Installation de commande des moteurs à commutateur pour courant alternatif monophasé. La présente invention a pour objet une installation de commande des moteurs à com mutateur pour courant alternatif monophasé, pour la traction électrique, disposés pour pou voir fonctionner en freinage par régénération avec un convertisseur de phase ayant plu sieurs enroulements dont l'un est relié en série avec l'enroulement de champ excitateur - du moteur, tandis qu'un autre est relié à un transformateur d'alimentation principal au quel le moteur peut renvoyer de l'énergie en fonctionnement de régénération.
Cette instal lation présente la particularité qu'elle com porte encore un transformateur auxiliaire ayant son enroulement secondaire relié en' circuit avec l'enroulement de champ excita- teur du moteur et son enroulement primaire soumis à une excitation variable de la part du transformateur d'alimentation en dépen dance des relations de voltage entre. les en- roulementdu convertisseur de phase et du courent d'induit du moteur.
Cette excitation variable peut être réalisée au moyen d'un re- lais inductif ayant des enroulements de stator excités à partir des enroulements du conver tisseur de phase 'et un enroulement de rotor excité en dépendance du courant d'induit ' du moteur, ce relais pouvant agir de façon à faire varier le point de connexion de l'enrou lement primaire du transformateur auxi liaire avec le transformateur principal.
Dans le dessin ci-annexé, donné à titre d'exemple: La fig. 1 montre le schéma d'une forme d'exécution de l'objet de l'invention; La fig. 2 donne un diagramme vectoriel illustrant les relations de phase des différents voltages et courants s'obtenant pendant le fonctionnement de l'installation de la fig. 1; La fig. 3 donne un diagramme de courbes dont on parlera plus loin; La fig. 4 représente le schéma d'une autre forme d'exécution.
L'installation motrice électrique représen tée en fig. 1 comporte un transformateur d'alimentation principal, à enroulement-secon- claire 1, ayant deux jeux de prises de courant 2, 3 près de ses extrémités, puis un moteur à courant alternatif monophasé 4 du type en série, ayant un enroulement d'induit à com mutateur 5, un enroulement de champ exci- tateur ou principal 6 et un enroulement de champ inducteur ou auxiliaire 7, ensuite un convertisseur de phase rotatif 9 pour occa sionner conjointement avec la machine-série 4, un fonctionnement en régénération, un re lais de facteur de puissance 15 pour main tenir automatiquement un facteur de puis sance constant dans la, machine,
comme on le verra plus loin, et un transformateur exci- tateur de champ auxiliaire 16 pour faire va rier le voltage de champ excitateur.
Si on le désire, un enroulement de champ à commutation additionnel peut être prévu, sa connexion étant préférablement établie par l'intermédiaire d'un petit autotransformateur en dérivation sur une portion de l'enroule ment de transformateur principal 1, en 8 par exemple.
Le convertisseur de phase 9 est du type à deux phases et comporte deux enroulements de stator séparés 10, 11 disposés en relation de quadrature et un enroulement de rotor 12 qui est<B>f111</B> type courant en cage d'écureuil; mais pourrait aussi être à excitation par cou rant continu.
(3n comprend, sans explication détaillée, que, chaque fois que l'enroulement de stator primaire ou à, effet moteur 10 du convertis seur de phase est excité à partir du transfor mateur d'alimentation 1, il se produit dans l'enroulement secondaire ou à effet généra teur 11, un voltage secondaire en relation de quadrature par rapport au voltage l'enroule ment primaire 10 et d'une valeur dépendant des nombres de tours relatifs des deux en roulements.
En ajoutant au voltage secon daire du convertisseur de phase une compo sante variable en relation de quadrature du voltage du circuit d'alimentation, l'angle de déphasage du voltage de champ excitateur par rapport à la force électromotrice du cir cuit d'alimentation est amené à varier pour permettre un fonctionnement en régénération. Si on le désire, on pourrait aussi employer un convertisseur de phase du type à, commuta teur.
Le relais de facteur de puissance 15 est (lu type à moteur à induction comportant deux enroulements de stator distincts en relation de quadrature 20, 21 qui sont excités à. par tir des enroulements 10, 11 de relation de phase correspondante du convertisseur de phase et un rotor 22 ayant un enroulement de champ monophasé 23 qui est excité à partir de l'enroulement secondaire d'un transforma teur-série 24. Celui-ci est excité à partir d'un conducteur 25 qui conduit le courant d'induit de la machine 4 travaillant en régénération.
