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SYSTEME REGUlATEUR DE VITESSE POUR M#.:u# BLEC'1'RIQUB.
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SOCI81'B DITE - HOR'1'B AIOEUCAU ROCIQ1SLL C03dPORATION.
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Cette invention concerne un ayateme de commande de -f..i:8-. et plus particulièrement un ay.u.. de aoslanàe de vitesse pour sachinasàynamo-6lectriques dont on peut faire varier le COGp18 moteur avec précision.
La pr'sent8 invention concerna un système de ooorancjt de vitesse pour eachfns dynamo-électrique comportant des 8Droal8a8Dta de champ, des eDrOUl888Dts de stator. la aysta88 de commande de vitesse comprenant s un moyen ootMMtateur associé à la sac dynamo-6lectrique et asservi au mouvement âu rotor de la -àioe dynao-électrique et produisant un signal de sortie oorrasponàant, et un moyen convertisseur asservi audit signal de sortie du commutateur et 8WOyant un premier signal de sortie -par.
aux enruuleme-a de champ et un second signal de aortie séparé aux enroulements de atator afin que ledit prêter signal de sortie engendre une onde magnétique de champ et que ledit second signal de sortie engendre une onde magnétique de stator, ladite onde magnétique de champ et ladite onde magnétique de atator étant séparées par un angle de déphasage prédéterminé et sélectivement variable afin qu'un effort mécanique contrôlé soit développé par la machine dynamo-électrique.
La présente invention concerne également un système de commande de vitesse pour machine dynamo-électrique comportant des enroulements
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de champ et des enroulements de stator, le système às ossaade de vitesse comprenant : un moyen à signal de commande asservi à un signal d'entrée sélectif de régulation de vitesse et produisant un signal de sortie de régulation de vitesse correspondant, un moyen convertisseur de fréquence asservi audit signal de sortie de régulation de vitesse et produisant un premier signal de sortie correspondant, un moyen d' alimentation asservi audit premier signal de sortie produisant un signal de sortie d'alimentation correspon- dant, et un moyen commutateur associé à la machine dynamo-élec- trique et asservi audit signal de sortie d'alimentation,
ledit moyen commutateur étant en outre asservi à la vitesse et à la position du rotor de la machine dynamo-électrique et produisant un signal de sortie, ledit moyen convertisseur de fréquence étant en outre asservi audit signal de sortie du moyen commutateur et
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envoyant un second signal de sortie aux enroulectents de champ et un troisième signal de sortie aux enroulements de stator de sorte que ledit second signal de sortie engendre une onde magnétique de champ et que ledit troisième signal de sortie engendre une onde
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meguétique de stator,, ladite ordo -de -Chue et ladite onde
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megnetane de stator étant adp 6 par un angle de d6pba..,.
"1act:t.. -A. nriab18 afiD qu'wa eOoft mécanique développé par lemedhine 4.r 17 "--6lectrique au dgDe1 d'entrée de régulation de rih888.
L8 8Y8UII8 deooemende de vitesse de le présente invention facilitait imul d'un couple variable sur une plage de vitesses 6t. 811a. d8 86m a ltt<M<Mt<MtXiMle, el: ptr8Itt un coot:z818 précis de la vitesse de travail d'mte machine cJyD8mo- 61ecUique 8Q&" #ate la plage de vitesses tont sa pMOMtttMtmM varistion pmgz8881". de la vitesse de la machine. la systèmes pe=&.4. également le c16velop. ¯'!nt d'.m couple de cM8arrage élevé aux conditions de démarrage et une puissance eesentiellement c=B- tente sur toute la plage de vite..... il est également très efficace et @ fiable.
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Les carai8t.icu... et: les avantages qui cMcoa1e#. de .le ln- vention apparaîtront d'après le mémoire suivant considéré avec les dessins annexée, dans lesquels :
La Figure 1 est un schéms de principe simplifié du système
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de oossrnaàe de vitesse de l'invention associé à une mnrhinft dynamo- électrique ?
