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"MACHINES A COLLECTEUR A COURANT ALTERNATIF"
La présente invention est relative à des perfectionne- ments apportés aux moteurs ou génératrices à collecteur, prévus pour le courant alternatif ; concerne plus particulièrement les moyens de commutation de ces machines.
On sait que les machines de ce genre utilisent pour la commutation, le procédé classique du pôle de commutation.Si ce procédé est théoriquement parfait pour une machine à courant conti nu, il est par principe impropre à la machine à courant alternatif pour la raison suivante :
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Le pôle de commutation induit dans la section en commu- tation, du fait de son mouvement relatif, une f.e.m. proportion- nelle à la vitesse et au courant, tandis qu'en courant alterna- tif, il faut en plus une composante dite statique, proportion- nelle au courant, mais indépendante de la vitesse.
Il en résulte, d'une part que le courant coupé par le balai en fin de commutation, ne peut être nul que pour une seule vitesse, et d'autre part, qu'il circule dans la section en com- mutation et dans le balai, un courant parasite particulièrement intense aux faibles vitesses.
Ces inconvénients sont d'autant plus marqués que la fréquence du courant est plus élevée.
Pour remédier partiellement à ces imperfections de prin- cipe, on est obligé de réduire la fréquence et la tension de la machine, donc d'adopter de grande collecteurs et un grand nombre de balais, et cela d'autant plus que la fréquence est élevée.
Cet expédient, quelqu'imparfaits qu'en soient les résul- tats, a une conséquence particulièrement désastreuse en traction monophasée, on la longueur de la machine est limitée par l'écar- tement des roues, de sorte que pratiquement sa puissance unitaire est à peu près en raison inverse de la fréquence.
On a proposé de faciliter la commutation de moteurs à collecteur par l'emploi de balais subdivisés en deux parties.
Marcel DEPREZ a suggéré vers 1902 de créer entre ces deux parties une f. e.m. alternative et Marius LATOUR suggéra en 1903 de les réunir par une résistance. Ces moyens se sont révélés insuffi- sants, et la présente invention, système L.HEIDMANN, a pour objet une nouvelle méthode de commutation, qui reprend ces moyens en les complétant et développant, de façon à éviter les inconvénients signalés plus haut.
Cette méthode consiste essentiellement à fermer le circuit de la section mobile en commutation, section qui est à ce moment le siège d'une f.e.m. induite par le pôle de la machine, sur une section ou sur un enroulement fixe dans l'espace dans lequel
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on développe une deuxième f.e.m. Les deux f. e.m. sont telles que leur somme géométrique soit très faible ou nulle, ou bien qu'elle présente toutes valeurs appropriées.
Afin de réduire le courant de circulation parasite qui apparaît dans ladite section fixe et dans le balai au moment ou cette section est mise en court circuit, l'invention préconise l'application de résistances ou de réactances appro- priées tandis que la commutation de la section fixe est réali- sée avec le concours d'une capacité appropriée, les dites résistances, réactances et capacités étant de préférence dis- posées en dehors.de l'induit.
La mise en oeuvre de ce procédé s'effectue avec l'ap- plication de balais subdivisés mentionnés plus haut, qui coo- pèrent avec un collecteur d'un type nouveau dont certaines lames sont en retrait.
En solutionnant d'une façon très complète le problème de commutation, le procédé de l'invention permet notamment de réaliser les avantages suivants :
On obtient des collecteurs à volume réduit et par conséquent des machines dont l'encombrement est comparable à celui des machines à courant continu.
Les résistances ou réactances, convenablement dis- posées, permettent de réduire l'importance des pôles de commu- tation.
Les résistances, réactances et capacités, appliquées conformément à l'invention , ainsi que les sections fixes dans l'espace et destinées à faciliter la commutation, peuvent être disposées en dehors de la machine proprement dite.
On peut utiliser des tensions du même ordre qu'en courant continu.
Dans ces conditions, on peut réaliser, à encombrement égal, des puissances unitaires aussi élevées qu'en courant con- tinu.
