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"PROCEDE POUR LE DEMARRAGE DE MOTEURS SYNCHRONES PAR CHAMP TRANSVERSAL A L'ENROULEMENT D'EXCITATION A COURANT CONTINU"
Le nouveau procédé pour le démarrage se rapporte à des moteurs synchrones à courants alternatifs, polyphasés ou mono- phasés, et soit moteurs à pôles lisses, soit à pôles saillants.
La Fig. 1 sert à expliquer un effet connu, et les Fig. 2-8 se rapportent au nouveau procédé de démarrage. Les Fig. 1-5 sont des schémas bipolaires, les Fig. 6-8, multipolaires.
Par suite des difficultés de démarrage du moteur synchro- ne normal à pôles saillants, les moteurs dits asynchrones syn- chronisés démarrant comme moteurs asynchrones normaux à bagues, d'après le procédé introduit par M. Danielson, ont trouvé de très nombreuses applications dans la pratique. Un inconvénient de ces moteurs est, parmi d'autres, que le nombre de spires de l'enroulement secondaire du rotor, est limité par la ten- sion admissible de démarrage et que, pour cette raison, le
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courant continu d'excitation devient toujours relativement grand pour ces moteurs.
Le nouveau procédé de démarrage se sert pour le rotor du moteur d'une exécution où le champ tournant du stator peut produire en principe aussi un champ tournant ou an schéma bipalaire, un champ en deux axes. Toutefois, il évite que des tensions plus élevées ne peuvent se produire au rotor, en diminuant d'abord au démarrage, à une valeur relativement faible, la composante du champ dans l'axe du circuit, qui for- me en marche le circuit d'excitation à courant continu, tan- dis que le couple essentiel de démarrage est produit par l'au- tre composante du champ tournant de sens transversal à ce circuit, et la partie des ampères-tours au stator qui se trou- vent en sens transversal à cette composante du champ.
Le procédé utilise en un certain et nouveau sens un effet, trouvé il y a déjà longtemps par M. Knauth et qui a été décrit par M. Görges en 1896, selon lequel un moteur asynchrone nor- mal triphasé à bagues, dont on court-circuite le secondaire suivant un seul axe par deux bagues, peut marcher à différentes vitesses. On a employé l'effet, pour obtenir un moteur pouvant marcher à deux vitesses, dont l'une est sa vitesse normale près du synchronisme, en le faisant démarrer de façon narmale par une résistance raccordée à ses trois bagues, et l'autre, una vitesse près de la moitié du synchronisme, à laquelle le mo- teur arrive d'abord et sans la dépasser quand on le fait dé- marrer en court-circuit de deux bagues.
Dans la caractéristique d'un moteur avec ce court-circuit uniaxial de son secondaire qu'on obtient par lassai, on peut constater que, excepté pour ces vitesses intermédiaires aux environs de la moitié du synchronisme, c'est-à-dire que pour petites vitesses et pour vitesses plus près du synchronisme, cette caractéristique ressemble à celle d'un moteur à courant
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continu à excitation compound. Mais en même temps, par suite d'un second effet simultané de ce court-circuit uniaxial du secondaire, le couple du moteur disparaît et devient même lé- gèrement négatif, quand la vitesse arrive près de la moitié du synchronisme et surtout un peu au-dessus de cette valeur.
Pour pouvoir utiliser cette caractéristique également pour un régime plus près du synchronisme, on est obligé d'employer un moyen quelconque qui fait passer la vitesse du moteur d'abord par ces valeurs critiques aux environs de la moitié du synchronisme.
La Fig. 1, par exemple, présente pour le rotor d'un tel moteur, les trois phases secondaires raccordées par leurs bornes à trois bagues 1, 2, 3. Supposons que les balais des deux bagues 1 et 2 soient court-circuités entre eux par la connexion c. Pour la position choisie du rotor, les courants de court-circuit produits par le champ tournant du primaire au stator auront pour effet de diminuer à une faible valeur la composante de ce champ tournant suivant l'axe horizontal x.
La tension e entre les deux bagues 1-2 devient nulle. Par x contre, pour l'autre axe y, dans la verticale, la tension ey induite par l'autre composante du champ n'est pas diminuée, et cette composante produiran surtout une tension élevée dans la troisième phase raccordée à la bague 3. La composante du champ tournant du primaire suivant cet axe vertical V, pro- duit alors, suivant cet axe, et en sens traversai par rapport au circuit 1-2, un champ élevé au rotor, et ce dernier pro- duit, avec la partie des ampères-tours au stator suivant l'au- tre axe horizontal X, un couple élevé de démarrage.
