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DISPOSITIFS ELECTRONIQUES DE COMMANDE DE MOTEURS-
La présente invention se rapporte aux dispositifs électroni- ques de commande de moteurs et particulièrement aux dispositifs servant à alimenter un moteur à courant continu au moyen de courant alternatif et à le faire marcher à vitesse réglable et stabilisée.
L'invention a pour buts de procurer : un dispositif du type précité assurant la marche commandée du moteur en récupération ou accouple négatif à l'aide de redresseurs et de dispositifs électroniques associés beaucoup plus simples que ceux utilisés dans les dispositifs antérieurs à performances comparables; un dispositif de ce type avec lequel le moteur,au moment d'un arrêt, fait du freinage avec récupération; un dispositif limiteur de courant simplifié mais sur pour la @ commande de l'accélération du moteur.
Ces buts et d'autres ainsi que leurs moyens de réalisation ressortiront clairement de la description suivante se référant au dessin annexé qui représente, à titre d'exemple, le schéma de principe d'un dis- positif de commande pour un moteur réversible alimenté en courant redressé provenant d'une source de courant alternatif.
Dans la description de la forme d'exécution représentée, des types commerciaux de tubes électroniques, des valeurs numériques de tension, résistance et capacité sont donnés comme références. Ces références ser- vent uniquement d'exemples d'application et d'ordres de grandeur. Il est évident que d'autres types de tubes et d'autres valeurs numériques d'impé- dances peuvent être utilisés suivant les exigences ou les desiderata de chaque application particulière.
Le dispositif représenté est alimenté par une ligne à courant
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alternatif par l'intermédiaire d'un transformateur d'alimentation d'énergie 1 ayant des enroulements secondaires 2, 3, 4,5 et 6, quoique l'on puisse employer plusieurs transformateurs séparés au lieu de l'unique représenté.
Le moteur à commander a son induit 7 relié à deux inducteurs série 8 et 9 de façon que le couple moteur ait un sens dépendant de celui des deux inducteurs qui est excité ou qui est plus excité 'que l'autre à un moment donné. L'inducteur 8 est relié à une prise médiane de l'enroulement secondaire 2. L'inducteur 9 est relié à une prise médiane du secondaire 3.
Le moteur reçoit des secondaires 2 et 3 du courant redressé par des tubes redresseurs réglables 11, 12, 13 et 14. Ces tubes sont du type à décharge à arc et sont représentés par des thyratrons (type WL-672).
Les cathodes de tous les tubes redresseurs sont reliées à un conducteur commun 10 connecté à l'induit 7. Les plaques des tubes 11 et 12 sont reliées aux extrémités respective,s du secondaire 2 et alimentent donc, quand elles sont conductrices, l'inducteur 8 en série avec l'induit 7. Les plaques des tubes 13 et 14 sont reliées aux extrémités respectives du se- condaire 3 de sorte que l'inducteur 9 est alimenté en série avec l'induit 7 quand les tubes 13 et 14 sont conducteurs. Chaque paire de tubes 11, 12 et 13,14 est connectée et fonctionne en redresseur biplaque. Les connexions de plaque des quatre tubes comprennent les primaires respectifs 15, 16, 17 et 18 d'un transformateur de courant 19 dont l'enroulement secondaire porte la référence. 20. Le rôle du transformateur de courant 19 sera exposé plus tard.
Les tubes redresseurs, pour simplifier le dessin, sont repré- sentés comme des triodes,quoique des tétrodes ou des pentodes puissent être utilisées si on le désire. Les grilles de commande des quatre tubes redres- seurs sont marquées respectivement 21,22, 23 et 24.
Les grilles 21 et 22 sont réunies par des résistances série 26 (220. 000 ohms), 27 (10. 000 ohms), 28 (10. 000 ohms) et 29 (220. 000 ohms).
Une composante alternative de tension de grille est appliquée aux bornes des résistances 27 et 28 par l'intermédiaire d'un circuit déphaseur 30 de type connu quelconque connecté aux bornes de l'enroulement secondaire 4.
