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"PROCEDE ET APPAREIL DE COMMANDE A VITESSE VARIABLE
La présente invention a trait à un procédé etun appareil pour la production de force motrice à vitesse varia- ble à l'aide de courant alternatif de fréquence constante.
Elle a plus particulièrement pour objet un procédé et un appareil pour effectuer la régulation de vitesse des moteurs à courant alternatif possédant des caractéristiques de vitesse fixes.
Sous leurs formes les plus simples, les moteurs à courant alternatif sont essentiellement des moteurs à vitesse' constante. Les constructions à vitesse.variable impliquent le sacrifice soit du rendement, soit de la simplicité.
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Le moteur asynchrone du type à bagues collectrices est un exemple du type dont le rendement est pauvre. Il peut être actionné à une vitesse réduite en gaspillant, en pertes par résistance, une quantité d'énergie qui est presque di- rectement proportionnelle à la diminution de vitesse.
De plus, sa régulation aux vitesses réduites est médiocre .
Le moteur à courant alternatif du type à collecteur et le réglage de la vitesse par le système Scherbius sont des exemples du type dans lequel la variation de vitesse est ob- tenue aux dépens de la simplicité de la construction.
Le procédé et l'appareil de réglage de la vites- se qui f ont l'objet de cette invention sont basés sur une combinaison des types les plus simples de machines élec- triques ; ils sont efficaces entre les limites d'une grande échelle de vitesse et possèdent de bonnes caractéristiques de régulation de vitesse.
La théorie du procédé et de l'appareil de commande est basée sur l'application d'un moteur principal à courant alternatif du type à vitesse constantepour développer la partie principale du mouvement et de la force motrice requi- se pour la commande et sur l'application d'une machine auxi- liaire à courant continu et à vitesse variable pour modifier, par addition ou soustraction, la vitesse du moteur principal.
La machine auxiliaire à courant continu est un appareil de transformation de force motrice réversible dont le côté électrique est connecté à une source de cou- rant alternatif, de préférence celle alimentant le moteur principal, par l'intermédiaire d'un dispositif de trans- formation réglable qui gouverne la vitesse et le sens de rotation de la machine auxiliaire à courant continu. Ce dispositif est de préférence un groupe moteur-génératrice dont la tension de la génératrice est réglable en sens ainsi qu'en grandeur par un rhéostat à commande mécanique.
Du côté mécanique, la machine auxiliaire à courant continu est reliée, par l'entremise d'une transmission ou directement.
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àu moteur principal et à la charge, en relation différen- tielle9 de sorte que le couple de la charge est imposé de façon différentielle au moteur principal et au moteur auxi'- liaire, et ce en proportion soit directe, soit inverse, de la multiplication de mouvement d'un des moteurs par rapport à l'autre.
Le présent procédé et le présent appareil sont avantageux en ce qui concerne le rendement et la'simplicités On peut employer partout des machines sensiblement normales La machine principale est de préférence un moteur du type à cage d'écureuil qui, en soi, est de construction parti- culièrement simple et robuste et, dans un des modes de réa- , lisation représentés, ce moteur ne possède pas de contaets frottants.
Pour la traction, ou pour les charges qui peuvent avoir des caractéristiques de couple négatif, l'invention offre un moyen de freinage à récupération en tous les points de l'échelle entière des vitesses.
Le moteur principal à courant alternatif et le mo teur auxiliaire sont tous deux des machines vitesse cons- tante. Par conséquent, l'installation de commande est du type à vitesse constante en ce sens qu'elle maintient une vitesse sensiblement fixe pour tout réglage, entre les li mites d'une grande échelle de coupleso L'installation de commande maintiendra des vitesses sensiblement fixes pour des positions définies du rhéostat de manoeuvre, et en modifiant le réglage de ce rhéostat on change d'une façon définie la vitesse et (ou) le sens de rotation de l'ins- tallationo
Dans les dessins annexés qui représentent plusieurs modes de réalisation de l'invention.
Figure 1 est un schéma deun mode de réalisation du procédé et de l'appareil suivant 1?invention et représente le groupe moteur et le groupe régulateur /
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Figure 2 est une coupe à plus grande échelle du groupe moteur de figure 1.
Figure 3 est une coupe 'analogue d'un groupe mo- teur dans lequel les deux moteurs de commande sont reliés entre eux par un engrenage différentiel.
Figure 4 est une vue en bout du mécanisme à engre- nage et frein.
Figure 5 est une vue de côté avec aoupe partielle d'une autre disposition de groupe moteur dans lequel il est prévu une transmission à courroie souple entre le mo- teur à courant continu et le moteur à courant al ternatif.
Figures 6, 7 et 8 sont des diagrammes de carac- téristiques qui expliquent le fonctionnement de l'installa- tion de commande.
Figure 9 est un diagramme des caractéristiques de fonctionnement de l'installation de commande appliquée à une charge constituée par un ventilateur et représente aussi la possibilité d'abaisser la limite inférieure de l'échelle des variations de vitesse.
Le présent appareil comprend deux groupes princi- paux, savoir le groupe moteur 1, qui est accouplé à la char- ge 3, et le groupe régulateur 2. Le groupe moteur comporte deux machines et est composé d'un moteur à courant alterna- tif 4, du type à vitesse constante, et d'un moteur à courant continu!, du type à vitesse variable. Cette dernière machi- ne travaille à certains instants à la façon d'un moteur.et à d'autres instants à la façon d'une génératrice pendant le fonctionnement de l'installation.
Le moteur 4 de figure 1 est représenté à une échelle plus, grande dans la figure 2. Il comprend un rotor 6 qui peut être muni d'un enroulement en cage d'écureuil ou analogue, et une partie externe 7 qui constitue normalement le stator mais qui, dans le cas présent, est montée pour tourner dans des paliers 8 et 9 (figure 2)o
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Ltarbre 10 du rotor! est 'accouple à la charge 3 et l'on a aussi représenté un volant 12 en supposant que la charge est telle qu'un laminoir, ou qu'elle possède par ins- tants des caractéristiques de couple négatives, comme par exemple une charge roulante du genre de celles rencontrées dans la traction.
Le stator ou carcasse 7 est muni de deux groupes de bagues collectrices 13 et 14, ce stator étant muni de deux enroulements permettant d'obtenir deux vitesses diffé- rentes entre le rotor 6 et le stator 7. Un commutateur sélec- teur 15 permet de relier les conducteurs à courant alterna- tif 16 soit à l'enroulement à faible vitesse relié aux ba- gues 13, soit à l'enroulement à grande vitesse relié aux bagues 14.
La carcasse ou stator 7 est accouplé à l'induit 18 de la machine à courant continu 5 dans ce mode de réalisa- tiono Elle peut par suite faire tourner cet induit ou en recevoir un mouvement de rotation. La machine à courant con- tinu 5 est un moteur ordinaire à excitation indépendante dont l'inducteur 19 est excité séparément par les barres à courant continu 20, par l'intermédiaire d'un rhéostat de réglage 22.
Un inverseur 17 est branché entre les fils de ligne 16 et le commutateur sélecteur 15,de sorte que, si on le désire, on peut inverser les phases pour inverser le sens de rotation de la machine à courant alternatif 4. Comme on le verra plus @@pin, le rhéostat de réglage du groupe régulateur 2 et le commutateur sélecteur 15 peuvent être manoeuvrés en concordance, de façon à assurer l'exécution dans un ordre régulier de Inaction du groupe régulateur et du groupe moteur.!
Le groupe régulateur est constitué par un groupe moteur-génératrice du type normale Il comporte une machine
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à courant continu 23 capable de fournir toute tension compri- se entre zéro et un maximum,
de polarité positive ou négati- ve. La machine à courant continu 23 se comporte tantôt à la façon d'une génératrice (fournissant de l'énergie à la ma- chine motrice à courant continu 5) et tantôt comme moteur, en fournissant de l'énergie au moteur à courant alternatif 24 du groupe de régulation 2 recevant de l'énergie de la machine motrice à courant continu 5 et entraînant en géné- tarice à courant alternatif la machine 24 qui était au- paravant son moteur.