Le rotor 22 du relais de facteur de puis sance est relié à un petit tambour 26 dont l'axe porte un bras de contact 27 disposé pour coopérer avec les prises de courant 2 de l'en roulement de transformateur principal 1. Cette construction n'est donnée qu'à titre schématique. En réalité et de préférence, le tambour porte un jeu de segments de contact en coopération avec des doigts de contact pour commander des ferme-circuits individuels sur l'enroulement de transformateur principal 1.
Les considérations suivantes servent à ex pliquer l'effet du relais de facteur de puis sance pour maintenir un facteur de puis sance quelconque prédéterminée dans la ma chine 4 travaillant en régénération. L'excita tion du rotor du relais donne naissance à un flux de champ monophasé pulsatoire dans le rotor, qui est soumis à un torque pulsatoire par le flux de stator tournant occasionné par les enroulements en relation de quadrature 20, 21 et le rotor prendra une position corres pondant au point rle tordue maximum qui se manifeste au moment où le flux du rotor at teint une valeur maximum et est en phase avec le flux de stator tournant.
Comme la position dans l'espace du flux de stator, au moment où le flux du rotor atteint.cette valeur maximum, varie en rap port avec le changement de l'angle de dépha sage que le courant d'induit fait avec le vol tage chi circuit d'alimentation, il s'ensuit que lri position mécanique du rotor varie d'une l@lanii?re analogue en rapport avec cet angle.
1)e plus. comme la relation angulaire du flux ale stator tournant est constante et est direc t eurent dépendante du voltage du circuit d'ali mentation, on voit que la position du rotor du relais de facteur de puissance indiquera constamment l'angle de déphasage entre le courant d'induit et le voltage du circuit d'ali mentation, ou en d'autres termes, la position du rotor varie avec le changement du facteur de puissance de la machine principale et peut être utilisée de la.
manière indiquée, c'est-à- dire pour actionner le bras -de contact 27 de façon à, augmenter ou diminuer le voltage appliqué à l'induit 5 de la machine en régéné ration et à maintenir ainsi l'angle de dépha sage ou le facteur de puissance désiré. Si le facteur de puissance tend à être en retard sur la valeur désirée, le relais de facteur de puis sance est actionné pour faire diminuer le vol tage appliqué au circuit d'induit principal, tandis que si le facteur de puissance tend à devancer, le voltage de l'induit principal sera augmenté.
En modifiant la position mécanique du bras (le contact 27 par rapport aux relations électriques des enroulements de stator et de rotor du relais de facteur de puissance, le fac teur de puissance, qu'on désire maintenir constant, peut être choisi d'avance, comme on le comprend sans autre.
Le relais de facteur de puissance fonc tionne correctement quelle que soit la charge de la machine principale. Les raisons en sont les suivantes. Le torque de travail du relais est proportionnel aux valeurs maxima des flux de stator et de rotor et le flux de stator, qui est, constant, peut être rendu le facteur prédominant. De cette façon, le relais pren dra des positions indépendamment du ressort agissant en opposition au torque.
Le transformateur d'excitation auxiliaire 1 C a son enroulement secondaire 30 relié en 4rie avec l'enroulement secondaire 11 du convertisseur de phase et avec l'enroulement <B>(le</B> champ d'excitateur 6. On en verra la rai- son plus tard. L'enroulement primaire 31 du dit transformateur auxiliaire est relié en dé rivation sur une petite section de l'enroule ment dé transformateur d'alimentation 1, la quelle est amenée à varier en dépendance du réglage du facteur de puissance, c'est-à-dire avec les mouvements du relais de facteur de puissance 15.
Des endommagements ne sont pas à crain dre pour le relais de facteur de puissance en suite d'un accroissement important du cou rant d'induit principal, attendu que le trans- formateur-série 24 est calculé de façon à être saturé à la manifestation d'un courant de sur charge et, par conséquent, il y a un faible effet sur le rotor du relais de facteur de puis sance 15 dans le cas d'un accroissement im portant du courant d'induit principal.
Si, à. titre de variante, on désire main tenir le courant d'induit en phase avec le cou rant de champ, ce résultat peut être accom pli en reliant les enroulements de stator du relais de facteur de puissance en dérivation sur l'enroulement de champ d'excitateur 6 et une section de l'enroulement de transforma teur d'alimentation 1, respectivement.
