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Système de régulation de vitesse de moteurs à courants continus.
La variation du champ inducteur est le système idéal 'utilisé pour l'obtention de la variation de la vitesse des moteurs à courant continu; il se prête à la réalisation sans pertes de cette variation de vitesse.
Mais la réduction du champ inducteur d'une machine donnée entraine une augmentation de la tension de réactance qui rend plus difficile la commutation, et affecte la stabi- lité de marche de la machine.
On a donc cherché à pallier ces inconvénients en adoptant par exemple, lors de variations de vitesses étendues, pour une partie du réglage, des résistances insérées en série dans l'induit, ce qui donne lieu à des pertes importantes par effet Joule dans ces résistances, ainsi qu'à des variations de la vitesse avec la charge. On a également préconisé, pour réaliser une partie de la variation de vitesse, une tension variable d'alimentation par l'utilisation de groupes transformateurs rotatifs ou de survolteurs. Ces moyens entrainent des pertes de transformation élevées et une grande complication dans le réglage de la vitesse.
Il est également connu pour opérer la variation de
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vitesse de coupler deux moteurs de même puissance en série et ensuite en parallèle; le couplage en série convient pour les faibles vitesses et le couplage en parallèle convient pour les vitesses plus élevées. Ces couplages peuvent être combinés avec la variation de la vitesse par variation du champ inducteur dans chaque couplage de sorte que, par le couplage série, on obtiendra toutes les vitesses depuis la vitesse minimum jusque deux fois cette vitesse ; passant au couplage parallèle on pourra obtenir toutes les vitesses depuis deux fois la vitesse minimum jusque quatre fois cette vitesse ou plus en faisant varier le champ inducteur de la même façon ou davantage.
Mais ce système présente l'inconvénient de nécessiter une variation du champ dans le rapport déjà élevé de un à deux pour obtenir en couplage série la vitesse correspondant à celle avec couplage parallèle plein champ, ce qui, pour certains moteurs-limite est de nature à pouvoir provoquer des incon- vénients au point de vue de la commutation ou de la stabi- lité. De plus, la répartition des charges et des à-coups éventuels de celles-ci entre deux moteurs shunt ou compound rigidement couplés fonctionnant en parallèle est délicate et peut donner lieu à des incidents entravant l'exploitation.
La présente invention est relative à un système de régulation de vitesse par variations du flux inducteur et qui remédie aux inconvénients des systèmes susdits.
Il est à remarquer que,dans les systèmes où la varia- tion de vitesse s'opère par la modification du champ induc- teur, ce que l'on veut en réalité modifier est le flux inducteur embrassé par les conducteurs de l'induit. Ce flux dépend d'une part du champ magnétique et d'autre part de
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de la surface qui embrasse ce flux ou d'une façon plus précise de la surface engendrée par les conducteurs d'induit pendant leur passage devant les pôles de l'inducteur.
Pour opérer la variation de vitesse, l'invention prévoit de modifier entre autres la surface engendrée par les conduc- teurs actifs d'induit ou d'un système d'induits pendant leur passage devant les pôles de l'inducteur ou système inducteur; par "conducteurs actifs" d'induit il faut entendre suivant l'invention ceux qui participent effectivement à l'entrainement en rotation du moteur.
Suivant l'invention, la modification de la surface engendrée par un conducteur s'obtient par la mise hors circuit d'une portion de longueur de ces conducteurs. A cet effet l'invention prévoit d'utiliser deux ou plusieurs induits calés sur le même axe (ou en dépendance de rotation l'un par rapport à l'autre) avec leurs conducteurs connectés en série et de mettre hors circuit l'un ou plusieurs de ces induits ainsi qu'éventuellement les inducteurs correspondants.
Comme cette mise hors circuit pourrait conduire à des variations brusques de vitesse, l'invention prévoit qu'au. moment de la mise hors circuit susdite, on renforce le champ inducteur de façon à éviter les variations brusques de vitesse, la diminution progressive de ce champ servant à opérer dans la suite la graduation progressive de la vitesse.