Dans le groupe 25 , l'induit 26 de la machine à courant continu 23 est relié mécaniquement au rotor 27 du moteur à courant alternatif 24. L'induit 26 est relié électriquement à l'induit 18 de la machine motrice à courant continu 5, ces deux induits formant un circuit fermé 28.
L'inducteur 29 de la génératrice 23 est excité séparément par les conducteurs 20 à courant continu et à potentiel constant, par l'intermédiaire d'un rhéostat de réglage 30 qui est de préférence du type "potentiomètre" et comporte deux enroulements potentiométriques 32 et des contacts 33 coopérant avec ces enroulements pour appliquer aux bornes de l'inducteur 29 une tension qui varie, par de- grés convenables en 'grandeur et en polarité. On peut faire varier la tension du maximum à zéro, dans l'un et l'autre sens, et vice versa, par échelons aussi faibles qu'on le dé- sire.
Le rotor 6 et le stator 7 du moteur principal 4 peuvent être accouplés ou calés mécaniquement ou magnétique- ment, suivant qu'on le désire, lorsqu'il est désirable de lancer la charge avec le moteur à courant continu 5, comme ce peut être le cas dans l'application à la traction.
Dans ce cas.si, comme on l'expliquera plus loin, le stator du moteur à courant alternatif est immobile , il suffira de freiner le rotor (magnétiquement, mécaniquement ou autrement)
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pour effectuer la mise en marche désirée à l'aide du moteur à courant continuo
Les limites de l'échelle des vitesses entre les- quelles l'installation doit fonctionner déterminent jusqu'à un certain point les rapports de puissance des moteurs à- courant continu et à courant alternatif,, et le mode de cou- plage des deux moteurs détermine aussi le couple @t la vitesµ se.
On remarquera que lorsque les deux moteurs sont aocou- plés à la charge de la façon représentée dans les figures 1 et 2, ils possèdent le même couple puisque le moteur à courant continu 5 exerce son effet sur la vitesse de la charge 3 en actionnant (ou en étant actionné par) un des organes tournants du moteur à courant alternatif 4. Dans cet- te construction, on obtient la relation différentielle en accouplant les deux organes du moteur à courant alternatif à la charge et au moteur à courant continu respectivement.
Le terme "commande différentielle" employé ci-après s'en- tend à la fois pour le couplage susdit de deux organes tournants d'un des moteurs avec la charge et avec l'autre moteur ou pour un engrenage convenable qui accouple les ar-' bres des deux moteurs avec la charge en relation différen- tielle .
Dans le mode de réalisation des figures 1 et 2, le moteur à courant continu 5 est accouplé directement au mo- teur à courant alternatif 49 avec un rapport de 1 à 1, et doit par conséquent pouvoir exercer un couple égal au cou- ple de ce dernier. Il s'ensuit qu'il devient relativément grand et, pour une variation modérée de l'échelle de vitesses est un moteur à faible vitesse.
Le groupe moteur-génératrice 25 de l'ensemble de régulation 2 peut être actionné à grande vitesse, et il peut par conséquent recevoir des dimensions relativement faibles.
Si le groupe moteur tourne à une vitesse élevée, ce groupe peut être relativement plus lento Sa vitesse peut être choi- /
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sie indépendamment de celle du moteur principal à courant alternatif. La puissance nominale du groupe 25, abstraction ;µfaite des pertes, est la même que celle du moteur 5.
Deux ou plus de deux groupes moteurs peuvent fonc- tionner à l'aide du même groupe moteur-génératrice. Dans ce cas, la puissance nominale du groupe moteur-génératrice unique 25 est égale à la somme des puissances nominales des moteurs à courant continu 5. Un contrôleur unique peut être prévu pour régir le fonctionnement de toutes les installations de commande gouvernées par le même groupe ré- gulateur.
Au lieu que le moteur à courant continu 5 soit accouplé directement dans un rapport de 1 à 1 avec le sta- tor 7 du moteur à courant alternatif, ce moteur 5 peut recevoir des dimensions réduites et être actionné à une vitesse plus élevée, ce qui s'obtient en reliant ce moteur au stator 7A. comme indiqué dans la figure 5, par une transmission permettant au moteur 5A de tourner à une plus grande vitesse.
Comme représenté dans la figure 5, le moteur 5A est muni d'une poulie motrice 32 qui est reliée par une courroie à un manchon 33 porté par le stator 7A du moteur à courant alternatif 4A, lequel stator tourne dans des paliers convenables 34 et 35. Le rotor 6A est monté sur son arbre lOA qui tourne aussi dans des paliers 36 et 37.
L'installation de commande de la figure 5 comprend une série d'éléments flexibles tels que des câbles ou cour- roies en V, reliés en parallèle. Bien entendu, des engrena- ges ou une chaîne de transmission pourraient être employés si on le désirait.
Le moteur 5A est monté sur une charpente 39 au- dessus du moteur à courant alternatif 4A, mais il est évi- dent qu'on pourrait placer le moteur 5A dans toute autre position convenable par rapport au stator 7A du moteur à courant alternatif 4A.
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Le fonctionnement de la construction de figure 5 est essentiellement le même que celui de l'appareil des figures 1 et 2, excepté que le mouvement du moteur à cou- rant continu 5A est multiplié, de sorte que ce moteur peut recevoir des dimensions plus petites en raison de sa vi- tesse plus grande et de son couple plus faibleo Le couple peut être diminué dans chaque cas dans le r apport de trans- mission entre le moteur à courant continu et le moteur à courant alternatif. La charge peut être active ou passive.
S'il s'agit d'une charge active, comme par exemple une charge roulante ou un volant 12 dont la vitesse doit varier, .la récupération de la charge active s'effectue comme il sera expliqué ci-après plus en détailLa vitesse de l'ins- tallation de commande correspond au réglage du rhéostat 30, et si l'on règle le rhéostat 30 pour une vitesse plus fai- ble, c'est-à-dire de manière à diminuer la tension de la génératrice à courant continu 23, la charge est aussitôt freinée par la récupération inhérente qui caractérise cette installation de commande.
Ceci est indépendant du sens du couple de la chargée
Les figures 3 et 4 représentent une autre dis- position des parties du groupe moteuro Dans ce cas, le moteur à courant continu'5B et le moteur àlcourant alterna- tif 4B sont reliés entre eux et à la charge de façon dif- férentielle par une transmission à engrenage du type planétaire. L'arbre 42 de la machine à courant continu 5B traverse l'arbre creux 43 du moteur à courant alterna- tif 4B et porte un pignon central 44 engrenant avec trois satellites 45. Les satellites 45 sont reliés entre eux par une cage 46 qui est elle-même accouplée avec l'arbre récep- teur 10.
Les satellites 45 engrènent avec la denture in- terne d'une roue enveloppante 47 reliée à l'arbre creux 43 du moteur à courant alternatif 4B De'cette manière, grâce au différentiel 40 le mouvement du moteur courant continu
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5B est multiplié par rapport à celui du moteur à courant alternatif 4B. Le couple du moteur à courant continu 5B est diminué, et sa vitesse est augmentée proportionnellement au rapport de transmission. Le moteur à courant alterna- tif 4B est muni de connexions de grande vitesse 48 et de connexions de faible vitesse 49, comme expliqué au sujet de figure 1.
La roue enveloppante 47 constitue un tambour de frein avec lequel coopère un ruban de frein.50 servant à immobiliser le tambour. Ceci immobilise aussi le rotor du moteur à courant alternatif, de sorte que la charge peut être lancée à l'aide du moteur à courant continu. On peut ainsi obtenir trois échelons définis pour la vitesse du moteur à courant alternatif, savoir la vitesse zéro, la faible vitesse et la grande vitesse, cette dernière étant de préférence le double de la faible vitesse quoique ceci ne soit pas essentiel. On peut, si on le désire, prévoir tout le nombre de vitesses entre certaines limites.