En examinant les connexions représentées de fonctionnement en régénération, on verra qu'un point intermédiaire 3$ de l'enroulement de transformateur d'alimentation 1 est relié à une borne de l'enroulement d'induit princi pal 5, le circuit étant fermé par l'induit, l'en roulement de champ inducteur 7, le conduc teur 25. le bras de contact 27 du relais de facteur de puissance 15 et l'une des prises de courant 2 sur la section inférieure de l'en roulement de transformateur principal 1.
LTn autre circuit principal est établi de la borne supérieure 33 du transformateur d'ali mentation par l'enroulement secondaire 30 dit transformateur d'excitation auxiliaire 16, l'enroulement secondaire 11 du convertisseur de phase 9, l'enroulement de champ excita- teur 6 de la machine en régénération, le con ducteur 34 et la pièce de contact mobile à commande manuelle 35 à l'une des pièces de courant 3 de l'enroulement de transformateur principal 1.
Un autre circuit est encore établi depuis la plus élevée des prises de courant 2, dési gnée par 36, par le conducteur 37, l'enroule ment de stator primaire 10 du convertisseur de phase et le conducteur 38, à la. plus basse clos prises de courant 2, désignée par 39, Un circuit auxiliaire est établi depuis un point intermédiaire 41 de la section infé rieure -de l'enroulement de transformateur d'alimentation par l'enroulement primaire 31 du transformateur d'excitation auxiliaire 16 au conducteur d'induit principal 25.
L'exci tation de l'enroulement de transformateur primaire 31, et, par conséquent, le voltage in duit clans le circuit de l'enroulement de champ excitateur, en addition à celui réalisé par l'enroulement secondaire 11 du convertisseur de phase et la section d'enroulement du trans formateur d'alimentation entre les bornes 33 et 35, est proportionnel aux variations de vol tage d'induit, telles qu'elles sont produites par le relais de facteur de puissance 15.
En résumé, l'induit principal 5 est relié en dérivation sur une section automatiquement variable de l'enroulement de transformateur d'alimentation 1, tandis que l'enroulement de stator primaire 10 du convertisseur de phase 9 est relié en permanence en dérivation sur une section différente dudit enroulement de transformateur d'alimentation.
L'enroulement de champ excitateur 6 subit l'application de la résultante de trois voltages, à savoir celui produit par l'enroulement de stator secon daire 11 du convertisseur de phase, celui fourni par la section supérieure active du transformateur d'alimentation, dépendant de la prise de courant particulière 3 dont on se sert, et celui induit dans le circuit de l'en roulement de champ par le transformateur d'excitation auxiliaire 16.
Les grandeurs du diagramme vectoriel de la fig. 2 ont les significations suivantes: o-a = au voltage de circuit d'alimenta tion appliqué à l'enroulement moteur ou pri maire 10 du convertisseur de phase; o-b = an voltage en relation de quadra ture engend ré aux bornes de l'enroulement générateur ou secondaire 11 du convertisseur de phase;
b-c = au voltage en travers de la section du transformateur principal qui est reliée en série avec l'enroulement générateur 11 du convertisseur de phase, c'est-à-dire la section supérieure de l'enroulement de transformateur principal entre la borne 33 et l'une des prises de courant 3; o-c = à la résultante des voltages en quadrature o-b et b-c, qui est appliquée à l'enroulement de champ excitateur 6 de la ma chine en régénération;
F = à l'angle de déphasage entre le vol tage du champ excitateur et le voltage du circuit d'alimentation, angle qui peut être amené à varier pour faire varier le tor due ou effort tracteur de la. machine en ré génération; o-d = au courant en quadrature qui est engendré dans l'enroulement de champ exci tateur par le voltage o-c; o-e - au flux produit dans l'entrefer de la machine par le courant de champ excita- teur o-d;
o-f - à la force contre-électromotrice qui est engendrée dans l'induit 5 comme pro venant du fait que les conducteurs de l'in duit coupent le flux o-e quand l'induit est commandé par une force extérieure, qui, dans. le cas du fonctionnement en régénération, est le moment d'inertie du moteur et du véhicule; o-g - au voltage en travers de la sec- lion de l'enroulement de transformateur prin- eipa,l à laquelle l'induit 5 est relié; f-g - à. la différence vectorielle entre la.
force contre-électromotrice ou voltage d'in duit engendré o-f -et le voltage du circuit d'alimentation o-g. Quand l'induit est relia opérativement à l'enroulement de transforma- teur principal, le vecteur f-g représente la chute d'impédance dans tout le circuit. Cette chute d'impédance est composée (le f-h, qui.