On comprendra mieux les autres caractéristiques et
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les avantages de l'invention, en se reportant aux dessins anne-. xés qui représentent quelques exemples de réalisation. Sur ces dessins la fig.l est un schéma de principe, la fig.2 un schéma explicatif, la fig. 3 représente un enroulement multiple, les fig. 4 à 6 montrent l'agencement du collecteur, la fig.7 la structure d'un balai et les fig. 8 à 13 sont des variantes.
La fig.l représente schématiquement l'application de l'invention à un induit bobiné en imbriqué, avec une spire par section par exemple. Les lames 1 et 2 du collecteur reliées à la section G sont séparées par un intervalle égal par exemple à deux lames intermédiaires (y compris les interlames corres- pondants). Chaque balais est constitué par deux demi-balais BA et BB isolés l'un de l'autre et agencés de façon telle que : - le balai complet B BB puisse toucher deux lames à la fois, mais pas trois; - chaque demi-balai puisse se placer entre deux lames voisines 1 et 2, sans les toucher; - les deux demi-balais BABB puissent être mis en court circuit par une lame du collecteur.
Les deux demi-balais BA et BB sont réunis par une spire S fixe dans l'eapace et embrassant un circuit magnétique D' dans lequel est engendré un flux qui peut être égal et syn- chrone au flux du pôle D du moteur..
La f.em. induite dans la section G, peut être égale et opposée à la f. e.m. qui est engendrée dans S par le flux de D'. Cette égalité des deux f.e.m. opposées ne constitue qu'un cas particulier d'application de l'invention.
D'une façon plus générale, le flux qui traverse la spire S peut avoir une valeur et une phase telles que la f.e.m. résultante, ainsi que le courant résultant présentent des pâleurs appropriées et varient d'une façon appropriée.
Le circuit magnétique D' peut être constitué par le fixe pôle D du moteur ou de la génératrice. La spire/S peut comporter une résistance H; une capacité C est branchée entre les demi-
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balais BA BB.
En plus du pôle D', on peut disposer à l'intérieur de la spire S un deuxième pôle M, dont le rôle sera exposé plus bas.
L'inductance de fuite de la spire S est de préférence négligeable devant R, qui est elle-même négligeable devant 1/WC.
Pour le sens de déplacement relatif du balai double vers la droite suivant la flche F', le départ du courant se fait à droite en A.
Si le moteur change de sens, ce départ se fait en A' et un commu- tateur approprié peut être prévu à cet effet.
Les figures 2a à 2g qui représentent plusieurs positions successives du balai double par rapport aux lames 1 et 2 du col- lecteur, permettant d'analyser les diverses étapes de la commu- tation de la spire fixe S et de la spire mobile G.
Sur la figure 2a, seul le demi-balai BB est en contact avec le collecteur : le courant d'induit I passe entièrement par la branche de droite de la spire S, sans traverser la résistance R. Une f.e.m. E est induite dans la spire S qui est fermée par la capacité C; la spire mobile G n'est pas encore en commutation.
Sur la figure 2b, les demi-balais BA et BB sont mis en court-circuit par la lame 1; la capacité C se décharge. L'énergie de décharge est dépensée dans ces deux demi-balais au moment de l'établissement du court-circuit et elle se répartit au prorata de leurs résistances respectives à ce moment : elle se manifestera donc presqu'entièrement dans BA.
Toutefois, si on dispose des résistances ri et r2 comme l'indique le dessin, une partie appropriée de cette énergie est dissipée dans ces deux résistances. On peut se contenter d'une seule résistance r1. Au lieu de brancher ces résistances comme représenté, on peut également en disposer une à côté de la capacité C, comme l'indiquent les traits interrompus.
La spire S débite le courant J engendré par la f.e.m. E induite par le flux alternatif du circuit magnétique D'. Ce cou- rant de court-circuit, limité par R, passe par les deux demi- balais. Le courant I de l'induit continue à passer entièrement par la branche de droite de la spire S, sans traverser la résis-
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tance R; il est déphasé/par rapport au courant J.
