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" Machine à courant continu pouvant fonctionner sur courant alternatif comme moteur à collecteur, et son procédé de commutation "
L'objet de la présente invention est un nouveau type de machine à courant continu, pouvant fonctionner comme moteur à collecteur sur courant alternatif et possédant les mêmes caractéristiques électromécaniques que les machines à courant continu ordinaires, ainsi qu'un procédé de commutation dotant la machine d'une commutation absolument automatique, c'est-à-dire indépendante de tous facteurs restrictifs tels saturation, vitesse et tension élevées.
Cette nouvelle machine est donc, d'une part, susceptible d'une élaboration simple, dépourvue de toutes considérations problématiques, d'autre part, oapable de mettre en jeu des puissances notablement supérieures à celles utilisées par les machines actuelles dans le domaine du courant continu.
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il est en effet notoirement connu que pour ces dernières, le problème de la commutation n'ayant encore reçu aucune solu- tion à caractère général, l'évolution des projets d'étude en est rendue lente et incertaine, faute de données rationnelles, tandis que la mise au point finale n'est possible que grâce à des tâtonnements aussi longs qu'onéreux, surtout pour les ma- chines d'une certaine puissance.
Dans les turbo-machines sur- tout, cette déficience se fait si pressante que le constructeur se trouve rapidement dans l'alternative ou de s'en tenir à des puissances relativement basses ou de consentir à des sacrifices économiques considérables.
Aussi l'invention concerne une disposition électrique nou- velle, décrite ci-après à titre d'exemple, où le problème cité se trouve entièrement résolu.
Cette machine dont la figure 1 schématise un type bipo- laire, comporte un bobinage induit composé des quatre enroule- ments 1, 2 3, 4, ayant n spires chacun et ouverts sur quatre commutateurs simples juxtaposés sur l'arbre.
Ce bobinage, disposé sur un induit apparemment semblable à celui d'une dynamo ordinaire, est caractérisé par ce fait que le côté de chacun de ses enroulements occupe une longueur péri- phérique de l'induit inférieure à celle embrassée par un angle de 45 , afin que l'onde de f.e.m. induite, due à une répartition uniforme de l'induction dans l'entrefer, ait une forme trapézo- ïdale, l'enroulement ayant un pas polaire.
.
Les quatre enroulements seront donc deux à deux en qua- drature dans le champ.
Ainsi il apparaît deux groupes électriques identiques, formés chacun de deux enroulements en quadrature. D'une part il y a le groupe des enroulements 2, et 1 qui sera nommé le groupe A, avec leurs commutateurs correspondants formés, respectivement, par les lames 7, 8, et les isolants 7' et 8', et les lames 9,
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10 avec les isolants 9' /.et 10' .
Ces commutateurs sont décalés de 90 comme les enroulements auxquels ils correspondent.
D'autre part, il y a le groupe des enroulements 3 et 4, nommé groupe B, munis du commutateur formé des lames 11, 12, et des isolants 11' , 12' correspondant à l'enroulement 3 et de celui formé par les lames 13, 14 et des isolants 13' , 14' correspondant à l'enroulement 4; commutateurs et enroulements sont en quadrature comme pour le groupe précédent.
Chacun de ces groupes forme un ensemble électrique homogène grâce à la mise en opposition des balais 15, 16 et 17, 18 pour le groupe A et des balais 19, 21 et 20, 22 pour le groupe B.
Il est entendu par là que chaque groupe est susceptible d'engendrer un f.e.m. potentielle constante ; balais et commutateurs étant supposés conditionnés pour que chacun des enroulements soit mis hors circuit avant que sa f.e.m. propre n'ait commencé à décliner, afin de prévenir toute tendance à des courants de circulation.
Les deux groupes ainsi conçus peuvent être reliés, à volonté, en série ou en parallèle. Sur le schéma c'est en série qu'ils sont reliés par le conducteur 23.
On peut voir sur la figure qu'en plus des deux enroulements induits proprement dits chaque groupe comporte un enroulement supplémentaire, qui est disposé sur l'induit même de la machine et peut avoir le même pas que celui des enroulements induits.