équivaut à la chute de résistance dans le cir cuit d'induit, le courant d'induit f-iii, étant en phase avec ce vecteur, et d'une chute (le réactance g l?. <I>à</I> angle droit par rapport à la.
chute de résistance<I>f</I> h. Par conséquent, /- -I. -- < t 1a chute de résistance dans le uirvuit d'induit; g-1, = à la chute de réactance. dans le circuit d'induit, et j'-,ïïe = au courant d'induit total;
f-n. - à la composante du courant d'in duit qui est déplacé de 180 hors de phase avec le courant de champ excitateur o d et est obtenu au moyen du vecteur de courant d'in duit total f m en traçant une perpendiculaire in n sur le vecteur de courant de champ o<I>cl.</I> Comme le -produit du courant d'induit et du flux de champ, en tenant aussi compte de leur relation angulaire, donne une mesure pour le torque en fonctionnement de régéné ration, il s'ensuit que le produit des vecteurs <I>f</I> na et o e donne en tout temps cette mesure,
c'est-à-dire qu'il est toujours proportionnel au tordue en fonctionnement de régénération; A - à l'angle de déphasage entre le cou rant d'induit et le voltage de circuit d'alimen tation. Cet angle est amené à varier automa tiquement par le relais de facteur de paissance 15 pour maintenir par là. un certain angle de déphasage entre le vecteur du courant d'in duit f 7n et le voltage du circuit d'alimenta tion o g, ou en d'autres termes, pour maintenir un facteur de puissance prédéterminé.
En fig. 2, les vecteurs<I>f m.</I> et o g sont représentés comme étant parallèles l'un à l'autre corres pondant à un facteur de puissance à 100 %, ce qui sera généralement exigé au fonction- n emeut.
En déplaçant la pièce de contact mobile 35 dans la direction de la flèche pointillée (fig. 1) le long des prises de courant 3, pen dant le fonctionnement en régénération, le vecteur b c représentant le voltage de la sec tion supérieure active de l'enroulement de transformateur. principal 1 est amené à varier en longueur pour faire changer, d'une manière correspondante, la direction du vecteur de voltage de champ excitateur o c, ou en d'au tres termes, pour faire changer l'angle F. En faisant.
la direction du vecteur du courant rl- eliamp o d est changée d'une manière cor- re@hnrilante et, par conséquent, le produit des 1,--teiirs <I>/'</I> J? et o, <I>e</I> qui, comme mentionné-plus haut, représente le torque en fonctionnement de régénération, est changé d'une manière cor respondante.
De cette façon, le torque en fonctionnement de régénération ou torque de freinage du véhicule sur lequel est monté le moteur peut facilement être commandé par le mécanicien en manoeuvrant simplement la pièce de contact mobile 35, qui sera convena blement agencée en pratique. En d'autres ter mes, la puissance du torque de freinage est commandée manuellement en faisant varier l'angle entre le voltage de champ excitateur et le voltage de circuit d'alimentation, varia tion' qui peut être accomplie en changeant la composante de voltage qui est reliée en série avec le voltage secondaire du convertisseur de phase.
Cette variation du torque est, de plus, effectuée indépendamment de la vitesse de la machine en fonctionnement de régéné ration, le relais de facteur de puissance fai sant automatiquement varier le voltage d'in duit à mesure que la vitesse change. Le relais de facteur de puissance 15 fait varier automatiquement le voltage appliqué au circuit d'induit principal à partir du trans formateur principal, c'est-à-dire qu'il produit un changement de longueur du vecteur o g, qui, d'une manière correspondante, fait chan ger la direction du vecteur de courant d'induit <I>f m</I> de façon à changer l'angle<I>A</I> entre le cou rant et le voltage du circuit d'alimentation (vecteurs<I>f m</I> et o g),
commandant par là le facteur de puissance de la machine en fonc tionnement de régénération comme décrit plus haut.
La mission et le fonctionnement du trans formateur d'excitation auxiliaire<B>16</B> peuvent être établis de la manière sui:,aute. Comme la vitesse de la machine en fonctionnement de ré génération diminue pendant la période de ra lentissement, la force contre-électromotrice ou le voltage engendré, représentée par le vec teur g f, et, par suite, le courant d'induit, vec teur f în, diminuent.