Sur la figure 2c, le demi-balai BB quitte la lame i. Le courant égal à la somme géométrique de J et de I est coupé entre 1 et BB avec le secours de la capacité C qui se charge, et le courant I passe de la branche de droite à la branche de gauche de la spire S. Entre les demi-balais BA et BB apparaît la tension résultant de la f.e.m. statique, induite par le flux de D', et de la chute de tension R. I (en négligeant la réluctance de fuite de la demi-spire fixe). Ces deux composantes de la tension sont déphasées l'une par rapport à l'autre.
Sans la présence de la capacité C, cette interruption des courants J et I, accompagnée de l'apparition de la tension ci-dessus, provoquerait un arc entre BA et BB. La capacité C est à choisir assez grande pour que cet arc de rupture soit nul ou négligeable; elle doit d'autre part être telle que l'éner- gie de décharge ne soit pas excessive.
Sur les figures 2d, 2e et 2f, le balai double réunit les lames 1 et 2 : spire mobile G entre en commutation.Son circuit est fermé par la spire S avec sa résistance R, sa capa- cité C et avec sa f. e.m. statique qui peut être approximativement égale et opposée à la f. e.m. engendrée en G. Il en résulte que la spire mobile ne débite au travers des balais qu'une partie du courant négligeable de la capacité C.
On voit donc que la difficulté, due à la présence d'une tension statique dans la spire en commutation, difficulté qui est propre à toutes les machines à courant alternatif, est éliminée.
D'autre part, le courant I de l'induit est transféré de la branche BA A vers la branche BBA de la spire S et, dans la spire G, le courant! se retourne de H G F vers F G H. Cela
2 revient à dire qu'à l'état initial se superpose, dans l'ensemble des deux spires, un courant I dans le sens A F G H A.
C'est en cela'que consiste la commutation.
La production du courant I peut être, comme dans les machines normales à courant continu, l'effet des pôles de com- mutation. Mais dans l'agencement représenté, la résistance R y
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contribue d'une façon très efficace, à tel point que dans certains cas, les pôles de commutation pourraient être suppri- més.
Pour résumer, la commutation de la section fixe S qui s'effectue de la position 2a à la position 2c, de la figure 2, est obtenue sans étincelles nuisibles par le moyen de la capacité C, tandis que la résistance R limite le courant de court-circuit dans cette section : la commutation de la section mobile G qui s'effectue de la position 2o à la position 2g, est obtenue dans les mêmes conditions par le moyen de la résistance R et éven- tuellement du pôle de commutation.
On voit donc que l'application des moyens de l'inven- tion permet d'obtenir les résultats suivants : le collecteur fonctionne sans étincelles, comme sur une machine à courant continu; la machine peut éventuellement se passer de pôles de commutation.
Il est à noter que dans la disposition qui vient d'être décrite, le collecteur est mal utilisé en circonférence, puisqu'il comporte, dans l'exemple considéré, 2/3 de vides sur sa périphérie.
Ce défaut peut être supprimé en superposant sur la machine plusieurs bobinages séparés. Dans l'exemple considéré, la machine comportera, suivant la figure 3, trois bobinages G G et G , décalés l'un par rapport à l'autre d'un tiers de
2 3 pas de collecteur; les lames correspondantes sont imbriquées comme le représente cette figure 3.
La disposition ainsi réalisée présente en outre l'avan- tage de placer aux côtés de la spire mobile G1 en fin de commu- tation (dans la position de la figure 2g) une'autre spire G2 qui sera en position de la figure 2e, c'est à dire en circuit fermé par sa propre spire 32 : la coupure du courant en fin de commutation en sera ainsi facilitée.
Ces trois bobinages complètement indépendants peuvent être alimentés par trois sources distinctes, constituées par exemple par trois secondaires d'un transformateur. De la sorte,
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leur équilibre est réalise sans artifice de connexions équipo- tentielles ; ces dernières peuvent être réservées, comme d'habi- tude à l'équilibrage des circuits parallèles de chaque enroule- ment. Pour fixer le potentiel relatif de chaque enroulement, on peut par exemple réunir entre eux des points du transformateur, choisis de telle façon que les potentiels des lames s'échelon- nent régulièrement.
