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- SYSTEME PERFECTIONNE DE COMTROLE ELECTRIQUE ...
La. présente invention concerne un système de contrôle électrique pour machines dynamoélectriques et, en particulier, un système de contrôle auto- matique pour moteurs électriques de traction.
Pendant le fonctionnement de ces derniers, il est souvent nécessaire de modifier leurs connexions, suivant la vitesse atteinte par le véhicule. Il est avantageux que ces changements se produisent automatiquement, plutôt que par commande manuelle,et, autrefois, on a utilisé dans ce but des régulateurs centri- fuges et des génératrices tachymétriques.
Les régulateurs centrifuges présentent l'inconvénient d'être com- pliqués et sujets à des défauts mécaniques. Jusqi'ici, ltusage des génératrices
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tachymétriques a subi certaines limitations, du fait de l'augmentation habituelle- ment faible de la grandeur de contrôle (tension, courant ou fréquence) avec les variations de vitesse du véhicule.
Linvention a pour objet un dispositif sensible à la vitesse et dont la réponse est caractérisée par des augmentations rapides de la grandeur de contrôle.
Ce dispositif comporte un système de relais sensibles fonctionnant dans des limites étroites, mais précises, entre la fermeture et l'ouverture de chacun de ces relais sensibles, disposés de manière à fonctionner suivant des caractéristiques différentes de réponses non linéaires, dont chacune a une pente rapide au moment de la fermeture et au moment de l'ouverture de ces relais, ainsi qu'entre ces deux moments.
Selon l'invention, on utilise, par exemple, sur une locomotive, un appareil de contrôle sensible à la fréquence, qui réalise automatiquement le shuntage des inducteurs, les changements de connexions des moteurs, la protection contre les sur- vitesses, et produit certains signaux avertisseurs. Le système sensible de relais utilisé à cet effet est essentiellement robuste et n'est nullement affecté par les vibrations, les chocs ou les manipulations brutales.
D'une manière générale, les moyens utilisés dans l'exemple représenté sur le dessin et suivant la description qui suit, comportent plusieurs dispositifs de contrôle sensibles à la fréquence, (appelés ci-après "contrôleur"), alimentés par une génératrice tachymétrique accouplée à un essieu du véhicule, comme, par exemple, une locomotive Diesel électrique.
Chaque contrôleur utilise un circuit à résonance non linéaire et un filtre comprenant une ou plusieurs bobines de réactance et un ou plusieurs condensateurs, afin de faire résonner un signal d'entrée et lui donner une valeur suffisamment c grande pour qu'il actionne un relais sensible et provoque une variation rapide de la génératrice tachymétrique, dans la gamme de fréquences désirée. Des précautions spéciales sont aussi prises pour que la valeur correspondant à l'ouverture de chaque relais, soit assez voisine de la valeur correspondant à sa fermeture.
On va décrire un exemple, donné à titre non limitatif, de mise en oeuvre de l'invention en se référant aux dessins annexés.
Les dispositions de réalisation qui seront décrites à propos de cet exemple devront être considérées comme faisant partie de l'invention, étant entendu que toutes dispositions équivalentes pourront aussi bien être utilisées sans sortir du cadre de celle-ci.
La figure 1 du dessin représente le schéma d'un système électrique comprenant
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une génératrice tachymétrique alimentant des contrôleurs, pour la commande des quatre moteurs d'un véhicule,et pour d'autres appareils.
La figure 2 représente des courbes montrant comment la tension appliquée à chacun des relais sensibles de la figure 1, est affectée par la fréquence de sortie de la génératrice tachymétrique.
La figure 3 représente une série de courbes montrant comment la caractéristique de sortie d'un seul des relais est modifiée, afin de faire la correction correspondant à des variations du diamètre des roues du véhicule.
En se reportant figure 1, on voit que 10 représente la génératrice tachymé- trique entraînée par un essieu (non représenté) d'une locomotive Diesel-électrique.
De préférence, cette génératrice a un inducteur tournant, constitué par un aimant permanent, et le courant produit est recueilli sur les enroulements statoriques, de sorte qu'il est inutile d'utiliser de balais. Une telle génératrice tachymétrique a une tension de sortie dont l'amplitude et la fréquence varient suivant la vitesse de la locomotive. Cette tension de signal est appliquée à des connexions 11 & 12 @ pour alimenter quatre circuits de contrôle.
