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MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une demande de BREVET d' INVENTION PERFECTIONNEMENTS AU CONTROLE DE L'EXCITATION ES MACHINES ELECTRIQUES .-
La présente invention concerne les machines électriques dont le champ doit 'être réglé de faqon continue de manière à obtenir une caraotéristique déterminée, par exemple une tension indépendante de la charge ou variant d'une façon bien déterminée avec l'intensité, ou un couple variant suivant une fonction bien déterminée de la vitesse* On utilise habituellement différents moyens sensi- bles aux variations d'une quantité variable et qui agissant sur l'excitation pour augmenter ou diminuer ses ampères-tours* Ce réglage s'obtient en modifiant la tension aux bornes de l'excitation.
Lorsque les bobines d'excitation présentant une self très élevée par rapport à leurs résistances, le courant suit les modifications de tension avec 'Un certain retard qui trouble l'effet du réglage* De plus,
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l'par.il1ag8 utilisant le dispositif sensible aux variations de la quantité variable et ajustant la tension aux bornes des bobines d'excitation, est généra- liment compliqué et coûteux et sa sensibilité décroît rapidement lorsque l'énergie électrique nécessaire à l'excitation augmente*
Conformément à la présente invention, on prévoit des moyens d'accélérer la modification du courant dans les bobines de champ exigée par le dispositif sensible- Ces moyens,
bien que contrôlés par un dispositif sensible de capacité relativement faible, seront capables d'agir sur l'excitation d'une grossemachine-
La présente invention consiste essentiellement à utiliser une machine spéciale qui alimente les bobines de champ de la machine principale par un courant qui est contrôlé par le dispositif qui, normalement devrait agir directement sur les bobines d'excitation de la machine principale* La machine spéciale est, de préférence, une métadyne construite de façon appropriée* La métadyne consiste essentiellement en un rotor bobiné pourvu d'un collecteur
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comne une dynamo ordinaire* Le stator a pour but essentiel de réserver aux flux engendrés par les courants rotoriques, un circuit magnétique de faible réluctance Généralement:
le collecteur porte deux jeux de balais* Le courant traversant l'un de ces jeux engendre un flux qui induit une force électromotrice entre les balais de l'autre jeu* L'un des Jeux de balais, appelé jeu primaire,est traversé par un courant dit courant primaire et, généralement, connecté à une source d'alimentation de courant continu- L'autre jeu de balaie, appelé jeu secondaire, traversé par le courant secondaire, est généralement connecté aux appareils d'utilisation
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alimentés par la métad3neUne description détaillée de la métadyne est donnée dans mai article Intitulé 1"3squissa sur la Métadyne" par J3 PE3TARJ::
NI, paru dans le bulletin scientifique A'I'M* N*4 -Avril 1931- de l'Association des Ingénieurs .... te Electriciens, publié par l'Institut Electrcjbhaique liontefiore à Liège. Conformément à l'invention, les balais secondaires de la
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métadyne sont connectés aux bobines d'excitation de la machine principale et lui envoient un courant d'intensité déterminée indépendamment de la tanelomhaecondaino, etest-à-diro da la tendon développée aux balais secondaires* L'intensité du courant secondaire de la métsdyae est contrôlée par les ampères-tours d'un petit eosrouleasnt statorique,appelé enroulement variateur,
dont l'axe magnétique
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coïncide avec l'axe de commutation du jeu de balaie secondaire* il enroulement variateur est à son tour contrôlé par le dispositif ci-dessus mentionné qui, en principe devrait agir directement sur les bobines d' excitation de la machine principale* Lorsqu'une variation du courant secondaire est exigée, la métadyne fournit automatiquement par ses balais secondaires, une tension transitoire supplémentaire qui s'ajuste exactement à la réactance des bobines d'excitation et qui disparaît lorsque le courant secondaire atteint la valeur qui conviant*
La métadyne est ainsi insérée entre les bobines d'excitation de la machine principale et le dispositif qui, en principe,
devrait agir directement sur les bobines d'excitation et elle intervient comme un apllfioa- teur remplissant la fonction importante de fournir automatiquement une tension supplémentaire convenable pour surmonter l'effet de réactance des bobines d'excitation de la machine principale-
On comprendra mieux les caractéristiques nouvelles et les avantages de l'invention en se référant à la description suivante ainsi qu'aux dessins qui l'accompagnent, donnés simplement à titre d'exemples et dans lesquels :
La Fig.1 schématise le principe de l'invention,
Las Fig. 2, 3 et 4 représentent en détails la machina généralement utilisée,
La Fig.5 schématise l'application de l'invention à un alternateur,
La Fig.6 est un schéma représentant les périodes transitoires du courant et de la tension appliquée aux bobines d'excitation,
Les Fig. 7 et 8 se réfèrent à un équipement de traction,
Les lige 9 et 10 envisagent l'application à un équipement Diesel-électrique,
Les Fig.11 et 12 concernent une application à une dynamo,
Les Fige 15, 14 et 15 sont des variantes de cette dernière ap- plication,
Les Fig.