Le nouveau procédé pour le démarrage de moteurs synchrones utilise dans l'effet obtenu ainsi, enppemière ligne, l'avantage de pouvoir employer, pour l'excitation à courant continu d'un moteur synchrone qn circuit à grand nombre de spires, sans produire dans ce circuit au démarrage des tensions qui
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se trouvent en rapport direct avec ce nombre de spires, comme il est le cas par exemple pour les moteurs dits asynchrones synchronisés, démarrant comme des moteurs normaux asynchrones à bagues.
La Fig. 2 montre en principe d'abord un mode d'exécution du procédé. Le moteur démarrant de la même manière, en court- circuitant au rotor les balais- des deux bagues 1-2 entre eux, ce circuit sert en marche comme circuit d'excitation, en y intercalant l'excitatrice à courant continu E. La troisième phase 3 du rotor est supprimée ici, de sorte que la tension maximum qui peut encore se produire dans l'enroulement au rotor diminue à ey , la composante seule des deux autres phases suivant cet axe y. Pour faire passer le moteur par les vites- ses intermédiaires aux environs de la moitié du synchronisme, on peut par exemple raccorder le point neutre 0 à une troisië- me bague, et raccorder ainsi les deux phases séparément à des résistances R, R.
Cette exécution selon Fig. 2 présente toutefois encore différents défauts, parmi d'autres ausstoun inconvénient, pour lequel d'ailleurs on a abandonné plus tard les moteurs préci- tés marchant à la moitié du synchronisme, et qui eat que la composante déwattée du courant absorbé par le moteur devient très grande. Le but de ce nouveau procédé n'est pas d'obtenir un moteur marchant à la moitié de son synchronisme, mais au contraire démarrant jusqu'à sa pleine vitesse. Il semblait donc préférable de trouver des moyens, aussi bien pour éviter ce dernier inconvénient que pour supprimer autant que possi- ble les causes du second effet simultané du court-circuit uniaxial du secondaire, qui sont suisioles au but envisagé, et pour obtenir un couple du moteur qui, pour aucune vites- se intermédiaire, ne tombe en-dessous d'une certaine valeur.
L'examen théorique démontre que, par l'effet du court- circuit uniaxial du secondaire, le champ tournant, produit par
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le primaire, devient pulsatoire. On peut décomposer un tel champ en deux champs tournants, dont l'unreprésente le champ tournant normal du primaire. Dans ce cas, l'autre composante est un champ qui tourne au rotor, en sens inverse. Dans les moteurs précités marchant à la moitié du synchronisme, d'abord le grand'courant déwatté était causé uniquement par l'ampli- tude du champ total, qui devient la somme de ces deux composan- tes de champs tournants, nécessitant ainsi, par suite de la saturation des tôles, un courant magnétisant élevé au primaire.
Pour ramener ce courant magnétisant à une valeur normale, il faut diminuer la tension appliquée au primaire, soit par an transformateur, ou par un changement de raccordement entre phases au primaire, ou'par une résistance, soit résistance inductive, une self inductance, ou bien par une résistance ohmique au primaire.
La théorie montre en outre que la dite seconde composante de champ tournant forme, vue en sens de l'axe du court-circuit uniaxial du rotor, l'image, plus ou ràoins affaiblie, du champ tournant normal du stator, c'est-à-dire que atte composante de champ tournant tourne, au rotor, en sens négatif, avec la vitesse de son glissement par rapport au stator. Par conséquent à la moitié du synchronisme, (glissement 50%) cette composante de champ tournant devient un champ fixe par rapport au stator.
Quand le rotor dépasse cette vitesse, ce champ commence à tourner au stator dans le sens de la rotation du rotor et, par suite de la très faible ,résistance des phases du stator et des courants de glissement induits dans ces cmrcuits, et qui se ferment sur'le réseau, cette composante de champ tour-¯
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nant produit alors, pour un eertai-a. ïr.égimë .d:e,,,i tesse, un effet de freinage, 'd,' ::;, c., t:,o ::..t
La cause pour laquelle, par suite de cette composante du champ produite par le court-circuit uniaxial du secondaire, le moteur se maintient avec une certaine ténacité à cette vi-
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tasse de la moitié du synchronisme, est en d'autres mots un effet de réflexion magnétique entre deux circuits de faibles résistances, le circuit du rotor et celui du stator.
Pour rompre cet équilibre, auisible au but envisagé par ce procédé de démarrage, il faut intercaler une résistance, soit inducti- ve, soit ohmique, dans le circuit du rotor ou du stator, ou dans les deux circuits en même temps.
