Installation pour la transformation de puissance électrique. L'objet de la présente invention est une installation pour la transformation de puis sance électrique à voltage constant en éner gie mécanique et vice-versa, particulièrement dans les locomotives électriques.
Suivant l'invention, l'installation comporte deux groupes d'appareils; l'un c'est le groupe des moteurs de propulsion qui ne sont jamais connectés immédiatement à la ligne d'alimen tation de courant; ce groupe est appelé "groupe moteur\. L'autre groupe est consti tué par des appareils connectés à la ligne, ayant toujours un voltage constant et étant destinés à rendre variable au moins le vol tage, dont sont alimentés les appareils du groupe moteur.
Dans le dessin annexé, on a représenté, à titre d'exemples, plusieurs formes d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 est un schéma de la première forme d'exécution appliquée à une locomotive électrique, dans laquelle on a suppdsé que l'alimentation soit à courant continu.
Le "groupe transformateur" comporte un transformateur statique de courant continu à voltage constant en courant continu à inten sité constante et inversement.
Cet appareil, désigné par Q dans la fig. 1 comporte un circuit magnétique comme celui des moteurs asynchrones, mais où le stator et le rotor sont fixes. Ce circuit magnétique est revêtu d'un enroulement Q' à courant continu connecté à un commutateur A qui n'est pas solidaire du circuit magnétique, mais qui en est séparé et qui tourne entraîné par un petit moteur auxiliaire C. Ce commutateur séparé comporte une couronne de segments A' isolés les uns des autres; cette couronne tourne avec le moteur auxiliaire C.
De plus, le commutateur comporte un tambour Az coaxial avec lacouron ne A' et que le moteur C fait tourner; sur lequel glissent des contacts K', dont le nombre correspond au nombre des segments de la couronne et qui trans mettent le courant entre lesdits segments et l'enroulement Q'.
Avec la couronne des segments A' sont en contact quatre balais fixes déplacés de <B>900</B> l'un de l'autre; les deux balais K et<I>L</I> diamétralement opposés sont connectés à la ligne à tension constante, les deux autres N et 0 sont connectés à la ligne à intensité constante.
Le courant continu à voltage constant est conduit à travers le trolley T, au balai K du commutateur séparé A, il sort du com mutateur par le balai L et s'en va à la terre. On a représenté dans la fig. 1 deux vues schématiques du commutateur séparé, une vue latérale et une vue frontale pour pouvoir indiquer clairement la position des balais.
Le courant débité par la ligne à tension constante crée un flux Pi dans le circuit ma gnétique du transformateur Q. Ce flux tourne avec une vitesse proportionnelle à la vitesse de rotation du commutateur séparé A; nous supposerons que cette vitesse soit constante. Le flux Pi n'induit aucune force électromo trice entre les balais K et<I>L</I> connectés à la ligne à tension constante, mais il en induit une entre les deux autres N et 0.
Le cou rant qui pénètre dans l'appareil à travers ces derniers balais crée à son tour un autre flux P2 décalé par rapport au flux Pi d'un quart de période et induit une f. e. ni. uniquement entre les balais K et<I>L</I> connectés à la ligne à tension constante. Comme cette dernière tension est constante, P2 doit être constant; nécessairement aussi le courant qui le pro duit doit être constant, c'est-à-dire le courant de la ligne à intensité constante est effecti vement maintenu constant.
Le groupe moteur consiste en un ou plu sieurs moteurs avec commutateur séparé et rotor à cage d'écureuil, ou bien en un ou plu sieurs moteurs avec commutateur séparé et inducteurs tournants décrits.
Ces moteurs consistent essentiellement en un circuit magnétique fixe comme celui des moteurs asynchrones; ce circuit est revêtu d'un enroulement continu connecté à un com mutateur séparé tournant grâce à un petit moteur auxiliaire. Le rotor est soit à cage d'écureuil; soit à inducteurs tournants, comme pour les moteurs synchrones.
Le commutateur A distribue le courant à l'enroulement<B>QI</B> du transformateur Q et, comme il a été expliqué plus haut, on obtient aux balais N et 0 du courant continu à in tensité constante et voltage variable.