16 et 17 concernent une autre application à un équipanent Diesel-électrique, et
Les Fig* 18, 19 et 20 représentent deux variantes du schéma
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Nous référant à la Fig.1, la machine principale.quelle que soit la nature de son courant, est représentée par un cercle, les lettres 3 et 2
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représentent nsp80tivElIlent l'excitation et la métadyne spéciale* La métadyne comporte deuz jeux de balais* Les balais primaires 1 et a ne sont pas connectée à une source extérieure mais sont couit-cireiùtdso Les balais secondaires b et sont connectés au champ 3 de la machine principale 1- Cette métadyne appelée "mêtadyne conformatrioe" résulte d'une modification du schéma général de la métadyne pour la rendre adéquate au but poursuivi* L'axe magnétique de l'enroulement variateur 4 est,
comme représenté, dirigé suivent la ligne droite joi-
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gnant les deux balais seoondaires b et j- Cet axe est également l'axe de ocm- mutation de ces balaie -ce que l'on peut voir immédiatement en considérant l'action magnétique entre les enroulements du stator et du rotor- L'enroulement variateur 4 peut titre contrôlé par le dispositif qui, en principe, devrait agir directement sur le champ de la machine principale- Pour rendre l'exposé plus général, la figure ne représente pas ce dispositif* Il peut être de très faibles dimensions, même si la machine 1 est de forte puissance parce que l'éner- gie nécessaire pour alimenter l'enroulement variateur 4 de faible réactance est faible-
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La tig8 représente quelques détails caustructifs de la métadyne confoxmatrice- Tour'simplifier,
celle-ci est supposée ne comporter qu'un cycxla3 les balais primaires a. et .2. sont coiirtaireultée; les balais secondaires b et 1 sont connectés à l'excitation de la machine proncipale. Le stator, au lieu d'être constitué par un simple anneau magnétique, comporte quatre segments
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polaires disposés pour laisser libres les zones de coinautation des balais.
Un segment polaire de métadyne ata pas la mlme signification qu'un pale d'une dynamo ordinaire où chaque pôle porte le flux total et où. un pâle Nord est
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toujours suivie d'un pôle Sud et vice-versa- Dans une métadyie, un segment polaire porte habituellement une partie du flux total et un segmant polaire d'une polarité peut titre suivi par un segment polaire de même polarité, de
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polarité opposea ou ne portant aucun flux, la distribution du flux dépendant de la charge- L'enroulement variateur 4 est distribué sur les quatre segments polaires et l'axe du champ magnétique qu'il engendre dans son ensemble est dirigé suivant la ligne @-d des balais secondaires,
c'est-à-dire suivant l'axe
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de eaamutation du courant secondaire*
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circuiter les balais primaires non directement mais à travers un enroulemant statorique appelé "aaroulement stabilisateur primaire" qui est ainsi traversa par le courant primaire et qui induit entra les balais primaires, une força électro-motrice qui s'oppose au courant primaire* La figure 3 représente cette disposition dans laquelle l'enroulement stabilisateur primaire est indique par 5. On peut utiliser des pôles de commutation qui doivent être placés dans les espaces libres séparant les segments polaires- Ces ptles doivent être magnétisme
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par des ampères..tours appropriés engendrés par la couvmt lui-m%e, comme l'in- clique la fig.4.
