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EQUIPEMENT DE TRACTION ELECTRIQUE à COURANT CONTINU.
En traction on se propose d'effectuer un parcours déterminé'dans le temps le plus bref possible avec une dépense aussi faible que possible d'éner- gie et avec des moyens simples et robustes.
Avec le courant continu on emploie soit les moteurs série soit les moteurs compound.
Afin d'obtenir une grande accélération, on emploie pendant le démarrage rhéostatique soit du moteur série, soit du moteur compound le champ in- ducteur Maximum.
Ene fois la rhéostat éliminé, et les moteurs accrochés à la li- gne immédiatement, on emploie, pour maintenir l'effort à la jante aussi grande
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que possible, la réduction du champ inducteur des moteurs, réduction d'autant plus importante que la vitesse est grande. Cette réduction du champ s'obtient pour le moteur série par un shuntage des bobines inductrices, et pour les moteurs compound par l'insertion de résistances en série avec l'enroulement de l'exci- tation séparée. Si rien d'autre n'a été prévu, le wattman doit réduire le champ par crans successifs aux valeurs opportunes de vitesse, une erreur d'évaluation du wattman a pour conséquence alors soit une réduction possible de l'effort à la jante, soit une pointe dangereuse de courant.
Pour éliminer cet inconvénient on peut commander soit le shuntage des bobines inductrices du moteur série, soit l'accroissement de résistance de l'excitation séparée du moteur compound, par un relais sensible au courant de l'induit des moteurs.
La ligne qui représente alors le courant en fonction du temps est une ligne en zig-zag qui limite le courant compris entre deux limites don- nées comme la figure 1 le montre pour le cas d'un moteur compound. I est le courant, la vitesse, les lignes abk, cdhg, elf sont des caractéristiques avec des valeurs différentes de l'excitation shunt, enfin la ligne en zig-zag est la ligne abcdel .
Toutefois, ces relais, comme l'expérience l'indique, ont souvent des ratés ou des enclenchements inopportuns surtout quand la voiture est secouée, et il en résulte des pointes de courant souvent très fortes. En plus ces reprises brusques de courant facilitent le patinage des roues en vitesse.
D'autre pa@t le maintien d'un courant induit moyen constant quel que soit le champ inducteur comporte deux inconvénients :
1 ) rendre la commutation de plus en plus difficile au fur et à mesure que le champ diminue, et même créer un danger de flash-over aux champs minimum, et
2 ) Fatiguer trop le moteur à cause d'un ex@essif effet Joule dans l'induit relativement au faible couple développé, faible à causse de la réduction de champ.
Le premier perfectionnement, objet de ce brevet a précisément pour but d'éliminer ces inconvénients, et il comporte les avantages suivants : a) La réduction du champ ne s'opère pas d'une façon saltuaire mais d'une façon continue, on élimine aussi les pointes de courant, les secous- ses des voyageurs, et le danger de patinage en vitesse; b) L'élimination des contacteurs consécutifs qui servent soit à #
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shunter de plus en plus les inducteurs des moteurs série, soit à augmenter progressivement les résistances de l'excitation séparée des moteurs compound: c) La réduction modérée de courant dans l'induit au fur et à me- sure que le champ diminue, et par conséquent la réduction de la fatique des moteurs.
Le premier perfectionnement consiste essentiellement an l'em- ploi de moteurs à excitation séparée et inducteur partiel série, et en l'ali- mentation de l'excitation séparée par une excitatrice spéciale qui comporte deux enroulements distincts d'excitation, une excitation constante, et une excitation parcourue par le courant des moteurs. Ces deux excitations sont an- tagonistes et la dernière est prépondérante.
La Fig.2 donne le schéma relatif à ce premier perfectionnement.
M est le moteur de propulsion, excité par, une excitation partielle série C, et une excitation séparée S. Cette dernière est alimentée par une petite exci- tatrice X en mouvement par un moyen quelconque à vitesse constante. La Fig.3 où les abscisses sont les valeurs de courant induit I, et les ordonnées les valeurs de la vitesse N, représente en ba la caractéristique ainsi obtenue.
