus en y joignant les courbes correspondant au shuntage d'une partie de l'inducteur pour les grandes vitesses et les faibles efforts de traction, artifice qu'il est bien entendu facile d'appliquer également pour ce cas de trac- tion par accumulateurs.
Il est facile de prévoir l'appareillage de telle façon que:pendant les opérations de fonctionnement de la batterie tout danger de mise en court-circuit de cette der- nière soit évité. On a représenté sur la fige 2 un shhéma d'un appareillage répondant à ces conditions. c1, c2, c3, c4 désignent les quatre quarts de la batterie, d le moteur, e l'inverseur de marche, f la ré- sistance de démarrage, & le contrôleur, 1, 2....... 10, 11, les contacteurs dont le contact principal est désigné par l'indice ,µ¯ et le contact auxiliaire par 1* indice b.
Toutes les opérations de fonctionnement s'effec- tueront la batterie complètement isolée du moteur, la rup- ture ou la fermeture du courant se faisant sur le contac- teur 10 ; cela les plots du contrôleur de manoeuvre correspondant à ce contacteur 10 ont une largeur inférieu- re à celle des plots correspondant aux autres contacteurs, comme l'indique la figure 2. De cette façon, lors d'un changement de couplage des différentes parties de la bat- terie et des moteurs, le courant sera coupé sur la bobine de l'électro-aimant du contacteur 10 avant d'être coupé sur les bobines des autres contacteurs ; contacteur 10
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aura donc déclenché avant les autres.
De la même manière, lors de l'établissement du couplage suivant, le courant est mis sur la bobine du contacteur 10 après avoir été mis sur les autres contacteurs ; contacteur 10 se ferme en dernier lieu et c'est sur lui que se produit l'arc de fermeture du circuit.
D'autre part les contacteurs sont verrouillés électriquement les uns avec les autres de façon que l'une quelconque des combinaisons de couplage ne puisse s'effec- tuer qu'à la condition que les contacteurs ayant servi dans la combinaison précédente soient revenus au repos.
Ces verrouillages sont indispensables pour éviter la mise en court-circuit d'une partie de la batterie.Ainsi si les contacteurs 1 et 5, par exemple, se trouvaient fer- més simultanément, ils mettraient en court-circuit la por- tion c1 de la batterie. Pour éviter cet accident ces deux contacteurs sont verrouillés électriquement l'un avec l'au- tre ; pour cela la bobine de l'électro-aimant du contacteur 1 est en série avec le contact auxiliaire du contacteur 5 et, par suite le contacteur 1 ne pourra se fermer que si ce contact auxiliaire de 5 est lui-même fermé c'est-à-dire, si le contacteur 5 est ouvert. Inversement, la bobine de l'électro-aimant du contacteur 5 est en série avec le con- tact auxiliaire du contacteur 1 ; le contacteur 5 ne pourra donc se fermer que si le contacteur 1 lui-même est ouvert.
De la sorte, les contacteurs 1 et 5 ne pourront être fer- més simultanément.
Tout ce qui précède est applicable aux contac- teurs 1 et 4 dont la fermeture simultanée mettrait en court-circuit la portion c2 de la batterie ; deux con-
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tacteurs sont donc verrouillés l'un avec l'autre.
Le tableau ci-dessous indique les verrouillages qui sont indispensables entre les différents contacteurs:
Contacteur 1 verrouillé électriquement avec 4 et 5 " 4 et 5 " " il 1 " 3 " " " 6 et 7 " 6 et 7 " " " 3 " 2 " " 8 et 9 " 8 et 9 " " Il 2
On remarquera sur la fig. 2 que le contacteur 1 est verrouillé non seulement avec 4 et 5 mais aussi avec 6 et 7, et que le contacteur 3 est verrouillé non seule- ment avec 6 et 7 mais aussi avec 4 et 5; Ci est que, ainsi que le montre la figure 3 représentant la série des combi- naisons d'enclenchement des contacteurs., ces deux contac- teurs 1 et 3 sont toujours fermés ou ouverts simultané- ment, ils peuvent donc être commandés ensemble ; pour cela qu'on a mie leur électro-aimant en série ainsi que leurs contacts de verrouillages.
Il en est de même des contacteurs 4, 5, 6 et 7 ayant leurs bobines en série et verrouillés avec 1 et 3.
Les différentes manoeuvres de démarrage se font alors de la façon suivante :
Le contrôleur étant au cran 0 coupe toute ali- mentation des circuits des contacteurs qui sont tous ou- verts.,
Au cran 1 le pôle commun P de tous les contac# teurs est alimenté par le pôle positif A du quart de batte- rie c1 sur lesquels sont branchés les circuits de commande, en même temps le pôle négatif B alimente d'abord les con-
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tacteurs 4-5-6-7 et 8-9 qui se ferment en premier lieu établissant le couplage en parallèle des 4 parties c1, c2 c3 et c4 de la batterie, puis le contacteur 10 qui relie cette batterie au moteur.