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La fige reprêsante le schéma général de l'application de la présente invention à un alternateur 1 dont l'excitation 3 peut être réglée par l'intermédiaire d'un vibreur 10 insérant ou court-circuitent périodiquement une résistance 11. Le vibrateur ne doit pas contrbler directement le courant d'ezcoi- -tation 3,mais le courant dans lleuroulanent variateur 4 de la métadyna conforma' trice 2 qui exige environ le centième de l'énergie qui serait nécessaire pour agir directement sur le champ 3 de la machine principale-
Le schéma de la fig*6 représentaune comparaison entre le fana-
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tionnement avec et sans l'application de la présente invention* Le tempx t est porté en abscisses* A l'origine des temps,
l'intensité qui traverse les bobines d'excitation 3 a une valeur c a et la tension aux bornes de l'excita ion a la
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valeur .2..i égale à la chute obmiqu9aans les bobines* Supposons que l'excitation 3 soit alimentée par un réseau de tension constante par l'intermédiaire d'une résistance qui peut 'être modifiée par un puissant vibrateur et qu'à l'instant tl ,
le vibrateur court..circuite cette résistance* Ainsi la tension appliquée aux bobines d'excitation croîtra instantanément à la valeur tlg et restera cons-
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tante par la suite coma l'indique la ligne g Le courant d'excitation augnen- tera très lentement en raison de la self élevée des bobines et elle suivra una loi exponentielle b c en fonction du temps* Suivant le schéma 5, la petit vi-
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brateur 10 .en supprimant la résistance 11, oblignra la métadyae confonmatriea à donner automatiquement une pointe de tension secondaire élevas suivant la
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ligne 1S 11 et cette tension, à son tour, accélérera Il accroissement du courant dans l' excitation cantonnement à la ligne g i.
Dtautre part, 1' ah da tension disparaîtra au fur et à mesura que l'excitation atteindra sa valeur de régime*
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(quipsnent de traction par trolley* Les balais primaires a et q de la métadyne tn6nxfonnatnco 1 Sont connectés respectivement à la ligne de contact et à la torte;
les balais secondaires b et d sont connectés aux moteurs de traction 15 et 16 cantonnement aumode de connexion bien connu dit "en huit"* Le courant
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secondaire Ia de la métad3n1 transformatrice traverse les moteurs et il doit nécessairement être une fonction de la tension Vbd développée aux homes secon-
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daires, aomne le représente le diagramme de la fig-86 Pour cela, l'enroulement 3 de la métadyne transfo matrice 1 est alimenté par un courant suivant une loi similaire à celle qui est représentée par la fig.8.
Cela peut être obtenu à
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l'aide d'une dynamo spéciale appelée "dynamo modulatrice" qui est excitée différdntiellammt par la tension de la ligne et la tension apparaissant aux balais secondaires Vbd de la métadyne transformatrice le ûne telle dynamo modulatrice est une machine relativement mal utilisée et son rendement est relativement faible* Conformément à l'invention, la dynamo modulatrice 12 au lieu d'alimenter
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directement l'enroulement variateur 3 de la métadyne tranofmatrice principale 1 n'alimente que l'enroulement variateur très petit 4 de la métadyna cctnfoxmatrics 2 dont les balais secondaires alimentent à leur tour, l'enroulement variateur 3
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de la métadyne transformatrice principale le Ainsi,
la dynamo modulatrice est très petite et sa mauvaise utilisation est sans conséquence' De plus, son action est très rapide - raison de l'interposition de la métadvna confolmatrice, Les enroulements différentiels de la dynamo modulatrice sont représentés par 13 et 14 de la figure 7.
Les fige 9et 10 représentent l' application de l'invention à une installation Diesel-électrique* On suppose que le moteur Diesel,ou tout autre moteur primaire, entraine la métadyne génératrice 1 dont les balais primaires
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g et .9..ont connectés à une source auxiliaire 18 de courant continu de tension constante et dont les balais secondaires b et d sont connectés aux moteurs 15 et 16 au à tout autre appareil d'utilisation.
Le courant secondaire 12 de la mêtadyne génératrice principale 1 traverse les moteurs et on désire qu'il varie lorsque la tension d'alimentation Vbd varie de telle manière que la puissance
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fournie soit constante, etest-à-dire que la tension varie en fonction de l'intemsi%' suivant uns hyperbole représentée à la fig10 on a suggéré différents dis- positifs pour obtenir ce résultat,, Suivant une de ces réalisations, on peut utiliser une dynamo régulatrice consistant essentiellement dans sa meilleure tome
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en une dynamo shunt non saturée appelée "dynamo régulatrice", entraînée par le marna arbre que le moteur et dont la vitesse critique est égale à la vitesse de fonctionnement du moteur Diesel.
Cette dynamo est connectée à une source de courant continu de tension constante par l'intermédiaire des bobines d'excita- tion de la machine principale, de sorte que le courant d'induit de la dynamo régulatrice traverse la bobine d'excitation de la machine principale et ajuste le champ à une valeur telle qu'à admission constante, la tension varie en fon- ction de l'intensité suivant une loi hyperbolique.
Conformément à la présente invention, le courant de la dynamo régulatrice ne traversera pas les bobines d'excitation de la machine principale mais il ne traversera que 1'enroulement variateur de faible importance de la mé- tadyne conformatrice qui, à son tour, alimentera le champ de la machine princi- pale.
