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ELECTROM, résidant à NEUILLY SUR SEINE ( France )
PRCCEDE ET GROUPE d'ALIMENTATION AU SOL ET DE DEMARRAGE, NOTAMMENT POUR AVIONS
A TURBO-MACHINES OU A MOTEURS A PISTON.
(Inventeur : A. Vintenon)o
Les avions ** modernes sont équipés de nombreux auxiliaires élec- triques, tels que radio, radar, moteurs de pompes, dé compresseurs, etc..., en plus du démarrage électrique du ou des moteurs de propulsion.
L'alimentation du démarreur électrique, spécialement sur les avions munis de turbo-machines, présente des caractéristiques très différentes de cel- le des autres circuits. En effet, alors que ces derniers doivent être alimentés à tension constante et n'absorbent que de faibles puissances, le démarreur de- mande à lui seul une puissance deux à trois fois plus élevée que celle de tous les autres circuits réunis et, à cause même de sa fonction particulière, une régulation du courant absorbé pour éviter des pointes d'intensité incompati- bles-avec une bonne tenue électrique et mécanique du matériel.
Le groupe d'alimentation au sol et de démarrage doit donc avoir des caractéristiques permettant de satisfaire à ces conditions contradictoi- res ; la puissance du moteur d'entraînement de la dynamo doit être choisie pour assurer les débits élevés nécessités par le démarrage et la régulation de la dynamo doit être telle que la tension d'alimentation se maintienne con- stante à sa valeur nominale pour l'alimentation des circuits autres que celui du démarrage et, au contraire, qu'il lui soit substitué une régulation d'in- tensité pendant le démarrage.
Le moteur d'entrinement généralement à essence ou Diesel, doit pouvoir fournir la puissance nécessaire à la génératrice pendant le démarrage et, pour avoir un groupe d'un poids et d'un encombrement raisonnable, on est conduit à choisir un moteur susceptible de donner la puissance demandée à une vitesse voisine de sa vitesse maximum d'emploi, par exemple à 80 % de cet- te dernière, puisque le démarrage ne dure qu'un temps très court, de l'ordre de la demi-minute. En dehors du démarrage le moteur n'est utilisé qu'à puissan- ce réduite, mais la vitesse élevée imposée entraîne un mauvais rendement et une
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usure rapide.
La génératrice fournissant le courant à l'avion ne présente pas de difficultés particulières d'établissement pour un poids et un volume donné, les machines électriques supportant aisément des pointes de puissance très élevées quand elles sont de courte durée.
La régulation, par contre, est beaucoup moins facile à cause des caractéristiques particulières nécessaires pour une bonne alimenta- tion du démarreur. L'expérience a montré que cette dernière devait être faite à intensité constante et tension croissante pour assurer l'accé- lération dans les meilleures conditions du moteur à lancer, spécialement dans le cas des turbo-machines.
Il faut donc que, lors de la fermeture du contacteur d'alimen- ' tation du démarreur, une régulation d'intensité soit substituée à la régu- lation de tension et ceci presque instantanément, la résistance et la self- inductance du circuit de démarrage étant très faibles.
La disposition classique de contrôle de la tension et du courant de la dynamo par deux régulateurs, ne donne pas de bons résultats, tout au moins dans la période transitoire qui suit immédiatement la fermeture du contacteur du démarreur, et ceci à cause du coefficient de temps des régu- lateurs. En effet, le régulateur de tension qui était au point de réglage de la tension nominale doit s'effacer devant celui de courant qui au con- traire était au repos, puisque les puissances demandées pour les autres cir- cuits sont très inférieures à celles nécessaires au démarrage. Il en résulte une pointe d'intensité au début du démarrage, dangereuse pour le démarreur du moteur.
On a déjà songé à réaliser des dispositifs plus ou moins com- pliqués appelés à éviter ces inconvénients en agissant sur la constante de temps des régulateurs de tension et d'intensité. Mais ces dispositifs, outre la complication de leur conception et, par suite, le prix de revient élevé auquel ils conduisent, ne permettent pas d'assurer la suppression ab- solue de toutes ces imperfections.
