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NOUVEAUX MOTEURS ELECTRIQ,l1ES .A COURANT CONTINU REALISANT DES CARACMISTIQUES DE FONCTIONJ.iIE.II,#NT PAETICOLIEHES.
On a souvent cherché à réaliser des moteurs possédant des caractéristiques vitesse-couple d'allure particulière. C'est ainsi que, pour certaines applications, on a besoin de maintenir constante la puissance du moteur de travail quelles que soient les variations du couple résistant; pour d'autres applications au contraire, on cherche à maintenir la vitesse indépendante de la charge et des variations de la tension du réseau; dans d'autres cas enfin, il est utile de prévoir, à partir d'une certaine charge, un changement d'allure de la caractéristique vitesse-couple par exemple une limitation de la vitesse à vide, etc....
Avec les moteurs actuellement connus, la solution de ces différents problèmes exige fréquemment l'emploi d'un groupe convertisseur ou d'une transformatrice, dont le côté générateur possède une caractéristique tension-courant appropriée; d'autres solutions comportent un appareillage compliqué dont le fonctionnement en régime rapidement variable n'est pas toujours satisfaisant.
La présente invention a pour objet de nouveaux moteurs électriques à courant continu, qui permettent de réaliser les caractéristiques de fonctionnement particulières en question, sans nécessiter, entre le réseau et eux-mêmes, l'intervention de groupes convertisseurs ou de transformatrices, ni sans nécessiter d'appareillage compliqué.
Les moteurs conformes à l'invention sont du type, connu en soit, dit à excitation interne, comportant dans l'axe des balais en court-circuit un enroulement statorique qui fournit tout au moins le couple moteur au démarrage, ces mo-
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-teurs étant caractérisés par des enroulements statoriques disposés dans un axe en quadrature avec celui des balais en court-circuit, certains de ces enroulements neutralisant partiellement, exactement, ou arec excès la réaction d'induit due au courant pris au réseau par le moteur, les autres, sur lesquels peut agir un appareillage simple, ayant pour râle, éventuellement en combinaison avec le ou les enroulements de neutralisation, d'imposer au moteur la caractéristique vitessecouple d'allure particulière désirée.
En se référant aux figures schématiques ci-jointes, on va décrire des exemples, donnés à titre non limitatif, de moteurs conformes à l'invention. Les dispositions particulières que comportent ces moteurs, pour la réalisation de carac- téristiques déterminées, devront être considérées comme faisant, en elles-mêmes, partie de l'invention, étant entendu que toutes dispositions équivalentes pourront être aussi bien utilisées sans sortir du cadre de celle-ci.
Dans tous les exemples on a supposé, par mesure de simplification, qu'il s'agissait de moteurs bipolaires; mais l'invention s'applique, bien entendu, à des moteurs multipolaires. L'induit du moteur, désigné par 1, est relié au réseau par ses balais 2 et 3 ; enquadrature sont dispos's les balais 4 & 5, reliés entre eux , un enroulement statorique 6, disposé suivant cet axe, fournissant tout au moins le couple de démarrage.
La disposition de la Fi.l comporte les dispositions de base des moteurs conformes à l'invention. Un enroulement 7, agissant dans l'axe de réaction du courant pris au réseau (supposé à tension constante), neutralise cette réaction intégralement, partiellement ou avec excès. L'enroulement 6, agissant dans l'axe de réaction du courant débité par les balais 4-5, permet de créer un flux, dans cet axe, en accord au en opposition avec celui de réaction. Aucun courant ne pouvant circuler à l'arrêt en 4-5, l'enroulement 6 est nécessaire au démarrage pour produire le flux qui permet la création du couple de démarrage. Le démarrage est effectué suivant la méthode classique, par un rhéostat 8 ; enfin de démarrage, un contact 9 peut être ouvert, coupant le circuit de l'enroulement 6.
