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Dispositif de couplage électrique pour un courant variable.
Pour les interrupteurs ou commutateurs, aussi bien que pour les redresseurs traversés par un courant variable) il est désirable que l'opération de couplage soit effectuée à des moments où les valeurs du courant sont telles que le tra- vail à fournir par l'appareil en question soit aussi petit que possible. On a déjà indiqué aussi pour cela des disposi- tifs ingénieux et des commandes ingénieuses, sans toutefois que ces appareils se soient implantés d'une façon générale dans la pratique.
Or la présente invention vise un dispositif de coupla- ge électrique particulièrement simple et dont le fonctionnement
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est par conséquent aussi particulièrement sûr, pour un cou- rant variable, ce dispositif possédant un élément de coupla- ge mobile sur lequel agit une force résultante provenant du courant à coupler, et étant caractérisé en ce que cette for- ce a une action qui avance dans le temps par rapport au cou- rant à coupler.
On sait que les courants produisent, dans le cas le plus favorable, des actions de force qui sont en phase avec le courant lui-même, et ce lorsqu'il n'y a pas, dans l'ap- pareil en question-, de pertes supplémentaires dues aux cou- rants de Foucault, à l'hystérésis, etc. Dans les circuits comprenant du fer qui est aimanté, la force produite par le flux magnétique retarde généralement sur le courant qui lui donne naissance.
Lorsque la force évolue synchroniquement et en particulier aussi lorsqu'elle retarde par rapport au courant à coupler, ce n'est que par une dépense supplémentai- re considérable qu'il est possible de provoquer par exemple un mouvement de mise en circuit avant que le courant n'ait atteint le moment où il passe par zéro, ou de provoquer la séparation des contacts au moment de la coupure, encore dans la branche descendante du courant à couper. Toutefois, si l'on fait en sorte, suivant l'invention, que la force avance par rapport au courant de couplage, tous ces inconvénients sont supprimés et il est possible de construire de façon sim- ple des appareils de couplage et des redresseurs de courant des types les plus divers, et notamment des appareils comman- dés synchroniquement.
Les opérations dites de couplage, opérations qui sont d'une nature très générale, jouent un rôle important, notam- ment dans la construction des interrupteurs ou commutateurs.
On entend par là par exemple la mise en circuit et hors cir- cuit, ainsi que, notamment dans les installations à courant
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triphasé, le passage d'un court-circuit bipolaire à un court- circuit tripolaire ou réciproquement, ou, lorsque le point neutre est mis à la terre, l'apparition de courts-circuits unipolaires qui, eux'aussi, peuvent se transformer en courts- circuits bipolaires et en courts-circuits tripolaires. Des perturbations multiples se produisent d'ailleurs aussi, no- tamment dans les grands réseaux, par suite de terres, simples ou doubles, et de courts-circuits pouvant survenir successi- vement et rapidement d'une façon imprévisible.
Chaque opé- ration de couplage a généralement pour conséquence que des déplacements se produisent dans les courants et les tensions de l'installation; en outre, les moments du passage du cou- rant par zéro varient aussi presque toujours après ces opé- rations.
Or pour qu'un dispositif conforme à l'invention fonc- tionne parfaitement dans tous les cas, il est nécessaire que la force résultante s'établisse aussi d'une façon correspon- dante à une constante de temps de deux millisecondes au ma- ximum. Suivant la nature des réseaux on ira jusqu'à des cons- - 4 tîntes de temps sensiblement plus petites, jusqu'à 10 sec. et même moins. Cette détermination signifie par exemple qu'au moment de la fermeture d'un interrupteur, le courant de cou- plage et par conséquent aussi la force résultante étant nuls auparavant, cette force avance déjà d'environ 2/3 de la va- leur totale par rapport au courent, déjà après deux milli- secondes au maximum.
Pour certains types d'appareils il peut être important de construire le dispositif de façon que la force résultante s'établisse d'une façon correspondant une constante de temps plus petite que l'avance désirée dans le temps. Si l'on veut obtenir par exemple électriquement, à l'état stationnaire,
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une avance de 3. 10 - 4 sec. correspondant électriquement à 5,4 pour un courant alternatif de 50 périodes, il faut donc que la force qui avance s'établisse par exemple avec une con- stante de temps d'environ 2 , 10 -4 sec.