Au cran 2 le contacteur 11 est alimenté et court circuite la résistance de démarrage f.
Dans la manoeuvre de passage du cran 2 au cran,3, le contacteur 10 est d'abord ouvert, puis les contacteurs 8 et 9 qui ne doivent pas figurer dans le couplage suivant, ainsi que le contacteur 11 ; le contacteur 2 se ferme, le couplage de la batterie en deux parties en pa- rallèle (c1 +c2 d'une part, 23 + c4 de l'autre) est alors réalisé ; enfin en dernier lieu le contacteur 10 se refer- me assurant à nouveau l'alimentation du moteur.
Au cran 4 la résistance f est supprimée de la mê- me façon qu'au cran 2. Pour le passage du cran 4 au cran 5, le contacteur 10 est ouvert en premier lieu, puis les contacteurs 4-5-6-7 et 11 qui ne doivent pas figurer au couplage suivant, ensuite les contacteurs 1-3 se ferment réalisant la mise en série de toutes les portions de la batterie, enfin le contacteur 10 est fermé en dernier lieu.
Au cran 6 la résistance f est supprimée à nou- veau ; le démarrage est ainsi terminé.
L'inverseur de sens de marche e pourra être com- mandé à main, ou par électro-aimants comme il est réalisé' dans les cas ordinaires de traction à unités multiples.
Il doit être entendu que ce dispositif de monta- ge n'est donné qu'à titre d'exemple et qu'on pourra, sans stécarter de l'invention, utiliser tout autre appareillage permettant de fractionner la batterie dans le but et de la manière exposée ci-dessus.
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Method and apparatus for traction by accumulators
Electric traction by direct current contact line, either in the form of an overhead wire or in the form of a third rail, has the great drawback of using a source of energy at constant voltage, which is not without presenting rather serious difficulties in starting. As the motors start at rest, without a counter-electromotive force, therefore, it is necessary to provide resistors capable of absorbing almost all of the voltage of the contact line.
The only trick that is used in practice to improve these unfavorable conditions is to
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provide two or an even number of motors and connect them first in series, then in parallel as soon as the back electromotive force has become sufficient. During the acceleration period, walking is therefore done almost exclusively on resistors, which results in a relatively very high loss of energy.
Until now, only single-phase electric traction has been used to overcome this difficulty by installing a transformer with multiple taps in the secondary. The motors are thus subjected to an increasing voltage throughout the starting period.
Traction by accumulators, which is of course only taken into account for direct current, allows these normal starting conditions to be improved very significantly.
The object of the present invention is a method of traction by accumulators according to which, during each start-up, increasing fractions of the battery are used successively so as to supply the motors with increasing voltage.
Fractionation can be taken as far as you want. In practice, it will be possible to be satisfied with a division into 4 parts, so that the motors will be subjected first to a quarter of the normal tension, then to half and finally to the whole of this tension.
The results of this way of proceeding will be first of all a very appreciable reduction in energy losses, and then the possibility of having considerable traction forces during the start-up period without at-
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dye an abnormal discharge intensity for all the battery cells.
The invention also relates to the combination with the fractional battery and the motors of an apparatus comprising an appropriate controller and a series of contactors serving to produce the changes of connections necessary for switching on or off the different fractions. of the battery, and without danger of short-circuiting the battery or of false operations.
The appended drawing represents by way of example an embodiment of the device according to the invention.
Fig. 1 is an operating diagram.
Fig. 2 is a diagram of the apparatus.
The freeze is a table of the switching combinations of a contactor system.
In fig. 1 is shown the operating diagram of two motors supplied according to the invention during the starting period. This drawing clearly shows the intrinsic advantages of this invention.
The diagram on the left represents, as a function of the intensity of the current passing through the motor, the traction forces at the rim and the speed.
The diagram on the right gives the tractive effort as a function of the vehicle speed.
During the last part of starting, all the battery cells being in series, the intensity of the current flowing through the motor is between the values IDI and ID2 to which the traction forces F1 and F2 correspond.
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At the start of starting, the intensity of the current flowing through the motor can be increased to ID3 without the intensity delivered by each cell of the battery exceeding the normal value. This will give a much greater traction force F3 *
The figure which is traced qualitatively on a scale shows the importance of this tractive effort compared to those that could be obtained without splitting the battery.
The parts shown in dotted lines in the figure corresponding to the periods of operation on resistors. It can be seen that these periods are very short and the loss of energy can be calculated at about 1 / @@ of what it would be without fractionation. This figure demonstrates quite clearly the importance of the present invention.
The speed-up acceleration can be pushed as far as you want. We will no longer be limited except by the condition of not exceeding a limit acceleration for the comfort of travelers (approximately
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0m 70 / sec.sec. ).
Splitting the battery into equal parts has the great advantage of subjecting all the cells to the same discharge regime.