On supposera, pour l'instant, que 6 reste en circuit et que 7 neutralise exactement la réaction suivant flèche R. Dans ces conditions, aucune force magnéto motrice n'agissant dans l'axe 2-3, aucun courant ne peut prendre naissance en 4-5.
Le moteur fonctionne alors comme un moteur shunt classique et sa caractéristique couple-vitesse a l'allure Indiquée en A par la Fig.2 , la perte de vitesse observée entre vide et charge étant due à la chute ohmique (les couples sont portés en abscisse et les vitesses en ordonnée).
On supposera maintenant que l'on impose un courant à un enroulement de commande 10, de même axe que 7. Si ce courant est du sens qui donne un flux en opposition avec 7 (la réaction R étant exactement neutralisée par 7), la force électro-motrice induite entre 4 et 5 donne naissance, entre ces balais, à un courant qui produit un flux F renforçant l'action de 6. Si au contraire, le sens du courant dans 10 est renversé, le sens de F est également renversé.
Comme il suffit de quelques ampère-tours sur 10 pour créer un courant important en 4-5, puisque eeule la chute ohmique est à vaincre, le flux résultait dans l'axe 4-5 se modifiera très rapidement sous l'action de 10. Suivant le sens du courant traversant 10, la caractéristique de vitesse en fonction. de ce courant aura l'une des allures représentées en B et C, Fig.3. Il y a embraillement rapide si 10 est du sens de 7 (caractéristique B), ou au contraire chute de vitesse importante, limitée par la saturation (caractéristique C), s'il est de sens contraire.
Si, comme on l'a représenté,dans le schéma partiel*=de la Fig.4, l'enroulement 10 est dérivé aux bornes d'un shunt 11 traversé par le courant du moteur, on peut obtenir un réseau de caractéristiques d'allure largement modifiable, par action sur un rhéostat 12, de très, petites dimensions et consommation, la puissance nécessitée par 10 étant au maximum de l'ordre d'un watt; ces caractéristiques sont représentées dans la Fig.5, D correspondant à la coupure du circuit de 10 et E au court-circuit du rhéostat 12. Si l'enroulement 6 est coupé par 9, les caractéristiques possédant l'allure série (Fig.6).
Si 6 reste en circuit et si la valeur de son courant est modifiée par un rhéostat de champ (non figuré, on peut simultanément régler l'allure de la caractéristique et la vitesse à vide (familles de caractéristiques de la Fig.7).
Il est évident que l'action de 10 peut'être renforcée ou réduite par l'enroulement 7, si celui-ci est prévu pour assurer une sous-neutralisation ou une surneutralisation. En cas de sous-neutralisation, l'enroulement 10 peut être supprimé.
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On remarquera que la dérivation de courant dans 10 étant insignifiante, il est facile, dans la disposition de la Fig.4, d'utiliser l'enroulement des pôles de commutation pour constituer le shunt 11; du fait de l'inductance de fuite de ces enroulements, il en résulte un fonctionnement plus rapide de 10 en cas de kariation brutale du couple.
Dans la disposition partielle de la Fig.8, l'enroulement 10 est supposé alimenté par le réseau à travers une résistance fixe 13, ayant pour but de réduire la constante de temps du circuit, et une résistance 14, courtcircuitable par un contact automatique 15, s'ouvrant sous l'action de la force centrifuge lorsque la vitesse est inférieure à une certaine valeur et 'se fermant lorsque la vitesse excède cette valeur. Un contact à action inversée pourrait être également utilisé; il serait alors à monter entre les bornes de l'enroulement 10. Avec ce montage, on peut obtenir une vitesse rigoureusement constante et indépendante des variations du couple résistant et de la tension d'alimentation.
Pour obtenir une marche très stable et éviter les pompages, il y a alors Intérêt à réaliser une très légère sous-neutralisation par 7. La puissance à contrôler n'excédant pas quelques watts, la.tenue des contacts 15 est parfaite et il n'est pas nécessaire de les entretenir;,
Le contact 15 de la Fig.8 pourrait tout aussi bien être sous la dépendance d'un régulateur quelconque.
