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PERFECTIONNEMENTS AUX SYSTEMES DE REGLAGE DES CIRCUITS ET MACHINES ELECTRIQUES
On sait que l'on peut agir sur les caractéristiques de fonction- nement des redresseurs à vapeur de mercure et autres appareils électriques à décharge dans les gaz ou vanneurs ionisés, en les munissant de grilles, com- mandées par des tensions telles qu'elles permettent d'empêcher l'arc de se for- mer pendant une fraction déterminée, variable à volonté, des demi-périodes pour lesquelles les anodes correspondantes sont plus positives que la cathode.
Divers moyens sont connus pour faire varier à volonté ces frac- tions de demi-périodes pendant lesquelles la formation de l'arc est empêchée, c'est-à-dire pour faire varier le retard ou décalage de l'instant où la ten- sion de commande d'une grille prend une valeur libérant le trajet de l'arc;
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ces moyens peuvent être mis en oeuvre soit à la main, soit automatiquement en fonction de diverses variables, par exemple en fonction de l'intensité du cou- rant redressé ou de la tension aux bornes du circuit parcouru par ce courant.
Parmi les dits moyens, la plupart procèdent ou peuvent procéder par variation de l'intensité de courants continus de contrôle, Notamment, dans le cas où les grilles sont commandées par des impulsions produites par des transfohmateurs ou des bobines de self-induction saturés, le réglage peut se faire en agissant sur l'intensité du courant continu parcourant des bobi- nages de saturation du circuit magnétique de ces transformateurs ou de ces bo- bines de self-induction; lorsque les grilles sont commandées par une tension alternative superposée à une tension continue, le réglage peut se faire en agissant sur la valeur de cette tension continue;
si la commande des grilles se fait au moyen d'une tension alternative constituée par la superposition à une tension continue négative, d'impulsions positives fournies par un distri- buteur synchrone, le réglage peut se faire en agissant sur les excitations à courant continu du moteur synchrone actionnant le distributeur, ce moteur étant prévu à excitation double en croix, etc...
La présente invention a pour objet un nouveau procédé de réglage automatique à intensité de courant constante ou limitée, pour redresseurs à vapeur de mercure et autres appareils électriques à décharge dans les gaz ou vapeurs ionisés, ce procédé s'appliquant précisément avec tous moyens de ré- glage des caractéristiques des dits appareils, qui agissent par variation de l'intensité de courants continus de contrôle ;
l'invention s'applique donc notamment aux appareils sur les caractéristiques desquels on agit par des gril- les comportant des modes de commande du genre de ceux énumérés ci-dessus à titre d'exemples, mais elle s'applique aussi aux appareils sur les caractéris- tiques desquels on agit autrement que par des grilles commandées, par exemple aux appareils à vapeur de mercure mono-anodiques sur les caractéristiques des- quels on agit par modification de l'instant où est provoquée la formation de la tâehe cathodique, sous réserve, bien entendu, que les moyens employés pour réaliser cette modification procèdent ou puissent procéder par variation de l'intensité de courants continus de contrôle,
Le procédé qui fait l'objet de l'invention est essentiellement caractérisé, en ce que le moyen, commande de grilles ou autre,
qui est utilisé pour agir sur les caractéristiques de l'appareil à régler automatiquement, est @
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mis sous le contrôle des ampères-tours de deux bobinages, dont l'un, qui agit dans le sens d'un retard à la formation de l'arc, est parcouru par un gourant variant comme celui dont l'intensité est à maintenir constante ou à limiter (par exemple par ce dernier courant lui-même ou par une dérivation de ce cou- rant prise aux bornes d'un shunt, inductif ou non), et dont l'autre, qui agit en sens inverse, est alimenté par une tension variant comme celle qui existe aux bornes du circuit parcouru par le courant dont l'intensité doit être main- tenue constante ou être limitée (par exemple par la tension aux bornes de ce circuit elle-même)
les ampères-tours de ces bobinages étant choisis selon les règles particulières qui seront exposées plus loin.
En vue de décrire l'invention complètement et de la manière la plus claire, on se référera à divers exemples, donnés à titre non limitatifs et auxquels se rapportent les figures schématiques ci-jointes; sauf indication eipresse contraire, ces exemples devront être considérés,pour plus de clarté, comme concernant des redresseurs à vapeur de mercure à cathode liquide et à grilles commandées* Les dispositions particulières de réalisation que l'on dé- crira à propos des dits exemples, devront être considérées comme faisant, en elles-mêmes, partie de l'invention, étant entendu que toutes dispositions équi- valentes peuvent être aussi bien utilisées sans sortir du cadre de celle-ci*
On remarquera tout d'abord que, qu'il s'agisse de commandes par tension sinusoïdale ou de forme plus ou moins voisine,
ou de commandes par impulsions de tension, il est toujours possible d'obtenir une loi rectiligne, dans de grandes limites, pour la variation de l'angle de retard à la libération du trajet de l'arc, en fonction des ampères-tours continus'de contrôle.