Le point a correspond à la fin du démarrage rhéostatique, et le point b @or- respond à la vitesse maximum. L'excitation de X est obtenue par un enroulement parcouru par le courant de l'induit du moteur et par un enroulement B à am- pères-tours constants.
La courbe figure 3 est une hyperbole approximativement (suivant l'état de saturation de l'excitatrice) ayant une assymptote verticale corres- pondant à une valeur 10 du courant 1 telle que les ampères-tours de S (voir schéma de la figure 2) soient égaux et de sens contraire aux ampères-tours de C.
Il est clair que le réglage des ampères-tours de B (voir figure 2) permet la translation de la caractéristique ba (voir figure 3) et le ré- glage des ampères-tours de A (voir figure 2) permet de modifier l'inclination moyenne de la caractéristique ba (voir figure 3). il est important de relever que le schéma de la figure 2 vient accroître la stabilité de fonctionnement du moteur de propulsion grâce à l'an- tagonisme des ampères-tours de A et de B.
Jusqu'ici il a été question du fonctionnement en traction pro- prement dite, c'est-à-dire dufonctionnement pendant lequel les moteurs de
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propulsion fournissent un effort à la jante ayant la direction du mouvement.
On considérera maintenant le fonctionnement en récupération, où l'effort à la jante est en sens contraire du mouvement. Avec le moteur série il n'y a pas de récupération possible. En figure 1 la ligne ghkm représente le fonctionne- ment en récupération avec des moteurs compound.
Le mme schéma de la figure 2 assure le bon fonctionnement en récupération. Il faut toutefois remarquer que maintenant les ampères-@urs de B doivent être toujours prépondérants par rapport aux ampères-tours antoganis- tes de A.afin d'assurer la stabilité du fonctionnement. De sorte que la carac- téristique est maintenant le segment cd de la figure 3 où ± correspondant au champ minimum et la vitesse maximum et ,9; au champ maximum. La continuité de la variation de champ, et l'élimination de tout appareillage pour réaliser cette variation est donc aussi bien obtenue pour la récupération que pour la traction avec le même schéma.
Le deuxième perfectionnement objet de ce brevet a naturellement les mômes buts principaux, mais il est relatif à cette phase où la tension aux bornes des moteurs de propulsion est inférieure à la tension de la ligne. Le plus souvent cette tension inférieure est obtenue par le rhéostat de démarrage C'est l'équipement rhéostatique. Ici il sera uniquement question de l'équipe- ment à métadyne décrite dans le brevet belge N 331.158 et ses perfectionne- ments, et en particulier du montage "en huit" de la métadyne.Ce montage est schématiquement indiqué par la figure 4 où MD est la métadyne et M1 et M2 sont les deux moteurs de traction.
Le premier est connecté entre les balais a et b, et le deuxième entre les balais ± et d de la métadyne. Avec ce montage et pen- dant le fonctionnement en traction proprement dite, les potentiels du balai b et celui du balai d sont respectivement égaux (aux chutes ohmiques près) aux potentiels des balais a et c respectivement au moment du décollage, pour s'en écarter progressivement au fur et à mesure que la vitesse du train augmente et prendre à la fin la valeur des potentiels des balais e et a respectivement, auquel moment les moteurs M1 et M2 peuvent être accrochés à la ligne sans au- cun à-coup car ils induisent une force électro-motrice égale à celle de la li- gne.
Si ensuite l'on veut passer à la récupération en partant du marne montage de la figure 4, le courant qui va du balai b au balai d. conservant la marna di- rection, il est nécessaire que le potentiel du balai b devienne supérieur au
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potentiel du balai (celui-ci étant supposé à un potentiel positif, comme c'est la pratique générale, et le balai @ étant@mis à la terre supposée avoir le potentiel zéro), et que la potentiel du balai d devienne inférieur à celui du balai @.