En vue -le remédier à ces inconvénients, la présente invention a pour objet un procédé d'alimentation au sol et de démarrage, plus particu- lièrement pour avions à turbo-machines ou à moteurs à piston, à l'aide d'une génératrice de lancement entraînée par un moteur de lancement, procédé selon lequel, pendant l'alimentation au sol, on fait tourner le moteur de lancement à une vitesse plus basse que celle à laquelle il donne la puissance nécessai- re au démarrage et l'on maintient constante la tension du courant fourni par la génératrice, puis, au moment du démarrage, on fait tourner le moteur de lancement à la vitesse à laquelle il donne la puissance nécessaire au démar- rage, on maintient constante l'intensité du courant fourni par la génératrice à la valeur nécessaire au démarrage et,
lorsque la force contre électro- motrice du démarreur atteint la tension nominale, on règle la tension du courant fourni à cette première valeur constante de la tension. Le passage de la vitesse réduite à la vitesse de démarrage du moteur de lancement est fonction du passage de l'intensité du courant de ligne de la valeur d'ali- mentation à la valeur de démarrage.
L'invention a, en outre, pour objet un groupe d'alimentation au sol et de démarrage permettant la mise en oeuvre du procédé spécifié ci-des- sus, ce groupe étant constitué par un moteur de lancement à régulateur de vitesse à deux réglages accouplé à une génératrice de lancement, cette géné- ratrice étant associée à un ensemble de régulation comprenant un régulateur général insésé dans son circuit d'excitation, soumis à vide à l'action d'un régulateur pilote de tension, et, en charge, à l'action d'un régulateur pi- lote d'intensité puis à celle du régulateur pilote de tension, le régulateur de vitesse du moteur de lancement passant de l'une à l'autre de ses positions de réglage sous l'action d'une commande électrique assurée par un servo-mo- teur.
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Le régulateur de vitesse, suivant un mode avantageux de réali- sation, comprend un ressort susceptible d'être soumis à deux tensions diffé- rentes sous l'action d'un solénoïde dont le noyau plongeur agit sur le point fixe du ressort, ce colénoïde étant alimenté par la fermeture d'un circuit auxiliaire au moment de la fermeture du contacteur principal de démarrage du groupe. La fermeture du circuit auxiliaire d'alimentation du solénoïde peut être avantageusement réalisée par un relais d'intensité dont l'enroulement est en série sur la ligne et dont le contact alimente en se fermant la bobine du solénoïde, ce relais étant réglé pour rester ouvert tant que l'intensité du courant de ligne ne dépasse pas la valeur correspondant à la puissance con- tinue du groupe.
Lors du démarrage, ce relais alimente par sa fermeture la serve-commande du régulateur du moteur qui, en tendant le ressort de ce régu- lateur, augmente la vitesse de régime de ce moteur.
La génératrice est.. de préférence, à bobinage shunt ou légèrement compoundé, de telle sorte que- la vitesse de base du groupe, elle don- ne à plein champ l'intensité continue nécessaire, à la tension nominale.
L'ensemble de régulation comprend, suivant un mode avantageux de réalisation, un régulateur principal à pile de charbon commandé par deux régulateurs piLotes vibrants, l'un de tension à bobinage shunt branché auxbornes de la ligne, l'autre d'intensité à bobinage série parcouru par le courant de ligne. Le régulateur pilote de tension est réglé pour la tension nominale, celui d'intensité est réglé pour le courant à maintenir constant pendant le démarrage (2 à 3 fois l'intensité en régime continu). Le bobinage du régula- teur d'intensité peut être alimenté par un shunt . On peut ainsi avoir plu- sieurs réglages de l'intensité au moyen d'un commutateur qui branche l'en- roulement sur différentes prises du shunt ou encore insérer entre ce dernier et l'enroulement des résistances correspondant à différents réglages.