Chaque enroulement d'induit doit être commuté par un jeu séparé de balais double, et pour que ces jeux de balais puissent agir d'une façon sélective, on peut donner aux lames du collecteur les formes schématisées sur les figures 4 à 6.
Les lames C1 de la figure 4 peuvent être découpées de façon à coopérer uniquement avec les balais B1 de l'enroulement G1, tandis que leurs parties qui passent sous'les balais B2 et B3, destinés aux enroulements G2 et G3, sont disposées en retrait et éventuellement recouvertes par les pièces isolantes il*
De même, les lames .On de la figure 5 peuvent être dé- coupées de façon à coopérer uniquement avec les balais B2 de l'enroulement G2, leurs autres parties disposées en retrait étant éventuellement isolées par les pièces 12. Les lames 03 de la figure 6, reliées à l'enroulement G3, coopèrent uniquement avec les balais B3 etc...
On peut également assurer le bon glissement des balais sur le collecteur en les constituant par exemple suivant la figure 7 où le balai double proprement dit est formé par les deux demi- balais BA et BB auxquels le courant est amené par les conducteurs souples Ni et N2. Ces demi-balais sont réunis mécaniquement, mais isolés électriquement l'un de l'autre, et on fixe de chaque côté un ou plusieurs balais postiches P, isolés l'un de l'autre; chacun d'eux est moins large que le creux entre deux lames 1, 2, 3, etc.... du collecteur.
On obtient ainsi un ensemble de six balais par exemple, isolés l'un de l'autre et assemblés par un boulon isolant M, ou
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par tout autre moyen approprié. Cet ensemble porte a tout moment sur quatre lames du collecteur au moins.
Comme il a été indiqué plus haut, seuls les balais BA et BB sont actifs; les autres ne servent que de guidage méca- nique et ne sont parcourus par aucun courant. Le porte-balais serait avantageusement réalisé en type dit "à chien"; il peut être entièrement métallique grâce à la présence des balais pos- tiches isolés.
Les dispositions qu'on vient de décrire peuvent être modifiées de plusieurs façons. On peut par exemple, prévoir plusieurs variantes des résistances supplémentaires r1 et r2 de la figure 1. Comme il a été dit plus haut, elle permettent de décharger le condensateur C par l'intermédiaire de la résis- tance ri + r2 et de diminuer en conséquence l'énergie dissipée dans les balais. La résistance ri de gauche,doit être de pré- férence suffisamment faible pour'que le courant I + J y dévelop- pe une tension assez basse afin de ne pas gêner la coupure de ce courant par BB.
Au lieu de choisir r1 = r2, ce qui présente l'avan- tage de la symétrie, on peut avoir r1 = 0, ce qui donne l'avan- tage du courant limité, sans l'inconvénient de la coupure plus difficile entre balais et lames. Maisétant donné que cette dis- position est dissymétrique,il faut, suivant le sens de marche, placer cette résistance unique tantôt à droite, tantôt à gauche.
Si la résistance est assez élevée, elle nuit à la bonne commutation de la spire G, mais on peut y remédier en in- duisant dans la spire S, une f.e.m. additionnelle appropriée au moyen d'un flux additionnel du circuit magnétique M représenté sur la figure 1. Ce flux additionnel peut être produit par exemple par le courant I convenablement déphasé, tandis que le flux D'est produit par le courant d'excitation. Dans le cas de moteurs série, les circuits magnétiques D' et M peuvent être réunis en un seul et excités par le courant de la machine, conve- nablement déphasé.
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L'excitation du pöle D de la machine et celle du cir- cuit magnétique D' peuvent également être obtenues par un courant indépendant de I, tout en gardant tous les avantages de l'inven- tion. Il en résulte que l'invention peut s'appliquer à des machines à excitation indépendante, shunt ou compound, aussi bien qu'à des machines à excitation série. En particulier, les moteurs série peuvent, moyennant une excitation indépendante, fonctionner en récupération.
