Installation de traction électrique utilisant des moteurs compound. Cette invention a pour objet une installa tion de traction électrique utilisant des mo teurs compound et visant: La réduction des pertes rhéostatiques au démarrage, La marche économique à faible et cons tante vitesse, Le freinage électrique, La récupération d'énergie dans les décli vités, lors des ralentissements ou des arrêts. L'augmentation de la vitesse commerciale, La simplification et la réduction (le poids de l'équipement de contrôle des mo teurs.
L'utilisation de moteurs électriques à excitation compound pour la traction électri que à courant .continu sur rails, en vue de la récupération d'énergie dans les déclivités ou lors des ralentissements et des arrêts, a été li mitée jusqu'à présent à quelques cas très particuliers et avec des équipements lourds et compliqué, en raison des inconvénients pro- Ares à l'emploi de ces moteurs et dont les principaux sont les suivants:
Le réglage habituel de la vitesse par le couplage série-parallèle des moteurs impose, dans le cas .du moteur compound, la coupure des circuits de traction lors de la transition série-parallèle, afin de ne pas provoquer l'a morçage en génératrice du moteur compound momentanément mis en court-circuit. Il en résulte, pour l'effort de traction, une discon tinuité préjudiciable au matériel et au con fort des voyageurs ainsi qu'une complication de l'équipement, afin de remédier aux effets de la coupure du courant et des extra courants.
Lors de la marche en parallèle, l'équi- répartition de la charge entre les différents moteurs est, en pratique, impossible à réali ser, surtout lorsque le champ inducteur est réduit.
Aux régimes faiblement saturés, l'emploi de pôles de commutation, qui peut permettre un fonctionnement stable des moteurs pour un sens de rotation, ne permet pas la même stabilité de marche pour le sens de rotation inverse et il en résulte des difficultés de com mutation et des flashs.
La réalisation d'inducteurs shunt fone; donnant sous la tension totale d'alimentation est particulièrement délicate.
Certains dispositifs connus réalisés à ce jour ne remédient que partiellement aux in convénients ci-dessus et au prix d'une grande complication, d'un poids et d'un encombre ment élevés.
Quelques dispositifs se rapportant à l'em ploi de moteurs disposés de manière perma nente en série n'ont pu faire l'objet d'applica tions pratiques, en raison de la gamme insuf fisante des vitesses que ces moteurs réali saient et leurs inventeurs ont été conduits par la suite à utiliser le groupement série- D'autres dispositifs prévoient l'emploi d'enroulements shunt et :d'enroulements sé rie, mais dans -des. buts très différents:
l'en roulement shunt étant seul utilisé pour la marche normale et pour la récupération, l'enroulement série étant utilisé séparément et momentanément, soit pour le début du dé marrage, soit pour réaliser le freinage rhéos- tatique ou le freinage d'urgence, soit pour as surer la transition série-parallèle des mo teurs.
Enfin, il est à remarquer que l'emploi d'un moteur à excitation uniquement shunt pour la récupération, est incompatible avec le fonctionnement stable des moteurs et du véhicule.
Par ailleurs, les, équipements à moteurs série conduisent surtout dans le cas où, pour réduire la consommation d'énergie, il est fait emploi de la régulation par le shuntage des inducteurs à des combinateurs compliqués, à un câblage important occasionnent des pertes d'énergie et un accroissement du poids de la motrice.
L'installation d'après l'invention qui a pour but -de remédier à tous ces inconvénients utilise des moteurs compound appropriés: a) Ayant leurs enroulements induits, in ducteurs, série, de commutation ou de compen sation, disposés de manière permanente en série, sous la tension normale de la ligne, avec insertion -de résistances uniquement pour le début du démarrage.
b) Ayant leurs enroulements inducteurs shunt disposés également en série sous la tension normale de la ligne avec insertion d'un. rhéostat pour le réglage de l'excitation.
q,) Réalisant une grande variation de vi- tesse par réglage de leur excitation shunt. Les .dispositions <I>a</I> et<I>b</I> des moteurs en série assurent:
La continuité de l'effort de traction pen dant toute la durée du démarrage et de la marche normale, La continuité,de l'effort -de freinage pen dant la récupération, équiré@aztitian.atgma, rqné -aë @a-- charge entre les différents moteurs, La construction, des moteurs dans de meilleures conditions, grâce à la tension plus faible aux bornes,
des enroulements de chaque moteur et des collecteurs, La commutation sans étincelles et l'ab sence de flashs.
La suppression ,de la complication ré sultant pour les combinateurs et pour le câblage de la transition série-parallèle ha bituelle.