Chacun de ces circuits comporte un relais sensible à courant continu, tel que 13a. Pour rendre plus précis le signal appliqué auxrelais tels que 13a, pour les diverses fréquences critiques, le signal passe, pour chaque relais, dans un circuit à résonance non linéaire et dans un filtre, comportant un condensateur tel que 15a et une réactance variable, telle que 17a. Cette dernière est, de préférence, à noyau fermé. Si on le désire, on peut ajouter à ce réseau une réactance additionnelle 14a représentée dans le circuit du premier contrôleur, ou un condensateur 25c , repré- senté dans le circuit du troisième contrôleur. La réactance 14a peut être à noyau ouvert ou fermé, suivant les caractéristiques désirées pour le circuit à résonance non linéaire.
Pour chacun des quatre circuits contrôleurs, le signal est reçu du filtre correspondant et est appliqué à un redresseur pour les deux alternances 16, par exemple du type au sélénium. Le courant de sortie du redresseur est filtré au moyen d'un condensateur 18 et alimente la bobine d'un relais sensible 13a. Une résistance réglable 19 peut être utilisée pour contrôler la valeur pour laquelle le relais s'ouvre, comme on le verra ci-après.
Une source séparée d'énergie, telle qu'une batterie, produit une tension en courant continu, entre les fils 20 & 21, qui, par une prise correspondant à cha- cun des relais sensibles, alimentent la bobine d'un relais de commande 22, lorsque
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le relais sensible correspondant est excité. Un contact normalement fermé du relais 22 court-circuite la résistance réglable 19, de telle sorte que ce rhéostat ntagit que sur le point d'ouverture du relais sensible 13a, et n'agit pas sur le point pour lequel ce relais se ferme.
Le deuxième contrôleur est sensiblement le même que le premier, et les éléments semblables portent, en général, les mêmes références. La valeur du condensateur 15b peut être différente de celle du condensateur 15a, ou bien la réactance variable 17b peut avoir une valeur différente de celle de la réactance variable 17a, etc... Les relais principaux de commande 22 & 23 peuvent être semblables; on leur a donné une référence différente pour faciliter le tracé de leurs circuits respectifs.
Le schéma du circuit du troisième contrôleur est sensiblement le même que celui du premier contrôleur, mats on remarquera que le troisième circuit accordé n'a pas de réactance additionnelle en série 14a, comme le premier contrôleur, mais qu'il contient un condensateur additionnel 25c, en série avec la réactance variable 17c, de manière que ces deux éléments en série soient reliés en parallèle sur l'en- trée du redresseur. En outre, ce circuit ne possède pas les dispositif d'accord pour l'ouverture constituée par le rhéostat 19 des deux premiers contrôleurs. Toute- fois, le circuit du troisième contrôleur fonctionne de manière semblable à celle dé- crite ci-dessus, en vue d'alimenter la bobine du relais de commande 24.
De manière analogue, 1 énergie arrivant au quatrième redresseur 16, passe dans un filtre comportant un condensateur 15d et l'ensemble (réactance variable 17d - condensateur 25d), l'énergie à la sortie étant filtrée par un condensateur 18. Tou- tefois, le quatrième contrôleur a deux relais sensibles. L'un d'eux 26, dont la bobine est en série avec une réactance variable 27, est équilibré pour alimenter le circuit d'une source sonore d'alarme 28.
L'autre relais 29, dont la bobine comporte en série une résistance variable 30, sert à alimenter un relais de commande 31, qui peut couper l'inducteur 32 d'une génératrice principale 33, que l'on peut supposer être entraînée à vitesse sensiblement constante, par le Diesel, Le relais 31 peut aussi ouvrir le circuit d'induit de la génératrice 33 et freiner le véhicule en désexcitant les solénoïdes 34 de suppression des freins.
En fonctionnement normal, le Diesel entraîne l'induit de la génératrice princi- pale 33 à une vitesse sensiblement constante. Le relais sensible 29 est désexcité à tout inctant, sauf lors de survitesse excessive, de telle sorte que, normalement, le contacteur 31 est excité, et de l'énergie est fournie aux moteurs principaux de
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traction 1, 2, 3 & 4, ainsi qu'aux appareils associés, tel que le solénoïde 34 de suppression des freins. Lorsque ce solénoïde est excité, les freins ne sont pas serrés.