La résistance 14 pourrait également être constituée par un rhéostat à commande automatique, asservie à une caractéristique quelconque; l'enroulement 10 pourrait ainsi être mis, par exemple, sous le contrôle d'un syn- chroniseur, d'une dynamo tachymétrique imposant un asservissement de la vitesse, d'un régulateur d'intensité qui donnerait alors au moteur une caractéristique couple-vitesse d'allure hyperbolique (puissance constante), d'un régulateur de tirage, etc....
Il est également possible de monter le moteur lui-même en régulateur. Sa puissance de contrôle étant en effet très faible, on peut, par une action différentielle entre un enroulement de référence et un enroulement soumis à la caractéristique à règler, obtenir un asservissement direct sans relais intermédiaire.
O'est ainsi que, dans le cas de la Fig.l, il suffit de prévoir un enroulement 7 sous-neutralisé et un enroulement 10 de sens contraire de celui représenté, pour réaliser un moteur à courant constant, possédant par conséquent une caractéristique couple-vitesse d'allure hyperbolique. Comme les ampères-tours nécessaires dans l'axe de contrôle sont très faibles, il est évident que les ampères-tours de 10 fournissent toujours les ampères-tours de sous-neutralisation, ce qui implique un courant constant.
Il est indifférent, dans ce cas, de couper ou de laisser en service l'enroulement 6 lorsque le démarrage est terminé. -Au lieu d'alimenter l'enroulement 6 en dérivation sur le réseau, on peut le monter en série dans le circuit principal du moteur (ce montage est d'ailleurs d'ordre général et peut s'appliquer à tous les cas), ce qui a pour avantage, dans le cas de moteur à puissance constante, de réduire l'importance des variations du courant de court-circuit; ce montage est intéressant au point de vue dimensionnement et assure une meilleure régulation que celle produite avec un enroulement shunt.
Il est possible de compléter les caractéristiques d'un tel moteur par une limitation automatique de la vitesse à vide et, si nécessaire, par une limitation du couple et de l'intensité au calage. La Fig.9 représente le schéma d'un moteur comportant ces perfectionnements. 16, 17 est l'interrupteur bipolaire de mise sous tension. 18 est un contacteur se fermant lorsque l'intensité tombe au-dessous d'une certaine limite, ou lorsque la vitesse dépasse une certaine valeur ; la fer- . meture de ce contacteur met hors service un enroulement série 19, dimensionné pour un fonctionnement très court et comportant un nombre de spires pouvant être avantageusement plus élevé que celui de l'enroulement série 6, qui est prévu pour fonctionner en permanence.
Dans ces conditions, l'enroulement 19 est assez résistant, il peut tenir lieu de résistance de démarrage et il procure en outre un renforcement important du flux, qui permet de réduire l'à-coup de courant de démarrage.
L'enroulement de neutralisation 7 comporte un nombre de spires inférieur à celui donnant la neutralisation exacte; ce déficit est comblé en régime par l'enroulement 10, de même sens que celui de 7. Cet enroulement est branché de préfé- rence, comme indiqué sur le schéma, de manière à assurer pendant le démarrage la prépondérance du flux de réaction R, ce qui provoque la circulation d'un courant intense en 4-5, aussitôt que le moteur commence à démarrer et, par suite, réduit très vite la pointe de démarrage, du fait de la création d'un flux F intense. Le contact 20, s'ouvrant par force centrifuge, insère une résistance élevée , 21 , @
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dans le circuit de 10, dès que la vitesse dépasse une certaine limite.
Il s'en suit que le courant est alors règlé à une valeur extrêmement faible, puisque le courant traversant 10 est alors extrêmement réduit. Il suffit que celui-ci corresponde au courant de pertes du moteur à vide pour limiter la vitesse.