La disposition c utilisant des moteurs spécialement conçus en vue de réaliser un champ très renforcé sous l'excitation shunt maximum -et une grande variation de vitesse par réglage de l'excitation shunt permet d'obtenir:
Un couple de valeur très élevée et cons tante au début du démarrage, Une réduction des pertes rhéostatiques grâce au nombre moindre des crans de mar che sur résistances nécessaires pour la mise des moteurs sous la pleine tension, Une vitesse très réduite et constante du véhicule sans qu'il soit nécessaire d'intercaler entre les.
moteurs et la ligne des résistances et, par suite, avec un rendement global élevé, Ira gamme des vitesses normalement utili- sée avec les moteurs ordinaires, tout en évi tant les couplages série-parallèle, Un taux de récupération élevé jusqu'aux plus basses vitesses,
Une réduction du nombre et du poids des câbles et des résistances par rapport aux antres équipements.
Ces résultats peuvent être obtenus en saturant complètement les moteurs au début du démarrage, par l'emploi d'un nombre très élevé d'ampères-tours inducteurs série et shunt, dont le rapport
EMI0003.0018
<U>ampères <SEP> tours <SEP> série</U>
<tb> ampères <SEP> tours <SEP> shunt doit, selon les conditions d'exploitation par ticulières à, chaque réseau (profil,de la ligne.
distance entre arrêts, etc.), faire l'objet d'une détermination spéciale -de laquelle dépendent le taux de récupération et la stabilité de marche.
De plus, afin de couvrir, par réglage de l'excitation shunt, toute la gamme des vi tesses normalement utilisée avec les moteurs ordinaires, les moteurs peuvent comporter au plus haut degré toutes les dispositions qui, en réduisant au minimum la distorsion due au flux transversal, permettent leur fonc tionnement satisfaisant en régime désaturé, c'est-à-dire sans étincelles aux balais,
sans élévation de la tension. maximum entre lames et sans risques de flashs.
Ces dispositions consistent plus particu lièrement en: Une valeur élevée du rapport
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<U>ampères <SEP> tours <SEP> inducteur</U>
<tb> ampères <SEP> tours <SEP> induit Un entrefer important, Des pièces polaires de forme appropriée, Des, pôles de commutation ou de compen- sation, Un nombre élevé de lames au collecteur. Pour la.
traction électrique par moteurs compound alimentés sous tension constante, les moteurs doivent assurer un, démarrage très souple, une grande gamme de vitesses et le freinage par récupération lors des ralentis- sements et .des arrêts ou, à vitesse constante, dans les déclivités.
Les trois desiderata.: Grande souplesse, Large gamme de vitesse, Taux élevé dé récupération, ne peuvent être réalisés simultanément sans dispositions spéciales.
La souplesse pendant le démarrage im pose pour l'excitation série une valeur élevée eu égard à l'excitation shunt, ce qui ne peut être réalisé que par l'emploi -d'un grand nom bre de spires sur l'enroulement inducteur sé rie.
La réalisation d'une gamme de vitesses très. importante impose par contre une faible valeur de l'excitation- série vers la fin du démarrage, car la désexcitation de l'enroule ment shunt conduit, pour un même couple ré- sistant sur l'arbre du moteur, à un accroisse- ment de l'intensité absorbée par l'induit et par l'enroulement inducteur série,
en sorte que si le nombre de spires de l'excitation sé rie n'est pas très faible, on reproduit sous forme d'ampères tours inducteurs série, la majeure partie des ampères tours inducteurs shunt que l'on avait supprimés pour accroître, la vitesse.
Cette dernière, en définitive, varie très peu lors du fonctionnement correspondant à une faible excitation shunt.
De même, lors: de la récupération, l'exci- tation série exerçant, par rapport à l'excita tion shunt, une action. différentielle, il im porte, pour réaliser le taux maximum de ré cupération, :d'avoir le nombre de spires série le plus faible eu égard à la stabilité de fonc tionnement en génératrice.
Il se recommande de soumettre l'excitation série à. un shuntage à un ou plusieurs degrés pendant l'augmentation de vitesse du moteur à partir d'une certaine vitesse de ce moteur et à maintenir ensuite ce shuntage à sa va leur maxima pendant les diminutions ou va riations de vitesse jusqu'à l'arrêt ou au voisi- na=ge de l'arrêt du moteur,
en permettant ainsi d'obtenir l'excitation série maxima pour le, début du démarrage assurant une grande souplesse, au début de ce démarrage, avec une gamme très importante de vitesses. grâce à la réduction de l'excitation série, tandis que, d'autre part, grâce au maintien de l'excita- tion série la plus faible, on assure pendant la réduction de vitesse un taux élevé de récupé- rationd'énergie.
A cet effet, l'excitation série, présentant sa valeur, maxima au début du démarrage, peut être shuntée à un ou plusieurs degrés à partir d'une position déterminée de l'organe de commande du combinateur et également pour toutes les positions correspondant à des vitesses de plus en plus élevées, tandis que pour tout mouvement inverse de cet organe de commande le shuntage maximum de l'exci tation série reste réalisé jusqu'à la position du combinateur qui correspond au premier cran de marche normale.