Chacun des quatre moteurs 1, 2, 3 & 4 est muni d'un induit ordinaire à collecteur et d'un inducteur en série 35. Chacun de ceux-ci est muni d'une résistance de shuntage 36, pour permettre le fonctionnement à vitesse élevée, pour des champs inducteurs faibles. Le circuit de l'induit, de l'inducteur série et de la résistance shunt de chaque moteur, est connecté avec les contacts des relais de commande 22, 23 & 24, comme représenté figure 1, afin de réaliser les conditions suivantes de fonc- tionnement : -a- Aucun des relais sensibles n'étant excité, les moteurs 1 & 2 sont en série aux bornes de la ligne, et sont en parallèle avec les moteurs 3 & 4 qui, éga- lement en série, sont branchés sur la ligne ; résistances de shuntage des inducteurs série sont hors circuit;
-b- lorsque le relais sensible 13a est excité et que, par conséquent, le relais de commande 22 est excité, les moteurs fonctionnent de la même manière, mais les résistances shuntent les inducteurs série, pour affaiblir le champ de chaque moteur; -c - lorsque le relais sensible 13b est excité et que, par conséquent)' le relais de commande 23 est excité, tous les moteurs sont en parallèle sur la ligne, les résistances de shuntage des inducteurs série étant hors circuit; -d- lorsque le relais sensible 13c est excité et que, par conséquent, le relais de commande 24 est excité, les quatre moteurs sont tous en parallèle aux bornes de la ligne, les inducteurs série étanthuntés pour affaiblir le champ, en vue d'obtenir la plus grande vitesse de fonctionnement de chaque moteur;
-e lorsque le relais sensible 26 est excité, le signal sonore d'alarme 28 fonctionne et avertit que la locomotive a atteint une vitesse inférieure de, par exemple, 10 kms à l'heure, à la vitesse maxima pour laquelle le relais sensible 29 fonctionne, pour couper l'inducteur de la génératrice principale, couper le circuit d'induit de cette génératrice en supprimant toute énergie aux quatre moteurs de traction, et pour désexciter le solénoïde 54 de suppression des freins, ce qui fait fonctionner ces derniers et arrête le véhicule.
On voit, sur la figure 1, que le relais de commande 23 comporte des contacts agissant de telle sorte, dans le circuit de l'intucteur 32 de la génératrice principa- @
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...le 33,que la tension est supprimée aux bornes des moteurs de traction pendant que l'on passe du groupement en série aroupement en parallèle. Un contact 23t est normalement fermé quand le relais 23 est désexcité, et un contact normalement ouvert 23t' agit au bout d'un certain temps afin de réalimenter l'inducteur 32 après l'avoir un instant coupé pendant le court intervalle de temps qui s'écoule entre ses deux positions, pendant le changement du groupement des moteurs.
En fonctionnement inverse, les contacts 23t' s'ouvrent instantanément et les contacts 23t ne se ferment qu'au bout d'un certain temps, de sorte que l'inducteur est coupé pendant le court intervalle de temps nécessité pour le regroupement des moteurs en série.
En réalité, bien entendu, les relais de commande 22, 23 & 24 peuvent ne commande que le fonctionnement de contacteurs plus puissants, au lieu de commander eux-mêmes les forts courants des circuits des moteurs, comme on l'a représenté figurer, pour plus de simplicité.
En se reportant figure 2, on voit une famille de courbes représentant la tension (ordonnées) en fonction de la fréquence (abcisses) en hertz. La droite 50 repré- sente la tension alternative de sortie de la génératrice tachymétrique, qui a, bien entendu, une fréquence et une tension nulles lorsque le véhicule est arrêté; sa tension et sa fréquence augmentent lorsque le véhicule prend des vitesses crois-* santes. La courbe 51 représente la caractéristique de la tension continue aux bornes d'entrée du premier relais sensible 13a, telle qu'elle est déterminée par le circuit résonnant non linéaire comprenant la réactance 14a, le condensateur 15a et la réactance réglable 17a, pout l'une de ses positions.
Sur cette courbe, le point 51p est le point pour lequel le relais sensible 13a se ferme lors de fré- quences croissantes, et le point 51d est le point pour lequel le relais s'ouvre lors de fréquences décroissantes, c'est-à-dire pour un certain réglage de la résis- tance d'ouverture 19.
La courbe 52 représente la tension sur le deuxième relais sensible 13b, telle que déterminée par le deuxième circuit résonnant non linéaire, comprenant la réac- tance 14b, le condensateur 15b et la réactance réglable 17b, pour l'un de ses réglages. Sur cette courbe, le point 52p est le point pour lequel le relais sen- sible 13b se ferme et le point 52d est le point auquel le relais s'ouvre.
La courbe 53 représente la tension appliquée au troisième relais sensible 13c, telle qu'elle est déterminée par le troisième circuit résonnant non linéaire,
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comprenant le condensateur 15c, le condensateur 25c et la réactance réglable 17c pour l'un de ses réglages. Sur cette courbe, le point 53p est le point pour lequel le relais sensible 13c se ferme, et le point 53d est celui pour lequel le relais s'ouvre.