En remplaçant le court-circuit uniaxial du secondaire au rotor par une résistance, la composante du charnp dans cet axe augmente, et également la tension aux bornes de cet enroule- ment. Mais comme il est suffisant que la valeur de cette résis- tance par rapport au carré du nombre de spires de cet enrou- lement reste faible, pour obtenir l'effet voulu, il est évi- dent qu'il'n'y à aucune importance-: que-;cetteliension soitnulle et que l'augmentation de cette tension en de certaines limites ne présente aucun inconvénient, pourvu qu'elle reste en-dessous d'une valeur admissible.
La Fig. 3 montre un tel mode d'exécution du procédé, où dans le circuit d'erditation à, est intercalée une résistance r faible par rapport au carré du nomore de'spires de ce ciret cuit/cette résistance peut être mise en court-circuit quand le moteur est en vitesse. Pour plus de simplicité, l'enroule- ment d'excitation a, à nombre de spires relativement grand est bobiné ici suivant un seul axe. Si on désire augmenter encore le couple pour une vitesse quelconque, on peut ajouter un second enroulement b bobné sur une autre'phase, dans le- quel alors, au premier moment du démarrage, la composante plus grande du champ suivant l'axe vertical y, produit une tension élevée par spire.
On bobinera doncocetuènroulement b à un nombre de spires relativement petit, de sorte que sa ten- sion totale ey produite dans cet enroulement ne dépassera pas une valeur admissible. Le circuit de cet enroulement b peut
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d'abord être ouvert, et on y intercalera ensuite, comme dans le démarrage normal de moteurs asynchrones, une résistance R dont la valeur sera, au commencement du démarrage, relativement grande par rapport au carré du nombre de spires de cet enrou- lement.
Dans la Fig. 4, la partie II montre pour l'enroulement d'excitation du rotor, la même disposition, avec une résis- tance qui sert à supprimer ou diminuer l'effet de réflexion magnétique ci-dessus. La partie I présente en outre les trois phases primaires au stator d'un moteur triphasé et, dans le même but, intercalée dans ce circuit, par exemple au point neutre, la résistance R1, qui peut être court-circutiée en mar- che normale du moteur. Cette résistance Rpeut servir en même temps, cornue il a été dit plus haut, à diminuer la tension primaire par phase au stator et à éviter des courants déwattés élevés au démarrage, en choisissant dans ce cas la valeur de cette résistance suffisamment grande.
Au lieu des résistances ohmiques au secondaire et R 1 au primaire, on peut se servir de résistances inductives, self inductances, ou des deux à la fois, dans l'un des deux circuits ou dans l'autre ou dans tous les deux. La disposition permet d'effectuer un bon dérnar- rage jasqu'à la vitesse près du synchronisme, et même sans qu'il soit nécessaire de prévoirsur le secondaire un second enroulement d'une autre phase, comme l'enroulement b. de la Fig. 3.
La Fig. 5 présente pour un moteur synchrone bipolaire, à pôles lisses, le placement de l'enroulement d'excitation a, selon Fig. 3 et 4, bobiné en sens des traits a, Fig. 5, et logé' près de la circonférence du rotor dans un nombre d'encoches qui sont indiquées schématiquement par des lignes radiales.
C'est la disposition utilisée depuis le début de l'emploi des turbines à vapeur, et qui fut introduite par M. Charles Brovrn,
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pour de grands alternateurs, où elle présente l'avantage d'éviter de fortes déformations ou distorsions du champ, résultant pour de telles machines à grands pas polaires, de la réaction du courant et qui nécessite, pour des machines à pôles saillants, d'employer des entrefers excessifs. L'axe de l'enroulement d'excitation se trouve dans la Fig. 5, dans l'axe.,: horizontal X, et le champ transversal par rapport à cet enroulement, qui sert selon le nouveau procédé à produire le démarrage d'un moteur de cette exécution, est indiqué par les flèches n-n, en sens de l'axe vertical .
La Fig. 6 montre une disposition semblable pour un moteur synchrone multipolaire.
Le champ transversal par paire de pôles est ici également indiqué par les flèches n-n Une telle exécution de l'enroule- ment d'excitation présente d'ailleurs, en comporaison aux cir- cuits d'excitation dans des moteurs asynchrones synchronisés, formés par les phases d'un enroulement polyphasé, en même temps l'autre avantage que la longueur moyenne par spire de- vient plus petite, et que de ce fait pour un nombre donné d'ampères-tours les pertes d'excitation deviennent moindres.
Encore Cette longueur par spire reste ici/plus grande que celle dans les bobines polaires de machines à pôles saillants. Toutefois, l'influence sur les pertes d'excitation, en comparaison à ces dernières, n'est pas très grande, quand il s'agit de grands moteurs synchrones à vitesses élevées, c'est-à-dire à petits nombres de pôles et grands pas polaires, du genre des moteurs synchrones marchant à vide, dont on ae sert pour produire des 'effets de capacités et pour fournir des courants déwattés en avance sur la tension au réseau, par une hyperexcitation cor- respondante de ces moteurs.