Il faudra donc prévoir une métadyne telle que le segment cb et le segment da soient capables de développer une force électr anotrice bien eu- périeure à celle du réseau. Les deux artifices suivants permettant de réali- ser la récupération sans avoir besoin de développer entre les balais bc et les balais da une force électromotrice supérieure à celle du réseau, donc avec une mêtadyne bien plus réduite*
Le premier artifice consiste essentiellement à renverser le sens du courant secondaire qui naturellement est supposé s'établir allant du balai b au balai d à travers la métadyne, et l'obliger à aller de d vers b, à tra- vers la métadyne, par un enroulement statorique créant des ampères tours dans le même sens que les ampères-tours créés par le courant secondaire naturel,
c'est-à-dire quand il va du balai b au balai d@, Liais ainsi faisant, la méta- dyne est surabondamment excitée par l'enroulement statorique et las ampères- tours rotoriques secondaires vienne$ compenser en partie la surexcitation sta- torique et ramener les ampères-tours résultants juste à la valeur nécessaire pour développer entre les balais primaires c et a une force électromotrice égale à celle de la ligne aux chutes ohmiques près. De ce fait les pertes par l'effet Joule dans la métadyne sont supérieures et la section du fer sta- tor est plus grande que pour le fonctionnement en traction proprement dit.
Le deuxième artifice consiste à conserver le sens naturel du courant secondaire supposé être celui qui va du balai b au balai d à travers la métadyne, mais de renverser le sens du "huit" fermé par les connexions des moteurs avec la métadyne, c'est-à-dire de passer du schéma de la figure 4 à celui de la figure 5. Dans ce cas on a, il est vrai, un appareil de renver- sement en plus, mais la mé@ayne a le minimum de pertes par effet Joule et le minimum de section de fer du stator, donc elle est plus légère.
Si l'on applique à la fois le premier perfectionnement objet de ce brevet pendant la phase de fonctionnement où les moteurs sont accrochés au réseau sous la pleine tension, et la métadyne d'autre part pour l'alimentation des moteurs tant qu'ils n'ont pas développé une force électromotrice égale à
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celle du réseau, on obtiendra des caractéristiques qui ont l'allure des li- gnes indiquées par la figure 6 où en abscisses on a porté le courant dans les moteurs et en ordonnées la vitesse du train.
Pour le fonctionnement en trac- tion on a la ligne qrt où la partie qr est relative à la conduite par la mé- tadyne, et la partie rt est relative à la marche des moteurs sous le réseau directement, la partie qr pourra âtre remplacée par la partie sr qui sera au- tomatiquement fournie par la métadyne en faisant dépendre convenablement la valeur du variateur de la tension secondaire de la métadne. La caractéristi- que sr est plus intéressante que la qr à intensité constante, car elle pennet de développer au décollage du train un effort à la jante supérieure.
pour le fonctionnement en récupération on aura la caractéristique vwy, la partie vw correspondant au fonctionnement des moteurs directement sous la ligne, et la partie wy correspandant au fonctionnement des moteurs alimentés par la métady- ne.
Afin de rendre plus saisissante l'amélioration apportée on a tracé sur la même figure la caractéristique relative a un équipement rhéosta- tique de moteurs compound, avec réglage du champ par crans. Cette caractéris- tique pour la traction proprement dite est la ligne abcde pour le démarrage rhéostatique et efghil pour la marche sous tension de la ligne directement.
Pour la récupération elle est la ligne mno-p relative uniquement au fonction- nement sous la tension de la ligne directement, la récupération ne pouvant plus se faire pour des vitesses inférieures.
Le troisième perfectionnement est relatif au contrôleur qui con- trôle l'équipement objet de ce brevet. En premier lieu il faut noter les dif- ficultés que présentant les contrôleurs actuels pour les moteurs compound, - quand le wattman a poussé la manette à fond de la course le champ des moteurs est minimum, si alors le wattman désire aller sur l'erre il faut qu'il ramène la mannete à zéro, mais ceci faisant il donne un coup de freinage car le champ des moteurs sera renforcé pendant le retour de la manette au zéro, en général on réduit l'inconvénient en ramenant très brusquement la manette au zéro.
Un premier artifice du contrôleur objet du troisième perfectionnement relatif à l'équipement de la présente invention, consiste à doter le contrô- leur d'un bouton ou d'un mouvement particulier de la manette grâce auquel l'interrupteur général est ouvert, et le courant coupé, et ceci à n'importe
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quel cran que la manette puisse se trouver. L'interrupteur général ne saurait par la suite être réenclanché que quand la manette ast au zéro. En deuxième lieu il faut noter l'intérêt qu'il y a de pouvoir éventuellement marcher avec les moteurs alimentés directement par la ligne et connectés en série entre eux et annuler la charge demandée à la métadyne. On gagne ainsi les pertes dans la métadyne en charge.