Dans le cas d'une métadyne génératrice, le contrôle du courant fourni aux moteurs est obtenu au moyen d'un enroulement variateur de la métadyne génératri- ce- Ainsi, à la fig.19, la dynamo régulatrice 17 entraînée par le même arbre que la métadyne génératrice 1 est connectée à la source 18 par l'intermédiaire de l'enroulement variateur 4. de la métadyne conformatrice qui, à son tour, alimente par ses balais secondaires, l'enroulement variateur 3 de la métadyne génératrice principale 1.
Ainsi la dynamo régulatrice, qui peut %tre considérée comme 1. cerveau de l'installation, est une machine très petite et très sensible de sorte que son action éventuelle par l'intermédiaire de la métadyne conformatrice, est puissante et rapide-
Bien que la dynamo régulatrice ait été considérée ici comme un dispositif Remettant d'obtenir une caractéristique volt-anpere hyperbolique, tout autre dispositif peut être utilisé dans le même but, la métadyne conformatrice étant interposée entre lui et le champ de la machine principale,
Une autre application importante de la présente invention concerne les dynamos .qu'allas fonctionnent comme générateurs ou comme moteurs, et dont le courant fourni ou absorbé doit éventuellement être contrôlé* Dans ce cas,
les ampères-tours du variateur de la métadyne conformatrice sont opposés à des ampères-tours quelconques proportionnels au courant de la dynamo princi- pale, comme le représente la fig.11. Les ampères-tours d'opposition sont représentés en 19 et sont engendrés par quelques tours traversés par le courant I de la dynamo principale 1. Ainsi, le courant I s'ajustera jusqu'à créer dans
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roulement 4 à une quantité 2 près nécessaire pour engendrer le courant circulant
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rétiletnamt dans l'airoulement 5.
Pour compenser ces ampères-tours P, la méta@ne confomatrici est pourvue d'un enroulement secondaire supplémentaire 20 connecté aux bornes du générateur principal 1, comme le représente la Fig.13., ou d'un enroulement secondaire supplémentaire 22 connecté aux balais secondaires de la
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métad3ne aonfomatriae elle-omtme, comme le représente la fig 14 Dans le cas où les ampères-tours P sont produits par un moyen quelconque? le courant I de la machine principale suit exactement la valeur des ampères-tours engendrés dans
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l'enroulement variateur 4 de la métadyne aonfaraatrias, qui est alors dite "antatiquo- La disposition représentée à la fig*15 fera à proportionnel aux ampères-tours de 4 jusqu'à la saturation, soit de la machine principale 1,
ou de la métadyne aonfomatniae 2- La disposition de la Fig14 fera à proportionnel aux ampères-tours de 4 jusqu'à ce que la saturation de la métadyne oonfonnatrioe sera atteinte indépendamment de la saturation de la machine principale*
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Supposons que l'on utilise une métadyne conformatriae asiatique et que les ampères-tours de le enroulement Variateur 4 soient maintenus constante Dans ce cas,
le courant 1 sera maintenu constant et la caractéristique volt-
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ampère sera représentée par la ligne droite el de la fig.12- Si les ampères- tours de l'enroulement variateur varient suivant les ordonnées de la ligne c-d-e de la tige a. la même loi sera suivie par le courant I de la machine principale- L'enroulement variateur supplémentaire 20 de la fig.13 et celui qui est indiqué par 22 de la fige 14: peuvent être utilisés simultanément- Au
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lieu des anpères-tours antagonistes 19 dans la métadyne confamatrice, on peut utiliser les anpères-toura séries créés par le courant principal I s'opposant au:
ampères-tours du champ principal 3 représenté à la fig.16- La fig. 15 donne un schéma dérivé de celui de la fig.14 en substituant à l'enroulement 19 de la mé-
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tadyne acmfannatrice, un enroulement 21 disposé sur la machine principale*
Les fig.16 et 17 représentent l'application de l'invention à une dynamo 1 entraînée par un moteur Diesel ou tout autre moteur primaire dans le cas où l'on désire maintenir constante la puissance de la dynamo* Le dispositif spécial utilisé dans ce but et représenté à la fig.16, est une dynamo régulatrice déjà mentionnée à propos de la description de la fig.9.
La dynamo régu-
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latrice 23, #esrésmt4eà la fige 16, est montée sur le mémo arbre que la dynamo principale 1- Le courant de la dynamo régulatrice traverse un premier Enroule-
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tenant variateur 24 de la métadyne ooniormatrioe a* 1)9 courant I de la dynamo principale 1 traverse un second enroulement variateur 19 de la métadyne oonfor- matrice 2.