Pour obtenir une adaptation dans une gamme de courant aussi grande que possible, il convient de faire en sorte que l'avance dépende de la valeur effective du courant de cou- plage et notamment de telle façon que l'avance soit plus grande lorsque la valeur effective du courant de couplage est plus petite. Ceci permet d'obtenir ce résultat que le trajet de couplage sera suffisamment grand, même avec une pe- tite force et un petit courant correspondant, pour assurer l'opération de couplage correspondante. Les moyens permettant d'obtenir une caractéristique de ce gente sont par exemple le montage en série, en avant, d'une bobine de réaction à air et d'une bobine de réaction à fer, un deuxième courant passant parallèlement à ces deux réactances.
La force résultante peut être produite par exemple par au moins deux courants dépendant du courant de couplage con- jointement avec l'action d'un champ magnétique. Ce champ ma- gnétique peut être indépendant du courant de couplage; on ob- tient alors des ensembles dont le fonctionnement présente u- ne certaine similitude avec celui des instruments dits à é- quipage mobile. Si le champ magnétique est produit par le courant à couper lui-même, on obtient des appareils dont la construction est semblable à;celle des appareils dynamétri- ques. Enfin la force résultante peut aussi provenir d'un champ magnétique produit par au moins deux courants dépendant du courant de couplage.
Cela signifie alors que le flux ré- sultant, qui produit par exemple la force résultante dans un ensemble de la nature d'un aimant, avance de la façon désirée
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par rapport au courant de couplage et s'établit aussi avec une petite constante de temps correspondante.
Les fig. 1, 3 et 4 représentent schématiquement trois exemples de réalisation de l'invention, tandis que la fige 2 représente l'évolution de la force dans le temps pour le dis- positif de la fige 1.
Dans la fige 1, 1 désigne un aimant permanent servant d'élément de couplage et ayant un pôle nord N et un pôle sud S ; 2 et 3 sont des pôles conjugués en matière magnétique ; 4 et 5 sont des plaquettes de contact; 6 est un enroulement à courant principal; 7 est un enroulement supplémentaire. Le retour magnétique a lieu par la culasse 8, qui est isolée des pôles 2 et 3 par les plaqes intermédiaires 9 et 10. Z1et Z2 sont des impédances montées en série, en avant, tandis que' Ze est une impédance parallèle au point d'interruption.
Le fonctionnement du dispositif est le suivant:
Le courant total I se divise au point A en deux cou- rants partiels Il et I2. Le premier courant partiel I1 pasae par Z1 vers. B et le deuxième courant partiel I2 passe par Z2 et par la bobine 7 vers B. A partir de B le courant total I passe maintenant de nouveau et traverse la bobine 6 pour ar- river au pôle conjugué inférieur 3, d'où il aboutit, lorsque les points de couplage sont fermés, à la ligne de départ C en passant par l'élément de couplage 1 et par le pôle conjugué. 2.
Dans la fige 2 les forces K et K2 correspondent maintenant aux courants I dans la bobine 6 et I2 dans la bobine 7, en coopération avec l'aimant permanent 1. Ces forces se combinent pour donner la résultante Kr. On voit que Kr passe par 0 a- vant la force K, qui est en phase avec le courant de couplageI.
Si l'on suppose que le dispositif de la fig.l est mis sous tension au moment t = 0, tous les courants sont d'abord
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encore égaux à 0 à ce moment. Or le dispositif doit être cal- culé de façon que l'avance se produise pendant un laps de temps qui soit petit par rapport à. la durée d'une demi-onde du cou- rant de couplage. Une telle évolution de la force K2 pendant son passage à la valeur stationnaire est représentée en tire- té dans la fig. 2.
Le dispositif de la fig. 1 peut servir avantageusement de valve, car l'action de force exercée sur l'élément de cou- plage 1 est proportionnelle au courant, c'est-à-dire qu'elle change aussi de sens avec le courant lui-même. Tant que le courant 1 est sensiblement positif ; l'élément de couplage 1 est attiré. Un peu avant le passage du courant par zéro la force résultante Kr devient toutefois égale à O, puis elle devient négative. Isolement de couplage 1 est ainsi repoussé et le courant 1 est donc coupé immédiatement avant son passa- ge par zéro.
Si l'on fait en sorte qu'un petit courant passe parallèlement à l'élément de couplage 1 dans l'impédance de mise en circuit Ze pendant la durée du blocage, la remise en circuit a lieu aussitôt que la force résultante correspondant au courant réduit redevient positive. Si Ze est par exemple une résistance ohmique convenablement calculée, la remise en circuit a lieu lorsque la tension redevient positive au point d'interruption. Le moment de la mise en circuit peut être dé- placé par une fraction imaginaire de l'impédance Ze, ce qui permet d'obtenir un réglage de la tension sans pertes. La force résultante K'r qui correspond au petit courant traversant l'impédance Ze est représentée en tireté dans la fig. 2.