Le courant à intensité constante est main tenant fourni aux moteurs à propulsion M, Jl auxquels il est distribué par un commu tateur B construit de la même manière que le commutateur A, à l'exception qu'il ne comporte que deux balais 11T1 et<B>01,</B> dont 1Y1 est relié avec le balai N et 01 avec le balai 0 du commutateur A.
On a disposé un seul commutateur B dans le but d'obtenir un synchronisme parfait des deux moteurs. Le commutateur séparé B est entraîné par un petit moteur E à vitesse et à sens variables contrôlés immédiatement par le wattman.
L'opération du démarrage s'effectue comme suit: Le moteur C entraîne le commutateur A à vitesse normale, et la clé de court- circuit F est fermée permettant ainsi au trans formateur Q de fonctionner normalement, avec une consommation de courant minime. Au moment du démarrage, lé wattman fait dé marrer le petit moteur E à une très faible vitesse, et ouvre la clé F. Le courant con tinu à intensité constante pénètre dans les moteurs et y crée un flux tournant à très faible vitesse développant ainsi un très fort couple de démarrage.
Peu à peu alors, le wattman augmente la vitesse du petit moteur E, les moteurs de propulsion M suivront et le transformateur Q fournira automatiquement le voltage aug mentant peu à peu. Pour le freinage avec ré cupération, le wattman n'a qu'à diminuer peu à peu la vitesse du petit moteur B.
Au lieu d'un enroulement, le transforma teur Q en pourrait comporter deux; dans ce cas, deux commutateurs A sont prévus, un par enroulement. D'autre part, la couronne de segments A1 pourrait être fixe, tandis que les balais .K, <I>L, 1;</I> 0 tournent; dans ce cas, les segments de la couronne sont directement connectés avec l'enroulement<B>QI</B> et le tambour A est supprimé.
Sur la figure, les rotors des moteurs à propulsion sont à cage d'écureuil, mais il peuvent être aussi du type à inducteurs tournants.
Dans la deuxième forme d'exécution, dont la fig. 2 représente un schéma, on a supposé que la ligne soit polyphasée à voltage cons- tarrt, par exemple triphasé.
Le groupe moteur comporte un moteur triphasé 7', qui comprend, comme tous les moteurs de ce type, un circuit magnétique fixe, tel que celui des moteurs asynchrones; ce circuit magnétique est revêtu d'un enrou lement à courant continu Q, connecté à un commutateur 7 qui tourne entraîné par un petit moteur auxiliaire 8. Ces balais sont dé calés de 1200 l'un de l'autre.
Ce commutateur 7 est construit de la même manière que le commutateur A de la fig. 1, c'est-à-dire il comprend une couronne rotative de segments 100 et un tambour ro tatif 101 sur lequel glissent les contacts K', dont le nombre correspond à celui des seg ments de la couronne 100. Avec celle-ci sont en contact trois balais fixes 102, 103 et 104.
Le commutateur 7 est placé à proximité du moteur, mais si possible dans l'intérieur de la cabine pour faciliter l'inspection et l'échange éventuels.
Le courant triphasé est dérivé des trolleys 1 et 2 et de la terre; il entre d'abord dans l'auto-transformateur 6, dont le secondaire peut être modifié grâce aux contacts réglables 3, 4 et 5. Ces contacts sont reliés respecti vement avec les balais 104, 103 et 102 par lesquels le courant est amené au commutateur séparé 7 connecté à son tour par les contacts K' <I>à</I> l'enroulement Q' du moteur de pro pulsion 7'.
Le transformateur 6 est du type ordinaire à rapport de voltage variable; il a pour but de permettre d'approprier le voltage amené au moteur 7' à chaque degré de vitesse. Le moteur 8, dont la vitesse est variable, est immédiatement contrôlé par le wattman. Pour faire démarrer le moteur de propulsion 7', le petit moteur auxiliaire 8 est porté à la vitesse du synchronisme moins un glissement g et dans un sens convenable.
Le courant qui entre dans le commutateur 7 à la fréquence de la ligne engendre dans le moteur de propulsion 7' un flux tournant à une vitesse égale à celle correspondant à la fréquence de la li gne, moins celle du commutateur 7, donc ce flux tournera à une vitesse égale à celle correspondant à la fréquence de la li gne multipliée par le glissement g, c'est-à- dire à une très basse vitesse, de manière à engendrer un puissant couple de rotation fa vorable au démarrage.