Pour ces cas, dans des moteurs synchrones normaux à pôles saillants, la réaction d'induit du courant déwatté au stator
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qui est maximum au centre des pièces polaires, peut produire dans la répartition du champ par pièce polaire une déformation, montrant une selle dans l'axe du champ par pôle et un champ relativement élevé aux deux bords, les bords antérieurs et pos- térieurs par pièce polaire. Avec entrefer normal et uniforme par pièce polaire, le moteur à pôles saillants et hyperexcité produirait ainsi une déformation de la courbe de la tension du réseau, pouvant provoquer des courants harmoniques et des pertes additionnelles aux autres moteurs du réseau.
Pour di- minuer cet effet nuisible, on donne;dans ces cas, aU[pièces polaires, une courbure telle que l'entrefer devienne plus grand aux bords qu'au centre, et comme on ne peut choisir ce rapport que pour une certaine valeur donnée moyenne du courant déwatté débité par le moteur, on emploie toujours, en même temps, des entrefers très grands. Toutefois, de ce fait, les ampères-tours d'excitation nécessaires du moteur augmentent ainsi en même temps, et l'influence utile de la petite lon- gueur par spire dans les bobines polaires des pôles saillants, sur les pertes d'excitation, diminue.
Une exécution selon la Fig. 6, à pôles lisses présente pour ces cas, outre la facilité d'application du nouveau pro- cédé de démarrage, l'avantage que la répartition.des ampères- tours d'excitation dans des encoches, dont d'ailleurs le nombre par pôle peut être choisi plus grand que dans la Fig. 6, permet de loger les spires intérieures de cet enroulement aussi près de l'axe.par pôle, que la plus grande réaction d'induit des ampères-tours du courant déwatté au stator devient légèrement hypercompensée, et que la forme du champ par pôle reste tou- jours sinusoïdale. Ainsi également l'entrefer entre stator et rotor peut rester normal et uniforme.
La Fig. 7 enfin présente une forme d'exécution qui mon- tre que le nouveau procédé de démarrage peut être employé éga- lement dans des moteurs à poles saillants. Dans ce cas, il faut,'pour l'application du procédé, disposer entre les pôles
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principaux P qui portent les bobines polaires a, des pôles intermédiaires p, dont le circuit magnétique au rotor p-m-p doit être feuilleté, et par lesquels ledit champ transversal n-n, par rapport à 1''enroulement d'excitation des bobines a, ainsi peut se fermer. Une telle exécution utilise/en même temps les avantages qu'offrent les simples bobines polaires des pôles, la petite longueur moyenne des spires de celles-ci et les plus faibles pertes d'excitation qui en résultent, et surtout plus faibles que dans les moteurs du genre de la construction asynchro- ne.
La largeur de ces pôles intermédiaires p peut rester relativement faible, et même pour des moteurs à petites vites- ses, grands nombres de pôles et petits pas polaires, il suf- fit, pour obtenir la place nécessaire, d'augmenter éventuelle- ment un peu la hauteur des noyaux des pôles, et des bobines, pour diminuer ainsi la largeur de la place occupée par ces bobines.
Ces pôles intermédiaires produisent une légère augmenta- tion de la dispersion à vide, entre les pièces polaires des pôles principaux, mais qui est sans grande importance. D'autre part, ils ont encore l'autre effet utile de diminuer, de façon semblable comme il a été dit plus haut pour les machines à pôles lisses et enroulement d'excitation réparti,, dans des encoches, la distorsion unilatérale du champ qui, dans les pièces polaires de machines normales à pôles saillants, est produite par la réaction du courant en charge d'une telle ma- chine.
Dans la Fig. 8, par exemple, l'ensemble v représente en principe 'la forme de cette distorsion du champ dans une ma- chine normale à pôles saillants, produite en charge par la 'réaction d'induit d'un courant watté, c'est-à-dire que cette réaction selon son sens, produit une déformation du champ vers un côté, par exemple vers la droite, par le fait qu'elle
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est de sens opposé dans la partie de la pièce polaire à gau- che, produisant une diminution du champ dans cette partie, et qu'elle a par contre le même sens que le champ dans la partie de la pièce polaire à droite, de sorte qu'elle produit ici un champ du même sens et de ce fait un renforcement du champ.
Or, en ajoutant les pôles intermédiaires p, on constate que cette même réaction d'induit produit dans le pôle intermédiai- re à droite du pôle P, également un champ du même sens, de sorte que l'ensemble W représente de nouveau une répartition plus symétrique du champ total par pôle. En d'autres mots, l'etfet devient ici moins une déformation qu'un déplacement de l'ensemble du champ total par pôle.