Dans le cas d'un moteur à deux induits, pour permettre de façon pratique la progressivité dans les variations de vitesse, ces induits sont suivant l'invention déterminés de façon telle que la vitesse de rotation de l'induit restant en service et à plein champ, corresponde à la vitesse de rotation de l'ensemble des induits à champ réduit. A cet effet le rapport
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des largeurs de fer (largeur axiale) entre la largeur totale des deux induits et celle de l'induit destiné à rester seul en action correspond approximativement à la racine carrée du rapport des vitesses de marche minimum et maximum désirées.
Pour permettre une étendue plus grande des variations de vitesse avec un minimum de réduction du champ inducteur, le système de régulation suivant l'invention est établi de façon à mettre alternativement hors circuit l'un et l'autre des deux induits utilisés et à rétablir le champ maximum au moment de chaque mise hors circuit, Dans ce but la largeur de fer de chacun de ces inducteurs corres- pond respectivement à environ 0,62et 0,38 de la largeur totale de ces deux induits.
Il est donné ci-après à titre d'exemple non limitatif divers modes d'exécution de l'invention. Celle-ci s'étend aux diverses particularités originales que comportent les dispositions représentées.
Pour la facilité de compréhension de l'invention, on supposera que dans le cas d'un moteur normal, les phénomènes sont à peu près les suivants: si l'on définit par 1 la vitesse du moteur avec le champ inducteur maximum, la réduction de ce champ dans le rapport de 1 à X conduit à une augmentation de vitesse X à 1. Cet accroissement de vitesse conduit à diminuer la stabilité de marche du moteur à 1 de la stabilité à plein champ et à une augmen-
X tation dans le rapport de X de la tension de réactance, laquelle définit la mesure des difficultés de commutation.
La figure 1 est une vue schématique d'un système de régulation suivant l'intention.
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La figure 2 est également une vue schématique montrant les deux induits utilisés.
Les deux induits 2 et 3 sont calés sur le même axe et pourvus respectivement de collecteurs 2a et 3a. Ces induits tournent devant leur système inducteur respectif 2b et 3b.
Les enroulements d'inducteurs sont alimentés en parallèle à travers un rhéostat de champ double 4. Les deux induits sont normalement connectés en série mais l'un de ceux-ci (induit 2) peut être mis hors circuit par l'intermédiaire d'un dispositif figuré schématiquement par la manette 5.
Lorsque les deux induits sont connectés en série et sont soumis au champ maximum, ils prennent une vitesse de rotation définie par 1. Si l'on affaiblit le champ inducteur agissant sur les induits dans la proportion de 1 à #X, les deux moteurs couplés prennent une vitesse égale à #X/1. Si on s'arrange pour que #X = L/#2 (dans laquelle l2 est la largeur de fer de l'induit 3 et L la largeur de fer totale des deux induits) la vitesse restera inchangée si l'on met hors circuit l'induit 2 et si on rétablit à ce moment le champ maximum initial ; en effet dans les deux cas le flux coupé par les conducteurs d'induit et correspondant au produit du champ multiplié par la section engendrée par ces conducteurs, reste le même.
L'induit 3 restant seul en service à ce moment, on peut encore accroître sa vitesse en diminuant le champ inducteur; en adoptant également une diminution de champ de 1 à #X, l'induit 3 prendra une vitesse égale à #X/1 de celle qu'il avait en plein champ lorsqu'il fonctionnait seul et à X de la vitesse
1 que les deux induits connectés en série avaient à plein champ.
On voit donc que l'on peut grâce à la mise hors circuit susdite obtenir une variation totale de vitesse de X en n'utili- i
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sant qu'une diminution de champ de 1 à. #X.
Par exemple, on peut remplacer un induit de largeur de fer L, devant avoir une variation de champ dans le rapport de 3 à 1 pour obtenir une variation de vitesse dans le rapport 1 à 3, par deux induits connectés en série ayant l'un une largeur de fer 1 L = 0,58 L et l'autre #3 0,42 L.