La Figure 2 est un schéms de principe détaillé d'ua mode de réalisation particulier du système de commande de vitesse de
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l'invention associé à une maebi dynamo-électrique La Figure 3 est une vue en coupe d'une forme de commutateur électro-magnétLque pour le système de commande de vitesse de la Figure 2 ;
La Figure 4 est une représentation graphique d'un train
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d'impuleione produit par le commutateur de la Figure 3 ;
et
La Figure 5 est une représentation schématique d'une forme caractéristique d'onde magnétique produite par la machine dynamo-
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électrique de la Figure 2 lorsqu'elle est oDo ""1I&'e par le mystème de commande de vitesse de l'invention.
Concernant la Figure 1. un mode de réalisation du système de
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oosiaande de vitesse 10 est représenté associé à une marhine dynamo- électrique 12 pouvant être d'un type classique. La machine dynamo- électrique I2 peut être semblable à la macbxm 1ectrique révélée dans le brevet des Etats-Unis a'A8érique NO 3.321.652, délivré le 23 Mai 1967 à Lawxence G. Opel. et cédé au Demandeur, ou peut âtre employé par exemple, dans un moteur synchrone linéaire.
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Le système de commande de vitesse 10 de l'invention commande l'excitation de champ et de stator de la machine dynamo-électrique 12. Un moyen commutateur 14 est associé à la machine dynamo-électri- que 12, et plus particulièrement au rotor 16 de la machine dynamo-électrique, et a pour rôle de détecter le mouvement du rotor, et de préférer me la vitesse et la position du rotor. Le moyen commu- tateur 14 transmet la vitesse et la position du rotor 16 à un moyen convertisseur 18 qui est alimenté soit en courant polyphasé soit en courant continu à partir d'un moyen source d'alimentation 20.
Le moyen convertisseur 18 est asservi au signal de sortie du moyen commutateur 14 qui est représentatif de la vitesse et de la position du rotor 16 et compare ce signal de sortie à un signal d'entrée en provenance d'un moyen produisant un signal de contrôle 22. Le moyen convertisseur 18 détermine une onde magnétique fixe de champ
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dans le champ 24 de la 88chiDe dyna-électriqne 12.
Le moyen convertisseur 18 détermine en outre une onde magnétique mobile dans le stator 26 de la machine dynamo-électrique 12 et ajuste la vitesse de l'onde magnétique mobile dans le stator 26 de manière que la
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vitesse de l'onde magnétique mobile corresponde mm-11-lement à celle de l'onde magnétique fixe de champ dans le rotor 16.
Le moyen convertisseur 18, selon le signal de contrôle de vitesse d'entrée en provenance du moyen produisant un signal de contrôle 22 et selon
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le signal de sortie en pxoV9WN1JV'!A am moyen 0 14, règle la fréquence de la tenaion d'entrée au stator 26 de aorte que 1 onE magnétique mobile et 1 8onde magnétique de champ soient atationnairea l'une par rapport à l'autre et s4parées par un angle de bzz prédéterminé désigné par le symbole delta (61 .
La machine dynamo- électrique développe le couple ôdid am fait que les 011'" .-gD6U- ques de stator et da eh cherchent à ooXneijmmc COlI (.... -1"-- principes tel cnnnna. lGr8qDe l'coda 88gDfticae mobile ou de atator pr6obde l'0nd8 ...-gDft4.qa8 fia ou de champs l'effort Moiré est d6ve3xq*6 .mUe le stator 26 et 18 roboe 16 de la mach-µ 12.
Bn aeriftrant maintenant la Fiance 2. dana nnmodada dali88t:1oa pertJ..ea1J.er da da commade da vitmm 10. la moyen nourm 9'aliteatio 20 ...4 - eoarar d courmt contîm 30 pouvant. 8t:n.... 1a ... f18r 1 dgm source cS'v1a 1at 32 aasiptshst 24. Ze savsros d'énergie 9U'i8blo8 32 est do trps i lLtwc daCLaat a<6 .... 18 woâe iw dal.188U.oD.-u-u. .lRt.. anm pmtamaama) nm -. i r .
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régulée à 2 kilohertz qui alimente le commutateur 14. La forme de l'onde d'alimentation de la source d'énergie variable 32 est celle d'une onde carrée ayant une amplitude approximative de 6 volts entre pointéedans le mode de réalisation particulier repré- senté par la Figure 2.
Le commutateur 14 est associé au rotor 16 de la machine dynamo-électrique 12 et est essentiellement un transformateur qui produit des signaux de référence représentatifs de la vitesse et de la position du rotor et qui sont envoyés au moyen convertisseur 18.
