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Dispositif de couplage électrique pour un courant variable.
Pour les interrupteurs ou commutateurs, aussi bien que pour les redresseurs traversés par un courant variable) il est désirable que l'opération de couplage soit effectuée à des moments où les valeurs du courant sont telles que le tra- vail à fournir par l'appareil en question soit aussi petit que possible. On a déjà indiqué aussi pour cela des disposi- tifs ingénieux et des commandes ingénieuses, sans toutefois que ces appareils se soient implantés d'une façon générale dans la pratique.
Or la présente invention vise un dispositif de coupla- ge électrique particulièrement simple et dont le fonctionnement
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est par conséquent aussi particulièrement sûr, pour un cou- rant variable, ce dispositif possédant un élément de coupla- ge mobile sur lequel agit une force résultante provenant du courant à coupler, et étant caractérisé en ce que cette for- ce a une action qui avance dans le temps par rapport au cou- rant à coupler.
On sait que les courants produisent, dans le cas le plus favorable, des actions de force qui sont en phase avec le courant lui-même, et ce lorsqu'il n'y a pas, dans l'ap- pareil en question-, de pertes supplémentaires dues aux cou- rants de Foucault, à l'hystérésis, etc. Dans les circuits comprenant du fer qui est aimanté, la force produite par le flux magnétique retarde généralement sur le courant qui lui donne naissance.
Lorsque la force évolue synchroniquement et en particulier aussi lorsqu'elle retarde par rapport au courant à coupler, ce n'est que par une dépense supplémentai- re considérable qu'il est possible de provoquer par exemple un mouvement de mise en circuit avant que le courant n'ait atteint le moment où il passe par zéro, ou de provoquer la séparation des contacts au moment de la coupure, encore dans la branche descendante du courant à couper. Toutefois, si l'on fait en sorte, suivant l'invention, que la force avance par rapport au courant de couplage, tous ces inconvénients sont supprimés et il est possible de construire de façon sim- ple des appareils de couplage et des redresseurs de courant des types les plus divers, et notamment des appareils comman- dés synchroniquement.
Les opérations dites de couplage, opérations qui sont d'une nature très générale, jouent un rôle important, notam- ment dans la construction des interrupteurs ou commutateurs.
On entend par là par exemple la mise en circuit et hors cir- cuit, ainsi que, notamment dans les installations à courant
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triphasé, le passage d'un court-circuit bipolaire à un court- circuit tripolaire ou réciproquement, ou, lorsque le point neutre est mis à la terre, l'apparition de courts-circuits unipolaires qui, eux'aussi, peuvent se transformer en courts- circuits bipolaires et en courts-circuits tripolaires. Des perturbations multiples se produisent d'ailleurs aussi, no- tamment dans les grands réseaux, par suite de terres, simples ou doubles, et de courts-circuits pouvant survenir successi- vement et rapidement d'une façon imprévisible.
Chaque opé- ration de couplage a généralement pour conséquence que des déplacements se produisent dans les courants et les tensions de l'installation; en outre, les moments du passage du cou- rant par zéro varient aussi presque toujours après ces opé- rations.
Or pour qu'un dispositif conforme à l'invention fonc- tionne parfaitement dans tous les cas, il est nécessaire que la force résultante s'établisse aussi d'une façon correspon- dante à une constante de temps de deux millisecondes au ma- ximum. Suivant la nature des réseaux on ira jusqu'à des cons- - 4 tîntes de temps sensiblement plus petites, jusqu'à 10 sec. et même moins. Cette détermination signifie par exemple qu'au moment de la fermeture d'un interrupteur, le courant de cou- plage et par conséquent aussi la force résultante étant nuls auparavant, cette force avance déjà d'environ 2/3 de la va- leur totale par rapport au courent, déjà après deux milli- secondes au maximum.
Pour certains types d'appareils il peut être important de construire le dispositif de façon que la force résultante s'établisse d'une façon correspondant une constante de temps plus petite que l'avance désirée dans le temps. Si l'on veut obtenir par exemple électriquement, à l'état stationnaire,
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une avance de 3. 10 - 4 sec. correspondant électriquement à 5,4 pour un courant alternatif de 50 périodes, il faut donc que la force qui avance s'établisse par exemple avec une con- stante de temps d'environ 2 , 10 -4 sec.
