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BREVET D'INVENTION "Perfectionnements aux régulateurs électriques"
La prés.ente invention est relative au problème de régulation de machines électriques et plus particulièrement à un dispositif de régulation de tension et de fréquence pour un ensemble moteur-génératrice.
Jusqu'à présent, il a été suggéré d'utiliser une régulation de fréquence pour les ensembles moteur-génératrice dans laquelle un rhéostat de réglage est inséré dans le circuit des inducteurs shunt du moteur. Dans. ce système, un redresseur est prévu'pour relier une bobine commandant ce rhéostat au circuit de sortie à courant alternatif de la génératrice. Ce circuit de sortie de la génératrice est connecté au redresseur à travers une bobine de réactance à noyau de fer dont l'impédance augmente avec la fréquence en sorte que sous une tension de sortie constante, l'excitation du circuit inducteur shunt du moteur varie de façon à main- tenir la fréquence constante.
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Cependant dans un tel dispositifs Je régulateur de fréquence répond non seulement aux variations de fréquence @@is aussi
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é-1J':; variations do 12 tension de ligne.
C'c:st-2,-nire c:i'f¯: fréauen- ce constante;, lorsque la tension de ligne monte, le courant dans
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1:::, bobine de COl:lTc'o.nde du régulateur augmente 5# façon 0, tendre 8, augmenter la résistance du rhéostat de régulation et produireainsi une, augmentation de la vitesse de rotation Ci'[.1 moteur au-dessus de la vitesse de régime.
Le phénomène inverse se produit en. cas de diminution de la tension. L'efficacité de la régulation de fré quence est par conséquent fonction de celle de la régulation (le tension.
Les v@riations de la tension de ligne de la phase contrôlée
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'peuvent être de l'or(]r0 à8 25 po'.'r r;rT,+, Ç1 JlS ou c": ..mi=ns Tour toute rte-J-lcLn8 d? S,Jnc?.iro#1-,.i.:<-;#"i. Cette erreur est donc imposée au régulat de fréquence.
Un des objets de la présente invention est, donc de prévoir en plus du régulateur de fréquence décrit ci-dessus, des moyens de régulation de tension comprenaat un circuit de contrôle comportant un condensateur. La valeur de la, capacité de ce conden- sateur est choisie de façon à assurer unt valeur correcte de courant traversant la bobine de commande pour la tension et la fré- quence à régler ou à maintenir constantes.
Le circuit de contrôle est établi pour fonctionner de façon que, lorsque la fréquence augmente la. réactance de ce condensateur diminue, entraînant l'augmetation du courant traversant la bobine de commande et par suite une réduction de la tension a.lter- native de sortie de la génératrice. L'effet inverse se produit en cas de diminution de la fréquence de sortie.
On voit que dans le nouveau dispositif énoncé ci--dessus, les deux régulateurs de tension et de fréquence tendent à rétablir l'équilibre.
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Ainsi une tendance à l'augmentation de la fréquence tend à provoquer la diminution de la tension de ligne qui à son tour tend à diminuer la fréquence. L'effet inverse se produit dans le cas d'une diminution de la fréquence.
De la même façon une tendance à l'augmentation de la, tension tend à provoqùer l'augmentation de la fréquence, qui à son tour tend à diminuer la tension. L'effet inverse se produit dans le cas de la diminution de la tension.
Ainsi, un des objets de la présente invention est de prévoir un régulateur de fréquence et un régulateur de tension, les deux régulateurs agissant en dépendance étroite l'un de l'autre de la manière décrite ci-dessus,de façon à améliorer la régulation de l'ensemble moteur-génératrice.
Un autre objet de l'invention est de prévoir un dispositif de temporisation disposé de manière à maintenir ouvert le circuit de la bobine de commande du régulateur du moteur jusqu'à ce que . ce dernier atteigne sa vitesse de régime et assurant ainsi des conditions convenables de démarrage du dit moteur.
Ces objets et caractéristiques de l'invention ainsi que d'autres apparaîtront plus complètement de la description qui suit et du dessin y annexé étant bien entendu que ce dessin n'est donné qu'à titre d'exemple non limitatif.
Ce dessin est le schéma d'un système régulateur de tension et de fréquence conforme à la présente invention.
En'se rapportant au dessin, il y est indiqué par le numéro 1 un moteur qui entraine un générateur ou alternateur 2 par-un arbre de transmission 3. Le moteur 1 est représenté sous la forme d'un moteur à courant continu alimenté par les conducteurs 4 et 5 reliés à une batterie 6 par un interrupteur de démarrage 6A.