D'autre particularités de l'invention apparaîtront dans la des- cription qui va suivre, faite en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, et qui fera bien comprendre comment l'invention peut être mi- se en pratique, les particularités des dispositifs décrits faisant évidem- ment partie de l'invention.
La figure 1 est un schéma général d'un groupe d'alimentation et de démarrage conforme à l'invention, dans lequel le bobinage du régulateur d'intensité est alimenté par des résistances correspondant à différents ré- glages.
La figure 2 représente la position du ressort du régulateur du moteur de lancement, lors du démarrage.
La. figure 3 représente une variante d'une partie du schéma illus- tré à la figure 1, dans laquelle le bobinage du régulateur d'intensité est monté directement en ligne.
La figure 4 représente une deuxième variante d'une partie du sché- ma illustré à la figure 1, dans laquelle le bobinage du régulateur d'inten- sitéest alimenté par un shunt à prises multiples.
L'installation comporte un moteur thermique de lancement 1 relié mécaniquement à une génératrice de lancement 2. L'induit de cette dernière est monté en série sur un bobinage 3 de compoundage. L'inducteur 4 de la géné- ratrice 2 est relié directement à l'un de ses pôles et est relié à l'autre avec interposition de l'empilage de rondelles ou disques de charbon 5 formant régulateur principal. La compression ou la décompression de cet empilage 5 est assurée par l'armature 6 d'un électrq-aimant dont le bobinage 7 est branché en parallèle sur la génératrice 2 avec interposition d'une résistance 8 de ca- librage à prises multiples. Cette armature 6 est solidarisée avec un levier 74 pivotant autour du point 75 et assure à l'arrêt la compression de l'empi- lage 5 sous l'action d'un ressort 76.
L'action de compression et de décom- pression est régularisée par un dash-pot amortisseur 77.
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La résistance de calibrage 8 comporte deux prises d'alimentation 9 et 10 de régulateurs pilotes à vibreur, de tension et d'intensité. La pri- se 9 est reliée à un fil 11 qui aboutit à l'équipage vibrant 12 du régula- teur pilote d'intensité 13. Le contact fixe 13a du régulateur pilote d'in- tensité 13 est relié à un bobinage 13b d'accélération à l'ouverture, lui- même relié à son autre extrémité à un fil 14.
La prise 10 de la résistance de calibrage 8 est reliée par un fil 15 à l'équipage mobile vibrant 16 d'un régulateur pilote 17 de tension.
Le contact fixe 17a de ce régulateur est relié à l'une des extrémités du bo- binage 17b d'accélération à l'ouverture dont l'autre extrémité est reliée par un fil 18 à un fil 19 relié au fil 14 et à la ligne 20 de sortie de la génératrice 2.
La seconde ligne de sortie 21 de la génératrice 2 à laquelle est relié l'empilage 5 du régulateur principal est reliée par un fil 22 à la bobine d'utilisation 17c du régulateur pilote 17 de tension, l'autre ex- trémité de cette bobine d'utilisation 17c étant reliée à la ligne 20 avec interposition d'une résistance 23 et d'un rhéostat 24 de calibrage de la tension.
La ligne 21 de sortie de la génératrice 2 comporte un section- neur 25 à commande manuelle dont la sortie constituée par la ligne 26 abou- tit à un shunt 27. Sur ce shunt sont montés, d'une part, un ampèremètre 28 et, d'autre part, deux lignes 29 et 30. Sur ces lignes sont branchés deux fils 31 et 32 reliés aux extrémités du bobinage 33 d'un relais d'intensité.
Sur le fil 32 est branché un fil 34 qui aboutit à l'une des extrémités de la bobine d'utilisation 13c du régulateur pilote 13 d'intensité. L'autre extré- mité de cette bobine étant reliée à un rhéostat 35 à prises multiples dont le balai 36 est relié par un fil 37 à la ligne 30.