Le frein 50 est commandé par un solénoide 52 monté dans un circuit de frein convénable. Bien entendu, le frein à commande électrique pourrait être remplacé par tout autre dispositif de commande ou de serrage du frein.
Lorsque la commande est appliquée à des usages industriels (broyeurs à charbon, ventilateurs, etc..) dans lesquels.l'échelle de variation de vitesse n'a pas besoin d'être grande, il suffit que le moteur à courant continu 5 soit assez grand pour assurer l'augmentation et ,la diminution de puissance requise pour produire la varia- tion de vitesse. Le fonctionnement est alors comme suit :
Lorsque le stator 7 est au repos (il peut être maintenu au repos à l'aide de la construction de figure 3 ou en immobilisant la machine à courant continu 5 comme représenté dans les figures 1 et 2) , le moteur à courant alternatif 4 se comporte à la façon d'un moteur du type normal tournant à sa vitesse nominale.
Si une vitesse plus
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élevée est désirée, on élève la tension de la machine à courant continu 23 du groupe régulateur 20 Ctte machine fournit alors de l'énergie à. la machine à courant continu
5 du groupe moteur;, et cette dernière machine fonctionne comme moteur pour entraîner le stator à courant alternatif 7 dans le sens de rotation du rotoro
Avec une excitation de champ constante, la machine à courant continu 5 tend à tourner à une vitesse qui est pratiquement proportionnelle à la tension continue appli quée à ses borneso La vitesse du stator, et par suite l'ac- croissement de vitesse de la charge, augmentent ainsi dans le même rapporto
Si une vitesse plus faible est désirée,
on élève la tension de la machine.régulatrice à courant continu en sens inverseo Le stator à courant alternatif entraîne alors sa machine à courant continu 5 dans un sens opposé à celui du rotor, et cette dernière machine fournit alors de l'é- nergie à la machine régulatrice à courant continu 23 qui, à son tour, agit comme moteur pour actionner sa machine à courant alternatif 24 en génératrice, régénérant ainsi l'éner- gie qui a été fournie par la machine à courant alternatif 4 à la machine 5 , abstraction faite des pertes. La machine à courant alternatif 24 restitue ainsi de l'énergie au ré- seau d'alimentation.
Dans ce cas, la diminution de vitesse de la charge est pratiquement dans le même rapport que l'accroissement, entre zéro et le maximum, de la tension continue négative de la machine à courant continu 33.
Comme représenté dans la figure 1, les moteurs à cour ant alternatif sont tous deux reliés à la même source d'énergie 16. Les deux machines à courant continu 5 et 23 sont reliées en série. Les enroulements inducteurs de la machine motrice à courant continu 5 sont reliés à une source de courant continu à tension constante par un rhéos tat de réglage 22. Les enroulements inducteurs de la machi- ne régulatrice à courant continu 23 sont reliés à la même
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source par l'intermédiaire d'un rhéostat qui est capa- ble de transformer cette tension constante en une tension variant par petits échelons d'un maximum positif à un ma- ximum négatif, en passant par zéro.
Avec une excitation constante de la machine motrice à courant continu 5, le courant continu du circuit 28 est directement proportionnel au couple développé par le groupe moteur et a un sens correspondant. Si le couple change de sens, le courant change aussi de sens.
Dans le cas de charges dans lesquelles la varia- tion de vitesse au-dessus de la vitesse nominale du moteur à courant alternatif 4 est égale ou supérieure à la varia- tion de vitesse au-dessous de ladite vitesse nominale, le couple et la vitesse des deux machines motrices 4 et 5 sont généralement déterminés par le couple exigé par la charge à sa vitesse maximum, Les deux machines sont soumises à ce couplé. La puissance fournie par chacune d'elles est par conséquent directement proportionnelle à la vitesse de chacu- ne.
Dans la disposition à accouplement direct des figs 1 et 2, la machine motrice à courant continu 5 doit dévelop- per le même couple que le moteur à courant alternatif 4.
Elle devient ainsi une machine à couple élevé et à faible vitesse. '
La disposition courroie de figure 5 et la dispos sition à engrenages de figure 3 sont généralement moins coûteuses et plus efficaces que la disposition à accouple- ment direct parce qu'elles comportent une machine à courant continu de vitesse plus grande et de couple plus faible.
Dans les conditions susmentionnées de varia- tions de vitesse, et en négligeant les pertes, les valeurs nominales du groupe régulateur sont les mêmes que les va- leurs nominales de la machine motrice à courant continu.
Si la variation de vitesse au-dessous de la vitesse nomi- nale du moteur à cour.ant alternatif.4 excède la variation
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de vitesse au-dessus de cette vitesse nominale, la puissan- ce nominale de la machine motrice à courant continu 5 et du groupe régulateur 2 peut, sous certaines conditions, excé- der celle déterminée par les conditions de charge à la vi- tesse maximum de la chargeo
L'énergie correspondant à la vitesse constante ne subit qu'une'transformation, savoir par le moteur à cou- rant alternatif 4.
L'énergie qui procure l'accroissement de vitesse subit trois transformationso L'énergie fournie par le groupe moteur 1 par l'entremise du groupe régulateur 2 aux conducteurs 16 pour produire une diminution de vitesse subit quatre transformations.
Comme l'énergie qui subit ces trois ou quatre transformations est seulement celle qui correspond aux variations de vitesse à partir de la vitesse constante du moteur à courant alternatif 4 ,elle est, dans le cas de faibles variations de vitesse, relativement faible. Le rendement total d'une installation motrice agencée pour satisfaire à ces conditions doit par conséquent être élevé.
A mesure que l'échelle des vitesses augmente, le rendement diminue d'une f aç on correspondanteo
Comme la vitesse du groupe moteur est, pour tout réglage de vitesse donné, la somme ou la différence de la vitesse d'un moteur à courant alternatif à vitesse pratique- ' ment constante et de la vitesse pratiquement constante d'une machine à courant continu à excitation séparée, la vitesse de ce groupe doit aussi être pratiquement constante entre les limites d'une échelle assez grande de couples.
La variation de vitesse peut être effectuée par échelons si petits qu'il en résulte sensiblement une courbe de vitesse régulière dans toutes les parties de l'échelle de réglageo
Lorsque plusieurs installations motrices doivent suivre simultanément un cycle de vitesse donné, comme dans les laminoirs ou la meunerie, ou dans les ventilateurs ou
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d'autres appareils auxiliaires d'une chaudière, on peut se servir d'un groupe régulateur unique pourrégir le fonction- nement de plusieurs unités motrices.
Lorsque des réglages de vitesse précis sont nécessaires, on peut ob tenir un réglage secondaire plus précis par un réglage indépendant du champ, par exemple à l'aide d'un rhéostat tel que 22, de façon à égaliser les vitesses des machines motrices à courant continu individuelles 5.
Lorsque le couple diminue plus rapidement que la vitesse, comme c'est le cas dans les pompes et ventila- teurs centrifuges, la limite inférieure de l'échelle des vitesses peut êtreabaissée au-dessous de la limite du ré- glage de l'induit par un réglage de l'inducteur des ma- chines motrices à courant continu, par exemple à l'aide du rhéosat 22. En raison de la diminution du couple à la vi- tesse plus faible, le degré de réduction de vitesse sera, en général, plutôt limité par des vitesses excessives des machines motrices à courant continu 5 et du stator rotatif 7 que par une mauvaise commutation.
Pour ce genre de service, la machine motrice à courant continu 5 et le stator à courant alternatif 7 doi- vent être calculés pour résister à une vitesse excessive ou être munis d'un dispositif propre à empêcher une vitesse ,excessive. Une vitesse excessive de ce genre correspondrait au fait que le rotor 6 reste fixe et que le stator 7 et l'in- duit 18 du moteur à courant continu tournent à la pleine vitesse nominale du moteur à courant alternatif 4.