Pour obtenir une adaptation dans une gamme de courant aussi grande que possible, il convient de faire en sorte que l'avance dépende de la valeur effective du courant de cou- plage et notamment de telle façon que l'avance soit plus grande lorsque la valeur effective du courant de couplage est plus petite. Ceci permet d'obtenir ce résultat que le trajet de couplage sera suffisamment grand, même avec une pe- tite force et un petit courant correspondant, pour assurer l'opération de couplage correspondante. Les moyens permettant d'obtenir une caractéristique de ce gente sont par exemple le montage en série, en avant, d'une bobine de réaction à air et d'une bobine de réaction à fer, un deuxième courant passant parallèlement à ces deux réactances.
La force résultante peut être produite par exemple par au moins deux courants dépendant du courant de couplage con- jointement avec l'action d'un champ magnétique. Ce champ ma- gnétique peut être indépendant du courant de couplage; on ob- tient alors des ensembles dont le fonctionnement présente u- ne certaine similitude avec celui des instruments dits à é- quipage mobile. Si le champ magnétique est produit par le courant à couper lui-même, on obtient des appareils dont la construction est semblable à;celle des appareils dynamétri- ques. Enfin la force résultante peut aussi provenir d'un champ magnétique produit par au moins deux courants dépendant du courant de couplage.
Cela signifie alors que le flux ré- sultant, qui produit par exemple la force résultante dans un ensemble de la nature d'un aimant, avance de la façon désirée
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par rapport au courant de couplage et s'établit aussi avec une petite constante de temps correspondante.
Les fig. 1, 3 et 4 représentent schématiquement trois exemples de réalisation de l'invention, tandis que la fige 2 représente l'évolution de la force dans le temps pour le dis- positif de la fige 1.
Dans la fige 1, 1 désigne un aimant permanent servant d'élément de couplage et ayant un pôle nord N et un pôle sud S ; 2 et 3 sont des pôles conjugués en matière magnétique ; 4 et 5 sont des plaquettes de contact; 6 est un enroulement à courant principal; 7 est un enroulement supplémentaire. Le retour magnétique a lieu par la culasse 8, qui est isolée des pôles 2 et 3 par les plaqes intermédiaires 9 et 10. Z1et Z2 sont des impédances montées en série, en avant, tandis que' Ze est une impédance parallèle au point d'interruption.
Le fonctionnement du dispositif est le suivant:
Le courant total I se divise au point A en deux cou- rants partiels Il et I2. Le premier courant partiel I1 pasae par Z1 vers. B et le deuxième courant partiel I2 passe par Z2 et par la bobine 7 vers B. A partir de B le courant total I passe maintenant de nouveau et traverse la bobine 6 pour ar- river au pôle conjugué inférieur 3, d'où il aboutit, lorsque les points de couplage sont fermés, à la ligne de départ C en passant par l'élément de couplage 1 et par le pôle conjugué. 2.
Dans la fige 2 les forces K et K2 correspondent maintenant aux courants I dans la bobine 6 et I2 dans la bobine 7, en coopération avec l'aimant permanent 1. Ces forces se combinent pour donner la résultante Kr. On voit que Kr passe par 0 a- vant la force K, qui est en phase avec le courant de couplageI.
Si l'on suppose que le dispositif de la fig.l est mis sous tension au moment t = 0, tous les courants sont d'abord
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encore égaux à 0 à ce moment. Or le dispositif doit être cal- culé de façon que l'avance se produise pendant un laps de temps qui soit petit par rapport à. la durée d'une demi-onde du cou- rant de couplage. Une telle évolution de la force K2 pendant son passage à la valeur stationnaire est représentée en tire- té dans la fig. 2.
Le dispositif de la fig. 1 peut servir avantageusement de valve, car l'action de force exercée sur l'élément de cou- plage 1 est proportionnelle au courant, c'est-à-dire qu'elle change aussi de sens avec le courant lui-même. Tant que le courant 1 est sensiblement positif ; l'élément de couplage 1 est attiré. Un peu avant le passage du courant par zéro la force résultante Kr devient toutefois égale à O, puis elle devient négative. Isolement de couplage 1 est ainsi repoussé et le courant 1 est donc coupé immédiatement avant son passa- ge par zéro.
Si l'on fait en sorte qu'un petit courant passe parallèlement à l'élément de couplage 1 dans l'impédance de mise en circuit Ze pendant la durée du blocage, la remise en circuit a lieu aussitôt que la force résultante correspondant au courant réduit redevient positive. Si Ze est par exemple une résistance ohmique convenablement calculée, la remise en circuit a lieu lorsque la tension redevient positive au point d'interruption. Le moment de la mise en circuit peut être dé- placé par une fraction imaginaire de l'impédance Ze, ce qui permet d'obtenir un réglage de la tension sans pertes. La force résultante K'r qui correspond au petit courant traversant l'impédance Ze est représentée en tireté dans la fig. 2.