Ces deux enroulements auxiliaires 5 et 6 sont reliés électriquement en série, respectivement, avec l'enroulement 2 et 1' enroulement 3 et forment partie intégrante du circuit électrique de chacun des deux groupes. Ils sont, en outre, en quadrature, respectivement, avec les enroulements 1 et 4.
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Chaque groupe de l'ensemble électrique de la figure 1 est susceptible d'engendrer un courant rigoureusement continu, précisément grâce aux enroulements auxiliaires qui concrétisent la solution du problème évoqué ci-dessus et posé à propos de l'un des groupes, soit le groupe A, représenté schématiquement par la figure 2.
Soit donc ce groupe débitant un courant 1 sous une tension U, sur un circuit extérieur R;i et 1' étant les courants engendrés, respectivement, par les enroulements 1 et 2.
Les trois relations qui caractérisent le fonctionnement électrique de ce système sont :
EMI4.1
i + il = I ( i ) di + df E - L -- -- - ri = U ( II ) E' - L' 11:' Cif - ri, = U ( III ) dt + dt
E et E' étant les f.e.m. induites dans les enroulements 1 et 2 et L et L' le coefficient de selfinduotion de ces der- niers, r étant la résistance ohmique de chacun d'eux.
Quant à df c'est la f.e.m. induite dans l'enroulement dt auxiliaire.
Cela étant, on peut considérer les ondes redressées des f.e.m. E et E' représentées dans la figure 3, respectivement, par les courbes 1' et 2'
On a vu que ces f.e.m. sont superposées aux bornes du circuit extérieur où elles agissent.
D'où on doit distinguer deux temps dans le déroulement des phénomènes en charge.
1 .) Temps T pendant lequel ces f.e.m. agissent en paral- lèle.
2 .) Temps t : les f.e.m. agissent isolément, à tour de rôle.
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@
Le premier temps ( temps! ) est celui qui caractérise le problème envisagé.
En effet endéans ce temps il faut que chacun des courants ! et 1' ait varié de I pour que les commutateurs fonctionnent sans jamais oouper aucun courant. Il sera prouvé, d'autre part, que s'il en est ainsi le courant I sera continu.
Or la condition nécessaire et suffisante pour qu'il en soit ainsi est qu'on ait :
EMI5.1
1 di dt =1 f) dt = I y quels que soient T et I.
Voilà le problème. Ce problème s'identifie à la définition même de la commutation comme on l'entend ici, à savoir que les courants 1 et i' d'un groupe de deux enroulements générateurs ou moteurs, tels que 1 et 2, comme décrit ci-dessus, en quadrature dans le ohamp et en opposition électrique doivent varier endéans le temps T, comme défini de la quantité I, I étant la somme de ! et i Supposons pour sa solution que I est effectivement continu.
L'équation (I) est de ce fait caractérisée par les relations
EMI5.2
d + dit si dt dt dt
On peut tirer maintenant des deux autres équations (II) et (III) l'expression de l'équilibre électrique instantané du circuit propre du groupe ( circuit intérieur).
Soit :
EMI5.3
di dit df - L - +L##,# -ri+ri' T = 0 dt dt dt En faisant f = Mi
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ce qui entraîne :
EMI6.1
di' = IdM dt dT d'après l'hypothèse I = Cte
On a ainsi la nouvelle expression de la relation d'équilibre
EMI6.2
-zat+z' - 1- -ri .ri. = 0 dont l'intégration pour le temps T doit donner :
EMI6.3
LI + L'I + (Ml - M2) 1 + f r (if - i) dt=0 (IV) T LI est positif du fait que i et 1' varient en sens inverse.
Il est à remarquer qu'on a
EMI6.4
r (il - i) dt = rat (di + di' at = o ,r/ / dt dT" T T toujours du fait de l'hypothèse qui veut :
EMI6.5
di + dit = dI = 0 dt dt dt
Il s'ensuit que la relation (IV) s'écrit :
L+L'=M2-M1
Si cette égalité est susceptible d'une vérification sans restrictions il pourra être conclu à la solution générale cherchée.