Le moteur est pourvu d'un enroulement inducteur shunt 7 dont le flux détermine la vitesse de rotation du moteur 1. Une extrémité
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de l'enroulement inducteur 7 est reliée au conducteur 4tandis que son extrémité opposée est reliée par le conducteur 8 à une ex- trémité d'une résistance variable constituée par un empilage d'é léments de charbon 9 et faisant partie du régulateur indiqué dans son ensemble pa.r le numéro 10. Loutre extrémité de la résistance variable 9 est reliée par le conducteur 11 au conducteur 5.
La résistance 9 est insérée dans le circuit de l'enroule- ment inducteur shunt 7, de façon à faire varier l'intensité du courant d'exciatation du dit enroulement ,et par suite la vitesse du moteur 1 La vitesse du moteur 1 augmente avec une diminution
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cle l'excitation de l' enrou7¯eïnent 7 et elle décroît clu2,nd l' e:cci- tation croît. Une résistance 9A est connectée en dérivation sur Isolément de résistance 9 de manière à limiter la résistance maxima insérée dans le circuit de l'enroulement inducteur shunt.
Le régulateur 10 peut être du type décrit dans le brevet antérieur américain No 2.427.805.
Le régulateur 10 est représenté schématiquement ici comme comprenant une armature 12 pivotant autour d'un axe fixe 13 et sollicitée par un ressort 14 dans le sens de la diminution de la résistance d.e l'élément 9. En opposition au ressort 14, agit une commande électromagnétique représentée schématiquement ici par une bobine 15.
La bobine 15 est connectée par des conducteurs 16 et 17 aux bornes de sortie d'un redresseur 18 sont les conducteurs d'entrée sont indiqués en 19 et 20.
La génératrice de courant alternatif 2 entraînée par le moteur 1 au moyen de l'arbre 3 est pourvue d'un enroulement induit triphasé 21, 22 et 23 et d'un enroulement inducteur 24 Les conducteurs de sortie 25, 26 et 27 relient les bornes de l'induit à la. charge appropeiée non représentée ici. Les conducteurs 28 et 29 sont reliés aux conducteurs de sortie 25 et
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26. Le conducteur 28 est relié au conducteur 11 et à un conta ct mobile 30. Le contact mobile 30 est maintenu par la tension d'un ressort de manière qu'au repos il ferme un contact 31 relié au conducteur 8 par le conducteur 32.
Une bobine électromagnétique 33 relié par des conducteurs
34 et 35 aux conducteurs 4 et 5 d'alimentation du moteur, com- . mande le contact mobile 30.
Lorsque le moteur 1 a atteint sa vitesse de régime, le cou- rant dans la bobine 33 devient suffisant pour vaincre le couple résistant offert par le ressort et le contact mobile 30 puvre le contact 31 et ferme un second contact 36 relié au conducteur,20.
Le conducteur 29 est relié à une extrémité d'une bobine de réactance 37 munie d'un noyau de fer 38;à l'autre extrémité la bobine 37 est reliée au conducteur 19. L'impédance de la bobine
37 est déterminée pour la fréquence désirée. Ainsi le contact mobile 30 étant maintenu sur le contact 36, l'intensité du cou- rant parcourait la bobine électromagnétique 15 décroît quand la fréquence augmente, la tension entre les conducteurs 25 et 26 restant constante. Cette dernière action à son tour commande le réglage de la résistance 9 de manière à faire varier le,cou- rant d'excitation dans l'enroulement inducteur 7 pour maintenir la vitesse du moteur à la valeur désirée.
L'enroulement d'excitation 24 de la génératrice à courant alternatif 2 a une extrémité reliée au conducteur 4 d'alimenta- tion du moteur, tandis que, l'autre extrémité est reliée, par le conducteur 39 , à une borne d'un résistance variable constituée par un empilage d'éléments de charbon 40 d'un régulateur indiqué dans son ensemble par le numéro 41. L'autre extrémité de l'élé- ment 40 est reliée par le conducteur 42 au conducteur 5. L'élé- ment de résistance 40 est inséré dans le circuit de l'enroulement inducteur 24 de la génératrice à courant alternatif 2, de manière
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à pouvoir faire varier le courant d'excitation et par suite la tension alternative de la génératrice 2.