L'installation motrice suivant l'invention peut être appliquée à des charges de diverses caractéristiques de couple. Si le couple est sensiblement constant en tous les points de l'échelle de vitesses désirée, les limites de cette échelle seront déterminées par la puissance nominale du moteur à courant continu, en supposant, bien entendu,
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que le moteur à courant alternatif possède une puissance nominale suffisanteo En dautres termes, lorsque le pro duit de la vitesse du moteur à courant continu par le couple de la charge est égal à la puissance nominale de ce moteur;, l'installation motrice a atteint la limite de son échelle de vitesseso
Toutefois;
, dans le cas d'une charge dont le couple diminue avec la vitesse, on peut abaisser la limite infé- rieure de la variation de vitesse en faisant varier l'exci- tation du champ du moteur à courant continu.
La variation de vitesse au-dessus de la vitesse du moteur à courant alternatif par un réglage de l'induit du moteur à courant continu est limitée par la puissance nomi. nale de ce dernier, étant donné que, à mesure que le couple de la charge augmente, l'intensité du courant passant dans l'induit à courant continu augmente d'une façon corres pondante. Par suite, lorsque l'intensité du courant tra- versant la machine à courant continu atteint son maximum ad- missible, il n'est plus possible de continuer à élever la vi- tesse sans surcharger le moteur à cour ant continu. ,De même, si le moteur à courant alternatif est convenablement choisi, il atteindra sa valeur nominale à la même ou sensiblement la même vitesse.
Toutefois, cette limitation n'intervient pas à la limite inférieure de la variation de vitesse par le réglage de l'induit. Lorsque la machine à courant continu travaille en génératrice, la diminution de vitesse de la charge est accompagnée d'une diminution du couple. Il se produit par conséquent une diminution correspondante de l'intensité du courant passant dans l'induit à cour ant continu. Toute- fois, la limite inférieure de la variation de vitesse de l'installation est fixée par la construction mécanique de la machine à courant continu 5.
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L'inducteur 19 de cette machine 5 possède norma- lement une excitation constante qui est assez grande pour fournir, par réaction avec le courant d'induit maximum du circuit 28, le couple de pleine charge et de vitesse maxi- mum.
Lorsque la machine à cour ant continu travaille en génératrice, elle tend à tourner à une vitesse telle qu'elle engendre une tension sensiblement égale et opposée à la tension aux bornes de la génératrice du groupe moteur- génératrice. Lorsque cette tension augmente dans le sens . négatif, la machine à courant continu augmente de vitesse pour équilibrer cette tensiono Lorsque la limite du réglage d'induit est atteinte, le champ de la machine à courant continu est diminué, et il en résulte que, avec une induc- tion moindre, il faut que la machine augmente encore de vite se pour équilibrer la tension de la génératrice, qui est maintenue constante entre les limites de l'échelle du réglage du champ de la machine de commande.
Ceci s'obtient en diminuant l'excitation de champ par le rhéostat de champ 22. En diminuant cette excitation, il est possible d'abaisser considérablement la limite in- férieure de la variation de vitesse.
On se référera maintenant à la figure 9 qui montre un exemple de l'abaissement susdit de la limite inférieure de la variation de vitesse par un réglage du champ.
Dans le diagramme de figure 9, la courbe 60 re- présente les caractéristiques de vitesse-couple de la charge, qui est dans ce cas un ventilateur. La courbe des couples suit approximativement la loi des carrés, c'est-à-dire que le couple croit.approximativement avec le carré de la vitesse.
La courbe 62 représente la puissance requise par le venti- lateur, Comme le couple augmente approximativement avec le carré de la vitesse, la puissance requise augmente approxi- mativement avec le cube de la vitesse. Dans le cas présent,
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la variation de vitesse s'étent approximativement entre 47% et 100%, et cette variation est obtenue par un réglage de l'induit dans la partie supérieure de l'échelle et par un réglage du champ dans la partie inférieure de l'échelle.
La puissance fournie par le moteur à courant al- ternatif est représentée par la courbe 63,et la puissance traversant la machine à courant continu est représentée par la courbe 64. On considérera l'installation motrice à son maximum de vitesse, c'est-à-dire lorsque le ventilateur est actionné à 100 % de sa vitesse normale. La puissance est fournie en partie par le moteur à courant alternatif et en partie par le moteur à courant sontinu. Comme le cou- ple de la charge augmente très rapidement, on voit que la puissance de la machine è courant continu atteindra sa limite entre les limites d'une faible échelle de vitesses ajoutée à la vitesse du moteur à courant alternatif.
Le point auquel le moteur à courant continu est au repos et où le ventilateur est actionné entièrement par le moteur à courant alternatif est celui où la courbe 64 intersecte la ligne de puissance nulle OX de figure 9o Ce point 65 représente la vitesse du ventilateur à laquelle la machine à courant continu immobilise le stator 7 du moteur à courant alternatif. Il est situé approximativement aux 86/100 de la vitesse normale du ventilateur. L'accroissement de vitesse obtenu en ajoutant de la puissance de la machine à courant continu à la puissance de la machine à courant alternatif n'est donc approximativement que de 14 % jusqu'à ce que la machine à courant continu marche à pleine charge.
Toutefois, dans le sens opposé, la machine à courant continu ne se charge pas aussi rapidement que la vitesse augmente dans le sens négatif parce que le couple diminue rapidement, comme il ressort de la courbe 60 La puissance demandée est représentée par la partie inférieure de la courbe 64, au-dessous de la ligne de base 0 X Alors
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que la puissance fournie à travers la machine à courant continu est 14% du total lorsque la vitesse maximum de l'installation motrice se trouve atteinte, cette puissance ne s'élève pas au dessus d'une valeur négative de 10 % lorsque cette machine travaille en génératrice.
Par suite, alors que la diminution de vitesse due au réglage d'induit ne serait approximativement que de 14 % inférieure aux 86 % auxquels le moteur à courant alternatif entraîne seul la charge, il est possible , en diminuant l'excitation de champ, de reculer la limite et d'étendre la variation de la vitesse au-dessous de 86 % jusqu'à 46 % environ du maximum, comme représenté par la courbe de figure 9.
Si l'échelle des vitesses est très grande, il sera quelquefois économique de la couvrir en deux échelons avec deux équipements indépendants. A la vitesse supérieure, l'équipement le plus grand donnerait, par un réglage d'in- duit (c'est-à-dire par le groupe régulateur 2 ), des variations de vitesse égales au-dessus et au-dessous de la vitesse nominale du moteur à courant alternatif. On pourrait alors abaisser la limite inférieure à une valeur encore plus faible par un réglage du champ. Le groupe le plus petit- couvrirait alors son échelle des vitesses de la même façon. Dans certains cas, il peut même être écono- mique dtappliquer ce procédé à un nombre d'échelons supérieur à deux. Par un recouvrement des échelons, on peut obtenir une variation de vitesse plus graduelle.
Lorsqu'une grande échelle de vitesses est néces- saire dans des conditions voisines du couple constant, on peut l'assurer à l'aide d'un moteur à deux vitesses tel qu' un moteur à courant alternatif de 600-1200 tours par mi- nute,. Si la machine motrice à courant continu 5 permet une échellè de vitesses équivalente à 300 tours par minute, il est possible d'obtenir une échelle de 1500 à 900 tours par minute par l'enroulement à grande vitesse (1200 tours)
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une échelle de 900 à 300 tours par l'enroulement à fai- ble vitesse (600 tours) et, en solidarisant le rotor et le stator du moteur à courant alternatif, par exemple à l'ai- de du circuit de frein 21 de figure 1 ou du frein mécani- que 50 de figure 3,
une échelle de 300 à 0 tours avec la machine à courant continu seule.
En inversant les connexions des enroulements, la même échelle de vitesses totale de 0 à 1500 tours par minute peut être obtenue dans le sens opposé. Ce mode opé- ratoire est spécialement applicable dans le cas de la trac- tion dans laquelle, étant donné que plusieurs moteurs sont appliqués, on peut faire passer un ou plusieurs des moteurs à courant alternatif 4 d'une vitesse à une autre pendant que les autres restent en service. De cette façon, il n'y a pas d'interruption dans la continuité de l'effort de trac- tion pendant la transition. Ce mode opératoire est repré- senté schématiqument dans les figures 6, 7 et 8.