La courbe 54 représente la tension vers les relais restants, et leurs résis tances, telle que déterminée par le quatrième circuit résonnant non linéaire, corne prenant le condensateurs 15d, le condensateur 25d et la réactance variable 17d, pour l'un de ses réglages. Sur cette courbe, le points 54p est celui pour lequel le re- lais sensible 26 se ferme (pour un certain réglage de la résistance 27), le point 54p' est le point ponr lequel le relais 29 se ferme (pour un certain réglage de la résistance 30) et le point 54d représente l'ouverture du relais 26.
Dans chaque cas, le relais sensible considéré est prévu pour se fermer et s'ouvrir dans une partie fortement inclinée de la courbe correspondante, de telle sorte qu'il se produit une amplification considérable de la variation de tension, par rapport à la variation de fréquence, aux points de fonctionnement du relais.
Ceci a pour conséquence qu'il y a très peu de probabilité pour un mauvais fonc- tionnement, éventuellement dû à des vibrations ou à du pompage. Lorsque la fré- quence d'excitation fournie à l'un quelconque des relais augmente, il n'y a prati- quement aucune réponse jusqu'à ce qu'on atteigne un certain point critique; à ce moment, il y a une très grande augmentation dans les effets magnétiques (due à une tension rapidement croissante), à cause de la caractéristique non linéaire de réponse, de telle sorte que le relais se ferme et reste fermé, pour une certaine fréquence, cest-à-dire une certaine vitesse du véhicule.
Dans la figure 3, on a représenta une série de courbes caractéristiques du quatrième circuit résonnant non linéaire, sujet à étre réglé de manière à compenser le diamètre variable des roues du véhicule. La courbe 44 correspond à la tension désirable, pour des roues de 1m,117, et ainsi de suite jusqu'à la courbe 39 correspondant à la tension nécessaire pour des roues de Om,990.
Ainsi, par le réglage de la réactance variable 17d, convenablement calibrée en fonction du diamètre des roues, la réponse des relais associés peut toujours être prévue pour correspondre aux mêmes vitesses du véhicule en km/heure.
On sait que, lorsque les frein? sont brusquement appliqués sur un véhicule sur rail, comme une locomotive, les roues peuvent présenter des plats, ce qui nécessite un tournage rigoêureux des roues à l'atelier. Avec le temps, ce tour- nage répété peut entraîner 'un chanegement dans le diamètre des roues, qui peut @
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atteindre 150 m/m sur une locomotive moderne. Un réglage au moyen de la réactance variable 17d est avantageux pour compenser une telle variation de diamètre des roues fixées à l'essieu entraînant la génératrice tachymétrique.
Lorsque le circuit de contrôle décrit ci-dessus fonctionne, chacun des cir- cuits résonnants non linéaires forme un réseau sélectif pour la fréquence, afin de produire une augmentation rapide de tension pour la fréquence sur laquelle il est accordé, et cette tension est ensuite redressée pour alimenter le relais sensible associé. Le choix des valeurs appropriées pour les réactances et les capacités permet de déplacer la réponse à la fréquence, sur une gamme étendue, de telle sorte que le changement automatique de groupement des moteurs principaux de traction se fasse en fonction de toute vitesse désirée quelconque de la locomotive.
Comme les circuits sélectifs de fréquence font résonner le signal à son arrivée, le relais sensible considéreput fonctionner, même si la tension de la génératrice tachmé- trique est plus faible que celle qui serait autrement nécessaire pour actionner ce relais.
On voit, en outre, sur la figure 2, que tous les relais sensibles (peut- être à l'exception du dernier) peuvent être semblables, puisqu'ils se ferment à la même tension et s'ouvrent à la même tension. On remarquera également que la gamme de fréquences, entre la fermeture et l'ouverture de chaque relais, peut être rendue très étroite, pour donner lieu à uri fonctionnement très précis et hautement sélec- tif, du fait de la rapide augmentation de la tension pour une faible variation du signal à l'entrée, dans chaque gamme désirée de fréquences.
L'excitation ou la désexcitâtion des relais sensibles ne dépend absolument que des relations électriques spéciales existant entre la génératrice tachymétri- que et les circuits des filtres. On remarque, d'après la figure 2, que la réson- nance produite dans chacun des circuits résonnants non linéaires, lors d'une ten- sion de sortie croissante de ladite génératrice, n'est non seulement pas linéaaire mais aussi sensiblement sans pointe de résonance.
Ctest-à-dire que, lorsque la fréquence augmente, la tension augmente rapidement dans la gamme dans laquelle on désire que le relais fonctionne, mais il n'y a pas sensiblement de pointe réelle dans la caractéristique, de telle sorte qu'une augmentation ultérieure de la fré- quence ne produira pas une tension inférieure aux tensions de fonctionnement de la bobine du relais.