Ceci a peur conséquence que, même pour des moteurs à grandes vitesses, grands pas polaires et grande réaction d'in- duit, la disposition permet d'employer des entrefers normaux, de sorte que les ampères-tours nécessaires deviennent faibles, et de même les pertes d'excitation résultantes.
Dans toutes les exécutions, pour diminuer au démarrage la composante du champ dans l'axe de l'enroulement d'excita- tion, on peut aussi, au lieu de fermer l'enroulement d'excita- tion sur une faible résistance, ou en court-circuit, se servir dans ce but d'autres circuits électriques plus ou moins coa- xiaux à cet axe, comme par exemple d'un autre enroulement bo- biné en ce sens ét qui peut rester constamment fermé.
Dans des moteurs à pôles saillants, par exemple, cet effet peut être obtenu aussi déjà, en employant pour les pôles principaux
P des noyaux massifs, ou des circuits amortisseurs comme par exemple ceux qu'on dispose souvent sur les pièces polaires, pour amortir des mouvements 'pendula ires etc..,, L'essentiel , pour cette dernière forme d'exécution avec pôles saillants, est qu'il faut ajouter lesdits pôles intermédiaires p, par lesquels le flux'transversal n-n peut se fermer.
On peut aussi se servir conjointement d'autres dispo si- tifs de démarrage, soit comme indiqué déjà dans la Fig. 3 d'un
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circuit bobiné pour une autre phase,,fermé au démarrage sur une résistance élevée par rapport au carré'de son nombre de spi res , et -.Par exemple, dans l'exécution Fig. 4 à surface polaire lisse, dans'les encoches restant vides aux centres des pôles, ou dans l'exécution Fig. 7 à pôles saillants par exemple bobiné sur les pôles intermédiaires p, ou bien encore on peut se servir d'une cage à résistance relativement élevée, c'est-à-dire du moyen connu et généralement employé pour le dérnarrage de tels moteurs.
L'essentiel est que le couple principal de démarrage soit produit par la composante du champ en sens transversal à l'axe de l'enroulement d'excitation, et que la composante du champ dans cet axe se trouve diminuée au commencement du démarrage à une valeur relativement faible.
REVENDICATIONS.
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-- - - - - ---------------------- 1)(Procédé pour le démarrage de moteurs synchrones, selon lequel la composante du champ en sens de l'axe du circuit . d'excitation au rotor est diminuée d'abord à une valeur relati- vement plus faible, par@l effet de caurants induits au rotor par cette composante, et la composante du champ en sens trans- versal.par rapport au circuit d'excitation au rotor forme un champ relativement plus élevé, qui produit avec la partie des ampères-tours au stator de sens transversal à lui, un couple de démarrage correspondant.
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"PROCESS FOR STARTING SYNCHRONOUS MOTORS BY TRANSVERSAL FIELD AT THE DIRECT CURRENT EXCITATION WINDOW"
The new method for starting relates to synchronous AC motors, polyphase or single phase, and either smooth pole or salient pole motors.
Fig. 1 serves to explain a known effect, and Figs. 2-8 refer to the new starting process. Figs. 1-5 are bipolar diagrams, Figs. 6-8, multipolar.
As a result of the difficulties in starting the normal salient-pole synchronous motor, the so-called synchronized asynchronous motors starting as normal slip-ring asynchronous motors, according to the process introduced by Mr. Danielson, have found very many applications in the field. convenient. One drawback of these motors is, among others, that the number of turns of the secondary winding of the rotor is limited by the allowable starting voltage and that, for this reason, the
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DC excitation current always becomes relatively large for these motors.
The new starting process uses an execution for the rotor of the motor where the rotating field of the stator can in principle also produce a rotating field or in a two-pole pattern, a field in two axes. However, it prevents higher voltages from occurring at the rotor, by first decreasing at start-up, to a relatively low value, the component of the field in the axis of the circuit, which forms the circuit d. 'direct current excitation, while the essential starting torque is produced by the other component of the rotating field transverse to this circuit, and the part of the stator amperes-turns which lie in the direction transverse to this component of the field.
The process uses in a certain and new sense an effect, found a long time ago by Mr. Knauth and which was described by Mr. Görges in 1896, according to which a normal three-phase asynchronous ring motor, which is shorted. circulates the secondary along a single axis by two rings, can walk at different speeds. We used the effect, to obtain a motor capable of running at two speeds, one of which is its normal speed near synchronism, by starting it narmally by a resistor connected to its three rings, and the other, a speed almost half of synchronism, at which the motor arrives first and without exceeding it when it is started by short-circuiting two rings.