Enfin, un troisième enroulement variateur 4 de la métadyne conformatrioe engendre des ampères-tours constants sous l'effet d'un courant fourni par la batterie le* Représentons par la ligne droite c-d le diagramme des ampèrestours constants de l'enroulement 4 en portant, comme à la fig.17, en abscisses
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la tension V fournie par la dynamo principale 1' la ligne .9.-.&-,2 représente les ampères-tours secondaires nécessaires pour alimenter la bobine de c@amp 3 sous une intensité correspondant à la tension V.
Ainsi, la ligne c-a-e dont les or-
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données représentant la différence des ordonnées des lignes eut .9.-,2 repré- sentera les ampères-tours de l'enroulement 19 et, par conséquent, le courant I de la dynamo principale 1 dans le cas où la dynamo régulatrice ne fonctionne pas Si la dynamo régulatrice 23 fonctionne, les ampères-tours de l'enroulement 19
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se représenteront par l'hyperbole gg f-gr..k.g Si, maintenant, la dynamo rfgu- latrice ne peut fonctionner que dans un domaine g-h-k, les ampères-tours de 19 et paruite le courant I de la dynamo principale 1 se représenteront par la
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ligne complexe o-g.h-¯k-e qui présente une forme très utile.
Pour certains cas spéciaux, la tonne de cette courbe complexe est perfectionnée grâce à "'utilesation d'une métaàyne oonfornatrioe 8 poul"9USld'un enroulement variat EI\1r additionnel connecté aux bornes de la dynamo principale 1 ou d'un 8IlroulemEilt variateur additionnel connecté aux bornes des balaie secondaires de l'tnroulem8llt variateur-
On comprendra facilement qu'au lieu d'une dynamo régulatrice ? on peut utiliser tout autre dispositif du marne genre, par exemple un vibreur de réglage du courant ou une dynamo spéciale de caractéristique appropriée:
dans
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certains cas, l'interposition de la métadyne oonfonnatrica constituera un per- factionnematit important*
La fig.18 représente le schéma général d'une disposition utili-
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sant, au lieu d'une métadyne conformatrice, une métadyne transformatrice 85 dont les balais primaires q et a sont supposés être connectés à une source de tension continue constante las Le schéma de la fiS.18 est dêritd du schéma fondamental de la fig. par substitution de la métadyna transformatrice 25 à la métadyne conformatrice 2. Le fonctionnement est analogue et la plupart des
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transposés à la métadyne %FaaBforaa%2ioe.
Ainsi, le schéma de la fige 19 qui' utilise la métadyne transfomatrioe 26 a été directaaaat déduit du acharna de la fig*14 utilisant une màtadjne oonfonnabrioa go La métadyne transformatrice présente le désavantage d' exiger une source de courant continu auxiliaire do tension constante*
La fig.20 donne la schéma général d'une autre variante où la
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métadyne oonfomatrioe est remplacée par une dynamo spéciale 26 connue sous le non de dynamo K emare La dynamo Kraemer se joint à la métadyne pour fournir de façon convenable un courant continu d'intensité diteiminée sous une tension variable mais aom action est retardée alors que la métadque agit très rapide- menti de plus, la dynamo Kraemer doit tourner à vitesse définie,
qui correspond à sa vitesse critique lorsqu'elle est shunt, taudis que la métadyne peut tourner
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à une Vitesse quelconque* Sous ta forae générale, la dynamo Kraeener comporte trois enroulements : un enroulement shunt 22, un enroulement série 27 et un enroulement d'excitation séparée 4' Cet enroulement 4 joue un rôle analogue à
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l'enroulement variateur 4 de la métadyne confonnatrice 2 du schéma général de la fiel- Il est aisé pour le spécialiste de déduire d'un schéma spécial utilisant une m6tad2ne conormatrice,
le schéma correspondant utilisant une dynamo Kraemer-
Toute modification des enroulements de la métadyne ou de la dynamo Kraemer peut être conque par un spécialiste ou toute autre application peut %tre imaginée restant tans l'esprit de la présente invention*
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-t- R B S U lt 2 -1- #!#!**!** !*'!" !** Perfectionnements au contrôle de l'excitation de machinas élec- triques par des dispositifs sensibles à une grandeur variable quelconque suivant laquelle le courant d'excitation de la machine principale, au lieu d'être directement contrôlé par cette grandeur,
est fourni par une machine spéciale
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qui peut atrs elle.aame contrôlée par cette grandeur de manière à engendrer le courant nécessaire au circuit d'excitation de la machine principale* Cantonnement à l'invention, cette machine auxiliaire peut être
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.