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"SYSTEMES DE REGULATION ET DE MESURE"
Il existe différentssystèmes de oompoundage, ainsi que de régulation de vitesse ou de mesure de calage angulaire, basés soit sur la variation de courants d'excitation de machines ré- gulatrices, soit sur le déplacement de balais sur des collec- teurs. Ces systèmes présentent l'inconvénient bien connu de faire intervenir les constantes de temps d'enroulements d'exci- tation, ou bien l'inertie des contacts ou d'autres organes mobiles à déplacer, ainsi que le frottement des balais etc...; d'autre part, ils peuvent être influencés fortement par la @ température.
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La présente invention, système P.LETRILLIART et J.BICHET, qui a pour objet d'éliminer prat iquement ces inconvénients, est essentiellement basée sur l'application du décalage angulaire du champ magnétique que l'on obtient d'une façon appropriée dans un changeur de fréquence.
Conformément à l'invention, un changeur de fréquence, cons- titué comme le rotor de commutatrice et comportant un collecteur et des bagues est entraîné en sens inverse du champ produit par la source qui alimente ces bagues. Lorsqu'un tel rotor, compte tenu de sa polarité, est ainsi entraîné rigoureusement à la vitesse de ce champ, mais en sens inverse, le dit champ s'immo- bilise dans le stator, et la machine se comporte sensiblement comme une génératrice à courant continu dont l'excitation est constante; dans le cas d'un déplacement angulaire du champ, la tension aux balais varie comme dans une machine à courant con- tinu dont on décale 'les . balais sur le collecteur; si le champ tourne dans l'espace, il apparait aux dits balais une tension alternative dont la valeur moyenne n'est pas nulle.
On installe donc un tel changeur de fréquence de façon à ce que les variations de la grandeur à régler ou à mesurer provoquent des changements de sa vitesse de rotation, ou du calage angulaire de son champ, ou bien de la fréquence qui lui est fournie, et ces changements font apparaître, entre les balais du collecteur, des'variât ions de la tension continue, qu'on utilise de diverses façons pour effectuer les réglages ou les mesures dé- sirées.
Les dessins annexés représentent schématiquement quelques exemples de réalisation de l'invention.
Sur la fig. 1, on voit le moteur Il à courant continu dont il s'agit de régler ou de stabiliser la vitesse. Il entraine le changeur de fréquence 0 pourvu du collecteur c et des bagues b. Le stator de la machine 0 n'a pas été représenté. Les bagues b sont alimentées par un petit alternateur auxiliaire A entrainé par un moteur N qui peut être à courant cont inu.
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L'enroulement E d'excitation du moteur M est relié en série avec les balais du collecteur c et alimenté par la ligne B à courant continu. Les moteurs M et N sont alimentés par la ligne L comme représenté;
La vitesse du moteur N est choisie ou réglée de telle fa- çon que la fréquence produite par l'alternateur A assure, pour le réglage désiré du moteur M, l'immobilité du champ magnétique qui apparaît dans le stator du changeur de fréquence 0.
Cette immobilité n'est obtenue que pour une certaine vites- se du moteur M, et si pour une cause quelconque cette vitesse tend à varier, il se produit sans retard un décalage angulaire correspondant du champ statorique de la machine 0 qui modifie immédiatement la tension aux balais sur le collecteur c et cette modification corrige dans le sens voulu le courant d'exci- tation qui traverse l'enroulement E du moteur M.
Les polarités du changeur de fréquence 0 et de l'alterna- teur auxiliaire A peuvent être choisies de façon à réaliser des machines économiques; le changeur de fréquence 0 peut être pour- vu d'un enroulement de compensation et au besoin d'enroulement de commutation; son rotor peut être réalisé à un ou à deux enrou- lements et d'autres modifications ou améliorations peuvent être apportées au schéma décrit plus haut qui peut être utilisé pour la stabilisation ou pour le réglage de la vitesse du moteur M.