On supposera qu'une charge de traction à cou- ple constant soit accouplée avec l'installation de figure 1.
Lorsque la charge est au repos et que le contact 33 du contrôleur à rhéostat occupe la position neutre, le rotor 6 et le stator 7 sont bloqués entre eux par un enroulement magnétique excité par le circuit 21 de figure 1. On manoeuvre alors le rhéostat 30 pour porter la vitesse du moteur 5 à sa valeur maximum, ce qui amène la charge aux 20/100 de sa vitesse maximum, comme représenté par la partie 0-B de la courbe de figure 6. La puissance fournie par le moteur à courant continu est représentée par le triangle 0-A-B de figure 6, et la vitesse de la machine à courant continu 5 est représentée par la ligne 0-0 de figure 8.
La machine à courant alternatif tourne à vide, et le mouvement relatif entre son rotor et son stator est nul, comme indi- qué par la ligne O-K de figure 70
Lorsque la charge roulante a atteint 20 % de sa vitesse, on desserre le frein appliqué à la machine à
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courant alternatif 4, on inverse la machine à courant conti- nu 5 jusqu'à sa vitesse maximum, comme indiqué par les lignes Q-R-S de figure 8, et l'on excite la machine à courant alternatif par son enroulement à faible vitesse, com- me indiqué par la ligne K-L de figure 7.
La machine à courant alternatif 4 travaille alors à faible vitesse, actionne la machine à courant continu en génératrice et entraîne la charge. On manoeuvre le rhéos- tat 30 pour diminuer graduellement la vitesse inverse du moteur 5 travaillant en génératrice, et la vitesse de la charge augmente suivant la ligne B-D de figure 6.
Cette phase du fonctionnement de la machine à courant continu est indiquée par la ligne S-T dans le diagramme de figure 80
La machine à courant continu est ainsi graduelle- ment amenée à la vitesse zéro, et une tension progressive- ment croissante lui est alors appliquée par une manoeuvre convenable du rhéostat de façon que sa vitesse s'ajoute à celle de la machine à courant alternatif, de sorte que la charge se meut à 'une vitesse qui augmente suivant la ligne D-F de figure 6, la machine à courant continu augnien- tant de vitesse suivant la ligne T-U de figure 8.
Lorsque la vitesse a atteint 60 % (point F de figure 6), on change la machine à courant continu de la plei- ne vitesse de marche avant, comme moteur, à la pleine vi- tesse de marche arrière, suivant la ligne U-V-W de figure 8, et l'on excite ensuite l'enroulement à grande vitesse du moteur à courant alternatif pour élever sa vitesse à 1200 tours par minute;,. La charge roulante etl'inversion de la machine à courant continu 5 amène automatiquement la machine à courant alternatif à sa vitesse requise, soit au point de 600 tours par minute, soit au point de 1200 tours par mi- nute, suivant le cas.
Dans ce dernier cas, lorsque le moteur à courant alternatif 4 est porté à 1200 tours par minute, il actionne la machine à courant continur 5 en génératrice;
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on diminue graduellement la vitesse de la génératrice, par la manoeuvre du rhéostat 30 , suivant les lignes W X de figure 8, pour augmenter graduellement la vitesse de la charge suivant la ligne F-H de figure 6, et l'on fait alors travailler la machine à courant continu comme moteur suivant la ligne X-Y de figure 8 pour porter la charge à sa vitesse maximum suivant la ligne H-J de figure 6.
On donne de préférence à l'échelle des vitesses du moteur à courant continu 5 une valeur légèrement supérieu- re aux desiderata de façon qu'on puisse accélérer la char- ge légèrement au-dessus du point indiqué sur le diagramme de façon à donner une certaine marge . en particulier sur des rampes et dans des cas analogues.
Lorsque deux unités motrices sont appliquées sur la même locomotive ou autre véhicule, les changements de régime peuvent être effectués successivement on un la la fois de façon à maintenir un couple sur la charge en cas ou le groupe est employé pour la traction ou à maintenir la résistance opposée à la charge négative dans le cas d'un freinage à récupération ou dans un cas analogue.
L'installation de commande se prête en soi à la récupération. Lorsqu'elle actionne une charge dont le couple change d'une valeur positive à une valeur négati
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/légèrement vue, l'installation motrice augmentedtalimentation.Cette de vitesse. puis restitue caractéristique trouve son application dans les appareils de l'énergie au réseau de levage et monte-charges, les groupes moteurs-génératri- ces à volant et les chemins de fer.
Lorsqu'on applique l'installation de commande, comme expliqué au sujet des figures 6 à 8, ou une par- tie (le cette installation, la récupération peut être réa- lisée de haut en bas jusqu'à zéro, même lorsqu'un moteur à courant alternatif à plusieurs vitesse est appliqué, 'en. inversant simplement les opérations décrites au sujet des flaires 6, 7 et 8.
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Bien entendu, pour effectuer les opérations dé- crites au sujet des figures 6, 7 et 8, on peut se servir d'un contrôleur convenable à commande manuelle pour ef- fectuer les connexions successives et déplacer le con- trêleur rhéostat 30 dans l'ordre désiré. Si la variation de vitesse désirée n'est pas plus grande que celle qui peut être superposée à une vitesse unique du moteur à cou- rant alternatif 4, comme ce serait le cas , par exemple, d'une variation représentée par la ligne allant de B à F en passant par D, le rhéostat simple 30 de .figure 1 suffito
De nombreuses modifications peuvent être appor- tées aux modes de réalisation décrits et représentés sans s'écarter de l'esprit de l'invention.
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"VARIABLE SPEED CONTROL PROCESS AND APPARATUS
The present invention relates to a method and apparatus for producing motive power at variable speed using alternating current of constant frequency.
More particularly, it relates to a method and apparatus for effecting the speed regulation of AC motors having fixed speed characteristics.
In their simplest forms, AC motors are essentially constant speed motors. Variable speed constructions involve the sacrifice of either efficiency or simplicity.
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The slip-ring type asynchronous motor is an example of the type whose efficiency is poor. It can be operated at a reduced speed wasting, in resistance losses, an amount of energy which is almost directly proportional to the decrease in speed.
In addition, its regulation at reduced speeds is poor.
The commutator-type AC motor and speed control by the Scherbius system are examples of the type in which the speed variation is obtained at the expense of simplicity of construction.
The speed control method and apparatus which is the object of this invention is based on a combination of the simplest types of electric machines; they are effective within the limits of a large speed scale and have good speed regulation characteristics.
The theory of the method and of the control apparatus is based on the application of a constant speed type AC main motor to develop the main part of the movement and the motive force required for the control and on the operation. application of an auxiliary variable speed direct current machine to modify, by addition or subtraction, the speed of the main motor.
The auxiliary direct current machine is a reversible motive force transforming apparatus, the electrical side of which is connected to an alternating current source, preferably that supplying the main motor, through a transformer device. adjustable which governs the speed and direction of rotation of the auxiliary DC machine. This device is preferably a motor-generator unit, the voltage of the generator of which is adjustable in direction as well as in magnitude by a mechanically controlled rheostat.
On the mechanical side, the auxiliary direct current machine is connected, through a transmission or directly.
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to the main motor and the load, in a differential relation9 so that the load torque is differentially imposed on the main motor and the auxiliary motor, in either direct or inverse proportion to the multiplication of movement of one of the motors relative to the other.
The present method and the present apparatus are advantageous in efficiency and simplicity Substantially normal machines can be employed everywhere The main machine is preferably a squirrel cage type motor which in itself is of construction. Particularly simple and robust and, in one of the embodiments shown, this engine does not have any friction contaets.