Au fur et à mesure que la vitesse du petit moteur 8 diminue, la vitesse du flux tournant dans le moteur 7' augmente en en traînant le rotor à cage. Comme toutefois il faudra augmenter, au fur et à mesure que la vitesse du moteur 8 diminue, le voltage d'alimentation du commutateur 7, on dépla cera convenablement les contacts réglables 3; 4 et 5. Il est donc avantageux que le dis positif régulateur commandant le petit moteur 8 commande en même temps les contacts 3; 4 et 5.
On voit facilement qu'en faisant tourner le commutateur 7 convenablement, de ma nière que le flux tournant tourne plus lente ment que le rotor du moteur, on peut obte nir un freinage avec récupération à toute vitesse.
Les conditions remarquables de la com mutation par le commutateur 7 sont à noter; en effet, quand il tourne à grande vitesse le voltage est bas, quand le voltage est haut, il tourne à petite vitesse. Quand la vitesse du moteur de propulsion est très voisine de celle du synchronisme correspondant à la fré quence de la ligne d'alimentation, le commu tateur séparé reste immobile.
Au lieu d'un rotor à cage d'écureuil dans le moteur de propulsion, l'on pourrait employer aussi un inducteur tournant. Au cas où l'on emploie deux ou plusieurs moteurs de propul sion, il est préférable de les commander par un commutateur 7 commun pour obtenir un synchronisme parfait.
Au lieu du transformateur ordinaire 6 à prisés mobiles pour le secondaire, comme il est illustré en fig. 2, on peut .employer un dispositif comportant trois transformateurs monophasés à rapport variable par la varia tion de la position du secondaire par rapport au primaire.
La fig. 3 montre une variante de l'instal lation suivant la fig. 2 munie de ce dispositif. Sur la fig. 3, les trois transformateurs monophasés sont indiqués par 9, 10 et 11. Ces transformateurs monophasés sont sembla bles à des moteurs asynchrones -avec stator et rotor monophasé; en modifiant la position relative des deux enroulements, on obtient un changement continu du rapport de trans formation en passant même par zéro.
Les transformateurs sont commandés si multanément par un mécanisme 12. Ce nré- canisme est lui-même commandé simultané ment avec le petit moteur 13 du commuta teur 7, dans le but de proportionner le voltage à chaque vitesse. A chacun des transforma teurs est amenée une des phases du courant d'alimentation et de chaque transformateur la phase correspondante est amenée au balai correspondant du commutateur 7 qui distribue le courant sur l'enroulement du moteur 7'. La variation du voltage s'obtient ainsi uni formément sans l'inconvénient des contacts qui dans la forme d'exécution suivant la fig. 2 interrompent le courant chaque fois qu'on les déplace.
Dans la deuxième forme d'exécution, le groupe transformateur avait pour seul but la variation du voltage de la ligne. Dans la troisième forme d'exécution, représentée à la fig. 4, le groupe transformateur a pour but aussi la variation de la fréquence.
Dans cette forme d'exécution le transfor mateur 16 comporte un circuit magnétique fixe comme celui d'un moteur asynchrone, mais avec stator et rotor fixe. Ce circuit magnétique est revêtu d'un enroulement<B>QI</B> à courant continu connecté, d'une part, à un commutateur 18 du type déjà décrit et con necté, d'autre part, aux trolleys 14; 15 respec tivement à la terre, desquels est dérivé le courant triphasé à tension et fréquence cons tantes.
La connection de l'enroulement.<B>QI</B> avec les trolleys et la terre est faite par trois points de l'enroulement symétriquement dis- tribués. Le courant triphasé qui entre par les trois points de l'enroulement Q' crée un champ tournant qui induit des courants entre les balais du commutateur 18. Si le nombre des balais du commutateur 7 est trois par moteur de pro pulsion et s'ils sont symétriquement distribués, on obiendra un courant triphasé à fréquence variable en modifiant la vitesse du petit mo teur auxiliaire.
Le commutateur 18 est entraîné par le petit moteur à vitesse variable 22, et sa cou ronne de segments 180 est pourvue de deux groupes de balais fixes, chaque groupe com portant trois balais déplacés de 1200, l'un de l'autre. Les deux groupes peuvent être déplacés l'un relativement à l'autre. Le pre mier groupe comporte les balais A, B, C l'autre groupe comporte les balais<I>D, L', P.</I> Les deux fils partant de 19 et D servent à conduire la première phase du courant, les deux fils partant de B et E respective ment de C et F servent à conduire les deux autres phases du courant alimentant les moteurs de propulsion 160 et 161.