Par exemple, dans le cas d'une commande par tension sinusoïdale superposée à une tension continue variable fournie par une dynamo, la réalisa- tion de cette loi apparaît immédiatement si la dynamo est peu saturée; il suf- fit de se limiter à une saturation telle que la caractéristique à vide 0 At A" - 0 B' B" de la dynamo (voir Fig.l) se superpose à la sinusoïde OD - OC jus- qu'aux points A' et B', correspondant à une variation totale de 90 du retard à la libération du trajet de l'ara, étant admis un retard initial de 45 au point O, ce retard initial étant donné par exemple par un régulateur d'induc- tion fonctionnant en déphaseur,
Dans le cas de commande par transformateurs d'impulsions, il est encore possible, par un dimensionnement approprié,
de réaliser une loi prati-
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-quement rectiligne de variation de l'angle de retard à la libération du trajet de l'arc, en fonction des ampères-tours continus de contrôle.
Dans ce qui suit, on admettra donc cette loi rectiligne comme base, afin de faciliter l'exposé, une loi légèrement différente pouvant d'ail- leurs être recherchée, comme il sera indiqué plus loin, en vue d'obtenir une caractéristique préférable pour l'appareil à régler.
On eait dtautre part, que la tension redressée suit la loi cosinusoldale :
V = Vo cos a Vo étant la tension correspondant au fonctionnement naturel, c'est-à-dire sans intervention des grilles, et a étant l'angle de retard à la libération du tra- jet de l'arc qui donne à la tension côté continu de redresseur la valeur V.
Soit donc ao un angle de retard initial donné par un déphaseur, a' = aI l'augmentation de retard produite, conformément à l'invention, par les ampères-tours série de contrôle, qui dépendent de l'intensité I du courant redressé, et a" = bV la réduction de retard par les ampères-tours de contrôle qui dépendent de la tension V, a et b étant des constantes, Le retard résultant est a= ao + a@ - a" = ao + aI - b V d'où l'on tire :
I = 1/a ( a - ao + b V)
Or a = arc cos V/Vo et b représente le dosage des ampères-tours qui dépendent de V. Si l'on dimensionne le bobinage qui donne ces ampères-tours de manière que la relation b Vo = 1 soit satisfaite, on a alors :
I = 1/a (arc cos V/Vo + V/Vo - ao.) qui donne la relation entre la tension et le courant redressés pour cette valeur particulière de b.
On constate de suite que la somme : arc cos V/Vo + V/Vo varie peu pour de grandes variations de V/Vo à partir de zéro. Au court-circuit, cette som-
Vo me est en effet égale à 1,57 et à demi-tension elle est encore égale à 1,55; dans ces limites, le courant 1 est donc pratiquement constant. La courbe de la Fig.2 montre, courbe F, la variation complète de la somme arc cos V/Vo +V/Vo
Vo Vo portée en abscisses, pour V/Vo, portée en ordonnées, variant de zéro à un, Si on admet par exemple un retard initial ao nul, la somme arc cos V/Vo + V/Vo représentera une valeur proportionnelle au courant réglé I. On voit
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sur la figure que ce courant sera constant, à moins de ! - % près, entre V/Vo = o et V/Vo = 0,8. Plus loin des moyens seront indiqués pour obtenir une caractéristiques plus constante encore.
On peut se rendre compte graphiquement du fonctionnement sur la fig.3. La loi de variation de V/Vo, (en ordonnées), en fonction de l'angle de retard a, est représentée par la oosinusoide G. Le retard initial étant choisi nul, le vecteur aIo représente le retard dû aux ampères-tours série de contrôle au court-circuit. La droite H J, représentant la réduction du retard en fonction de V/Vo,est définie par a" = b Vo cosa, avec bVo = 1, soit a" = cos a ; droite H J est donc tangente en H à la cosinusoide G. Pour une valeur de I inférieure à Io, le vecteur a I représente le retard série et l'intersection de la droite H' J' ,parallèle à H J, avec la cosinusolde, donne le point de fonctionnement K.
Comme on le voit, dans le procédé qui fait l'objet de l'invention, la constance du courant dépend de la propriété de l'expression ars cos V/Vo + V/Vo Vo Vo d'être peu variable pour de grandes variations de à partir de zéro.