Suivant la forme de réalisation schématisme sur la fig.2, le changeur de fréquence C peut être monté en survolteur-dévol- teur dans le circuit d'excitation de la génératrice G d'un groupe Léonard GM. Ce circuit qui comporte l'enroulement d'ex- citation E est alimenté en série avec les balais du collecteur c, par le potentiomètre P relié à la ligne L à courant conti- nu.
Le moteur ? du groupe, quipeut avoir une excitation fixe, non représentée, entraîne convenablement le changeur de fréquence 0, analogue à celui de la fig. 1, mais branché de façon à agir
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sur l'excitation de la génératrice G en fonction de la char. ge du moteur M.
Au lieu d'être relié à l'enroulement E, comme représenta le changeur 0 pourrait agir indépendamment sur un enroulement auxiliaire d'excitation.
Dans les schémas des figures 1 et 2, le moteur N peut être un moteur approprié à courant alternatif.
L'invention peut être appliquée non seulement au réglage de machines à courant continu, mais aussi au compoundage de moteurs synchrones ou d'alternateurs, et cela notamment en fonction du décalage angulaire de leurs rotors par rapport au champ tournant. Une telle forme de réalisation est représentée, à titre d'exemple, sur la fig.3.
Le changeur de fréquence 0 est monté en bout d'arbre de la machine synchrone Mi. Ses bagues b sont alimentées par la ligne polyphasée D à laquelle est reliée la dite machine synchrone, tandis que les balais de son collecteur c sont insérés, par l'intermédiaire des bagues m1 dans le circuit d'excitation de la machine M1 alimenté par là ligne L. Le changeur 0 pourrait aussi alimenter directement les bagues m1.
En cas d'un écart angulaire quelconque du rotor de Mi par rapport à son champ tournant, il se produit immédiatement une variation correspondante dans le dit circuit d'excitation pour assurer le compoundage nécessaire, les balais du changeur 0 é- tant convenablement calée.
Ce schéma peut être modifié de diverses façons. En parti- culier, la machine synchrone Mi et le changeur de fréquence C peuvent être combinés en une seule machine à la façon d'un moteur asynchrone auto-compensé; dans le cas d'alternateur, le changeur de fréquence peut être monté en dévolteur dans l'excita- tion (directement ou indirectement) pour remédier aux baisses accidentelles de tension ; peut également le combiner d'une façon appropriée avec des selfs saturables ou d'autres disposi- tifs connus sensibles à la tension.
D'une façon générale,
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le changeur de fréquence peut agir sur l'excitation indirec- tement, par exemple par l'intermédiaire d'une ou plusieurs exoi- tatrices ou par l'intermédiaire de systèmes appropriés d'ampli- ficateurs comportant des tubes à décharge etc.
Dans le cas où le décalage angulaire du rotor d'un chan- geur de fréquence par rapport à son champ statorique doit être utilisé non pas pour oompounder une maohine, mais pour effectuer d'autres commandes ou réglage, tels que par exemple la commande de relais ou le réglage d'une turbine, on peut mesurer ce décala- ge très facilement et avec une grande précision.
Il suffit pour cela par exemple de caler convenablement les balais sur le collecteur dans une position telle qu'à l'ori- gine, la tension entre ces balais soit sensiblement nulle et qu'elle présente des valeurs croissantes en fonction de l'écart angulaire par rapport à cette position. Cette simple disposition peut donc être appliquée en particulier pour mesurer les décalages angulaires d'inducteurs de machines synchrones.
Au lieu de produire des variations de la tension continue du changeur de fréquence par changement de sa vitesse ou de son calage angulaire, on peut également les produire par des écarts de la fréquence à laquelle on alimente ses bagues. Cela permet d'appliquer la présente invention de diverses autres façons.
Les exemples de réalisation donnés ci-dessus sont basés sur l'application d'une machine auxiliaire agencée en changeur de fréquence, calée directement sur l'arbre de la machine principale (qui peut être un moteur à courant continu, un alternateur, un moteur synchrone eto.) et comportant un champ fixe dans l'espace.