En affaiblissant le champ des deux induits connectés en série dans le rapport 1 à 1 (soit 1 à 0,58), on
1,73 obtient toutes les vitesses depuis la vitesse minimum jusque 1,73 fois cette vitesse. En déconnectant l'induit de largeur de fer 0,42 L et en utilisant seul l'induit de largeur de fer 0,58 L, on peut affaiblir de nouveau le champ de ce dernier dans le même rapport de 1 à 1
1,73 (ou 1 à 0,58) et on obtient ainsi toutes les vitesses depuis 1,73 fois la vitesse minimum jusque 1,73#2 égale 3 fois cette vitesse minimum.
On a donc ainsi réalisé un rapport de vitesses de 1 à 3 en n'augmentant la tension de réactance que dans un rapport de 1 à 1,73 par rapport à la tension à plein champ déjà réduite des induits de largeur de fer diminuée, et la stabilité de marche n'a été diminuée que dans le rapport de 0,58 au lieu de l'être dans le rapport de 1 égale 0,33.
Cette disposition, qui réduit donc considérablement les facteurs: tension de réactance et instabilité qui s'opposent à la réalisation de moteurs à très grande varia- tion de vitesse par affaiblissement du champ, permettra de réaliser des moteurs à variation de vitesse entre des limites beaucoup plus étendues que les variations limites qui peuvent être réalisées par moteurs uniques.
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Une variation dans le rapport de 1 à 9 correspondant à deux variations dans le rapport de 1 à 3 pourrait par exemple être réalisée. On constituerait le moteur de deux induits de largeur de fer 0,666 L et 0,333 L connectés en série ; faisant varier dans le rapport de 1 à 0,333 le champ agissant sur les deux induits on obtiendrait les vitesses dans le rapport de 1 à 3, puis en déconnectant l'induit de largeur de fer 0,666 L et en utilisant seul l'induit de largeur de fer 0,333 L on peut faire varier le champ de ce dernier dans le rapport de 1 à 0,333 et obtenir toutes les vitesses depuis 3 fois la vitesse minimum jusque 9 fois cette vitesse minimum.
L'induit non utilisé dans les régimes à grandes vitesses peut être découplé mécaniquement pour ces régimes ; est maintenu en rotation, les balais du collecteur peuvent être relevés à la main ou mécaniquement par un dispositif automa- tique.
Dans les systèmes décrits ci-dessus les deux induits peuvent être enfermés dans une même enveloppe pour ne former apparemment qu'un seul moteur ou pourraient appartenir à deux moteurs distincts l'un de l'autre.
Lors de la mise hors circuit de l'un des induits, on peut également s'arranger pour que l'inducteur correspondant à cet induit soit également mis hors circuit.
Il est encore possible suivant l'invention de réduire la variation de champ nécessaire pour obtenir une variation étendue de vitesse en proportionnant convenablement la largeur des deux induits et en utilisant successivement l'un après l'autre ces deux induits. C'est ainsi qu'oh peut obtenir une gamme de vitesse lente en utilisant les deux induits couplés en série, une gamme de vitesse moyenne en utilisant l'induit
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le plus large tel que 2 et une gamme de vitesse élevée en utilisant l'induit le moins large tel que 3.
Pour permettre la graduation progressive des vitesses il faut suivant l'invention tenir compte des considérations suivantes: lorsque les deux induits couplés en série tournent dans le champ maximum, leur vitesse est de N.
Si l'on affaiblit simultanément leur champ inducteur dans le rapport de 1 à a , ces deux induits prennent une vitesse correspondant à aN. Si l'on désire que l'induit 2 de largeur 91 donne à plein champ une vitesse égale à aN, il faut que 1 = il . La. réduction du champ dans le même rapport a N de 1 pour l'induit 2 fonctionnant seul conduira à une a nouvelle vitesse égale à a2N. Si l'on désire que l'induit 3 fonctionnant seul donne à plein champ la vitesse a2N, il faut que 1/a2 = #2/L. Ces deux conditions sont réalisées lorsque#1 = 0,62 L = L/1,62 et lorsque #2 = 0,38 L = 0,62 L/1,62.