For traction, or for loads which may have negative torque characteristics, the invention provides regenerative braking means at all points of the entire speed scale.
The main AC motor and the auxiliary motor are both constant speed machines. Consequently, the control installation is of the constant speed type in that it maintains a substantially fixed speed for any adjustment, between the limits of a large scale of torques. The control installation will maintain substantially fixed speeds for defined positions of the operating rheostat, and by modifying the setting of this rheostat, the speed and (or) the direction of rotation of the installation are changed in a defined manner.
In the accompanying drawings which show several embodiments of the invention.
Figure 1 is a schematic of an embodiment of the method and apparatus according to the invention and shows the motor unit and the regulator unit.
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Figure 2 is a cross-section on a larger scale of the power unit of figure 1.
Figure 3 is a similar sectional view of a motor assembly in which the two drive motors are interconnected by a differential gear.
Figure 4 is an end view of the gear and brake mechanism.
Figure 5 is a side view partially cut away of another motor assembly arrangement in which there is a flexible belt transmission between the DC motor and the AC motor.
Figures 6, 7 and 8 are characteristic diagrams which explain the operation of the control system.
Figure 9 is a diagram of the operating characteristics of the control installation applied to a load consisting of a fan and also shows the possibility of lowering the lower limit of the speed variation scale.
This device has two main groups, namely motor group 1, which is coupled to load 3, and regulator group 2. The motor group has two machines and is composed of an AC motor. 4, of the constant speed type, and of a direct current motor !, of the variable speed type. The latter machine works at certain times like a motor and at other times like a generator during the operation of the installation.
The motor 4 of Figure 1 is shown on a larger scale in Figure 2. It comprises a rotor 6 which may be provided with a squirrel cage winding or the like, and an outer part 7 which normally constitutes the stator. but which, in this case, is mounted to rotate in bearings 8 and 9 (figure 2) o
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Rotor shaft 10! is' coupled to load 3 and a flywheel 12 has also been shown assuming that the load is such as a rolling mill, or that it has at times negative torque characteristics, such as for example a rolling load of the kind encountered in traction.
The stator or frame 7 is provided with two groups of slip rings 13 and 14, this stator being provided with two windings making it possible to obtain two different speeds between the rotor 6 and the stator 7. A selector switch 15 makes it possible to obtain two different speeds. connect the alternating current conductors 16 either to the low speed winding connected to the rings 13 or to the high speed winding connected to the rings 14.
The frame or stator 7 is coupled to the armature 18 of the direct current machine 5 in this embodiment. It can therefore turn this armature or receive a rotational movement from it. The direct current machine 5 is an ordinary motor with independent excitation, the inductor 19 of which is separately excited by the direct current bars 20, by means of an adjustment rheostat 22.
An inverter 17 is connected between the line wires 16 and the selector switch 15, so that, if desired, the phases can be reversed to reverse the direction of rotation of the AC machine 4. As will be seen more @@ pin, the regulating rheostat of the regulator group 2 and the selector switch 15 can be operated in correspondence, so as to ensure the execution in a regular order of Inaction of the regulator group and of the motor group.!
The regulator group consists of a motor-generator group of the normal type It comprises a machine
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direct current 23 capable of supplying any voltage between zero and a maximum,
positive or negative polarity. The direct current machine 23 behaves sometimes like a generator (supplying energy to the direct current motor machine 5) and sometimes as a motor, supplying energy to the alternating current motor 24 of the regulation group 2 receiving energy from the direct current driving machine 5 and driving in alternating current the machine 24 which was previously its engine.
In group 25, the armature 26 of the direct current machine 23 is mechanically connected to the rotor 27 of the alternating current motor 24. The armature 26 is electrically connected to the armature 18 of the direct current motor machine 5, these two armatures forming a closed circuit 28.
The inductor 29 of the generator 23 is separately excited by the conductors 20 at direct current and at constant potential, by means of an adjustment rheostat 30 which is preferably of the "potentiometer" type and comprises two potentiometric windings 32 and contacts 33 co-operating with these windings to apply to the terminals of the inductor 29 a voltage which varies in suitable degrees in size and in polarity. The voltage can be varied from maximum to zero, in either direction, and vice versa, in as small steps as desired.
The rotor 6 and the stator 7 of the main motor 4 may be coupled or wedged mechanically or magnetically, as desired, when it is desirable to initiate the load with the DC motor 5, as may be. the case in tensile application.
In this case, if, as will be explained later, the stator of the AC motor is stationary, it will suffice to brake the rotor (magnetically, mechanically or otherwise)
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to perform the desired start using the DC motor
The limits of the scale of the speeds between which the installation must operate determine to a certain extent the power ratios of the DC and AC motors, and the coupling mode of the two motors. also determines the couple @t the speed.
It will be noted that when the two motors are coupled to the load as shown in Figures 1 and 2, they have the same torque since the DC motor 5 exerts its effect on the speed of the load 3 by actuating ( or by being actuated by) one of the rotating parts of the AC motor 4. In this construction, the differential relationship is obtained by coupling the two parts of the AC motor to the load and the DC motor respectively.
The term "differential control" used hereafter is understood both for the aforementioned coupling of two rotating members of one of the motors with the load and with the other motor or for a suitable gear which couples the ar- 'bres of the two motors with the load in differential relation.
In the embodiment of Figures 1 and 2, the DC motor 5 is coupled directly to the AC motor 49 with a ratio of 1 to 1, and must therefore be able to exert a torque equal to the torque of this last. It follows that it becomes relatively large and, for a moderate variation of the speed scale is a low speed motor.
The motor-generator unit 25 of the regulator assembly 2 can be operated at high speed, and it can therefore be relatively small in size.
If the motor group is running at a high speed, this group can be relatively slower. Its speed can be chosen- /
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sie independent of that of the main AC motor. The nominal power of group 25, abstraction; µfixed with losses, is the same as that of motor 5.
Two or more motor units can be operated using the same motor-generator unit. In this case, the nominal power of the single motor-generator group 25 is equal to the sum of the nominal powers of the direct current motors 5. A single controller can be provided to govern the operation of all the control installations governed by the same group. regulator.
Instead of the DC motor 5 being mated directly in a 1 to 1 ratio with the AC motor stat 7, this motor 5 can be made smaller and operated at a higher speed, which is obtained by connecting this motor to the stator 7A. as shown in Figure 5, by a transmission allowing the motor 5A to run at a higher speed.
As shown in figure 5, the motor 5A is provided with a driving pulley 32 which is connected by a belt to a sleeve 33 carried by the stator 7A of the alternating current motor 4A, which stator rotates in suitable bearings 34 and 35 The rotor 6A is mounted on its shaft 10A which also rotates in bearings 36 and 37.
The control installation of FIG. 5 comprises a series of flexible elements such as cables or V-belts, connected in parallel. Of course, gears or a transmission chain could be employed if desired.
The motor 5A is mounted on a frame 39 above the alternating current motor 4A, but it is obvious that the motor 5A could be placed in any other suitable position relative to the stator 7A of the alternating current motor 4A.
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The operation of the construction of Figure 5 is essentially the same as that of the apparatus of Figures 1 and 2, except that the movement of the direct current motor 5A is multiplied, so that this motor can be given smaller dimensions. due to its higher speed and lower torque o The torque can be reduced in each case in the transmission ratio between the DC motor and the AC motor. The load can be active or passive.
If it is an active load, such as for example a rolling load or a flywheel 12, the speed of which must vary, the recovery of the active load is carried out as will be explained below in more detail. the control installation corresponds to the setting of the rheostat 30, and if the rheostat 30 is set for a lower speed, that is to say so as to decrease the voltage of the direct current generator 23, the load is immediately braked by the inherent recovery which characterizes this control installation.
This is independent of the direction of the torque of the loaded
Figures 3 and 4 show another arrangement of the parts of the motor unit. In this case, the DC motor '5B and the AC motor 4B are connected to each other and to the load in different ways by a planetary type gear transmission. The shaft 42 of the direct current machine 5B passes through the hollow shaft 43 of the alternating current motor 4B and carries a central pinion 44 meshing with three planet wheels 45. The planet wheels 45 are interconnected by a cage 46 which is itself coupled with the receiving shaft 10.