Dans le cas particulier du moteur à courant continu d'un groupe WARD-LEONARD, les moyens envisagés précédemment permettent de commander et de stabiliser sa vitesse, mais pas dans des li- mites très étendues et notamment pas jusqu'à l'arrêt complet.
Cette limitation est due à la baisse de la tension maxima que l'on fait apparaître au collecteur de la machine auxiliaire lorsque sa vitesse et sa fréquence diminuent trop -fortement.
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L'objet de la présente invention est également de réali- ser des systèmes de réglage analogues dans lesquels la valeur maxima de cette tension continue reste sensiblement indépen- dante de la vitesse du moteur à régler, ce qui permet de dis- poser toujours d'un courant d'excitation convenable dans l'en- roulement du moteur ou de la génératrice du groupe principal, quelle que soit la vitesse du moteur réglé. D'autre part, l'in- vention permet notamment d'obtenir un réglage en fonction de la course effectuée.
Ces résultats sont obtenus par l'application de deux changeurs de fréquence au lieu d'un seul, ces deux machines auxiliaires étant interconnectées électriquement et présentant des polarités convenables.
L'une de ces machines est accouplée mécaniquement au moteur à régler et l'autre est entrainée par un moteur-pilote de telle façon que leurs vitesses varient en sens inverse en fonction de la vitesse de la machine commandée et suivant une loi appropriée telle qu'il apparaisse toujours une tension con- tinue (fréquence nulle) au collecteur de la seconde machine au- xiliaire. En particulier, lorsque le moteur à régler est à l'ar- rit complet, la dite tension oontinue est encore à fréquence nulle, à condition que le deuxième changeur de fréquence soit alors entrainé par le moteur-pilote à la vitesse de synchronie- me par rapport à une fréquence de référence.
On peut imposer aux variations de cette tension oonti- nue une loi appropriée quelconque et l'utiliser pour divers réglages, oompoundages ou mesures.
Une réalisation pratique de l'invention peut être par exemple conforme à la fig. 4 des dessins annexés. Sur oette fi- gure on voit le groupe comportant la génératrice G et le mo- teur M à courant continu dont il s'agit de régler la vitesse, de 0 à 750 t/m. par exemple, par variation de la tension.
Au bout d'arbre du moteur M est aooouplée la première maohine auxiliaire constituée par le changeur de fréquenoe Ai
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qui comporte par exemple p - 4 pôles et dont les bagues a' qont alimentées en triphasé par la source S à une fréquence constante f, égale à 50 pér./seo. par exemple. La fréquence f doit être de préférence sensiblement supérieure à la fréquen- ce f1 qui correspondrait au synchronisme de la machine A1 à sa vitesse maxima, c'est à dire à 750 t/m. Dans l'exemple choi- si, étant donné que la machine A1 est à 4 pôles, cette fréquence de synchronisme fuserait de 25 pér./seo. à 750 t/m., de sorte que la condition ci-dessus est bien réalisée.
Aux balais a qui sont montés sur le collecteur de la machine A1' on recueille la fréquence f' qui diminue à mesure que la vitesse de M augmente : quand le moteur M est à l'arrêt, f'= 50 per./sec. et quand il tourne à 750 t/m., f' = 25 pér./sec, le glissement de la machine A1 étant de 50%.
Cette fréquence variable f' est transmise aux bagues auxiliaire c' de la deuxième machine C qui est également un changeur de fréquence ou une commutatrice à 2p' pôles, et qui est entrainée par un moteur N qu'on appellera moteur-pilote. Pour une certaine vitesse N2 du moteur-pilote, la fréquence recueillie par les ba- lais o (qui sont montés sur le collecteur de la machine C) devient nulle, c'est à dire que ces balais recueillent une tension oonti- nue.
On peut démontrer que cette vitesse N2 est déterminée par la formule : p'N2 + pN1 = 60 f. ou p' est le nombre de paires'de pôles de la machine C, p le nombre de paires de p8es de la machine A1' NI. le nombre de tours/m. du moteur M et f la fréquence de la souroé S.'
En admettant que p'= p - 2 par exemple, on obtient pour Ni - 0 (moteur M à l'arrêt ) N2 = 1500 t/m; pour N1 = 375 t/m.