Le bobinage du relais d'intensité 33 est associé à un contact mo- bile 38 normalement ouvert et relié à un fil 39 aboutissant à la borne posi- tive d'une batterie 40 dont la borne négative est mise à la masse. Le contact fixe 41 du relais d'intensité est relié par un fil 42 à un bobinage 43 mis à la masse. Le noyau 44 associé au bobinage 43 est muni d'une collerette 45 servant de point fixe d'appui pour le ressort 46 d'un régulateur 47 entraîne par le moteur thermique 1.
Les lignes 29 et 30 servent à l'alimentation du bobinage série 48a d'un relais à retour de courant 48. D' autre part, la ligne principale au delà du shunt 27 se continue par une ligne 49 qui aboutit au contact fi- xe 50a d'un contacteur 50 principal de démarrage. En aval de ce contacteur principal 50 est branché un fil 51 branché sur la prise 78 de l'avion 82 reliée à la ligne 79 sur laquelle est interposé un interrupteur 80 dont le contact fixe 81 est relié au fil d'alimentation du démarreur 52 du type série du moteur thermique à lancer. Ce démarreur 52 est relié par un second fil 53 à la prise 83 de l'avion 82 sur laquelle est branchée la ligne 20.
Entre les lignes 79 et 53 est monté le circuit 84 servant à l'alimentation de service des auxiliaires 85, tels que radio, radar, moteurs de pompes, etc...
Le bobinage 50b du contacteur principal 50 est relié à l'une de ses extrémités par un fil 54 à la ligne 20. Son autre extrémité est re- liée par un fil 55 au contact fixe 56 d'un bouton poussoir 57 à ouverture dont l'autre contact fixe 58 est relié au contact fixe 59 d'un bouton pous- soir à fermeture 60. L'autre contact fixe 61 de ce bouton poussoir à ferme- ture 60 est relié par un fil 62 au contact mobile 63 du relais à retour de courant. Le contact fixe 64 de ce relais est relié par un fil 65 au fil.
55, tandis que son bobinage shunt 48b est relié, d'une part, à ce même fil 55 par un fil 66 et, d'autre part, au fil 54 par un fil 67, avec interpo- sition d'une résistance de calibrage 68. Un conducteur 69 relie le fil 26 aux contacts fixes 58 et 59. Un voltmètre 70 est, d'autre part, inséré en- tre la ligne 21 et le fil 19, tandis qu'une lampe signalisatrice 71 est montée entre le fil 51 et le fil 54.
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Le dispositif ainsi décrit fonctionne comme suit @
Le groupe étant en route, les lignes 51 et 20 branchées sur les prises 78 et 83 le contacteur 36 fermé, si l'on appuie sur le bou- ton poussoir 57, le bobinage 50b du contacteur principal 50 est excité par le circuit s ligne 21 - contacteur 25 - ligne 26 - fil 69 - contact
58 - bouton poussoir 57 - contact 56 - fil 55 - bobine 50b - fil 54 - ligne
20. Le contact mobile du contacteur principal se ferme, assurant ainsi 1 alimentation du démarreur.
En même temps, la bobine shunt 48a du relais à retour de courant montée en dérivation entre les fils 54 et 55 est exci- tée ainsi que sa bobine série 48a les champs de ces bobines étant additifs de telle sorte que le contact mobile 63 se ferme sur le contact fixe 64, assu- rant ainsi, lors du relâchement du bouton poussoir 57, l'alimentation de la bobine 50b du contacteur principal.