Or ( L + L' ) contient un facteur susceptible de varier de façon absolument quelconque du fait qu'on ne peut avoir aucune action sur lui dans les conditions de fonctionnement général
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de la machine.
Il s'agit évidemment du facteur perméabilité.
Si M pouvait contenir le même facteur, on pourrait éliminer ce dernier dans les deux membres de l'équation ci-dessus qui du coup deviendrait une simple égalité entre deux oonstantes, égalité qu'on pourrait immédiatement satisfaire.
Or, rien de plus simple à réaliser que cette dernière condition.
En effet, on a implicitement supposé que l'on obtenait la f.e.m. auxiliaire df/dt par l'introduction d'un flux variable f dt dans le circuit intérieur du groupe. Il suffit pour cela d'uti- liser le champ inducteur lui-même en ajoutant aux deux enroulements formant normalement ce circuit quelques spires supplémentaires ( auxiliaires ) disposées convenablement sur l'induit.
En faisant cela on prend de fait M automatiquement toue- tion du même faoteur que celui contenu dans ( L + L' ), facteur dont on n'a plus, dès lors, à tenir oompte. Or, en disposant les deux enroulements auxiliaires 5 et 6 décrits à l'appui de la figure 1, sur l'induit même de la machine, nous avons rempli pour chacun des groupes définis cette oondition essentielle sans laquelle l'existence de la relation L + L'= M2- M1 est rendue illusoire.
Dès lors tirons de cette dernière équation le nombre de spires ( spires auxilaires) de l'enroulement auxiliaire du groupe considéré.
Mais auparavent voyons s'il n'existe aucune contradiction.
Il est dit qu'on doit avoir
F MI
Est-ce une contradiction ? Nullement La machine doit être
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simplement à excitation série. Il s'ensuit qu'un seul mode d'excitation est possible à l'exclusion de tous les autres.
Il est dit, en outre, qu'il faut que l'on ait :
EMI8.1
df du dt dt
Cela va de soi, toujours d'après l'hypothèse.
Ainsi donc aucune contradiction.
Maintenant on peut faire ce calcul Soient na = nombre spires auxiliaires N = " " excitatrices ni = " " induites .
La valeur de M est :
M = M @ K Ni na @
La constante K étant la même pour ( L + L ); la relation IV s'écrit de ce fait
2
2 ni = N na (a- @2) d'où
EMI8.2
,la = 2 n2 - - 2 ni 2 Ni ( 1 - G, K1 N1 72
On voit que na est inversement proportionnel au facteur
Ki qui tient compte de la durée de la commutation. na augmente quand Ki diminue, en particulier na devient infini pour Ki = 0 , ce qui correspond à une commutation instantanée.
Position des spires auxiliaires dans le champ.
Cette position peut être cherchée par rapport à l'enroule- ment 1, par exemple.
En considérant pour cela la figure 4 représentant la f.e.m.
E et l'allure du courant i, indépendamment de l'action du oommu-
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tateur oorrespondant,
On peut y distinguer deux catégories de temps :
1) Les temps T1 et T2 que nous avons précédemment désignés par le temps générique! : ces temps correspondent aux périodes actives du circuit intérieur, en ce sens que les courants étant essentiellement variables la f.e.m. auxiliaire ea doit agir pleinement.
2) Les temps to et t'o : pendant ces derniers temps les oourants intérieurs gardent strictement leur valeur acquise; ce sont les périodes passives du circuit.
Elles sont caractérisées par le fait que le circuit est ouvert par l'un ou l'autre des oommutateurs en sorte que toute action interne est impossible. On peut constater enfin que pendant T1 et T2 , i varie dans le même sens.
De ces considérations on peut déduire que la f.e.m. auxiliaire peut être de même période que la f.e.m. E - c'est dans ce sens qu'on, a calculé na- et que, dans ce cas, elle doit être déphasée de en avant sur oette dernière, afin que son action ait lieu comme il est indiqué.