Entre cette position et la position qui cor respond à l'arrêt complet, le shuntage est supprimé.
Dans les dessins annexés qui représentent des exemples de réalisation de l'invention: Fig. 1 montre une forme d'exécution schématique de l'installation applicable dans le cas de deux moteurs; Fig. 2 montre un exemple de réalisation schématique applicable dans le cas d'un nom bre quelconque de moteurs, ce nombre pou vant être un, deux trois, quatre, cinq, etc.; Fig. ? montre un exemple de l'installa tion dans le cas d'une motrice à deux postes de conduite;
Fig. 4 montre un dispositif de réglage de moteur et se rapporte au cas d'utilisation d'un seul moteur et de deux degrés de shun- tage -de l'excitation -série; Fig. 5 représente schématiquement un équipement de traction électrique à récupéra tion d'énergie à, deux moteurs compound dis posés de manière permanente en série.
Il n'est, dans cet exemple, prévu qu'un seul de gré de shuntage; Fig. 6 est une élévation avec coupe par tielle du .dispositif mécanique de commande .de shuntage; _ Fig. 7 est une coupe suivant A-B de fig. 6; Fig. 1 montre un exemple de l'installa tion d'après l'invention, applicable dans le cas d'utilisation de deux moteurs.
Les moteurs 1.-3 placés de manière per manente en série sont alimentés par la lige 3 et par la prise de courant 4-5 qui amène le courant à une résistance de démarrage ap propriée 6.
On voit que les enroulements induits 7i-72 sont, ainsi que les enroulements induc teurs série 8z-82 et enroulements de com mutation ou de compensation .9i-92 en sé rie.
Les enroulements inducteurs shunt 10i-102 sur lesquels est disposé un rhéostat 11 sont également placés en série.
Fig. 2 montre un exemple de l'installa tion d'après l'invention applicable dans le cas d'utilisation de n moteurs, 7a pouvant être un nombre quelconque, un, deux, trois, qua tre, cinq, etc.
Les références de fig. 2 ont la même si gnification qu'en fig. 1.
Fig. 3, montre un exemple de l'objet de l'invention applicable ,dans le cas d'une mo trice à deux postes de conduite comportant deux moteurs et des combinateurs à treize positions dont dix pour la marche normale et deux pour le freinage rhéostatique. Ce der nier, avec le type de moteur indiqué, ne né cessite pas l'inversion des enroulements in duits par rapport aux enroulements induc teurs, condition indispensable avec le mo teur série.
Les circuits représentés en trait fort cor respondent au câblage de traction proprement dit, et les circuits en trait fin au câblage de l'excitation shunt et de l'appareillage.
Un shunt A, disposé aux extrémités des enroulements inducteurs série, et variable suivant les conditions particulières aux diffé rentes lignes d'un réseau, permet de réaliser très simplement le réglage à la valeur op timûm du rapport:
EMI0004.0076
<U>Ampères <SEP> tours <SEP> série</U>
<tb> Ampères <SEP> tours <SEP> shunt Un relais voltmétrique B insère dans le circuit de l'excitation shunt une résistance C de valeur appropriée, limitant la. surtension qui pourrait devenir exagérée lors de la mar che en récupération, par exemple lors d'une disjonction à la sous-station.
Deux groupes d'interrupteurs d'isolement Di et D permettent de mettre hors circuit l'induit et les inducteurs d'un moteur avarié, l'alimentation du seul moteur en service s'ef fectuant sous la tension totale et une résis tance E de valeur égale à celle de l'inducteur shunt éliminé étant automatiquement insé rée dans le circuit d'excitation.
Un verrouillage - non représenté entre ces interrupteurs et l'hélice principale du combinateur interdit la manoeuvre de ce dernier sur des positions correspondant à. une excitation shunt réduite.
Fig. 3a et fig. 3b représentent schémati quement un circuit de traction sur lequel on a indiqué les différents. circuits en notant les indices correspondants aux deux bornes, de chaque circuit, de façon à. faciliter leur repé rage.
Les chiffres 0, 1, 2, 3, 4, 5, etc. indi quent les différentes positions du contrôleur pour la marche normale et pour le freinage par récupération à droite du zéro, les posi tions à gauche étant seules destinées au frei nage rhéostatique.
On voit à droite de ces positions les in dications FAY et<I>AR,</I> etc., qui indiquent les positions de l'inverseur correspondant au frei nage en marche avant et en marche arrière et aussi à la marche avant et à la marche ar rière.
Les plots indiqués par ri, r2, etc., corres pondent aux extrémités des éléments de ré sistances qui sont représentées effectivement en fig. 3b. Les plots Ti et T2 sont reliés res pectivement à la prise de courant (trolley) et à la terre. Les plots ri sont reliés respective ment aux extrémités des éléments de résis tance<I>Ri,</I> R2. 2 représentent des plots auxiliaires. FF représente la sortie de l'enroulement de l'excitation série (l'entrée correspondant, par exemple, à Rs).