La tension induite de la génératrice 2 croît avec l'excitation de son enroulement inducteur 24 et décroît quand l'excitation décroît.
Le régulateur 41 peut être du type décrit dans le brevet américain No 2.427.805.
Ce régulateur 41 est représenté schématiquement ici comme comprenant une armature 43 pivotant autour d'un axe 44 et sollicitée par un ressort 45 dans le sens de la diminution de la résistance 40. S'opposant au ressort 45 agit une bobine de commande électromagnétique représentée schématiquement ici par une bobine 46.
La bobine 46 est reliée par des conducteurs 47 et 48 aux bornes de sortie d'un redresseur 49 dont les bornes d'entrée sont reliées par des conducteurs 50 et 51 aux conducteurs de sortie 25 et 26 de la génératrice 2; au conducteur 51 est relié un condensateur dont la capacité estchoisie pour donner au courant de la. bobine 46 la valeur désirable pour la tension et la fréquence désirées. Le circuit de contrôle est conçu de façon que toute élévation de la fréquence entraîne une diminution de la réactance du condensateur entraînant une élévation de l'intensité du courant traversant la bobine de commande 46 et par suite la di- minution de la tension alternative. L'effet inverse se produit dans le cas de l'abaissement de la fréquence.
Ainsi le régulateur de tension 41 en plus du fait qu'il est sensible aux variations de tension, est également sensible aux variations de la fréquence.
Les régulateurs 10 et 41 sont agencés de façon à tendre vers 1''équilibre. Ainsi une tendance à l'élévation de la fréquence tend, par le fonctionnement du régulateur 41, à abaisser la tension aux bornes de l'induit ce qui provoque, par le fonc-
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tionnement du régulateur 10, l'abaissement de la fréquence. L'o- pération étant réversible, également une tendance a l'élévation de la tension alternative, provoqùe, par le fonctionnement du régulateur 10, l'élévation de la fréquence qui à son tour provo- que, par le fonctionnement du régulateur 41, l'abaissement de la tension.
On voit de cette manière que les deux régulateurs fonction- nent ensemble en dépendance l'un de l'autre, d'où il résulte l'a- mélioration de la,régulation.
Le condensateur 52 et la bobine de réactance à noyau de fer 37 sont de préférence réglables dans certaines limites, de façon à réaliser rajustement de la tension et de la fréquence indépendamment du fonctionnement'des régulateurs eux-mêmes. Ces derniers ajustements peuvent être effectués d'une manière con- ventionnelle.
On voit d'autre part que l'action du relais électromagnéti- que 30, introduit un délai dans le fonctionnement de l'ensemble permettant d'assurer au moteur 1 un démarrage convenable.
Ceci peut également être réalisé par un relais thermique fermant'le circuit de contrôle du régulateur 10 après'un délai de temps déterminé. Dans le circuit représenté sur le dessin, . cependant, le circuit moteur de la bobine de commande 15 est maintenu ouvert par l'action du relais 30 jusqu'à ce que le mo- teur 1 ait acquis sa vitesse de régime. Alors la tension entre les conducteurs 4 et 5 s'élève suffisamment permettant à la bo- bine électromagnétique 33 d'actionner le relais 30 pour ouvrir le contact 31 et fermer le contact 36 et de cette façon fermer le circuit moteur de la bobine de commande 15.
Durant le délai de démarrage le contact mobile est maintenu par la tension d'un. ressort au contact du doigt 31 et de cette façon court-circuite Isolément de résistance 9 du circuit de l'enroulement inducteur du moteur 1.
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Bien qu'une seule forme de réalisation de l'invention ait été décrite et représentée, diverses modifications dans la forme et la disposition relative des parties, évidentes à tout homme de l'art, peuvent être apportées à la dite forme de réalisation, sans sortir du donaine de l'invention ni s'écarter de son esprit.
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PATENT OF INVENTION "Improvements to electrical regulators"
The present invention relates to the problem of regulating electric machines and more particularly to a voltage and frequency regulating device for a motor-generator assembly.
Heretofore it has been suggested to use frequency regulation for motor-generator assemblies in which a tuning rheostat is inserted in the circuit of the motor shunt inductors. In. In this system, a rectifier is provided to connect a coil controlling this rheostat to the alternating current output circuit of the generator. This generator output circuit is connected to the rectifier through an iron core reactance coil whose impedance increases with frequency such that under constant output voltage, the excitation of the motor shunt inductor circuit varies by so as to keep the frequency constant.