La fig. 3 est une vue d'un dispositif de couplage é- lectrodynamique. Dans cette figure, 20 et 21 sont des bobines fixes; 22 est une bobine mobile reliée, par l'intermédiaire d'une pièce isolante 23, au bras de couplage 24, qui se meut
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autour du pivot 25 ; est le contact fixe; 27 est un ressort de coupure. Les courants partiels Il et I2 peuvent être pro- duits par exemple d'une faõn analogue à celle qui est repré- sentée dans la fig. 1 au moyen de deux impédances Z1et Z2.
Comme seules les inductions mutuelles des trois bobines 20, 21 et 22 sont variables, on obtient deux composantes de for- des dont l'une est proportionnelle à I2 et l'autre proporti- onnelle au produit I. I2. Par la coopération de ces deux com- posantes de forces on peut obtenir, par un choix appoprié et connu de Z1 et de Z2, ce résultat que la force résultante Kr passe encore par 0 avant le courant de couplage. En outre, le ressort 27 peut encore être commandé de façon que sa forfe de traction soit variable dans le temps, par exemple de telle manière qu'elle augmente la pression de contact entre 24 et 26 lorsque le circuit est fermé, qu'elle passe d'abord par 0 pour la coupure et qu'elle agisse ensuite en vue de la coupu- re.
Enfin, la fig. 4 est encore une vue d'un exemple d'ap- pliuation électromagnétique, Dans cette figure, 30 est un en- roulement traversé par le courant total I, et 31 un enroulement traversé par le courant partiel I2. Sous l'action des ampères- tours correspondants il se produit un flux résultant #r.
32 est la culasse de l'aimant; 33 est l'armature, qui porte le contact de couplage mobile 34; 35 est le contact fixe, qui est relié à l'extrémité de l'entoulement 30; 36 est le ressort de coupure, dont on peut faire varier la valeur à l'aide de la force P. Suivant l'invention ce dispositif est caleulé de manière que le flux résultant#r avance de la façon désirée par rapport au courant de couplage car on sait que la force résultante est donnée sensiblement par le flux existant dans l'entrefer. L'avance elle-même est déterminée d'abord par le
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choix des impédances Z1 et Z2'et par le nombre de spires des enroulements 30 et 31. On obtient par exemple un dispositif pratique lorsque Z1 est sensiblement à induction, tandis que Z2 est sensiblement ohmique.
Pour les interrupteurs très rapi- des, qui parcourent leur trajet de couplage en moins de la-3 sec., il est facile d'obtenir électriquement une avance du flux de quelques degrés. Il est vrai qu'il faut considérer que les ampères-tours résultants doivent présenter une avance de phase encore plus grande, car le flux présente généralement un certain retard de phase par rapport à ces ampères-tours,par suite de pertes inévitables.
En plus du choix décrit pour les impédances Z1 et Z2, d'autres couplages connus sont encore possibles; pour certains cas d'application Z1 peut par exemple aussi être à capacité ou bien on peut donner à Z1 la forme d'un shunt et Z2 peut être à capacité ou à induction. D'autres montages en pont et d'au- tres montages analogues connus sont également possibles.
Tous les exemples représentés ont en commun cette carac- téristique que la force résultante agissant sur l'élément de couplage mobile présente une action d'avance par rapport au courant de couplage. Ceci permet d'obtenir pour les redresseurs interrupteurs ou commutateurs, conjoncteurs-disjoncteurs, etc.. de façon très simple, une commande synchrone telle que la cou- pure ait lieu un peu avant le passage du courant par zéro et que la distance entre les contacts soit déjà suffisamment gran- de au moment où le courant passe par zéro.
Toutefois, comme l'action d'avance existe aussi pour la mise en circuit, l'opé- ration de mise en ciecuit peut aussi être synchronisée,en par- ticulier pour les redresseurs, par exemple dans une phase don- née par rapport à la tension., Le fait qu'on n'a plus besoin
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d'appareils suplémentaires tels que des relais, des disposi- tifs de commande, etc. est avantageux pour l'application, ce qui a pour effet que ,la sureté du fonctionnement est augmentée d'autant et que les frais sont sensiblement réduits par rap- port aux dispositifs connus d'interruteurs ou de commutateurs synchrone et de redresseurs mécaniques.
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Electrical coupling device for variable current.
For switches or commutators, as well as for rectifiers traversed by a variable current) it is desirable that the coupling operation be carried out at times when the values of the current are such as the work to be supplied by the apparatus. in question is as small as possible. In this regard, ingenious devices and ingenious controls have already been indicated, however, without these devices having been generally established in practice.