La Fig.4.indique un exemple de montage à effectuer pour appliquer l'invention dans le cas de commande des grilles par une tension sinusoïdale superposée à une tension continue de grandeur variable ; la Fig.4. comme dans les autres schémas ci-joints, on n'a représenté que les organes nécessai- res à la compréhension de l'invention, 1 et 2 désignent les bornes du circuit du courant redressé, bornes reliées respectivement à la cathode 3 et, vers 4, au neutre du transformateur d'alimentation du redresseur, supposé à six anodes; 5 est le secondaire du transformateur d'alimentation des grilles, qui sont supposées reliées, par l'intermédiaire des résistances habituelles, aux extré- mités des six phases de 5; 6 désigne la dynamo fournissant la tension continue de grandeur variable.
Conformément à l'invention, Bette dynamo comporte un bobinage d'excitation 7 dérivé aux bornes d'un shunt 8, inductif ou non, parcouru par le courant redressé; 7 produit une polarisation négative des grilles, fixant le courant de court-circuit pour le point A' de la figure 1, étant admis par exemple un retard initial de 45 réalisé par déphaseur; le bobinage d'excita- tion dérivé 9, dimensionné comme cela à été expliqué plus haut et éventuelle- ment réglé par le rhéostat 10, s'oppose à l'excitation 7, de manière à déplacer
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le point E de fonctionnement de la Fig.l vers 0 et B', au fur et à mesure de l'augmentation de la tension, Le fonctionnement est automatique et la réponse pratiquement immédiate;
la dynamo 6 étant de puissance minime, une forte résis- tance peut être prévue dans le bobinage inducteur 9, sans altérer pratiquement le rendement du redresseur ; unetrès faible constante de temps peut ainsi être obtenue pour cet enroulement 9. L'emploi d'un shunt inductif pour alimenter l'enroulement 7 permet d'éviter les surintensités en régime rapidement variable; le court-circuit franc peut même être admis sans inconvénient, la culasse de 6 étant alors de préférence réalisée en tôles minces.
La Fig.5 indique le montage de principe à effectuer pour l'ali- mentation de l'une des grilles, dans le cas de commande par transformateurs d'impulsions. Une bobine de self-induction non saturable 11, en série avec le primaire 12 du transformateur 13, est supposée alimentée par une tension alter- native, déphasée ou non par rapport à la tension d'anode ; le secondaire 14 pro- duit les impulsions d'allumage sur la grille (supposée connectée à l'extrémité 15), normalement polarisée négativement par la source à tension constante 16.
Conformément à l'invention, le transformateur 13 comporte deux enroulements de saturation 7 et 9, analogues aux enroulements d'excitation de la dynamo 6 (Fig, 4) qui portent les mêmes références ; cependant, des bobines de self-induction 17 et 18, en série respectivement avec 7 et 9, sont nécessaires pour réduire à une valeur faible les courants induits dans ces enroulements de saturation 7 et 9.
On se rend immédiatement compte de l'intérêt de deux montages dérivés de ceux que l'on vient de décrire. En premier lieu, le montage en am- plificateur, qui s'obtient en donnant par exemple un retard initial ao de 90 et en remplaçant l'excitation série de contrôle par un bobinage monté de même sens que l'excitation shunt et soumis à la caractéristique à amplifier (l'exci- tation shunt étant dans ce cas réglée un peu au-dessous de la limite critique pour réduire la distorsion). En second lieu, le montage en régulateur d'une caractéristique quelconque (le montage indiqué plus haut étant en régulateur d'intensité), qui s'obtient en remplaçant l'excitation série de contrôle de ce montage par un bobinage soumis à la caractéristique à contrôler,
par exemple par un bobinage alimenté par une dynamo tachymétrique pour maintenir une vi- tesse constante, ou plus généralement par un ensemble de bobinages dont la somme des ampères-tours est ainsi maintenue automatiquement constante, ce qui
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permet d'obtenir des effets variés,
Il est possible, pour certaines applications où un courant plus constant dans de grandes limites est recherche, de régler l'excitation shunt de contrôle un peu au-dessus de la valeur particulière définie plus haut. On peut aussi chercher à incurver la droite H J (fig.3) dans la zone J, de manière à la rapprocher de la cosinusoide G; l'emploi de résistances en charbon ou en "Thyrite", en série avec l'excitation shunt de contrôle, peut être utile dans ce but.
On peut aussi chercher à modifier la loi, admise, rectiligne, de va- riation de l'angle de retard en fonction du courant, de manière à obtenir un effet analogue.