Il est clair que le règlage de 21 permet d'ajuster la vitesse à Tide à une valeur légèrement inférieure à celle d'ouverture du contact centrifuge 20, ce qui donne un fonctionnement stable dans la zone intermédiaire, par battement de ce contact.
On pourrait d'ailleurs, en particulier lorsqu'il s'agit de moteurs de puissance réduite, obtenir la limitation de la vitesse à vide par l'emploi d'un redresseur sec 22, insère entre 4 et 5 (Fig.10) et d'un enroulement auxiliaire 23 (Fig.9) fixant un flux minimum d'axe F. Le courant dans 4-5 ne pouvant pas s'inverser, la vitesse à vide est ainsi parfaitement déterminée. La Fig.ll représente la caractéristique couple-vitesse qu'il est possible d'obtenir avec un schéma du genre de celui des Fig. 9 et 10. De Gl en G2, la puissance est constante; pour des couples inférieurs à G2, la vitesse est limitée, soit par le contact centrifuge 20, soit par le jeu de 22 (Fig.10) et de 23 (fig.9).
Si le couple dépasse G1, l'enroulement 19 est automatiquement réintroduit par l'ouverture de 18, commandée soit par la surintensité qui est la conséquence de la saturation, soit par la chute de vitesse, qui agit sur l'ouverture de 18 par un contact centrifuge; on passe de cette manière de la caractéristique Gl G2 à la caractéristique rédite G3 O, Il suffit donc d'un appareillage restreint pour réaliser la caractéristique de la Fig.ll.
On remarquera que, dans le cas de puissance réduite, le schéma peut encore être simplifié, comme l'indique la Fig.12, par suppression du contacteur 18 et remplacement de 19 par une résistance de protection 24. La limitation de la vitesse à vide est obtenue par le redresseur 22 et l'enroulement 23, comme il vient d'être vu ci-dessus. Tant qu'il n'y a pas saturation importante, le courant est maintenu constant (de G1 en G2 sur la caractéristique de la Fig.13), ce qui assure une puissance constante, Dès qu'une saturation importante se fait sentir, le courant croit d'autant plus que la saturation est plus grande, la chute de tension dane 24 augmente et la vitesse diminue.
Par suite de la chute de vitesse importante, le courant dans 4-5 tend à décroître, ce qui provoque une réduction de flux 8, d'où il résulte, que malgré l'augmentation du courant, le couple n'augmente plus. On réalise ainsi une caractéristique ayant l'allure de celle Indiquée sur la Fig.13.
Les schémas que l'on vient de décrire ont été établis pour des moteurs fonctionnant sur réseaux à tension constante ou légèrement variable, mais des montages de celgenre peuvent tout aussi bien être utilisés lorsqu'il s'agit de circuits à tension largement variable ou à courant constant.
C'est ainsi que le montage de la Fig.14 peut être utilise pour un moteur fonctionnant sur une boucle à intensité constante. L'interrupteur 25 court-circuite le moteur à l'arrêt. Dès qu'on ouvre cet interrupteur, le courant traversant l'enroulement série 6, l'Induit 1 et l'enroulement 7, sous-neutralisé, produit le couple de démarrage. L'enroulement 10, pris aux bornes de la machine, impose, comme dans les montages précédents, le fonctionnement à tension constante, donc à puissance constar.te, dès que la saturation n'est plus trop importante.
La vitesse à vide, non limitée dans le cas de la Fig.14, pourrait l'être facilement, par exemple en prévoyant un enroulement 26 de même axe et de même sens que 10 (Fig. 15), alimenté par une aource à tension constante 28, à travers le redresseur sec 27, qui bloque le courant tant que la dynamo tachymétrique 29, entraînée par le moteur est de tension inférieure à celle de la source 28, et le laisse passer dès que la tension de 29 dépasse celle de 28* L'action de 26 se superpose alors à celle de 10 pour limiter la vitesse à une valeur bien déterminée.