A, dans le groupe de plots de l'inverseur représente l'entrée de l'un des induits et AA représente la. sortie de l'induit du deuxième moteur en série avec lui.
(Il y a lieu de remarquer que l'indication A, portée dans les groupes d'inverseurs, ne correspond nullement à la référence A qui re présente, en fig. 3a, le shunt de l'excitation :Série mentionné ci-dessus.) Les dispositions ci-dessus données sont simplement indicatives et pourraient être complétées ou modifiées par tout autre dis positif approprié au système de traction.
L'invention concerne la traction électri que sur rails pour toutes applications et peut être étendue à certains moteurs existants moyennant quelques modifications, pour les rendre conformes aux caractéristiques dé crites ci-dessus.
Dans la forme d'exécution de fig. 4, le moteur compound comportant un induit 12, une excitation série 13 et une excitation shunt 14, avec rhéostat de réglage 15, est dis= posé entre les bornes<B>161</B> et 162 d'une source d'énergie électrique.
La manette 17 de commande du combina teur comporte deux butées<B>181</B> et<B>182</B> dépla çant, grâce à un ergot 19 solidaire d'un ren voi 20 le contact 21 sur les plots 22-23 qui correspondent aux extrémités de la résistance 24 de shuntage de l'excitation série.
On voit en fig. 4 que le contact 21 n'est mis, grâce :à la. butée 181, en relation avec le plot 22 que pour la position 25s de la ma nette 17 du combinateur.
Pour les positions 25i et 252 l'excitation série est maximum.
Pour la position <B>2,53</B> l'excitation série est shuntée par les résistances 241 et 242.
Pour la position 254 l'excitation série est shuntée par la résistance 242 seule.
On voit également que l'excitation série reste shuntée pour toutes les positions 254 à 251 correspondant au déplacement inverse de la manette. Entre la position <B>251</B> et la position 25o grâce à la butée 182 le shuntage est supprimé.
Dans l'exemple de fig. 5 à 7, la résistance 26 (fig. 5) de shuntage des enroulements in ducteurs série 271 et 272 est disposée aux bor nes de ces derniers à partir de la position V de l'hélice du combinateur pour une manaeu- vre de ce dernier correspondant à des vitesses croissantes.
Par contre, elle reste dans la même situation, pour toute manoeuvre in- verse jusqu'à la position III qui correspond à la première position de marche normale, les positions I et II étant des positions tem poraires de démarrage sur les résistances Ri, Ra et R2, Rs.
Un segment conducteur circulaire 28 (fig. 6 et 7), porté par une douille 29 tour nant à frottement doux autour de l'arbre 30 du combinateur est de manière permanente en contact électrique, grâce à un câble sou ple 31, avec le segment Rs qui correspond à une des extrémités de l'excitation série.
Le segment 28 porte à une extrémité un secteur en matière isolante 32, il est de plus isolé par une bague en matière isolante 33 du segment circulaire 34 disposé immédiate ment au-dessous.
On voit que, grâce au frottement du doigt 35 (fig. 7) sur le secteur isolé 32; le segment 28 reste immobile lorsque l'hélice du combi- nateur est manaeuvée dans le sens correspon dant aux vitesses croissantes jusqu'à la posi tion V.
A partir de cette position, la butée 36 solidaire de l'arbre 30 de l'hélice venant en contact avec l'épaulement 37 du segment 28 entraîne ce dernier, ce quia pour effet de réunir l'extrémité libre de la résistance de shuntage 26 à l'extrémité Rs de l'enroulement inducteur série.
-Ce dernier est donc shunté pour toutes les positions marquées V à VIl-I de l'hélice du combinateur et correspondant à des vi tesses croissantes.
Par contre, si l'on déplace l'hélice dans le sens opposé, le segment 28, grâce au frot tement qu'exerce le doigt de contact 35, reste immobile. Cependant, dès que la butée 86 est venue en contact avec l'épaulement 372 du segment 28, ce dernier est entraîné.
On voit aisément que l'excitation série reste shuntée jusqu'à la position III de l'hé lice du combinateur qui est la dernière posi tion de récupération normale.
Entre la position III et la position II, le doigt de contact 35 quitte le segment 28 pour le secteur isolé 32, puis quitte également ce dernier.
L'excitation série n'est plus shuntée à partir de ce moment et le combinateur, après retour à la position initiale, est prêt pour un nouveau démarrage.
On pourrait, bien entendu, pour la com mande du contact 21 de fig. 4 ou 28 de fig. 5 du combinateur, utiliser tout dispositif voulu, mécanique, électrique ou autre.