A ce moment, le moteur 1 tourne à la vitesse réduite imposée par la régulateur de vitesse en raison de la compression exercée sur le res- sort 36 par la collerette 45 du noyau 44. Cette vitesse est maintenue con- stante pour toutes les charges entre 0 et la puissance continue pour laquel- le le groupe a été établi. La tension de ligne est maintenue constante, à la valeur fixée par le rhéostat 24 de calibrage, par le régulateur pilote dé ten- sion 17 qui agit sur la bobine 7 du régulateur principal de façon que la com- pression exercée par son armature 6 sur la pile de charbon 5, donc la résis- tance de cette pile, soit telle que le courant inducteur de la dynamo donne à chaque instant la force électro-motrice nécessaire pour alimenter le cir- cuit 84 des auxiliaires 85.
Si le pilote ferme l'interrupteur 80 pour assurer le démarrage du ou des moteurs de l'avion 82, l'appel de courant engendré par la fermetu- re de cet interrupteur 80 a trois effets simultanés a) il fait tomber la tension de la dynamo 2 qui ne tourne pas assez vite pour donner un courant très élevé ; b) il fait agir le régulateur pilote d'intensité 13 qui court- circuite à la fréquence convenable la portion de résistance de calibrage 8 comprise entré le fil 20 et la prise 9, si bien que le courant dans la bobine 7 règle la compression de la pile de charbon 5 alimentant l'induc- teur 4 de la génératrice de façon telle que l'intensité du courant livré au démarreur 52 soit maintenue constante ;
c) il fait fermer le relais d'intensité de commande, dont la bo- bine 33 est excitée par le circuit ligne 30 - fil 31 - bobine 33 - fil 32 - ligne 29.
Le contact mobile 38 se ferme sur le contact fixe 41 et le solé- noide 43 se trouve excité par le courant venant de la batterie 40. Il at- tire le noyau 44 dont la collerette 45 entraîne l'extrémité du ressort 46 liée à elle, ce qui assure une augmentation de la tension de ce ressort et, par suite, un nouveau réglage du régulateur de vitesse 47 permettant au mo- teur thermique 1 d'atteindre un régime plus élevé.
La vitesse du moteur thermique 1 commence tout d'abord par dé- croître sous l'appel de puissance de la dynamo 2 ce qui, joint à la réaction d'induit de cette dernière, limite le courant instantané, l'excitation shunt étant elle-même réduite par l'action du régulateur pilote d'intensité 13.Puis le régulateur de vitesse agit à son tour, et, comme son ressort 46 est plus tendu par l'action de la servo-commande, la vitesse du moteur thermique croit jusqu'à atteindre celle du régime de démarrage. L'intensité du courant dé- bité par la génératrice 2 est maintenue constante par le régulateur pilote d'intensité 13 jusqu'à ce que la force contre électro-motrice du démarreur 52 atteigne la tension nominale.
Au cours de l'accélération, la croissance de cette force contre électro- motrice du démarreur 52 aurait tendance à fai- re baisser l'intensité, mais le régulateur 13 agit sur la pile de charbon 5 pour maintenir cette intensité constante.
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Lorsque la force contre électro-motrice du démarreur atteint la tension nominale, le régulateur de tension 17 entre en action et limite la possibilité de compression de la pile de charbon 5, grâce aux court- circuits périodiques à la fréquence convenable de la section de la résis- tance de calibrage 8 comprise entre la prise 10 et la ligne 20. A partir du moment où la tension finale est atteinte le démarrage peut se poursui- vre à intensité décroissante.
La réaction d'induit de la dynamo 2 à bobinage shunt ou légère- ment compoundé étant sensiblement instantanée limite d'elle-même l'appel de courant et donne aux régulateurs pilote 13 et 17 le temps d'agir, la con- stante de temps de ces régulateurs à pilote vibrants étant très faible.Cet effet est encore accentué par la réaction naturelle du moteur thermique 1 qui ne peut, maintenir sa vitesse sous un appel brusque de couple. Le régi- me d'intensité étant établi au bout d'un temps très court, de l'ordre de 1/5 ou 1/6 de seconde, et la tension de ligne étant tombée au tiers ou à la moitié de sa valeur initiale, la reprise du moteur thermique 1 s'effec- tue normalement, la puissance instantanée prise à ce moment étant voisine de celle du régime à la vitesse de base.