Il s'ensuit donc que l'enroulement auxiliaire 5 doit être forcément en quadrature avec l'enroulement 1 comme il a été indiqué idem ., pour l'enroulement auxiliaire 6.
Il s'avère ainsi que la machine décrite ci-dessus, remplissant toutes les prescriptions requises par nos calculs, est bien dotée d'une commutation parfaite. Remarquons, d'autre part, que les spires auxiliaires, telles qu'elles ont été calculées pour le groupe A peuvent être divisées en deux groupes disposés chacun directement/et telles qu'elles se calculent pour le groupe B en quadrature avec chacun des enroulements 1 et 2,
Cette variante de la machine est schématisée par la figure 5 où on voit qu'en plus des deux enroulements auxiliaires ;5 et 6 il y a les deux enroulements 5' 6', respectivement en
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quadrature avec les enroulments 1 et 4.
Il est donné dans la figure 6, à titre d'indication, le schéma de bobinage induit de cette dernière disposition.
Les enroulements induits proprement dit y sont représentés en traits pleins tandis que les enroulements auxiliaires sont par contre indiqués en traits interrompus.
L'enroulement 1 y est représenté par ses extrémités 24, 25 correspondant à ses connexions aux lames 9 et 10. De même l'enroulement 2 a ses extrémités 26, 27 qui correspondent aux connexions de mêmes noms se faisant respectivement avec les lames ¯8 et 7, l'enroulement 3 dont les connexions 30,31 se font avec les lames 11 et 12, et enfin l'enroulement 4 dont les connexions 28, 29 se font avec les lames 14 et 13.
Ici nous entendons par enroulement chacun des enroulements induit proprement dit muni de ses spires auxiliaires, comme indiqué. Cela va de soi.
Caractère continu du courant ( i= i') =I
Il reste à prouver que ce courant est bien continu.
En reprenant pour cela l'équation
EMI10.1
¯ Z di + Lt dit ¯ ri + rit + df - 0 dt dt dt et en y remplaçant 1' par sa valeur tirée de la relation (I) et L' par son équivalent , il vient :
EMI10.2
- L - 2 - + r ( 1/2 - , ) + ¯1 = dt dt 2 dt On aura de même pour i'
EMI10.3
di + L dl l 1 df - - - + r (- - i' ) - - - = 0 En appliquant la bonne commutation à ces relations, il vient :
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EMI11.1
LI+/ t+r i ) LI + 2i dI dt + r i 3 dt + fo = 0 T 2 -LI' + dl.
' Î àt - ) dt t + 2 if) - g f 0 2 dt t/y . T En additionnant ces équations on a :
EMI11.2
dt + r I - ( i +1' àt = 0 T tut
EMI11.3
Or, quel que soit I, on a toujours : I - ( i + i' ) = 0 Il s'ensuit qu'on doit foroément avoir :
EMI11.4
- rai dt = ' Le courant est donc bien continu.
Caractères généraux du procédé :
Le caractère essentiel du procédé qui vient d'être développé est l'automatioité parfaite de la commutation, due au fait que les oonsidérations mathématiques développées ci-dessus sont rigoureusement indépendantes de toute condition empirique, à tendance forcément restrictive.
Pourtant, comme on a spéculé sur une forme d'onde de f.e.m. exactement trapézoïdale - forme qu'on ne peut réaliser pratiquement - il peut sembler que cela entache quelque peu les déductions.
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Il n'en est rien cependant. Cette forme d'onde peut même s'écarter très sensiblement de la trapézoïdale sans que nos dé- veloppements perdent tant soit peu de leur généralité. On peut d'ailleurs pousser assez loin l'analyse de cette question et se convaincre qu'aucune difficulté ne surgit de ce c8té.
La bonne commutation ou l'auto-commutation est bien- sans restriction.
Il s'ensuit que le courant sera invariablement continu . pendant le temps T d'après ce qui a été prouvé.
Seulement pendant le temps to,et pour le cas où l'onde de f.e.m. serait trop arondie, le courant tenderait à onduler; mais, vu le 'cas extrême envisagé et la brièveté de ce dernier temps, il nous est permis d'affirmer que le courant, selon sa loi générale, sera incomparablement continu et que ses faibles alternances ne pourront, en aucun cas, être assimilées aux sauts spasmodiques du courant continu jailli d'un collecteur ordinaire.