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However in such devices the frequency regulator responds not only to variations in frequency @@ is also
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é-1J ':; variations in line voltage.
C'c: st-2, -nire c: i'f¯: constant frequency ;, when the line voltage rises, the current in
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1 :::, COl coil: lTc'o.nde of the regulator increases 5 # way 0, tighten 8, increase the resistance of the regulating rheostat and thus produce an increase in the speed of rotation Ci '[. 1 motor au- above rev speed.
The opposite phenomenon occurs in. case of voltage decrease. The efficiency of the frequency regulation is therefore a function of that of the regulation (the voltage.
Line voltage variations of the controlled phase
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'can be gold (] r0 à8 25 in'. 'rr; rT, +, Ç1 JlS or c ": ..mi = ns All round rte-J-lcLn8 d? S, Jnc? .iro # 1 - ,. i.:<-;#"i. This error is therefore imposed on the frequency control.
One of the objects of the present invention is therefore to provide in addition to the frequency regulator described above, voltage regulation means comprising a control circuit comprising a capacitor. The value of the capacitance of this capacitor is chosen so as to ensure a correct value of the current flowing through the control coil for the voltage and the frequency to be regulated or kept constant.
The control circuit is established to operate such that when the frequency increases the. The reactance of this capacitor decreases, causing an increase in the current flowing through the control coil and consequently a reduction in the alternate output voltage of the generator. The opposite effect occurs when the output frequency decreases.
It can be seen that in the new device mentioned above, the two voltage and frequency regulators tend to reestablish the equilibrium.
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Thus a tendency to increase the frequency tends to cause the line voltage to decrease which in turn tends to decrease the frequency. The opposite effect occurs in the case of a decrease in frequency.
Likewise a tendency to increase the voltage tends to cause the increase in frequency, which in turn tends to decrease the voltage. The opposite effect occurs in the case of the decrease in voltage.
Thus, one of the objects of the present invention is to provide a frequency regulator and a voltage regulator, the two regulators acting in close dependence on one another in the manner described above, so as to improve the regulation. of the engine-generator assembly.
Another object of the invention is to provide a timing device arranged so as to keep the circuit of the motor regulator control coil open until. the latter reaches its operating speed and thus ensuring suitable starting conditions for said engine.
These objects and characteristics of the invention and others will emerge more fully from the description which follows and from the drawing appended thereto, it being understood that this drawing is given only by way of non-limiting example.
This drawing is a schematic of a voltage and frequency regulator system according to the present invention.
Referring to the drawing, there is indicated by the number 1 an engine which drives a generator or alternator 2 through a transmission shaft 3. The engine 1 is shown in the form of a direct current motor supplied by the motors. conductors 4 and 5 connected to a battery 6 by a starter switch 6A.
The motor is provided with a shunt inductor winding 7, the flux of which determines the speed of rotation of motor 1. One end
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of the inductor winding 7 is connected to the conductor 4, while its opposite end is connected by the conductor 8 to one end of a variable resistor formed by a stack of carbon elements 9 and forming part of the regulator indicated in its together by number 10. The other end of variable resistor 9 is connected by conductor 11 to conductor 5.
Resistor 9 is inserted into the circuit of shunt inductor winding 7, so as to vary the intensity of the excitation current of said winding, and consequently the speed of motor 1. The speed of motor 1 increases with a decrease
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the excitation of the coil 7 and it decreases clu2, nd the e: ccitation increases. A resistor 9A is shunted on Resistor insulation 9 so as to limit the maximum resistance inserted in the circuit of the shunt inductor winding.
Regulator 10 may be of the type described in prior US Patent No. 2,427,805.
The regulator 10 is shown schematically here as comprising an armature 12 pivoting about a fixed axis 13 and biased by a spring 14 in the direction of the decrease in the resistance of the element 9. In opposition to the spring 14, a control acts. electromagnetic represented schematically here by a coil 15.
Coil 15 is connected by conductors 16 and 17 to the output terminals of a rectifier 18 and the input conductors are indicated at 19 and 20.
The alternating current generator 2 driven by the motor 1 by means of the shaft 3 is provided with a three-phase armature winding 21, 22 and 23 and an inductor winding 24 The output conductors 25, 26 and 27 connect the terminals from the armature to the. approved load not shown here. Conductors 28 and 29 are connected to output conductors 25 and
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26. The conductor 28 is connected to the conductor 11 and to a movable contact 30. The movable contact 30 is maintained by the tension of a spring so that at rest it closes a contact 31 connected to the conductor 8 by the conductor 32 .