La Figure 3 représente une forme de commutateur électro-magné- tique 36 approprié pour une machine dynamo-électrique possédant un rotor classique. Un enroulement de champ primaire (non représenté) est situé dans le carter 38 du commutateur comme enroulement de champ stationnaire- L'enroulement de champ primaire établit un
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flux magnétique dans 1lentrefer entre les poles similaires 40 du stator du commutateur et le rotor 42 du commutateur qui est entraîne par un arbre 44 relié au rotor 16 de la machine dynamo- électrique 12 et entraîné par celui-ci dans le mode de réalisation particulier représenté par la Figure 2.
Lorsque le rotor 42 du commutateur tourne, des enroulements secondaires similaires ou de stator 46 rencontrent alternativement un train de tension alter- native ayant un déphasage d'environ 120 suivi par un déphasage de
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24010 à une tension proche de zéro. Un train de tension puisée engendre par le commutateur 36 de la Figure 3 est représenté par la Figura 4. La période de conductibilité de 120 est établie par
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une portion d'arc 50 du polo du coswatateur qui est de préférence en matériau Magnétique.
Dans le oomsntateur 36 de la Figure 3, une partie DOD 88gDftiqae 52 complète le rotor 42 du il est gmu de poGvoir atïlfasr toate 8binai8OD désiréo de portions d'arc magnétique wt non magnétique. La matériau magnétique de la portion d'are 50 est 16gèzlmmtinfdrimw, c'ast-à-dira de 1 10, 1 1-..18 de pftioft de té désiré c'ast-à-dira 120,al de -#..,t 11eft'8t: 11teal.t... L'8CI:J.GD da u.tI#'88t8ar 1.... 11tOR d'an fonetionnsmant équivalant pour tentas les vitassas da 11, FI y .......pe18 la vit ee nulle. C81a pesset dlobNair ass III*1t:1M18 purftite 48 la m Um - 18et.riqa8 à l'aalo- -r -a.... an lIa 1 gratin@ de ODUMNWW de ftt:88M lb41111f et: pKl"" 48 1'iawwttoa. jE<as f.IIpI181.oa8 angandtéss dans 188 - -..1 '. 46 âe stator penduft la nt:8Uoa .. rotoc 42 da 9-1g" Mme mlo]6 aa nam ¯.-&'tilt 18 .. 18 rige 2.
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En se référant de nouveau à la Figure 2, les impulsions pro-
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duites par les enroulements 46 de stator du ceessutateur 14 est 1s forme d'un signal modulé à 2 kilohertz qui est redressé et mis en forme par un circuit de commande en pont dans un pont d'alimentation 56. Le circuit de commande en pont produit des trains d'impulsions ressemblant à l'enveloppe de Modulation. Ces trains d'impulsions fournissent des signaux arrêt-marche au pont d'alimentation 56.
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Le pont d'alimentation 56 reçoit son énergie d'a3ijmentation d'un régulateur en série 58 du stator 26 de la I8Bc1I.iDe clyDi8o--é1.ec- trique 12. Le régulateur en série 58 est branché sur la source d'alimentation en courant continu 30. Le rôle du régulateur en série 58 est de commander le pont d'alimentation 56 de sorte que ce dernier fournisse une tension réduite aux enroulements du stator 26 aux vitesse réduites de la machine dynamo électrique 12. en maintenant ainsi un rendement élevé et en empêchant la satura- tion et l'échauffement et la destruction par grillage de la machine
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1.ec:t:riqae pouvant en résulter.
A la vitesse séro. la tension de eortie du régulateur en série 58 est réglée au niveau minimal néoessairm pour fournir le couple de démaxxage nécessaire
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à la machine dynamo Xlaetriqoe 12 lorsque le courant da champ est appliqué 60"" T - ci-apacea. La tension de mm-t" du ségala- taur en série 58 et par COD86qu8Dt du pont d' al3aeotatica 56 augmente alors lin6siremsat jusqu'à 11 daim plaine pn'...DC9. Le régulateur en série 58 est cm régulateur c1e tu- <"t..-..1que à aoweaLsti.on. et est 8Id:r:atD6 par un ooMwmrtismaor ¯¯1logique .. iJIItou18ia18.L8 aoetwstissaor analogiqae an inffllalcme (mn Matta) pzodaitdmw 4 ml -'me à unacadmaca pMportiONmal- 18 au 8igDa1 ana3 giqua ae àe vite e au Imbu -m me@ du ciroait décommanda 60 du régulateur.