Supposons que le petit moteur 22 tourne dans le même sens que le flux tournant dans le transformateur de fréquence 16 et à une vitesse égale. celle du synchronisme à un glissement g près. On obtiendra aux trois balais <I>A, B,</I> et C un potentiel polyphasé illustré par le triangle vectoriel a, b, c (voir fig. 4 b") à une fré quence égale à celle de la ligne multipliée par le glissement g, comme il est expliqué plus haut.
Aux balais D, E et F, on obtien dra le triangle vectoriel<I>d, e, f,</I> légèrement décalé par rapport au triangle<I>a, b,</I> c et du même angle que les deux groupes de balais; ces deux triangles tournent autour du même centre 0 à la même vitesse.
Par conséquent, entre les balais A et D et respectivement entre B et E, et enfin en tre C et F, on obtient les voltages représen tés respectivement par les lignes<I>ad,</I> bc et cl' de la fig. 4b'', c'est-à-dire on aura ainsi réduit non seulement la fréquence, mais aussi le voltage et on pourra proportionner l'une à l'autre, pour l'alimentation convenable des moteurs de propulsion. En diminuant la vi tesse du petit moteur 22 et en augmentant le décalage angulaire entre les deux groupes de balais, on augmentera la vitesse des mo teurs de propulsion, et ainsi de suite.
Les moteurs de propulsion sont dans ce cas des moteurs polyphasés communs asynchrones ou synchrones. Dans la fig. 4, on a supposé un moteur asynchrone à cage d'écureuil, ces mo teurs ayant ceci de particulier que leurs pha ses doivent être séparées et non connectées entre elles; ainsi pour le cas du triphasé il faut 6 fils au lieu de 3.
Au lieu de la légère modification du com mutateur 18, c'est-à-dire au lieu de l'emploi d'un deuxième groupe de balais on peut aussi employer un transformateur ordinaire à rap port variable, tel que le transformateur 6 de la fig. 2. Ce transformateur est interposé en tre la ligne et le transformateur 16.
Dans la quatrième forme d'exécution, re présentée à la fig. 5, on a supposé que la li gne est alimentée de courant monophasé.
Le groupe moteur est constitué par deux moteurs 41 et 42 triphasés asynchrones à cage d'écureuil.
Le groupe transformateur a pour but de transformer le courant monophasé à fréquence variable.
Ce groupe comporte un transformateur 43 constitué d'un circuit magnétique, comme celui des moteurs asynchrones, mais où le stator et le rotor sont fixes. Ce circuit magnétique est revêtu de trois enroulements 34, 35; 36; le premier, 34, est un enroule ment monophasé connecté, d'une part, à la terre et d'autre part, par l'intermédiaire d'un contact réglable à un autotransformateur 32, auquel le courant est amené par le trolley 31. Le deuxième enroulement, 36, est un enroulement à 'courant continu connecté à un commutateur 39 du type déjà décrit ayant trois balais symétriquement décalés l'un de l'autre et connectés à la ligne triphasée à fréquence variable qui alimente les deux mo teurs 41 et 42.
Enfin, le troisième enroule ment, 35, est un enroulement à contact con tinu connecté à un autre commutateur 37 ayant ceux balais alimentés par une source auxiliaire 44 à courant continu. Ce dernier commutateur tourne au synchronisme, entraîné par un petit moteur auxiliaire monophasé synchrone 38. Le commutateur 39 du deu xième enroulement tourne entraîné par un petit moteur 40 à vitesse variable.
Le courant monophasé crée dans le trans formateur 43 un flux pulsant qui peut être décomposé en deux flux tournant l'un dans un sens, l'autre dans l'autre. Le courant de la source 44 à courant continu auxiliaire, crée un flux tournant au synchronisme et qui vient précisément étouffer l'un des flux tour nants composant le flux monophasé de façon qu'il ne reste que l'autre de ses deux flux. Ce flux induira entre les trois balais du com mutateur 39 des forces électromotrices mo nophasées avec une pulsation qui est la somme algébrique de la pulsation du courant mono phasé et de la vitesse angulaire du commu tateur 39.