An electromagnetic coil 33 connected by conductors
34 and 35 to the motor supply conductors 4 and 5, com-. activates the mobile contact 30.
When the engine 1 has reached its operating speed, the current in the coil 33 becomes sufficient to overcome the resistive torque offered by the spring and the movable contact 30 opens the contact 31 and closes a second contact 36 connected to the conductor, 20 .
The conductor 29 is connected to one end of a reactance coil 37 provided with an iron core 38; at the other end the coil 37 is connected to the conductor 19. The impedance of the coil
37 is determined for the desired frequency. Thus, the moving contact 30 being maintained on the contact 36, the intensity of the current flowing through the electromagnetic coil 15 decreases as the frequency increases, the voltage between the conductors 25 and 26 remaining constant. This latter action in turn controls the adjustment of resistor 9 so as to vary the excitation current in field winding 7 to maintain the speed of the motor at the desired value.
The excitation winding 24 of the alternating current generator 2 has one end connected to the motor supply conductor 4, while the other end is connected, through the conductor 39, to a terminal of a motor. variable resistor formed by a stack of carbon elements 40 of a regulator indicated as a whole by the number 41. The other end of the element 40 is connected by the conductor 42 to the conductor 5. The ele- resistor 40 is inserted into the circuit of the field winding 24 of the alternating current generator 2, so
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to be able to vary the excitation current and therefore the alternating voltage of generator 2.
The induced voltage of the generator 2 increases with the excitation of its inductor winding 24 and decreases when the excitation decreases.
Regulator 41 may be of the type described in U.S. Patent No. 2,427,805.
This regulator 41 is shown schematically here as comprising an armature 43 pivoting about an axis 44 and biased by a spring 45 in the direction of the decrease in resistance 40. Opposing the spring 45 acts an electromagnetic control coil shown schematically. here by a coil 46.
The coil 46 is connected by conductors 47 and 48 to the output terminals of a rectifier 49 whose input terminals are connected by conductors 50 and 51 to the output conductors 25 and 26 of the generator 2; to the conductor 51 is connected a capacitor whose capacitance is chosen to give the current of the. coil 46 the desired value for the desired voltage and frequency. The control circuit is designed so that any increase in frequency results in a decrease in the reactance of the capacitor resulting in an increase in the intensity of the current passing through the control coil 46 and hence in the decrease of the alternating voltage. The opposite effect occurs in the case of lowering the frequency.
Thus the voltage regulator 41 in addition to the fact that it is sensitive to voltage variations, is also sensitive to frequency variations.
Regulators 10 and 41 are arranged to tend towards equilibrium. Thus a tendency to increase the frequency tends, by the operation of the regulator 41, to lower the voltage at the terminals of the armature which causes, by the operation
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operation of regulator 10, lowering the frequency. The operation being reversible, also a tendency for the AC voltage to rise, caused by the operation of the regulator 10, the rise in frequency which in turn causes, by the operation of the regulator 41, lowering the voltage.
In this way, it can be seen that the two regulators work together in dependence on one another, resulting in improved regulation.
The capacitor 52 and the iron core reactance coil 37 are preferably adjustable within certain limits, so as to achieve voltage and frequency adjustment independent of the operation of the regulators themselves. These latter adjustments can be made in a conventional manner.
On the other hand, it can be seen that the action of the electromagnetic relay 30 introduces a delay into the operation of the assembly making it possible to ensure that the motor 1 has a suitable start.
This can also be achieved by a thermal relay closing the control circuit of the regulator 10 after a determined period of time. In the circuit shown in the drawing,. however, the motor circuit of the control coil 15 is kept open by the action of the relay 30 until the motor 1 has acquired its operating speed. Then the voltage between the conductors 4 and 5 rises sufficiently allowing the electromagnetic coil 33 to actuate the relay 30 to open the contact 31 and close the contact 36 and in this way close the motor circuit of the control coil. 15.
During the start-up delay the moving contact is maintained by the voltage of one. spring in contact with finger 31 and in this way short-circuits Resistor insulation 9 of the field winding circuit of motor 1.
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Although only one embodiment of the invention has been described and shown, various modifications in the shape and the relative arrangement of parts, obvious to any person skilled in the art, can be made to said embodiment, without to get out of the gift of invention nor to get out of his mind.