La alignai d'entrée 8D81agiAa8 de vitesse m )1ftrNl"" du MM O;r y ki*Mmt un -i9-J de rftftmxm 22 est 1t: dans la moafmn U... Ir la et Z'8CII par la ciJ:aI1t: c1e! b0 du rwyt*ft Ze circuit àe commbft 60 àu régulatmmc mnalyma 1m D9Pl c1e ut.... et 10nque la --o- lI6ZD est attmintm, igumit an mignml àe sortie discret dg18llt: la w0 tm 88Id.8 Se à la poiseeoae 4J118J. Cels I---...--LI. 1111J1Pl1.- G8ttA8 a'unm "18V1e -11---- ma 8IEID . la pimima peC... 1 - ...1 T lit." 8UtIoC 26 de 18 - 61- 1 .s3qw 12. si .-..I.8f iq-3apleioaA a&n8it wgulgtmw Mt ----Iatmw 4m ftt m map Pm ]Le d 8h'W 2m ma la Mdh!M ttou f1.- J2 ..
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façon permanente. Cn fonctionnement de secours de la machine dynamo-électrique est par conséquent possible.
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En cas deoottrt-circnit dans les 2nrculeeats da stator 26 de la machine dynamo-électrique 12, un fusible classique 62. ou un coupe-circuit classique ou l'équivalent, éliminent le défaut.
Un réseau analyseur de courant 70 fournit un signal analogique proportionnel au courant demande par le régulateur en série 58 à la source d'alimentation en courant cantine 30- Le réseau analyseur de courant 70 fournit également un signal de sortie discret indi- quant le moment où le courant statorique envoyé aux enroulements du stator 26*atteint un niveau critique. Ce signal réduit l'énergie fournie par la source d'alimentation variable 32 an commntateur 14, de aorte qu'une puissance moindre est @ournie au pont d'alimentation
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56 1.or8que U puieoanoe demandée diminue. Le rendement global de la madtine dynamo-eleetriqae est ainsi amélioré.
Le signal modum à 2 Icilohertz en IKUVt-nanoe du cowntateor 14 est égal amant enmy à nn génésatesr ae signal de vitesse puisé 72 ...,cvr1n-l-at; a.. 86rie8 4'f1.ious iUes à la vitesse réelle da rotor. ±tant donné que le taux d'of1.ioIIBd'UD seci 8I#UQ) - .t. CIe stator àtr coerntateur. t:e1 que l'enrou1"1f - t statari- qt8 46 du oommtttat<Mr rwpcesenté par la Figure 3 est relativement &i.b1.e. 1. t.8ax d'impolsions est augment* en recw-f11ant les aignaux. de chacun cI88 s cle 8tâtnr da a0erntateC c'd8t- à26j d 6 1¯11I.L8 st;atoriqu.....1Ables 46. représentés à L F3gare . et ee pàafaaat tm tatu d'isnlsioas aocra dans le gmaeratemf 72 de signaux de vitesse pul"o. Le tacae d'impulsions ....- n" 88t pzoddt Per le générateor de signsax de vitesse pbn72. tu a les pointes des fronts des impalsioes âe teneiaa ea àes .-rouI -- -. au oommatatecr 14.
sstwaML al,om à 1 d'un 8II1Uvikat:eQr 8OIWt8I' .. LA-....4 dans 1e gdaésstemr de signamc de vitesse polsés 72. lm pointas samunt dfphasées de 60' les un des autres de 2a oommtttatmmc à la Figure 3. Des diodes appanopciées <mpmtmmat um eomptmma pllEaldf:e matzs les divmcs circaits d'alimenta- tim m pont. tme atodas également la dissipatioa de la paisraoo risr site pss Is rsahiae dyna e 12. r..-t;t.o....1U-nka 14J. eet: - t:raia 48 ....,..ï8iA:1a8 da ''-'1 l("'fII 11:1 18 8t: ...&*pJw- z - "ya1.c...