In the characteristic of a motor with this uniaxial short-circuit of its secondary which is obtained by lassai, it can be seen that, except for these intermediate speeds around half of synchronism, that is to say that for low speeds and for speeds closer to synchronism, this characteristic resembles that of a current motor
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continuous with compound excitation. But at the same time, as a result of a second simultaneous effect of this uniaxial short-circuit of the secondary, the motor torque disappears and even becomes slightly negative, when the speed reaches almost half of synchronism and above all a little at above this value.
In order to be able to use this characteristic also for a speed closer to synchronism, it is necessary to employ some means which causes the speed of the engine to pass first through these critical values to around half of the synchronism.
Fig. 1, for example, presents for the rotor of such a motor, the three secondary phases connected by their terminals with three rings 1, 2, 3. Let us suppose that the brushes of the two rings 1 and 2 are short-circuited between them by the connection c. For the chosen position of the rotor, the short-circuit currents produced by the rotating field from the primary to the stator will have the effect of reducing to a low value the component of this rotating field along the horizontal axis x.
The tension e between the two rings 1-2 becomes zero. On the other hand, for the other axis y, in the vertical, the tension ey induced by the other component of the field is not reduced, and this component above all produces a high tension in the third phase connected to the ring 3. The component of the rotating field of the primary along this vertical axis V, then produces, along this axis, and in the transverse direction with respect to circuit 1-2, a high field at the rotor, and the latter produces, with the part stator amperes-turns along the other horizontal X axis, high starting torque.
The new method for starting synchronous motors utilizes in the effect thus obtained, firstly, the advantage of being able to employ, for the direct current excitation of a synchronous motor, a circuit with a large number of turns, without producing in this circuit at the start of the voltages which
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are directly related to this number of turns, as is the case for example for so-called synchronized asynchronous motors, starting like normal asynchronous slip ring motors.
Fig. 2 shows in principle first an embodiment of the method. The motor starting in the same way, by short- circuiting the brushes of the two rings 1-2 to the rotor between them, this circuit is used in operation as an excitation circuit, by inserting the direct current exciter E. phase 3 of the rotor is removed here, so that the maximum voltage that can still occur in the rotor winding decreases to ey, the only component of the other two phases along this y axis. To pass the motor through intermediate speeds at around half of synchronism, we can for example connect the neutral point 0 to a third ring, and thus connect the two phases separately to resistors R, R.
This execution according to FIG. 2 presents, however, still various faults, among others aussta drawback, for which moreover the aforementioned motors working at half synchronism were later abandoned, and which is that the dewatted component of the current absorbed by the motor becomes very tall. The aim of this new process is not to obtain a motor running at half of its synchronism, but on the contrary starting up to its full speed. It therefore seemed preferable to find means, both to avoid this last inconvenience and to eliminate as much as possible the causes of the second simultaneous effect of the uniaxial short-circuit of the secondary, which are amioles for the intended purpose, and to obtain a torque. of the motor which, for no intermediate speed, does not fall below a certain value.
The theoretical examination demonstrates that, by the effect of the uniaxial short-circuit of the secondary, the rotating field, produced by
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the primary becomes pulsating. We can decompose such a field into two rotating fields, one of which represents the normal rotating field of the primary. In this case, the other component is a field which rotates at the rotor, in the opposite direction. In the aforementioned motors operating at half synchronism, first of all the unwatted main current was caused only by the amplitude of the total field, which becomes the sum of these two components of rotating fields, thus requiring, by due to the saturation of the sheets, a high magnetizing current at the primary.
To bring this magnetizing current back to a normal value, it is necessary to decrease the voltage applied to the primary, either by a transformer, or by a change of connection between phases to the primary, or by a resistance, or inductive resistance, a self inductance, or well by an ohmic resistance at the primary.
The theory further shows that the said second rotating field component forms, seen in the direction of the axis of the uniaxial short-circuit of the rotor, the image, more or less weakened, of the normal rotating field of the stator, that is- that is, the component of the rotating field rotates, at the rotor, in a negative direction, with the speed of its sliding relative to the stator. Consequently at half of the synchronism (50% slip) this rotating field component becomes a fixed field with respect to the stator.
When the rotor exceeds this speed, this field begins to rotate at the stator in the direction of the rotation of the rotor and, as a result of the very low resistance of the phases of the stator and the slip currents induced in these circuits, and which close. on the network, this field component turns-¯
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nant produced then, for an eertai-a. ïr.égimë .d: e ,,, speed, a braking effect, 'd,' ::;, c., t:, o :: .. t
The reason why, as a result of this component of the field produced by the uniaxial short-circuit of the secondary, the motor maintains itself with a certain tenacity at this vi-
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cup of half the synchronism, is in other words a magnetic reflection effect between two circuits of low resistances, the rotor circuit and that of the stator.