(moteur M à 50% de vitesse) N2 1125 t/m.; pour Ni - 750 t/m.
(moteur M à pleine vitesse ) N2 = 750 t/m.
On voit que dans ce cas particulier, N1 + N2 - NS' où NS est la vitesse de synchronisme des changeurs de fréquence pour la fréquenoe d'alimentation f.
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La tension continue qui apparait entre les balais .9. lorsque les vitesses N1 et N2 des machines M et N sont conformes à la formule ci-dessus; peut'être utilisée pour alimenter par exemple l'enroulement E3 de la génératrice G qui ooopère d'une façon appropriée quelconque aveo les enroulements E1 et Eg Si la vitesse du moteur M tend à s'écarter de celle pour laquelle la fréquenoe aux balais .9. est nulle , le champ dans la machine C tourne d'un certain angle dans un sens ou dans l'autre, la tension continue aux balais c varie, et le courant I reçu par le moteur M varie également de façon à rétablir la vitesse oor- recte.
Contrairement à la forme de réalisation représentée fig.2, le mode de réglage qui vient d'être décrit oonserve sa plei- ne efficacité aux vitesses les plus faibles et nome à l'arrêt complet du moteur M. En effet, on a vu plus haut qu'il suffit de faire tourner le moteur-pilote N à la vitesse synchrone de la machine C, c'est à dire, dans l'exemple considéré, à 1500 t/m., pour que le moteur M soit immobilisé :il peut alors apparaître aux bornes de l'enroulement E3 une tension continue appropriée qui assure cette immobilisation.
Pour obtenir avec certitude l'arrêt de la machine M, il suffit donc d'imposer au deuxième changeur de fréquenoe C la vitesse de synchronisme par rapport à la fréquence f.A cet effets on peut par exemple utiliser un moteur-pilote N du type asynchrone à bagues, alimenté à la fréquenoe f et agencé pour que sa vitesse synchrone soit la même que celle de la machine C pour cette fréquence; il suffit alors d'injecter dans oe moteur à la manière bien connue du courant continu pour le synchroniser; la fig. 4 représente schématique ment un tel circuit-de synchro- nisation P1 à courant continu.
On peut également donner au moteur-pilote N la forme d'un moteur shunt à double jeu de balais de polarité convenable, et il suffit de croiser deux phases entre le rotor et le stator d'un tel moteur pour obtenir le synohronisme.
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Les fig. 5 et 6 représentent schématiquement ce mode de synchronisation. Sur la fig. 5 on voit le schéma d'un moteur
EMI9.1
connu de ce genre. S est la source d t alimenta tion, 111 Jl .Q. et JI! , n' o' les deux jeux de balaie, s3 les enroulements stato- riques.
Lorsque la vitesse d'un tel moteur est approximative- ment égale à celle du synchronisme, le champ produit par le ro- tor tend à s'immobiliser dans l'espace, et pour le fixer défi- nitivement, on établit les connexions suivant la fig.6, en croi- sant les connexions de deux phases statoriques, par exemple de s2 et s3' et en reliant entre elles les autres extrémités des trois phases, comme représenté, oe qui a pour effet de faire cir- culer dans le stator un courant continu; le moteur N fonctionne comme un moteur synchrone et la machine auxiliaire C est égale- ment- entraînée à sa vitesse de synchronisme par rapport à la fréquence f' provenant de la machine A..
On pourrait encore utiliser comme moteur-pilote une machine genre oommutatrioe comportant 2 p' pôles qui fonction- nerait normalement en moteur à courant continu, et à laquelle on imposerait la vitesse de synchronisme en appliquant la fréquence f à ses bagues, suivant la fig.7. Il serait d'ailleurs loisible d'employer tout autre dispositif assurant le synchronisme de la machine C.
Il est à noter que ces modes de commande d'arrêt du moteur principal M par la mise au synchronisme de la machine 0 sont indépendants de la fréquence de la source S et de ses va- riations possibles, lorsque le moteur-pilote N est alimenté par la même source que les bagues de la machine A1.