Four cela, conformément à cette invention, on dotera le contrôleur d'un certain nombre de crans de marche "en série" et d'un certain nombre de marches " en parallèle" et pourries premiers on permettra à un contac- teur soit le contacteur K1 de mettre automatiquement en court-circuit les ba- lais b et d de la métadyne aussitôt que la tension des moteurs est égale à la moitié de celle de la ligne ou, si l'on veut, aussitôt que la tension entre les balais b et d est tombée à zéro.
Quand le contacteur K1 est fermé automa- tiquement la métadne sera ou bien coupée du réseau ou bien le courant secon- daire sera réduit à zéro. pour les crans de marche "en parallèle" on fera ou- vrir le contacteur Kl et l'on permettra au contraire à deux contacteurs soit les contacteur K2 et K3 de fermer automatiquement aussitôt que la tension des moteurs égalera celle de la ligne. Ces contacteurs mettront en court@circuit les balais b et ± et les balais d'et a pour le cas de la figure 4 ou bien les balais b et a et les balais d et ± pour le cas de la figure 5. Donc les con- tacteurs K2 @@ K3 pourront fermer quand la tension entre les balais qu'ils doivent court-circuiter tombe à zéro.
Bien entendu aussitôt que K2 et K3 sont fermés on fera automatiquement décrocher la métadyne, ou bien on réduira son courant secondaire à zéro pour réduire ses partes à presque néant.
En troisième lieu il faut noter que toute simplification des mouvements du wattman est intéressante car l'attention de ce dernier pour les signaux de la ligne sera d'autant plus grande. poux cela on dotera le contrô- leur, conformément à cette invention, de crans sur toute la périphérie et on permettra à la manette de faire tout un tour entier, et l'on réservera par exemple la moitié de la périphérie, celle à droite, pour la marche en traction proprement dite, et l'autre moitié pour la marche en récupération. Alors le wattman, quand il veut passer de la marche en traction à la marche en récupé- ration n'aura qu'à poursuivre le mouvement circulaire de sa manette de gauche à droite sans avoir besoin de revenir en arrière.
La figure 7 indique schéma- tiquement cette disposition @
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On a représenté dans les figures 4 & 5 un seul moteur dans cha- que boucle du "huit" de la métadne, mais il est clair qu'au lieu d'un moteur il pourra y avoir un nombre quelconque de moteurs couplés d'une manière arbi- traire.
L'équipement objet de cette invention comporte plusieurs perfec- tionnements sur les @équipements existants, - il est entendu qu'on pourra ap- pliquer seulement quelques-uns d'entre eux au lieu de les appliquer tous simul- tanément.
Enfin on a parlé jusqu'ici d'un équipement de traction, mais il est clair que ce même équipement est susceptible d'être appliqué à tout autre problème analogueà celui de la traction,par exemple aux appareils de levage, aux laminoirs, etc....
-:- R E S U N E
L'équipement objet de la présente invention, comporte essentiel- lement des moteurs avec une excitation partiellement série et partiellement sé- parée cette dernière étant alimentée par une excitatrice spéciale qui comporte deux excitations antagonistes une parcourue par le courant des moteurs et l'au- tre constante, ceci dans le but d'affaiblir le champ des moteurs d'une façon continue et convenable au fur et à mesure que la vitesse de ces derniers aug- mente. Il comporte en plus des dispositions du montage "en huit" de la métadyne qui permettent de réduire le poids et les pertes de cette dernière et qui con- siste essentiellement en l'inversion de la forme du "huit" formé par les con- nexions de la métadyne aux moteurs.
Enfin cet équipement comporte un contrôleur qui permet l'accrochage automatique des moteurs à la ligne connectée soit en série soit en parallèle, la possibilité de déconnecter les moteurs et la méta- dyne de n'importe quel cran sans revenir à zéro, en afin la possibilité d'affec- tuer un cycle entier d'opérations, démarrage, marche et freinage, en effectuant simplement un tour entier de la manette du contrôleur.