The satellites 45 mesh with the internal teeth of a wraparound wheel 47 connected to the hollow shaft 43 of the alternating current motor 4B In this way, thanks to the differential 40, the movement of the direct current motor.
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5B is multiplied with respect to that of the AC motor 4B. The torque of the DC motor 5B is decreased, and its speed is increased in proportion to the transmission ratio. The AC motor 4B is provided with high speed connections 48 and low speed connections 49, as explained in connection with FIG. 1.
The enveloping wheel 47 constitutes a brake drum with which cooperates a brake tape 50 serving to immobilize the drum. This also immobilizes the rotor of the AC motor, so that the load can be initiated using the DC motor. It is thus possible to obtain three steps defined for the speed of the AC motor, namely zero speed, low speed and high speed, the latter preferably being twice the low speed, although this is not essential. It is possible, if desired, to provide for the entire number of speeds between certain limits.
The brake 50 is controlled by a solenoid 52 mounted in a suitable brake circuit. Of course, the electrically controlled brake could be replaced by any other device for controlling or applying the brake.
When the control is applied to industrial uses (coal mills, fans, etc.) in which the speed variation scale does not need to be large, it is sufficient that the DC motor 5 is large enough to provide the increase and decrease in power required to produce the speed variation. The operation is then as follows:
When the stator 7 is at rest (it can be kept at rest using the construction of Figure 3 or by immobilizing the DC machine 5 as shown in Figures 1 and 2), the AC motor 4 is behaves like a motor of the normal type rotating at its nominal speed.
If a speed more
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high is desired, the voltage of the direct current machine 23 of the regulator unit 20 is increased. This machine then supplies power to. direct current machine
5 of the motor group ;, and the latter machine functions as a motor to drive the alternating current stator 7 in the direction of rotation of the rotoro
With constant field excitation, the DC machine tends to rotate at a speed which is practically proportional to the DC voltage applied to its terminals o The speed of the stator, and hence the increase in speed of the load , thus increase in the same ratio
If a lower speed is desired,
the voltage of the machine is increased. DC regulator in reverse direction o The AC stator then drives its DC machine 5 in a direction opposite to that of the rotor, and the latter machine then supplies energy to the rotor. the DC regulating machine 23 which, in turn, acts as a motor to operate its AC machine 24 as a generator, thereby regenerating the energy which has been supplied by the AC machine 4 to the machine 5, excluding losses. The alternating current machine 24 thus restores energy to the power supply network.
In this case, the decrease in speed of the load is practically in the same ratio as the increase, between zero and the maximum, of the negative direct voltage of the direct current machine 33.
As shown in Figure 1, the AC motors are both connected to the same power source 16. The two DC machines 5 and 23 are connected in series. The inductor windings of the direct current motor machine 5 are connected to a constant voltage direct current source by a rheos control state 22. The inductor windings of the direct current regulating machine 23 are connected to the same.
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source via a rheostat which is able to transform this constant voltage into a voltage varying in small steps from a positive maximum to a negative maximum, passing through zero.
With constant excitation of the direct current driving machine 5, the direct current of the circuit 28 is directly proportional to the torque developed by the driving group and has a corresponding direction. If the torque changes direction, the current also changes direction.
In the case of loads in which the speed variation above the rated speed of the AC motor 4 is equal to or greater than the speed variation below said rated speed, the torque and the speed of the two driving machines 4 and 5 are generally determined by the torque required by the load at its maximum speed. Both machines are subjected to this coupled. The power supplied by each of them is therefore directly proportional to the speed of each.
In the direct-coupled arrangement of Figs 1 and 2, the DC motor machine 5 must develop the same torque as the AC motor 4.
It thus becomes a machine with high torque and low speed. '
The belt arrangement of Figure 5 and the gear arrangement of Figure 3 are generally less expensive and more efficient than the direct-coupled arrangement because they feature a higher speed, lower torque DC machine.
Under the aforementioned conditions of speed variations, and neglecting losses, the nominal values of the regulator group are the same as the nominal values of the direct current driving machine.
If the speed variation below the rated speed of the AC motor.4 exceeds the variation
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speed above this nominal speed, the nominal power of the direct current driving machine 5 and of the regulator group 2 may, under certain conditions, exceed that determined by the load conditions at maximum speed chargeo
The energy corresponding to the constant speed undergoes only one transformation, namely by the alternating current motor 4.
The energy which provides the speed increase undergoes three transformations. The energy supplied by the motor group 1 through the regulator group 2 to the conductors 16 to produce a speed decrease undergoes four transformations.
As the energy which undergoes these three or four transformations is only that which corresponds to the speed variations from the constant speed of the AC motor 4, it is, in the case of small speed variations, relatively small. The total efficiency of a power plant designed to meet these conditions must therefore be high.
As the speed scale increases, the efficiency decreases in a corresponding way.
Since the speed of the motor unit is, for any given speed setting, the sum or the difference of the speed of an AC motor at nearly constant speed and of the near constant speed of a DC machine. with separate excitation, the speed of this group must also be practically constant between the limits of a rather large scale of torques.
The speed variation can be carried out in such small steps that a noticeably smooth speed curve results in all parts of the adjustment scale.
When several power plants must simultaneously follow a given speed cycle, as in rolling mills or flour mills, or in fans or
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other auxiliary devices of a boiler, a single control group can be used to govern the operation of several motor units.
When precise speed adjustments are required, a more precise secondary adjustment can be obtained by an independent adjustment of the field, for example using a rheostat such as 22, in order to equalize the speeds of the current motor machines. continuous individual 5.
When torque decreases faster than speed, as is the case with centrifugal pumps and fans, the lower limit of the speed scale can be lowered below the limit of the armature setting. by adjusting the inductor of direct current motor machines, for example using rheosat 22. Due to the decrease in torque at lower speed, the degree of speed reduction will be, in general, rather limited by excessive speeds of the direct current motors 5 and the rotary stator 7 than by poor switching.
For this kind of service, the direct current driving machine 5 and the alternating current stator 7 must be designed to withstand excessive speed or be provided with a device suitable for preventing excessive speed. An excessive speed of this kind would correspond to the fact that the rotor 6 remains stationary and the stator 7 and the input 18 of the DC motor are rotating at the full rated speed of the AC motor 4.
The power plant according to the invention can be applied to loads of various torque characteristics. If the torque is substantially constant at all points of the desired speed scale, the limits of this scale will be determined by the rated power of the DC motor, assuming, of course,
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that the AC motor has sufficient rated power o In other words, when the product of the speed of the DC motor by the torque of the load is equal to the rated power of this motor ;, the power plant has reached the limit of its speed scale o
However;
, in the case of a load whose torque decreases with speed, the lower limit of the speed variation can be lowered by varying the field excitation of the direct current motor.
The speed variation above the speed of the AC motor by adjusting the armature of the DC motor is limited by the rated power. end of the latter, since as the torque of the load increases, the intensity of the current flowing through the DC armature correspondingly increases. As a result, when the intensity of the current flowing through the DC machine reaches its maximum allowable, it is no longer possible to continue to increase the speed without overloading the DC motor. Likewise, if the AC motor is properly selected, it will reach its rated value at the same or substantially the same speed.
However, this limitation does not intervene at the lower limit of the speed variation by the adjustment of the armature. When the DC machine works as a generator, the decrease in load speed is accompanied by a decrease in torque. There is therefore a corresponding decrease in the intensity of the current flowing through the DC armature. However, the lower limit of the speed variation of the installation is fixed by the mechanical construction of the direct current machine 5.
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The inductor 19 of this machine 5 normally has a constant excitation which is large enough to provide, by reaction with the maximum armature current of circuit 28, the torque at full load and maximum speed.