Now, the present invention is aimed at a particularly simple electrical coupling device, the operation of which is
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is therefore also particularly safe, for a variable current, this device having a movable coupling element on which acts a resultant force coming from the current to be coupled, and being characterized in that this force has an action which advance in time with respect to the current to be coupled.
We know that currents produce, in the most favorable case, actions of force which are in phase with the current itself, and this when there is not, in the device in question, additional losses due to eddy currents, hysteresis, etc. In circuits comprising iron which is magnetized, the force produced by the magnetic flux generally retards the current which gives rise to it.
When the force evolves synchronously and in particular also when it delays with respect to the current to be coupled, it is only by a considerable additional expenditure that it is possible to cause, for example, a switching movement before the current has reached the moment when it passes through zero, or to cause the separation of the contacts at the time of breaking, still in the descending branch of the current to be broken. However, if, according to the invention, the force is made to advance with respect to the coupling current, all these drawbacks are eliminated and it is possible to construct coupling devices and rectifiers in a simple manner. current of the most diverse types, and in particular synchronously controlled devices.
The so-called coupling operations, operations which are of a very general nature, play an important role, in particular in the construction of switches or switches.
This is understood to mean, for example, switching on and off, as well as, in particular in current installations.
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three-phase, the change from a two-pole short-circuit to a three-pole short-circuit or vice versa, or, when the neutral point is earthed, the appearance of one-pole short-circuits which, too, can turn into bipolar short circuits and three-pole short circuits. Multiple disturbances also occur, particularly in large networks, as a result of single or double earths, and short circuits which can occur successively and rapidly in an unforeseeable manner.
Each coupling operation generally results in displacements occurring in the currents and voltages of the installation; moreover, the moments of the current passing through zero also almost always vary after these operations.
Now, for a device according to the invention to function perfectly in all cases, it is necessary for the resulting force to also be established in a manner corresponding to a time constant of two milliseconds at the maximum. . Depending on the nature of the networks, we will go up to - 4 time limits appreciably smaller, up to 10 sec. and even less. This determination means, for example, that at the time of closing a switch, the coupling current and therefore also the resulting force being zero previously, this force already advances by about 2/3 of the total value. compared to the current, already after two milliseconds at most.
For some types of apparatus it may be important to construct the apparatus so that the resulting force builds up correspondingly to a time constant smaller than the desired advance in time. If we want to obtain for example electrically, in the stationary state,
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a lead of 3. 10 - 4 sec. electrically corresponding to 5.4 for an alternating current of 50 periods, it is therefore necessary that the advancing force is established for example with a time constant of about 2.10 -4 sec.
In order to obtain an adaptation in as large a current range as possible, it is advisable to make the advance depend on the actual value of the coupling current and in particular in such a way that the advance is greater when the value effective coupling current is smaller. This achieves the result that the coupling path will be large enough, even with a small force and corresponding small current, to perform the corresponding coupling operation. The means making it possible to obtain a characteristic of this kind are for example the mounting in series, in front, of an air reaction coil and an iron reaction coil, a second current flowing in parallel with these two reactances.
The resulting force can be produced, for example, by at least two currents dependent on the coupling current together with the action of a magnetic field. This magnetic field can be independent of the coupling current; we then obtain assemblies whose functioning presents a certain similarity with that of the so-called movable equipment instruments. If the magnetic field is produced by the current to be broken itself, apparatuses are obtained whose construction is similar to that of dynametric apparatus. Finally, the resulting force can also come from a magnetic field produced by at least two currents depending on the coupling current.
This then means that the resulting flux, which for example produces the resultant force in a magnet-like assembly, advances in the desired way.
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with respect to the coupling current and is also established with a corresponding small time constant.
Figs. 1, 3 and 4 schematically represent three exemplary embodiments of the invention, while the pin 2 represents the evolution of the force over time for the device of the figure 1.
In Fig. 1, 1 denotes a permanent magnet serving as a coupling element and having a north pole N and a south pole S; 2 and 3 are conjugate poles of magnetic material; 4 and 5 are contact pads; 6 is a main current winding; 7 is an additional winding. The magnetic return takes place through the yoke 8, which is isolated from the poles 2 and 3 by the intermediate plates 9 and 10. Z1 and Z2 are impedances mounted in series, forward, while 'Ze is an impedance parallel to the point of interruption.
The operation of the device is as follows:
The total current I divides at point A into two partial currents II and I2. The first partial current I1 passes through Z1 to. B and the second partial current I2 passes through Z2 and through coil 7 to B. From B the total current I now passes again and passes through coil 6 to arrive at the lower conjugate pole 3, from where it ends , when the coupling points are closed, to the starting line C passing through the coupling element 1 and through the conjugate pole. 2.