Il est à remarquer qu'en aucun cas nous n'avons abordé la ques- tion des fuites. La raison en est qu'à notre sens cela est uni- quement du domaine de la construction. Il n'y a là aucun pro- blème à caractère épineux ; les procédés pour parer aux mé- faits électriques des fuites peuvent être multiples.
Dans le cas présent et pour les grosses machines on peut recourir à un pôle auxiliaire de commutation, pôle dont la fonc- tion serait évidemment ici très limitée.
Il est d'autre part inutile d'insister sur le fait que cette machine peut indifféremment fonctionner en moteur ou en génératrice, le procédé de calcul restant rigoureusement le même.
A remarquer, en outre, que ces calculs sont rigoureusement indépendant de toute motion de fréquence. Aussi l'unique champ inducteur considéré peut en pratique être multiple dans une mê- me machine. Il va de soi que le nombre de lames de chaque commu-
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tateur sera toujours égal au nombre des pales et que les diffé- rents groupes peuvent être électriquement assooiés en série, en parallèle ou en série-parallèle.
Dispositions et propriétés de la machine.
1.- Circuit magnétique :
S'il est vrai que ce circuit est apparemment semblable à celui d'une dynamo ordinaire, il est important de souligner que le dimensionnement de ses diverses parties sera sensible- ment différent de celui en usage pour cette dernière.
Et cela du fait que la nantisse de la commutation étant ici définitivement écartée, il ne peut plus s'agir que d'ex- traire la puissance maxima d'une masse métallique donnée. D'a- près divers projets que nous avons établis, il ressort que cette seule considération, jointe à celle des possibilités de gran- des vitesses, est susceptible d'augmenter considérablement la capacité de puissance des machines à courant continu.
2.- Bobinage Induit :
Comme on a pu s'en rendre compte, ce bobinage ne comporte aucune complexité. Mais il doit être fait une remarque très im- portante quant aux connexions entre enroulements induits et auxiliaires :
Ces connexions doivent être faites en vue de la rotation de la machine dans un sens déterminé.
En effet l'action des spires n'a lieu que dans ce seul sens à moins que le collecteur ne soit muni d'un petit plateau permettant d'intervertir les connexions.
C'est là une petite difficulté technique à résoudre par le constructeur. a
3.- Cractéristiques et propriétés :
Les caractéristiques sont en tous points identiques à cel- les des machines dynamos.
On peut, entre autres, vérifier très aisément qu'ici aussi
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la réaction d'induit est en quadrature avec le flux inducteur.
Cette réaction produira naturellement une chute de tension, tout comme dans la dynamo.
Quant à la question des pertes et rendement, rien ne peut être à priori invoqué contre notre dispositif, la bonne commutation étant un gage de perte minima.
REMARQUE :
Dans le calcul des spires auxiliaires il faut naturellement tenir compte de la réaction d'induit en ce sens que ce n' est pas le flux inducteur proprement dit qui engendre le f.e.m. auxiliaire, mais le flux résultant. La relation donnant ces spires doit s'écrire de ce fait :
EMI14.1
n a = ni2 Ki ( N - ni ) REVENDICATIONS.
1. ) Procédé de commutation pour deux enroulements induits, générateurs ou moteurs, en quadrature dans le champ et en opposition électrique, en un groupe électrique homogène, dans une machine rotative à excitation série, comme défini ci-dessus, par l'utilisation d'une f.e.m. générée par le champ inducteur lui-même dans des spires auxiliaires disposées sur l'induit de la machine en un seul groupe, qui est en quadrature dans le champ avec l'un des enroulements induits et en liaison électri- que directe avec ce dernier, ou en deux groupes, chaque groupe étant en quadrature dans le champ aveo l'enroulement induit avec lequel il est en liaison électrique directe, tout cela conformément aux conditions électromagnétiques prescrites par le texte, à l'appui des figures annexées.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.