Par la variation de 1 à 0,62 du flux inducteur agissant sur les induits couplés en série, on obtient toutes les vitesses depuis la vitesse minimum N jusqu'à 1,62 N; par la variation de 1 à 0,62 du flux agissant sur l'induit 2 seul, on obtient toutes les vitesses depuis 1,62 N jusqu'à (1,62)2N = 2,6 N. Par la variation de 1 à 0,62 du flux agissant sur l'induit 3 seul on obtient toutes les vitesses depuis (1,62)2N jusqu'à (1,62)3N = 4,25 N.
Il est donc possible, pour ce cas le plus favorable, d'obtenir en utilisant successivement les deux moteurs en lesquels on a décomposé le moteur unique, une variation de vitesse de 1 à 4,25 Par trois variations de champ successives de rapport 1 à 0,62 au lieu de deux variations successives de rapport 1 à 1 = 1 à 0,48 lorsqu'on n'utilise que deux
4,25
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plages comme il a été expliqué au début de cette description, ce qui donne encore un nouveau gain, par rapport à ce premier système de (0,62 = 1,29) environ 30% sur la tension de
0,48 réactance et sur l'instabilité.
On peut utiliser la répartition sur trois plages comme il vient d'être décrit pour d'autres rapports de vitesse que 1 à 4,25 mais, dans ce cas, il sera nécessaire de combiner les largeurs des deux induits en lesquels on décompose l'action moteur unique et les plages de variations; la somme des deux largeurs de fer pourra être quelque peu supérieure à celle du moteur unique correspondant, et les 3 plages de variations pourront différer quelque peu l'une de l'autre en étendue.
Il y a lieu de noter que la division du moteur en deux de faible largeur de fer, permet de charger davantage le cuivre des moteurs aux faibles vitesses, par ce que la surface de refroidissement des deux induits est supérieure à celle d'un seul induit de grande largeur de fer.
En ce qui concerne le rendement, celui que l'on obtient pour les faibles vitesses, pour lesquelles les deux induits sont utilisés, peut être de un à deux pour cent inférieur à celui du moteur unique; mais le rendement aux grandes vitesses pour lesquelles un seul des deux moteurs est utilisé est plutôt supérieur à celui du moteur- unique, même en entrainant sans charge l'autre moteur, dont les balais sont relevés à la main ou automatiquement.
Dans ce qui précède, l'induit unique a été divisé en deux induits de même diamètre et de largeurs inégales, toutes autres choses étant restées égales.
Mais on pourrait aussi modifier l'un des deux moteurs constitutifs : par exemple, le moteur destiné à rester seul
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en service pour les grandes vitesses pourrait être prévu avec enroulement de compensation dans les pièces polaires, tandis que l'autre induit, qui ne fonctionne qu'aux faibles vitesses et a en conséquence une commutation plus facile pourrait ne pas être pourvu d'un tel enroulement; les deux moteurs pourraient même avoir des caractéristiques différentes telles que les diamètres et largeur de fer d'induit, le nombre de pôles et d'encoches;
il suffit que les deux induits soient proportionnés pour, étant connectés en série, absorber le courant de pleine charge sous la pleine tension d'alimentation à la vitesse minimum, et qu'un de ces moteurs puisse être raccordé seul au réseau pour absorber le même courant sous la même tension, à une vitesse comprise entre la vitesse maximum et la vitesse minimum, les variations intermédiaires étant obtenues par variation du champ agissant sur les deux induits connectés ou sur l'induit restant en service aux vitesses élevées, par plage de variations sensiblement égales, permettant d'utiliser le même régulateur de champ dans ces plages de variations.