Ce dispositif pourra être utilisé pour le réglage des machines d'extraction, laminoirs, moteurs de levage, machines d'imprimerie, papeterie etc. En particulier, lorsque le moteur M entraine des machines d'extraction, des appareils de levage etc.. dont la course doit être réglée avec précision, le système représenté sur la fig. 4 (ou ses variantes) peut être adapté
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pour que le moteur M effectué un nombre déterminé de tours avant de s'arrêter. Dans ce cas, le moteur-pilote N doit effectuer un nombre déterminé de tours par rapport à son champ tournant d'a- limentation, car la vitesse Ni du moteur )[ est proportionnelle au glissement de la machine N.
N1 - p' NS2 gn, NS2 étant la vitesse de synchronisme du moteur N; gn le glissement'de ce moteur.
Un tel résultat peut être obtenu, dans le cas de comman- de à distance, par un asservissement approprié contenant un dis- positif sensible au glissement de N et agencé pour fermer le cir- cuit de synchronisation après un certain nombre de périodes du courant rotorique. Ce dispositif peut, par exemple, consister sui- vant la fig. 8 en un moteur synchrone E'recevant la fréquence de glissement gn et qui ferme le circuit de synchronisation après avoir effectué un certain nombre de tours.
On peut encore utiliser suivant la fig.9 un moteur F dont le stator sera alimenté par la fréquence f, le rotor par la fréquence f' (ou inversement) et qui fermera également au bout d'un certain nombre de tours un dispositif ou circuit de synchro- nisation.
L'invention permet également d'obtenir un résultat analo- gue à celui de "l'arbre électrique" en oourant alternatif et pour- rait être utilisée pour le réglage du calage angulaire d'un systè- me quelconque. Par exemple, à l'arrêt, on modifiera le courant passant dans l'enroulement En de la fig. 4 : tension appliquée au moteur M variera et ce moteur aura tendance à tourner. Il y aura alors modification de l'écart angulaire entre le champ et les balais sur la machine C (tournant au synchronisme) d'où modifi- cation du courant parcourant E3 et immobilisation du moteur il pour un calage angulaire différent de ce qu'il était primitive- ment .
Il pourra se trouver des cas où pour assurer une bonne stabilité, un certain statisme devra être introduit dans le systè- me. Ce statisme pourra être créé de plusieurs façons différentes que l'on pourra utiliser séparément ou simultanément.
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On pourra par exemple plaoer sur le stator de la ma- chine 0 un enroulement fermé sur des résistances réglables ou parcouru par un courant déterminé ; le champ orée par cet en- roulement aura, en outre, pour effet d'amortir efficacement les oscillations du système et d'imposer une position origine au champ général de la machine C. On pourrait également, moyennant une disposition convenable de cet enroulement, le connecter aux balais du collecteur c directement ou par l'intermédiaire de résistances.
Le statisme pourrait encore être obtenu par un compoun- dage convenable du moteur-pilote N, par exemple en agissant sur sa fréquence d'alimentation, ou sur les organes qui commandent sa vitesse ; onpourrait égaleront agir sur la fréquence f de la source S.
Dans certains cas, il peut être utile de régler ou oom- pounder la tension fournie aux bagues a' du changeur de fréquence A1 en fonction du courant qui traversera le moteur M à régler. A cet effet on peut appliquer tous dispositifs appropriés tels que relais, réactances, transformateurs, transducteurs, régulateurs d'induction, etc..
D'autre part, pour parer aux cas de marche anormale pou- vant amener le décrochage du système de régulation décrit plus haut, on peut appliquer des dispositifs mécaniques ou électriques destinés à éviter le passage du courant alternatif dans les enrou- lements d'excitation de la génératrice G du moteur M.
Quelles que soient les applications de l'invention, on comprend que les réglages ou les mesures qu'elle permet de réaliser s'effectuent très rapidement et avec-,des moyens simples, efficaces et robustes, contrairement aux systèmes connus dont les inconvé- nients ont été signalés dans le préambule.