On the other hand, this splitting also makes it possible to push to the extreme limit the recovery of the live energy of the train during the periods of slowing down or braking by allowing the charging of the battery by the engines operating as dynamos. until their electro-motive force has become equal to a quarter of the normal voltage of the battery in the example considered.
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In practice, dividing the battery into 4 parts for example will allow recovery up to speeds of 4 or 5 km. per hour approximately.
The two diagrams indicated above have been completed by adding the curves corresponding to the shunting of a part of the inductor for high speeds and low tensile forces, an artifice that is of course easy to apply also for this case of traction by accumulators.
It is easy to plan the switchgear in such a way that: during battery operation, any danger of short-circuiting the battery is avoided. There is shown in fig 2 a diagram of an apparatus meeting these conditions. c1, c2, c3, c4 designate the four quarters of the battery, d the motor, e the reverser, f the starting resistor, & the controller, 1, 2 ....... 10, 11, the contactors whose main contact is designated by the index, µ¯ and the auxiliary contact by 1 * index b.
All operating operations will be carried out with the battery completely isolated from the motor, the interruption or closing of the current being made on contactor 10; that the pads of the operation controller corresponding to this contactor 10 have a width smaller than that of the pads corresponding to the other contactors, as shown in FIG. 2. In this way, during a change of coupling of the different parts of the battery and the motors, the current will be cut off on the coil of the electromagnet of contactor 10 before being cut off on the coils of the other contactors; contactor 10
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will therefore have triggered before the others.
Likewise, during the establishment of the following coupling, the current is put on the coil of the contactor 10 after having been put on the other contactors; Contactor 10 closes last and it is on this that the circuit closing arc occurs.
On the other hand, the contactors are electrically interlocked with each other so that any one of the coupling combinations can only be carried out if the contactors which served in the previous combination have returned to rest. .
These interlocks are essential to prevent a part of the battery from being short-circuited, so if contactors 1 and 5, for example, were closed simultaneously, they would short-circuit the c1 portion of battery. To prevent this accident, these two contactors are electrically locked with each other; for this, the coil of the electromagnet of contactor 1 is in series with the auxiliary contact of contactor 5 and, consequently, contactor 1 can only be closed if this auxiliary contact of 5 is itself closed, i.e. that is, if contactor 5 is open. Conversely, the coil of the electromagnet of contactor 5 is in series with the auxiliary contact of contactor 1; contactor 5 will therefore only be able to close if contactor 1 itself is open.
In this way, contactors 1 and 5 cannot be closed simultaneously.
All of the above is applicable to contactors 1 and 4, the simultaneous closing of which would short-circuit portion c2 of the battery; two con-
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tactors are therefore locked with each other.
The table below indicates the interlocks which are essential between the different contactors:
Contactor 1 electrically locked with 4 and 5 "4 and 5" "il 1" 3 "" "6 and 7" 6 and 7 "" "3" 2 "" 8 and 9 "8 and 9" "Il 2
It will be noted in fig. 2 that contactor 1 is locked not only with 4 and 5 but also with 6 and 7, and that contactor 3 is locked not only with 6 and 7 but also with 4 and 5; It is that, as shown in FIG. 3, showing the series of contactor closing combinations, these two contactors 1 and 3 are always closed or open simultaneously, so they can be controlled together; for this we have crammed their electromagnet in series as well as their locking contacts.
The same applies to contactors 4, 5, 6 and 7 having their coils in series and locked with 1 and 3.
The various starting maneuvers are then carried out as follows:
The controller being at step 0 cuts off all power to the contactor circuits which are all open.,
On step 1, the common pole P of all the contactors is supplied by the positive pole A of the quarter-battery c1 to which the control circuits are connected, at the same time the negative pole B first supplies the con- stituents.
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tactors 4-5-6-7 and 8-9 which close first establishing the parallel coupling of the 4 parts c1, c2 c3 and c4 of the battery, then contactor 10 which connects this battery to the engine.
At step 2, contactor 11 is energized and short circuits the starting resistor f.
When switching from notch 2 to notch, 3, contactor 10 is first open, then contactors 8 and 9 which must not be included in the following coupling, as well as contactor 11; contactor 2 closes, the coupling of the battery in two parallel parts (c1 + c2 on the one hand, 23 + c4 on the other) is then carried out; lastly, contactor 10 closes again, again providing power to the motor.
At step 4, resistance f is removed in the same way as at step 2. To switch from step 4 to step 5, contactor 10 is opened first, then contactors 4-5-6-7 and 11 which must not appear in the following coupling, then contactors 1-3 close, putting all the portions of the battery in series, and finally contactor 10 is closed last.
At step 6 the resistance f is again removed; the start-up is thus complete.
The direction of travel reverser e can be controlled by hand, or by electromagnets as is done in ordinary cases of traction with multiple units.
It should be understood that this mounting device is given only by way of example and that it is possible, without departing from the invention, to use any other apparatus which makes it possible to split the battery for the purpose and to preserve it. manner set out above.