Le changement de phase concomitant de ce courant oblige le relais de facteur de puissance à changer la connexion du circuit d'induit dans une direction convena- ble pour réduire le voltage appliqué à l'indult, correspondant au vECteur o g.
Ce changement dans la grandeur du vecteur<I>o g</I> se reflète par la variation du vecteur b c qui représente le voltage de la. section supérieure de l'enroule ment de transformateur 1, qui est introduit clans le circuit de l'enroulement de champ exci- tateur. Cette variation du vecteur b c se mani feste par l'intermédiaire du transformateur d'excitation auxiliaire 16 qui imprime au cir cuit de l'enroulement de champ excitateur un voltage en phase avec le voltage du transfor- nlateur d'alimentation, soit additivement ou différentiellement,
en dépendance de la posi tion du bras de contact 27 du relais de fac teur de puissance par rapport au point fixé 41 du transformateur principal, point qui est re lié à l'enroulement primaire 31 clic transfor- mateur d'excitation auxiliaire.
Plus spécifiquement parlé, un voltage<B>ad-</B> ditionnel e-4 introduit dans le circuit de l'en roulement de champ excitateur par le trans formateur auxiliaire 16 lorsque le bras de con tact 27 remonte vers le point 41, tandis qu'un effet différentiel se présente au delà de ce point 41, ce qui correspond à la condition de fonctionnement entre la régénération et l'ac- cPlération. Cette condition a lieu généralement,
à une vitesse relativement basse de la ma chine et se présente pendant l'ensemble de la période de ralentissement, par exemple, quand le véhicule monte une pente pendant la pé riode de régénération, ce qui absorbera une partie de l'énergie cinétique du véhicule et exigera l'application de courant d'accélération pour le maintenir en marche.
En se référant maintenant au diagramme (les courbes de la fig. 3, clans lequel les ordon nées représentent des vitesses et les abscisses les efforts de retardation, les lignes pointillées qui. convergent toutes vers la ligne de vitesse zéro représentent les courbes caractéristiques pour les torques aux vitesses ordinaires, qui seront obtenues pendant le fonctionnement d'un moteur-série < l. courant alternatif sans l'emploi du relais de . facteur de puissance et du transformateur d'excitation auxiliaire 16.
Les lignes en traits mixtes représentent les courbes caractéristiques des torques aux vi tesses ordinaires, toutes convergentes vers l'ori gine 0, qui s'obtiennent par l'emploi du re lais de facteur de puissance seul.
On remar quera que, dans le cas de fonctionnement à vitesse élevée conformément à ces dernière courbes. une variation relativement faible dans le torque produit un changement de vi tesse relativement grand. Cependant, en em- ployant le transformateur d'excitation auxi liaire 16, corjointemeni;
< avec le relais de fac teur de puissance, les différentes courbes de-, torques aux vitesses différentes seront apla ties ou rabattues comme indiqué par les cour bes en traits pleins.
ce changement se mani- festaici par suite dir changement clans 1'an@le du voltage de champ excitateur. représenté par le vecteur o c en fig. 2 et, par suite, de la, variation du tordue en\ régénération.
Dans la. variante de la fig. -l, les con nexions de circuits sont senibIallle celles de la fi.,,. 1. sain' pour ce qui concerne les cir cuits du convertisseur de phase. dont l'un est établi d'un point intermédiaire 50 du trans formateur principal 1 par l'enroulement pri maire 10 à la pièce de contact.
mobile 35, tan dis que l'autre circuit (lu convertisseur de phase est établi d'un second point intermé diaire 51 du transformateur principal 1 par les enroulements secondaires 11 et 30 du con vertisseur de phase et du transformateur d'excitation auxiliaire, respectivement, et l'en roulement de champ excitateur 6 à la pièce de contact mobile 35.
Dans ce cas, l'enroulement de champ 6 est inversé par rapport à l'installation de la<U>fi-.</U> 1 et la pièce de contact mobile 35 est graduelle ment déplacée vers la borne extérieure de l'en roulement du transformateur d'alimentation 1, comme indiqué par la flèche en pointillé.
Par conséquent, le voltage du convertis seur de phase est amené à, varier simultané ment avec la. variation sus-décrite dans la phase du voltage de champ excitateur, par l'intermédiaire de la pièce de contact mobile 35. Le voltage secondaire du convertisseur de phare et le voltage du transformateur d'ali mentation qui y est ajouté atteignent ainsi simultanément des valeurs maxima correspon dant à une vitesse relativement basse de la machine..