La fig. 3 est une vue d'un dispositif de couplage é- lectrodynamique. Dans cette figure, 20 et 21 sont des bobines fixes; 22 est une bobine mobile reliée, par l'intermédiaire d'une pièce isolante 23, au bras de couplage 24, qui se meut
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autour du pivot 25 ; est le contact fixe; 27 est un ressort de coupure. Les courants partiels Il et I2 peuvent être pro- duits par exemple d'une faõn analogue à celle qui est repré- sentée dans la fig. 1 au moyen de deux impédances Z1et Z2.
Comme seules les inductions mutuelles des trois bobines 20, 21 et 22 sont variables, on obtient deux composantes de for- des dont l'une est proportionnelle à I2 et l'autre proporti- onnelle au produit I. I2. Par la coopération de ces deux com- posantes de forces on peut obtenir, par un choix appoprié et connu de Z1 et de Z2, ce résultat que la force résultante Kr passe encore par 0 avant le courant de couplage. En outre, le ressort 27 peut encore être commandé de façon que sa forfe de traction soit variable dans le temps, par exemple de telle manière qu'elle augmente la pression de contact entre 24 et 26 lorsque le circuit est fermé, qu'elle passe d'abord par 0 pour la coupure et qu'elle agisse ensuite en vue de la coupu- re.
Enfin, la fig. 4 est encore une vue d'un exemple d'ap- pliuation électromagnétique, Dans cette figure, 30 est un en- roulement traversé par le courant total I, et 31 un enroulement traversé par le courant partiel I2. Sous l'action des ampères- tours correspondants il se produit un flux résultant #r.
32 est la culasse de l'aimant; 33 est l'armature, qui porte le contact de couplage mobile 34; 35 est le contact fixe, qui est relié à l'extrémité de l'entoulement 30; 36 est le ressort de coupure, dont on peut faire varier la valeur à l'aide de la force P. Suivant l'invention ce dispositif est caleulé de manière que le flux résultant#r avance de la façon désirée par rapport au courant de couplage car on sait que la force résultante est donnée sensiblement par le flux existant dans l'entrefer. L'avance elle-même est déterminée d'abord par le
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choix des impédances Z1 et Z2'et par le nombre de spires des enroulements 30 et 31. On obtient par exemple un dispositif pratique lorsque Z1 est sensiblement à induction, tandis que Z2 est sensiblement ohmique.
Pour les interrupteurs très rapi- des, qui parcourent leur trajet de couplage en moins de la-3 sec., il est facile d'obtenir électriquement une avance du flux de quelques degrés. Il est vrai qu'il faut considérer que les ampères-tours résultants doivent présenter une avance de phase encore plus grande, car le flux présente généralement un certain retard de phase par rapport à ces ampères-tours,par suite de pertes inévitables.
En plus du choix décrit pour les impédances Z1 et Z2, d'autres couplages connus sont encore possibles; pour certains cas d'application Z1 peut par exemple aussi être à capacité ou bien on peut donner à Z1 la forme d'un shunt et Z2 peut être à capacité ou à induction. D'autres montages en pont et d'au- tres montages analogues connus sont également possibles.
Tous les exemples représentés ont en commun cette carac- téristique que la force résultante agissant sur l'élément de couplage mobile présente une action d'avance par rapport au courant de couplage. Ceci permet d'obtenir pour les redresseurs interrupteurs ou commutateurs, conjoncteurs-disjoncteurs, etc.. de façon très simple, une commande synchrone telle que la cou- pure ait lieu un peu avant le passage du courant par zéro et que la distance entre les contacts soit déjà suffisamment gran- de au moment où le courant passe par zéro.
Toutefois, comme l'action d'avance existe aussi pour la mise en circuit, l'opé- ration de mise en ciecuit peut aussi être synchronisée,en par- ticulier pour les redresseurs, par exemple dans une phase don- née par rapport à la tension., Le fait qu'on n'a plus besoin
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d'appareils suplémentaires tels que des relais, des disposi- tifs de commande, etc. est avantageux pour l'application, ce qui a pour effet que ,la sureté du fonctionnement est augmentée d'autant et que les frais sont sensiblement réduits par rap- port aux dispositifs connus d'interruteurs ou de commutateurs synchrone et de redresseurs mécaniques.