JI8E ... ...... r. 8DEÜ8 ....1Ut.eIK -e.-t eb1.4I 4:11 génâatear âa signaauc
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de vitesse pulsés 72 *et envoyée à un convertisseur d'impulsions on analogique 14 qui tranfoxme les impulsion proportionnelles à la vitesse en provenance du générateur de signaux de vitesse. pulsée 72 en une tension continue proportionnelle à la vitesse de l'arbre du rotor de la machine dynamo-électrique 12 . Si le signal d'entrée dans le convertisseur d'impulsions en analogique 74 est faible, le signal de -ortie envoyé à un amplificateur diffé- rentiel 76 est faible et la sortie de l'amplificateur différentiel est élevée en conséquence.
Lorsque l'entrée est élevée, la sortie du convertisseur d'impulsions en analogique 74 se rapproche de son minimum. Cependant, étant donné que la commutation a lieu de façon continuelle et que l'on utilise une réaction compensatrice, la sortie n'oscille pas entre ces extrêmes, mais cherche un niveau de tension proportionnel au taux d'impulsions d'entrée provenant du générateur de signaux de vitesse pulsée 72. Le convertisseur d'impulsions en analogique 74 fournit donc une entrée de réaction à l'amplificateur différentiel 76 du moyen convertisseur 18.
L'amplificateur différentiel 76 produit un signal d'erreur en courant continu proportionnel à la différence entre le signal analogique de commande de vitesse, c'est-à-dire de la vitesse désirée de la machine dynamo-électrique 12 fourni à l'amplificateur différentiel à partir du signal de vitesse d'entrée 78 du moyen producteur de signal de référence 22,et le signal de réaction analo- gique représentatif de la vitesse du rotor fourni à l'amplificateur différentiel à partir du convertisseur d'impulsions en analogique 74. Le signal d'erreur en courant continu en provenance de l'amplificateur différentiel 76 entraîne un convertisseur de champ analogique en impulsions 80 dont la sortie est un train d'impulsions de durée constante avec une fréquence dépendant de l'amplitude de l'entrée dans le convertisseur analogique en impulsions.
Le train d'impulsions en provenance du convertisseur analogique en impulsions 80 est envoyé à un régulateur de courant de champ 82 qui règle l'excitation de champ de la machine ynamo-électrique 12 de sorte qu'une onde magnétique de champ soit engendrée par le champ 24 en réponse au signal d'erreur en courant continu issu du moyen convertisseur 18.
Un oonvertisseur continu-continu 84 fournit un courant continu au moyen convertisseur 22 à des tensions différentes de celles fournies par la source d'alimentation principale en courant continu 30. Dans le système de commande de vitesse représenté à la Figure 2,
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le moyen de contrôle 22 comprend un signal de vitesse de sortie 86 fournissant une indication de vitesse au système.
En fonctionnement, une onde magnétique mobile ou de stator est produite par les enroulement. électriques du stator 26 de la manchine dynamo-électrique 12 lorsqu'elle est excitée par le moyen convertisseur 18 comme exposé plue haut. Le champ magnétique mobile de stator tourne à une vitesse proportionnelle à la fréquence de la tenaion appliquée. L'onde magnétique fixe ou de champ @st engen- drée par l'excitation du champ 24 et tourne à la vitesse de l'arbre ou du rotor. Le couple moteur de la machine dynamo-électrique 12 résulte de l'attraction entre l'onde de atator et l'onde de champ conformément au principe électrique connu. Le couple existe tant que le champ mobile et le champ fixe tournent exactement à la même vitesse, avec un angle de déphasage delta (8) déterminé entre les deux.
Le commutateur 14 détecte la vitesse et la position du champ fixe. Le moyen convertisseur 18 utilise alors cette entrée comme exposé plus haut pour maintenir la vitesse de rotation du champ mobile de stator exactement en phase avec le champ fixe de rotor et en avant de celui-ci d'un angle de déphasage # constant. Le moyen convertisseur 18 reçoit le signal du commutateur 14 et maintient automatiquement une fréquence de stator appliquée fm conforme à la relation fm = kPN, dans laquelle k est une constante de proportionalité, P est le nombre de poles du stator, et N est la vitesse du rotor. La machine dynamo-électrique 12 développe par conséquent le couple désiré du fait que le champ du stator et le champ du rotor cherchent à coïncider.