La capacité C peut être constituée par plusieurs éléments dont certains peuvent être reliés aux bornes de la résistance R de la figure 1.
Comme on l'a vu plus haut, le condensateur C est mis en court-circuit par la lame i dans la position représentée sur la fig.2b. L'étincelle qui se produit à ce moment, est amortie par des résistances, mais ces résistances interviennent également au cours de la charge du condensateur, ce qui réduit son effica- cité. On peut éviter cet inconvénient par une disposition repré- sentée sur les fig. 8 à 12, où la charge du condensateur C se fait sans résistances, c'est-à-dire avec le maximum d'efficacité pour la suppression d'étincelles de rupture aux balais, tandis que sa décharge s'effectue en série avec une résistance appro- priée qui amortit le courant de court-circuit et réduit suffisam- ment l'étincelle correspondante.
Comme le représentent les figures 8 à 12, on dispose à cet effet à côté des balais BA et BB, des balais auxiliaires ba et bb. Les connexions de ces balais auxiliaires sont conformes à la fig.8 et leur position sur le collecteur, à la fig.12. Les fig. 9 à il montrent les positions successives des balais par rapport aux lames 1 et 2.
Entre les balais auxiliaires ba et bb, on branche une résistance r et les contacts fixes d'un commutateur M' dont le contact mobile à deux positions est relié à une borne de la ca- pacité C; l'autre borne de cette dernière est reliée à un com- mutateur N, comme représenté, de façon à brancher le condensateur au conducteur actif de droite ou de gauche de la spire fixe S, suivant le sens de rotation du moteur. La connexion de départ en bas de la fig.8, également reliée suivant le sens de rotation du
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moteur à l'une des extrémités de la résistance R, passe par un commutateur 0. Les positions représentées des commutateurs M' N et 0 correspondent au sens de rotation indiqué par la flèche F'.
Dans la position des balais qui correspond à la fig.8, le condensateur C est en court-circuit, donc déchargé, car les balais ba et BB sont en contact avec la lame 1,
Quand les balais arrivent à la position de la fig. 9,1e mourant est coupé entre la lame 1 et le balai BB; l'étincelle de coupure entre ces deux pièces est shuntée par le condensateur C qui est directement relié, d'une part, au balai b , c'est-à- a dire à la lame 1, et d'autre part, au balai BB, de sorte que la tension de rupture produit la charge directe de ce condensateur.
On voit que la résistance r n'intervient pas pendant cette charge qui se fait d'une façon brusque et très efficace en sup- primant l'étincelle de rupture entre 1 et BB.
Lorsque la position de la fig. 10 est atteinte, la lame 2 ferme le contact entre BB et bb. Le courant i de décharge du condensateur C passe suivant les flèches par le circuit M', r, bb,2, BB, N : il est donc réduit par la résistance r qui peut avoir une valeur suffisamment élevée pour amortir l'étincelle de fermeture.
La fig. 11 représente la position équivalente à celle de la fig.8 : dans cette position lorsque le balai ba atteint la lame 2, la décharge du condensateur C est complétée par un court-circuit franc.
De ce qui vient d'être exposé, on conçoit que la charge du condensateur C s'effectue en un seul temps et sans interven- tion de la résistance r, tandis que sa décharge se fait en deux temps : d'abord en série avec r (fig.10) et ensuite par court- circuit (fig.11). Il en résulte que les étincelles de commuta- tion sont pratiquement supprimées.
Lorsque le moteur doit tourner en sens inverse, les commutateurs L'il, N et 0 sont tous les trois mis dans les posi- tions opposées, l'ensemble étant symétrique.
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La figure 13représente schématiquement un autre moyen visant à la suppression de l'étincelle qui se produit lorsque le condensateur C se décharge au moment de la mise en court-circuit fixe de la spire/S par une lame du collecteur.