To upset this equilibrium, which can be achieved for the purpose envisaged by this starting process, it is necessary to insert a resistance, either inductive or ohmic, in the circuit of the rotor or of the stator, or in both circuits at the same time.
By replacing the uniaxial short-circuit from the secondary to the rotor by a resistance, the component of the charnp in this axis increases, and also the voltage across this winding. But as it is sufficient that the value of this resistance with respect to the square of the number of turns of this winding remains low, to obtain the desired effect, it is evident that there is no importance-: that-; this connection is null and that the increase of this tension in certain limits does not present any disadvantage, provided that it remains below an admissible value.
Fig. 3 shows such an embodiment of the method, where in the erditation circuit a, is inserted a resistance r low compared to the square of the nomore despires of this fired ciret / this resistance can be short-circuited when the engine is running. For greater simplicity, the excitation winding a, with a relatively large number of turns is wound here along a single axis. If we wish to further increase the torque for any speed, we can add a second winding b wound on another phase, in which then, at the first moment of starting, the larger component of the field along the vertical axis y , produces high tension per turn.
This winding b will therefore be wound with a relatively small number of turns, so that its total voltage ey produced in this winding will not exceed an admissible value. The circuit of this winding b can
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first be open, and then, as in the normal starting of asynchronous motors, a resistor R will be inserted therein, the value of which will be, at the start of starting, relatively large compared to the square of the number of turns of this winding.
In Fig. 4, part II shows for the excitation winding of the rotor the same arrangement, with a resistance which serves to suppress or decrease the above magnetic reflection effect. Part I also presents the three primary phases at the stator of a three-phase motor and, for the same purpose, inserted in this circuit, for example at the neutral point, the resistor R1, which can be short-circuited in normal operation. of the motor. This resistor R can serve at the same time, retort it was said above, to reduce the primary voltage per phase to the stator and to avoid high wattage currents at start-up, by choosing in this case the value of this sufficiently large resistor.
Instead of ohmic resistances at the secondary and R 1 at the primary, it is possible to use inductive resistors, self inductors, or both at the same time, in one of the two circuits or in the other or in both. The arrangement makes it possible to perform a good dernarage up to the speed close to synchronism, and even without it being necessary to provide on the secondary a second winding of another phase, such as winding b. of Fig. 3.
Fig. 5 shows for a bipolar synchronous motor, with smooth poles, the placement of the excitation winding a, according to FIG. 3 and 4, wound in the direction of lines a, Fig. 5, and housed near the circumference of the rotor in a number of notches which are indicated schematically by radial lines.
This is the arrangement used since the beginning of the use of steam turbines, and which was introduced by Mr. Charles Brovrn,
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for large alternators, where it has the advantage of avoiding strong deformations or distortions of the field, resulting for such machines with large pole steps, from the reaction of the current and which requires, for machines with salient poles, use excessive air gaps. The axis of the excitation winding is in Fig. 5, in the axis.,: Horizontal X, and the transverse field with respect to this winding, which is used according to the new method to produce the starting of a motor of this execution, is indicated by the arrows nn, in the direction of the vertical axis.
Fig. 6 shows a similar arrangement for a multipolar synchronous motor.
The transverse field per pair of poles is here also indicated by the arrows nn Such an execution of the excitation winding presents moreover, in comparison with the excitation circuits in synchronized asynchronous motors, formed by the phases of a polyphase winding, at the same time the other advantage that the average length per turn becomes smaller, and that therefore for a given number of ampere-turns the excitation losses become less.
Again This length per turn remains here / greater than that in the pole coils of machines with salient poles. However, the influence on the excitation losses, in comparison with the latter, is not very great, when it comes to large synchronous motors at high speeds, that is to say with small numbers of poles. and large polar steps, of the kind of synchronous motors running at no load, which are used to produce capacitance effects and to supply dewatted currents in advance of the voltage to the network, by a corresponding hyperexcitation of these motors.
For these cases, in normal synchronous motors with salient poles, the armature reaction of the dewatted current at the stator
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which is maximum at the center of the pole pieces, can produce in the distribution of the field by pole piece a deformation, showing a saddle in the axis of the field by pole and a relatively high field at both edges, the anterior and posterior edges by pole piece. With a normal and uniform air gap per pole piece, the salient and hyperexcited pole motor would thus produce a distortion of the network voltage curve, which could cause harmonic currents and additional losses to the other network motors.