In picture 2 the forces K and K2 now correspond to the currents I in coil 6 and I2 in coil 7, in cooperation with permanent magnet 1. These forces combine to give the resultant Kr. We see that Kr passes through 0 before the force K, which is in phase with the coupling current I.
If it is assumed that the device of fig. 1 is energized at time t = 0, all the currents are first
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still equal to 0 at this time. However, the device must be calculated so that the advance takes place during a period of time which is small compared to. the duration of a half-wave of the coupling current. Such an evolution of the force K2 during its passage to the stationary value is shown in pull-out in fig. 2.
The device of FIG. 1 can advantageously serve as a valve, because the force action exerted on the coupling element 1 is proportional to the current, that is to say it also changes direction with the current itself. As long as current 1 is substantially positive; coupling element 1 is attracted. A little before the passage of the current through zero the resulting force Kr becomes however equal to O, then it becomes negative. Coupling isolation 1 is thus pushed back and current 1 is therefore cut off immediately before it goes through zero.
If a small current is made to flow parallel to the coupling element 1 in the switch-on impedance Ze for the duration of the blocking, the switch-on takes place as soon as the resulting force corresponding to the current reduced becomes positive again. If Ze is for example a suitably calculated ohmic resistance, the switching on takes place when the voltage becomes positive again at the point of interruption. The moment of switching on can be shifted by an imaginary fraction of the impedance Ze, which allows lossless voltage control to be obtained. The resulting force K'r which corresponds to the small current through the impedance Ze is shown in dashed lines in fig. 2.
Fig. 3 is a view of an electrodynamic coupling device. In this figure, 20 and 21 are fixed coils; 22 is a voice coil connected, via an insulating part 23, to the coupling arm 24, which moves
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around the pivot 25; is the fixed contact; 27 is a cut-off spring. Partial currents II and I2 can be produced, for example, in a manner analogous to that shown in fig. 1 by means of two impedances Z1 and Z2.
As only the mutual inductions of the three coils 20, 21 and 22 are variable, we obtain two form components, one of which is proportional to I2 and the other proportional to the product I. I2. By the cooperation of these two force components one can obtain, by an appropriate and known choice of Z1 and Z2, the result that the resulting force Kr passes through 0 again before the coupling current. In addition, the spring 27 can still be controlled so that its force of traction is variable over time, for example in such a way that it increases the contact pressure between 24 and 26 when the circuit is closed, that it passes first with 0 for the cut and then act for the cut.
Finally, fig. 4 is still a view of an example of electromagnetic application. In this figure, 30 is a winding through which the total current I passes, and 31 a winding through which the partial current I2 passes. Under the action of the corresponding ampere-turns, a resulting flux #r is produced.
32 is the yoke of the magnet; 33 is the armature, which carries the movable coupling contact 34; 35 is the fixed contact, which is connected to the end of the flow 30; 36 is the cut-off spring, the value of which can be varied using the force P. According to the invention, this device is calibrated so that the resulting flux # r advances as desired with respect to the coupling current because we know that the resulting force is given substantially by the flux existing in the air gap. The advance itself is determined first by the
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choice of impedances Z1 and Z2 ′ and by the number of turns of windings 30 and 31. For example, a practical device is obtained when Z1 is substantially induction, while Z2 is substantially ohmic.
For very fast switches, which complete their coupling path in less than 1 -3 sec., It is easy to obtain electrically an advance of the flux of a few degrees. It is true that it must be considered that the resulting ampere-turns must have an even greater phase advance, since the flux generally exhibits a certain phase delay with respect to these ampere-turns, as a result of inevitable losses.
In addition to the choice described for the impedances Z1 and Z2, other known couplings are still possible; for certain application cases, Z1 can for example also be capacitance or else Z1 can be given the form of a shunt and Z2 may be capacitance or induction. Other known bridge arrangements and other similar arrangements are also possible.
All of the examples shown have in common this characteristic that the resulting force acting on the movable coupling element exhibits an advancing action with respect to the coupling current. This makes it possible to obtain, for rectifiers, switches or switches, contactors-circuit breakers, etc. in a very simple way, a synchronous control such that the cut takes place a little before the passage of the current through zero and that the distance between them. contacts is already large enough when the current crosses zero.
However, as the advance action also exists for switching on, the switching operation can also be synchronized, in particular for rectifiers, for example in a given phase with respect to tension., The fact that we no longer need
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additional devices such as relays, control devices, etc. is advantageous for the application, which has the effect that the operational safety is correspondingly increased and that the costs are appreciably reduced compared to known devices of interlocks or synchronous switches and of mechanical rectifiers.