Sur cette figure, on voit un dispositif à décharge L qui est branché aux bornes du condensateur C. Ce dispositif peut être constitué par un tube diode avec électrodes froides disposées dans un gaz raréfié, ou par des tubes triodes du type thyratron ou ignitron, ou bien encore par d'autres dispositifs à décharge appropriés.
Quelle que soit sa nature, le dispositif L doit se carac- tériser par le fait que la tension maxima apparaissant aux bornes du condensateur C n'est pas suffisante pour l'amorcer. L'amor- çage du dispositif L doit pouvoir être effectué très rapidement, au moment opportun, par un dispositif d'amorçage E à fonction- nement pratiquement instantané. Une fois amorcé, le dispositif L doit pouvoir supporter des forts courants de courte durée..Il doit enfin s'éteindre lorsqu'il est mis en court-circuit par interconnexion des balais BA et BB.
Dans le cas où le dispositif à décharge L est un tube diode, le dispositif d'amorçage E peut avoir la forme d'un géné- rateur d'impulsions à front raide, transmises par les connexions k et suffisantes pour amorcer la décharge entre les électrodes du dispositif L. Ces impulsions peuvent être provoquées par un petit balai-pilote p au moment où il arrive en contact avec une lame du collecteur.
Dans ce cas, des réactances L' et L" sont intercalées entre le tube L et le condensateur C, de façon à former des obstacles au passage des ondes à front raide vers le condensa- teur C. Ces réactances pourront avoir une valeur très faible.
En supposant que les lames 1, 2, 3, etc...du collecteur se déplacent dans le sens de la flèche m et que, dans la posi- tion représentée, le condensateur C est chargé, on voit que le balai-pilote p est placé pour établir un contact avec la lame 2 avant le demi-balai BA, c'est-à-dire avant la mise du condenA sateur C et de la spire S en court-circuit.Dès que le balai-pilote p
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entre en contact avec 2, il/envoie par le fil n une faible im- pulsion de commande audispositif E; ce dernier engendre immédia- tement une impulsion de commande à front raide qui est transmise par les connexions k pour amorcer la décharge dans L.
Il en résulte qu'au moment suivant ou BA et BB sont mis en court-circuit par la lame 2, le condensateur C est suffi- samment déchargé,de sorte qu'aucune étincelle n'apparait sur les balais.
Le court-circuit des demi-balais BA et BB a également pour effet de faire cesser la décharge dans L, si cette décharge avait tendance à se prolonger sous une faible tension.
Afin de localiser et d'évacuer facilement la chaleur qui est dégagée au cours des décharges du condensateur C, on peut, le cas échéant, mettre en série avec le ou les dispositifs L une résistance appropriée.
Dans le cas où l'on fait appel à des triodes, le dis- positif L peut être constitué par deux tubes thyratrons, igni- trons etc...montés en parallèle, mais en sens inverse, de façon à laisser passer le courant dans les deux sens; l'agencement et la commande de ces tubes peuvent alors être sensiblement analogues à ceux utilisés dans les machines à souder commandées par tubes.
Comme on le sait, ces machines fonctionnent avec de très forts courants, et avec une précision remar quable. Le dispositif E peut être dans ce cas un simple transformateur de grille avec des ca- ractéristiques appropriées.
En ce qui concerne l'emplacement des divers éléments décrits plus haut, il est à noter que les spires ou enroulements fixes S peuvent être disposés totalement ou en partie sur le stator de la machine, ou extérieurement. Les capacités et résis- ou réactances tances/peuvent être montées entièrement ou partiellement en dehors de la machine proprement dite. Les circuits magnétiques D' et M peuvent être communs à toutes les spires ou enroulements S de la machine .
Une analyse plus détaillée des phénomènes de commuta-
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tion montre que la présente du flux M et de la résistance R permet de réaliser une commutation aussi bonne qu'en continu, sans faite appel à la résistance propre des balais : ceux-ci peuvent donc être à faible résistance, ce qui permet d'augmenter leur charge .
Il est à noter que l'invention et ses variantes s'appli- quent, non seulement aux machines monophasées, mais aussi aux machines polyphasées à collecteur.