Au moment de l'antrainement de la turbo-machine par le démar- reur 52 la génératrice de l'avion 82 se trouve entraînée à son tour et si, comme le plus souvent, cette génératrice est constituée par un dynastart, elle débite un courant en sens inverse du courant fourni par la généra- trice 2 dans le circuit 84 d'alimentation des auxiliaires 85. Pour éviter un tel débit de courant en sens inverse, un relais d'intensité est normale- ment prévu sur l'avion. Mais il peut arriver que ce relais d'intensité ne fonctionne pas.
Dans ce cas, la bobine série 48a du relais à retour de courant 48 se trouve alimentée en sens inverse et l'action soustractive du champ ainsi engendré sur le champ engendré par la bobine shunt 48b a pour effet d'entraîner l'ouverture du contact mobile 63 et, par suite, la désexcitaticn de la bobine 50b du contacteur principal 50, ce qui cou- pe l'alimentation du démarreur 52.
Cette alimentation peut aussi être coupée, lorsqu'aucun retour de courant ne s'est produit, en appuyant sur le bouton poussoir 60.
Dans la pratique, un tel groupe de démarrage peut être branché sur tous les démarreurs existants. Il suffit pour déterminer l'intensité constante à adopter que le bilan thermique des pertes dans le démarreur soit le même que lorsqu'il est alimenté à tension constante. Comme les pertes sont dues pour leur plus grande partie aux pertes Joule dans les bobinages du dé- marreur, il suffit d'intégrer la courbe déduite de la courbe représentative de la variation de l'intensité en fonction du temps pendant un démarrage nor- mal à tension constante, pour trouver l'intensité constante qui donne dans le même temps total les mêmes pertes Joule.
L'augmentation de puissance n'est pas cbtenue aux dépens du démar- reur dont l'échauffement reste le même, voire même moindre.
Le fonctionnement du démarreur est facilité par l'absence des fortes pointes d'intensité. Les dégradations du collecteur du démarreur et des équipages mobiles de liaison sont supprimées, étant donné que la puissance cruitde facon régulière. En outre, le démarreur fonctionne moins longtemps puis- que, la vitesse augmentant plus rapidement, l'allumage du réacteur est obte- nue plus vite. Dans la réalité, on pourrait encore augmenter les contraintes thermiques du démarreur et adopter une intensité constante plus élevée permet- tant de réduire encore en conséquence le temps de démarrage.
Le groupe de démarrage comprend avantageusement un moteur thermi- que à explosions accouplé élastiquement à une génératrice à ventilation for- cée, l'ensemble étant monté sur un châssis qui comporte également un tableau de contrôle de réglage, un réservoir à carburant et une batterie auxiliaire de démarrage pour le moteur de lancement.
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Il est à remarquer que ce groupe peut être utilisé de façon va- riée, selon que le mqteur à lancer accélère vite ou lentement dans des con- ditions différentes de température ou d'altitude. L'auto-régulation par le démarreur lui-même conjugué au pilote d'intensité et de tension abouti- ra toujours aux mêmes résultats.
La bobine de compensation du relais d'intensité 13 peut être montée directement dans la ligne de sortie de la génératrice 2 ainsi que représenté en 13f à la figure 3. Cette bobine 13e peut aussi être alimen- tée directement par un shunt 27e ainsi que représenté à la figure 4, plu- sieurs réglages de l'intensité étant obtenus au moyen d'un commutateur
72 qui branche l'enroulement 13e sur différentes prises 73 du shunt 27e
Il est bien évident que, sans sortir du cadre de l'invention, des modifications pourraient être apportées aux dispositifs décrits. En particulier, le régulateur de vitesse du moteur thermique pourrait être constitué par un carburateur dont l'alimentation serait réglée par un dis- positif dont le fonctionnement dépendrait de la tension d'un ressort jouant le rôle du ressort 46.