When the DC machine works as a generator, it tends to rotate at a speed such that it generates a voltage substantially equal and opposite to the voltage at the terminals of the generator of the motor-generator group. When this tension increases in the direction. negative, the DC machine increases speed to balance this voltage o When the limit of the armature adjustment is reached, the field of the DC machine is reduced, and as a result, with a lower induction, it The machine needs to increase even more quickly to balance the voltage of the generator, which is kept constant within the limits of the scale of the field adjustment of the control machine.
This is obtained by reducing the field excitation by the field rheostat 22. By decreasing this excitation, it is possible to considerably lower the lower limit of the speed variation.
Reference will now be made to FIG. 9 which shows an example of the above-mentioned lowering of the lower limit of the speed variation by an adjustment of the field.
In the diagram of Figure 9, curve 60 represents the speed-torque characteristics of the load, which in this case is a fan. The torque curve approximately follows the law of squares, i.e. the torque increases approximately with the square of the speed.
Curve 62 represents the power required by the fan. As the torque increases approximately with the square of the speed, the power required increases approximately with the cube of the speed. In the present case,
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the speed variation is approximately between 47% and 100%, and this variation is obtained by adjusting the armature in the upper part of the scale and by adjusting the field in the lower part of the scale.
The power supplied by the alternating current motor is represented by curve 63, and the power passing through the direct current machine is represented by curve 64. The power plant will be considered at its maximum speed, ie. that is, when the fan is operated at 100% of its normal speed. Power is supplied partly by the AC motor and partly by the continuous current motor. As the load torque increases very rapidly, it is seen that the power of the DC machine will reach its limit within the limits of a small speed scale added to the speed of the AC motor.
The point at which the DC motor is at rest and the fan is driven entirely by the AC motor is where curve 64 intersects the zero power line OX of figure 9o This point 65 represents the fan speed at which the direct current machine immobilizes the stator 7 of the alternating current motor. It is located approximately at 86/100 of normal fan speed. The speed increase obtained by adding the power of the DC machine to the power of the AC machine is therefore only approximately 14% until the DC machine is running at full load.
However, in the opposite direction the DC machine does not charge as quickly as the speed increases in the negative direction because the torque decreases rapidly, as can be seen from the curve 60 The power demand is represented by the lower part of curve 64, below the baseline 0 X Then
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that the power supplied through the direct current machine is 14% of the total when the maximum speed of the motor installation is reached, this power does not rise above a negative value of 10% when this machine is working in generator.
As a result, while the speed decrease due to the armature adjustment would be approximately only 14% less than the 86% at which the AC motor alone drives the load, it is possible, by decreasing the field excitation, to move the limit back and extend the speed variation below 86% to about 46% of the maximum, as shown by the curve in Figure 9.
If the speed scale is very large, it will sometimes be economical to cover it in two steps with two independent equipment. At higher speed, the larger equipment would give, by an adjustment of the induction (that is to say by the regulator group 2), equal speed variations above and below the speed. rated speed of the AC motor. The lower limit could then be lowered to an even lower value by adjusting the field. The smaller group would then cover its speed scale in the same way. In some cases, it may even be economical to apply this process to a number of steps greater than two. By overlapping the steps, a more gradual speed variation can be obtained.
When a large range of speeds is required under conditions close to constant torque, this can be achieved by using a two-speed motor such as an AC motor of 600-1200 revolutions per mile. - nute ,. If the direct current driving machine 5 allows a speed scale equivalent to 300 revolutions per minute, it is possible to obtain a scale of 1500 to 900 revolutions per minute by winding at high speed (1200 revolutions)
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a scale of 900 to 300 revolutions by the winding at low speed (600 revolutions) and, by securing the rotor and the stator of the alternating current motor, for example using the brake circuit 21 of FIG. 1 or the mechanical brake 50 of FIG. 3,
a scale of 300 to 0 turns with the direct current machine alone.
By reversing the connections of the windings, the same total speed scale from 0 to 1500 rpm can be obtained in the opposite direction. This mode of operation is especially applicable in the case of traction in which, since several motors are applied, one or more of the AC motors 4 can be passed from one speed to another while the others remain in service. In this way, there is no interruption in the continuity of the tensile force during the transition. This operating mode is shown schematically in Figures 6, 7 and 8.
It will be assumed that a constant torque tensile load is coupled with the installation of figure 1.
When the load is at rest and the contact 33 of the rheostat controller occupies the neutral position, the rotor 6 and the stator 7 are locked together by a magnetic winding excited by the circuit 21 of FIG. 1. The rheostat 30 is then operated. to bring the speed of motor 5 to its maximum value, which brings the load to 20/100 of its maximum speed, as represented by part 0-B of the curve in figure 6. The power supplied by the direct current motor is represented by the triangle 0-AB in figure 6, and the speed of the DC machine 5 is represented by the line 0-0 in figure 8.
The AC machine runs on no load, and the relative movement between its rotor and stator is zero, as shown by line O-K in figure 70
When the rolling load has reached 20% of its speed, the brake applied to the machine is released.
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alternating current 4, the direct current machine 5 is inverted to its maximum speed, as indicated by the QRS lines in figure 8, and the alternating current machine is energized by its winding at low speed, com- me indicated by the line KL in figure 7.
The alternating current machine 4 then works at low speed, actuates the direct current machine as a generator and drives the load. The rheostat 30 is operated to gradually decrease the reverse speed of the motor 5 working as a generator, and the speed of the load increases along line B-D of FIG. 6.
This phase of the operation of the DC machine is indicated by the S-T line in the diagram of figure 80
The direct current machine is thus gradually brought to zero speed, and a progressively increasing voltage is then applied to it by a suitable operation of the rheostat so that its speed is added to that of the alternating current machine, so that the load moves at an increasing speed along line DF of Figure 6, the DC machine increasing in speed along line TU of Figure 8.
When the speed has reached 60% (point F in figure 6), the direct current machine is changed from full forward speed, as a motor, to full reverse speed, following the UVW line of FIG. 8, and the high-speed winding of the AC motor is then energized to raise its speed to 1200 revolutions per minute;,. The rolling load and reversing of the DC machine will automatically bring the AC machine to its required speed, either at the point of 600 rpm or at the point of 1200 rpm, as the case may be.
In the latter case, when the alternating current motor 4 is increased to 1200 revolutions per minute, it activates the direct current machine 5 as a generator;
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the speed of the generator is gradually reduced, by the operation of the rheostat 30, along the lines WX of FIG. 8, to gradually increase the speed of the load along the line FH of FIG. 6, and the machine is then made to work at direct current as a motor along line XY in figure 8 to bring the load to its maximum speed along line HJ in figure 6.
The DC motor speed scale is preferably given a value slightly higher than desired so that the load can be accelerated slightly above the point shown in the diagram so as to give a certain margin. in particular on ramps and in similar cases.
When two power units are applied to the same locomotive or other vehicle, speed changes can be made successively one at a time so as to maintain torque on the load in the event the group is being used for traction or to maintain power. resistance opposed to the negative charge in the case of regenerative braking or the like.
The control facility itself lends itself to recovery. When it actuates a load whose torque changes from a positive value to a negative value
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/ slightly seen, the power plant increases power. This speed. then characteristic restores finds its application in the devices of energy to the network of hoists and hoists, the motor-generators groups with flywheel and the railways.
When applying the control installation, as explained with regard to figures 6 to 8, or part of this installation, the recovery can be carried out from top to bottom down to zero, even when a AC motor with several speeds is applied, by simply reversing the operations described in connection with figures 6, 7 and 8.
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Of course, in order to carry out the operations described in connection with FIGS. 6, 7 and 8, a suitable manually operated controller can be used to make the successive connections and to move the rheostat controller 30 in the tank. desired order. If the desired speed variation is not greater than that which can be superimposed on a single speed of the ac motor 4, as would be the case, for example, of a variation represented by the line going from B to F via D, the simple rheostat 30 of .figure 1 is sufficient
Numerous modifications can be made to the embodiments described and shown without departing from the spirit of the invention.