To reduce this harmful effect, we give; in these cases, to the pole pieces, a curvature such that the air gap becomes larger at the edges than at the center, and since we can only choose this ratio for a certain value mean datum of the wattage current delivered by the motor, very large air gaps are always used at the same time. However, because of this, the necessary excitation ampere-turns of the motor thus increase at the same time, and the useful influence of the short length per turn in the pole coils of the salient poles, on the excitation losses, decreases.
An execution according to FIG. 6, with smooth poles presents for these cases, in addition to the ease of application of the new starting process, the advantage that the distribution of the excitation amperes- turns in notches, of which moreover the number per pole can be chosen larger than in Fig. 6, allows the inner turns of this winding to be accommodated so close to the axis per pole, that the greater armature reaction of the ampere-turns of the watt-wattage current at the stator becomes slightly hypercompensated, and the shape of the field per pole always remains sinusoidal. Thus also the air gap between stator and rotor can remain normal and uniform.
Fig. Finally, 7 presents an embodiment which shows that the new starting method can also be used in salient pole motors. In this case, it is necessary, for the application of the process, to place between the poles
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main P which carry the polar coils a, intermediate poles p, of which the magnetic circuit at the rotor pmp is to be laminated, and through which said transverse field nn, with respect to the excitation winding of coils a, thus can be to close. Such an execution uses / at the same time the advantages offered by the single pole coils of the poles, the small average length of the turns of these and the lower losses of excitation which result from it, and especially lower than in the motors of the kind of asynchronous construction.
The width of these intermediate poles p can remain relatively small, and even for motors with small speeds, large numbers of poles and small pole steps, it suffices, to obtain the necessary space, to possibly increase a slightly the height of the poles cores, and of the coils, to thus reduce the width of the space occupied by these coils.
These intermediate poles produce a slight increase in the vacuum dispersion between the pole pieces of the main poles, but which is of little importance. On the other hand, they have yet the other useful effect of reducing, in a similar fashion as was said above for machines with smooth poles and distributed excitation winding, in notches, the one-sided distortion of the field which , in the pole pieces of normal machines with salient poles, is produced by the reaction of the current in charge of such a machine.
In Fig. 8, for example, the set v represents in principle 'the form of this distortion of the field in a normal salient pole machine, produced under load by the armature reaction of a watted current, that is - that is to say that this reaction according to its direction, produces a deformation of the field towards one side, for example towards the right, by the fact that it
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is in the opposite direction in the part of the pole piece on the left, producing a reduction of the field in this part, and that it has on the other hand the same direction as the field in the part of the pole piece on the right, so that it produces here a field of the same meaning and therefore a reinforcement of the field.
Now, by adding the intermediate poles p, we see that this same armature reaction produces in the intermediate pole to the right of the pole P, also a field in the same direction, so that the set W again represents a distribution more symmetrical of the total field by pole. In other words, the effect here becomes less a deformation than a displacement of the whole of the total field by pole.
This has the consequence that, even for high speed motors, large pole steps and large induced reaction, the arrangement allows the use of normal air gaps, so that the necessary ampere-turns become low, and likewise. the resulting excitation losses.
In all executions, in order to reduce the component of the field in the axis of the excitation winding at start-up, it is also possible, instead of closing the excitation winding on a low resistance, or by short-circuit, use for this purpose other electric circuits more or less coaxial to this axis, such as for example another winding wound in this direction and which can remain constantly closed.
In salient pole motors, for example, this effect can also be obtained already, by using for the main poles
P massive cores, or damping circuits such as for example those which are often placed on the pole pieces, to damp pendular movements, etc., The essential, for this last embodiment with salient poles, is that it is necessary to add said intermediate poles p, by which the transverse flux nn can be closed.
It is also possible to use other starting devices together, either as already indicated in FIG. 3 of a
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circuit wound for another phase, closed at start-up on a high resistance compared to the square 'of its number of turns, and -. For example, in the execution Fig. 4 with a smooth polar surface, in the notches remaining empty at the centers of the poles, or in the execution Fig. 7 with salient poles, for example wound on the intermediate poles p, or even a relatively high resistance cage can be used, that is to say the known means and generally used for the unstarting of such motors.
The main thing is that the main starting torque is produced by the component of the field in the direction transverse to the axis of the excitation winding, and that the component of the field in this axis is found to be reduced at the beginning of the starting at a relatively low value.
CLAIMS.
EMI12.1
- - - - - ---------------------- 1) (Method for starting synchronous motors, according to which the component of the field in the direction of axis of the rotor excitation circuit is first reduced to a relatively lower value, by the effect of caurants induced on the rotor by this component, and the component of the field in the transverse direction with respect to the Excitation circuit to the rotor forms a relatively higher field, which produces with the part of the ampere-turns to the stator transverse to it, a corresponding starting torque.