Le champ magnétique mobile ou onde magnétique de stator et le champ magnétique fixe ou onde magnétique de champ sont représentés à la Figure 5 sous une forme sinusoïdale simplifiée. Le champ magnétique mobile ou onde statorique 88 et le champ magnétique fixe ou onde de champ 90 se combinent électriquement pour former une onde résultante 92.
L'effort mécanique résultant T entre le rotor 16 et le stator 26 est proportionnel au produit de l'amplitude de l'onde résultante 92, qui représente le flux résultant @R, de l'effort mécanique F de l'onde de champ et du sinus de l'ang@e de déphasage #RF entre le flux résultant @R et l'effort de champ F qui est essentiellement constant et légèrement inférieur à un angle de déphasage de 90 (ou à un angle de déphasage choisi quelconque).
On obtient ainsi la relation : T = k@RF sin # RF
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Cette relation cet obtenue lorsque l'onde statorique 88 et l'onde de champ 90 @ont maingenuas sensiblsment stationnaire* l'une par rapport à l'autre.
L'effort mécanique de champ f et le flux réaultant de @R sont en relation directe avec la tendon d'excitation @ et la tension aux bornée du stator Vt. L'angle de déphasage # RY est déterminé par l'emplacement effectif de l'axe de référence du commutateur par rapport à l'axe des polos d'excitation qui détermine l'angle de déphasage entre la tension d'excitation Eq et la tension aux bornée du stator Vt, comme représenté à la Figure 5. L'angle de déphasage #RF est donc maintenu sensiblement constant à n'importe qualle vitesse ou fréquence.
Ceci est valable non seulement pour toutes les valeura positive* de vitesse et de fréquence mais également à la condition zéro,ou de démarrage, de la machine dynamo- électrique 12. Pour une vitesse zéro, la fréquence cet réduite à zéro, c'eat-àdire essentiellement à une excitation en courant continu. Toutefois, à la vitesse zéro, le commutateur 14 détermine tou@osgs la vitesse et la position du rotor 16 et il existe une entrée en courant continu au convertisseur de fréquence qui répartit le courant entre les divers enroulements de stator en fonction de leur résistance.
Cette répartition du courant statorique engendre une onde magnétique le long de l'entrefer du stator qui est toujours approximativement sinusoïdale et décalée par rapport à l'onde magnétique de champ d'un angle de déphasage d'environ 90 (ou d'un angle de déphasage choisi quelconque). Ainsi, à la vitesse zéro, l'onde statorique et l'onde de champ sont de nouveau stationnaires l'une par raifort à l'autre et séparées par un déphasage déterminé.
Les conditions d'un couple positif sont par conséquent remplies et il en résulte l'effort de démarrage nécessaire.
Le couple entre les champs magnétiques mobile et fixe est proportionnel à la puissance de l'un ou l'autre de ces champs, ce qui fait que l'augmentation de l'un ou l'autre de ces champs augmente le couple sur l'arbre ou rotor. La commande de vitesse est ainsi obtenue en faisant varier la puissance de l'un ou l'autre des champs magnétiques. Il s'ensuit qu'en augmentant soit la tension appliquée au stator 26 de la machine dynamo--électrique 12 soit à l'excitation 24 de la machine dynamo-électrique, on augmente le couple en provoquant l'accélération de la vitesse dn rotor. La diminution de l'une ou l'autre de ces tensions diminue le couple, en entraînant le ralentissement et la diminution de la vitesse.
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On peut obtenir un contrôle extrêmement précis de la vitesse du rotor 16 et un @ élevé de la machine dynamo-électrique 12 en faisant varier à la fois la tension statorique et la courant d'excitation poar un foonctionnement optimal à une vitesse voulue ou pour des variations rapides de vitesse et pour des insertion* de vitesse de la machine dwamo-élactrique.
Comme on le d'après le mémcire ci-dessus, certaine a@pecte de l'invention ne se limitant pas à des détails de cons- truction particulier* tels que ceux représentém, et il est considéré que d'autres modifications et applications viendront à l'idée de ceux qui sont coapétente dans cette technique. Il est par conséquent prévu que ces modifications et application ne se situent pas en dehoxe de l'esprit et du champ d'application de cette invention.