Le courant monophasé (voir fig. 5) venant du trolley 31 passe à travers l'auto-transfor- mateur 32. De là et à travers le contact mobile 33, il entre dans le transformateur 43, en traversant l'enroulement 34. Le flux alternatif que l'enroulement monophasé 34 engendre peut être décomposé en deux flux constants tournant en sens opposé à la vi tesse du synchronisme. L'enroulement 35 ali menté par da courant continu de la source 44 à l'aide du commutateur 37 tournant au synchronisme, annulle complètement un des deux flux tournants du monophasé, et il ne reste qu'un seul flux tournant.
On recueillera par conséquent aux balais du commutateur 39 un courant triphasé à la fréquence voulue en réglant convenablement la vitesse du pe tit moteur 40.
Ce courant polyphasé à fréquence va riable va alimenter les moteurs de propulsion 41 et 42 qu*on a supposé synchrones et à cage d'écureuil.
Dans le but de proportionner le voltage à la fréquence, le contact réglable 33 de l'auto-transformateur 32 sera déplacé à cha que changement de vitesse et en même temps la source 44 sera réglée de manière à suppri mer toujours un des flux tournants du cou rant monophasé. Une self-induction 45 pro- tègera la source 44 contre les courants alter natifs qui tendent à y naître.
L'auto-trarisformateur à contact mobile pourrait être remplacé par un transformateur à secondaire mobile par rapport au primaire et éviter ainsi le contact .qui interrompt le courant quand on le déplace.
Au lieu de disposer le transformateur 32 avant le transformateur 43 de phase et de fré quence, on peut le placer entre celui-ci et les moteurs de propulsion; on évitera ainsi le réglage de la source à courant continu 44.
La ligne monophasée et la ligne à cou rant continu de la source auxiliaire 44 peu vent être interchangées.
Pour proportionner chaque fois le voltage à la fréquence, on pourrait aussi, ait lieu d'employer le transformateur 43 modifier lé gèrement le commutateur 39, en le munis sant de deux groupes de balais, comme il vient d'être décrit par rapport à la fig. 4, ces deux groupes peuvent être décalés l'un par rapport à l'autre.
Dans toutes ces dispositions où la vitesse des moteurs de propulsion est modifiée par la vitesse d'un commutateur séparé, on peut doter les moteurs de propulsion de n'importe quelle caractéristique de vitesse en fonction de la charge, en combinant convenablement les circuits du petit moteur auxiliaire qui commande ledit commutateur, de manière que ce petit moteur prend la caractéristique correspondante.
Par exemple, il est très important pour la traction d'avoir une caractéristique analo gue à celle des moteurs séries, où l'effet de traction diminue quand la vitesse augmente, pour la sécurité de la marche, on peut alors donner aux moteurs non seulement une ca ractéristique semblable, mais bien une série de caractéristiques semblables, parmi lesquel les le wattman n'a qu'à choisir. Une forme d'exécution permettant de donner aux moteurs de propulsion une telle série de caractéristi ques est représentée dans la fig. 6.
Cette forme d'exécution comporte un trans formateur de voltage constant en intensité constante 51, le commutateur séparé 52, les moteurs de propulsion 53 et 54 et leur-com- mutateur séparé 55. Le courant venant du trolley 63, après avoir traversé le trans formateur 51, traverse la bobine d'excitation 62 du petit moteur 56 entraînant le commu tateur 55. On a supposé dans la figure que l'alimentation de ce petit moteur se fasse à l'aide d'une batterie d'accumulateurs 59 et que le voltage appliqué à l'induit 5i puisse être réglé à l'aide du contact 64.
Le petit moteur 56 est aussi doté d'un shunt d'exci tation 60 réglable à l'aide d'une résistance 61 et d'un contact 65. Un commutateur 58 permet de changer le sens du mouvement du petit moteur 56. La série de caractéristi ques est obtenue par l'action de la bobine 62. En effet, à une augmentation de la charge correspond une augmentation du courant dé livré par le trolley et donc une augmentation du flux produit par la bobine 62, et, par con séquent, une diminution de la vitesse du petit moteur 56, et, par conséquent, aussi des moteurs de propulsion.
Les contacts 64 et 65 permettent au wattman de modifier la caractéristique des mo teurs de propulsion.