Pour d'autres applications, où un courant simplement limité est recherché, on peut régler l'excitation shunt de contrôle un peu au-dessous de la valeur critique, de manière à obtenir une caractéristique plus souple. La Fig.6 montre un exemple de réglage dans ces conditions. Un angle de retard ao est donné par un déphaseur ou par un circuit d'excitation séparée réglable; le vecteur a I représente le retard dû au bobinage série de contrôle; la'droite HJ représente l'excitation shunt; le point de fonctionnement est en K.
On remarque que pour un courant débité faible, l'excitation shunt de contrôle donnerait aux impulsions une avance sur la formation de l'arc, qui risquerait de provoquer des ratés dans le cas de commande par transformateurs d'impulsions. Pour éviter cet inconvénient, on peut par exemple utiliser le montage de la Flg.7, qui limite l'excitation shunt à partir d'une certaine va- leur correspondant au point L de la Fig.6; de manière à retrouver l'allumage naturel à zéro, 9 représente le bobinage shunt, en série avec une bobine de self-induction 18 réduisant à une valeur infime les courants induits dans 9, 19 est une résistance permettant d'obtenir entre les points 20 et 21, une ten- sion égale à la tension de polarisation pour la tension correspondant au point L.
Une capacité 22. dérive les courants alternatifs dûs à l'ondulation de la tension redressée et le rhéostat 10 permet de régler le courant dans 9. Quand la tension redressée est inférieure à celle correspondant au point L, le poten- tiel du point 21 (Fig.7) est moins négatif que celui du point 23, aucun courant ne passe dans le dispositif à conductibilité unidirectionnelle'24 (redresseur sec, soupape quelconque, etc.) et les ampères-tours de 9 sont proportionnels à la tension redressée* Si, au contraire, la tension redressée est supérieure à celle correspondant au point L, le potentiel de 21 tend à devenir plus négatif que
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que celui de 23, un courant passe donc par 24, qui limite la tension entre 20 et 21 à la même valeur que la tension de polarisation,
l'excès de courant étant récupéré par cette source. On pourrait aussi limiter plus tard l'excitation shunt et placer dans le circuit de la soupape 24 un bobinage auxiliaire s'op- posant à 9 au-delà d'une certaine tension. On pourrait ainsi réduire l'impor- tance de la remontée de tension à vide d'un redresseur muni de bobines d'absorp- tion.
La Fig.8 représente en M la caractéristique obtenue avec le régla- ge de la Fig.6 et le limiteur de la Fig.7 fonctionnant au point L. Par réduc- tion de l'excitation shunt obtenue au moyen du rhéostat 10 (ou par montage po- tentiométrique), on peut passer de la caractéristique M à la caractéristique N correspondant à une excitation shunt nulle. Par variation de ao, obtenue soit par déphaseur, soit par bobinage séparée on peut régler le courant de court- circuit jusqu'à zéro ; la caractéristique P est obtenue, dans ces conditions, sans excitation shunt et la caractéristique Q est obtenue avec le même retard initial et en introduisant l'excitation shunt.
Il apparalt que le système proposé possède une souplesse remar- quable et une manoeuvre unique peut être réalisée en accouplant un rhéostat de l'excitation shunt de contrôle au déphaseur ou à un rhéostat de réglage d'exci- tation séparée. Il est à remarquer que la récupération peut être obtenue dans la zone M' de la caractéristique, où la tension redressée s'inverse.
De nombreuses applications peuvent être envisagées par exemple : alimentation d'appareils d'électrolyse, charge automatique de grosses batteries d'accumulateurs, démarrage automatique de moteurs actionnant des engins de for- te inertie, de moteurs de traction et de téléférique, travail à couple limité de moteurs de laminage, d'engins de terrassement, de cabestans, etc..
L'appli- cation de l'invention comporte la possibilité de freinage en récupération; celui-ci peut être réalisé de diverses manières: moteur à excitation série à balais décalables permettant de régler le couple entre deux valeurs égales et de sens contraires, déplacement rapide des balais avec ouverture du circuit pendant le déplacement pour les moteurs série rapides où le déplacement sous courant n'est pas possible, inversion d'induit ou d'excitation, ou par source auxiliaire 25 montée par exemple en parallèle (Fig.9) sur les inducteurs 26 d'un ou de plusieurs moteurs 27 alimentés par un même redresseur (bornes 3-4) et permettant par déplacement des balais de la dynamo 25, accouplée mécanique- n
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-ment à 27, par exemple, de renverser le courant d'excitation de 27 ou de l'en- semble des moteurs.
Cette disposition peut s'appliquer avec intérêt aux moteurs de traction alimentés par redresseur sur wagon, le déphaseur pouvant être ac- couplé au système de décalage des balais de manière à réduire le courant en récupération.