De cette manière les deux tubes 11 et 12 reçoivent de la polarisation al- ternative de grille ayant un déphasage fixe, par exemple un retard de 90 ou 120 , par rapport à la tension anodique des tubes.
Les grilles de commande 23 et 24 des tubes 13 et 14 sont réunies par des résistances série 31, 32, 33 et 34 (mêmes valeurs que pour les résistances 26, 27, 28, 29). Une composante alternative de tension de grille ayant un déphasage fixe relativement à la tension anodique des tubes est appliquée aux bornes des résistances 32 et 33 par l'intermédiaire d'un déphaseur 35 également réuni à l'enroulement secondaire 4. Le déphasage de la polarisation alternative de grille pour les tubes 13 et 14 a de préfé- rence la valeur du déphasage des tubes 11 et 12.
Le circuit de commande pour les tubes 11 et 12 part du point milieu entre les résistances 27 et 28 par un conducteur 36, une résistance 37 (150.000 ohms), un conducteur 38, une résistance 39 (10.000 ohms) et un conducteur 40, et aboutit au conducteur cathodique commun 10 du circuit moteur. Le circuit de commande pour les tubes 13 et 14 part d'un point entre les résistances 32 et 33 par un conducteur 41, une résistance 42 (150.000 ohms). , un conducteur 38, une résistance 39 et un conducteur 40 et aboutit au conducteur commun de cathode et d'induit 10.
En plus de.la source précitée de polarisation de grille al- ternative et déphasée, chacun des deux circuits de commande des tubes re- dresseurs comprend deux sources supplémentaires de composante de tension de grille. Dans le circuit de commande des tubes 11 et 12 ces sources
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supplémentaires sont représentées par la résistance 39 et la résistance 37.
La résistance 39 reçoit une tension continue de polarisation de grille d'am- plitude constante, et la résistance 37 reçoit une tension continue de grille d'amplitude variable. La polarisation constante de grille provenant de la résistance 39 se combine à la polarisation alternative susmentionnée-de ma- nière à former une polarisation périodique et déphasée de caractéristique fixe. La tension de grille variable provenant de la résistance 37 a pour effet de faire glisser la polarisation périodique de manière à déplacer le point d'allumage des tubes 11 et 13, c'est-à-dire le moment de phase où les tubes 11 et 12 deviennent conducteurs dans les demi-périodes positives res- pectives de leurs tensions anodiques respectives.
C'est pourquoi l'amplitu- de la tension et du courant redressés et fournis par les tubes 11 et 12 au moteur dépend de l'amplitude de la tension variable aux bornes de la résis- tance 37.
Comme il a été dit, la résistance 39 se trouve aussi dans le circuit de commande de la paire de tubes 13,14 et fournit donc à ce cir- cuit une tension de polarisation constante. La résistance 42 représente une source de tension de grille variable pour le circuit de commande des tubes 13 et 14. Par conséquent, l'amplitude des tension et courant re- dressés et fournis à l'inducteur 9 et l'induit 7 du moteur par les tubes 13 et 14 dépend de l'amplitude de la tension variable aux bornes de la ré- sitance $42
On expliquera maintenant comment la polarisation constante de grille est appliquée aux bornes de la résistance susmentionnée 39 commune aux circuits de commande des deux groupes de tubes.
Aux bornes du secon- daire 5 du transformateur 1 se trouve un redresseur 43 (type 5 Y 3) dont la tension de sortie (375 volts) est appliquée par un circuit de filtrage 44 et une résistance série 45 (5000 ohms) aux bornes d'un circuit potentio- métrique. Ce circuit comprend trois tubes régulateurs de tension 46,47 et 48 qui sont de préférence du type à cathode froide (VR 105/30).
La chute de tension aux bornes de tels tubes est constante (105 volts) de sorte que toute variation d'amplitude de la tension redres- sée par le redresseur 43 est absorbée dans la résistance série 45. La ré- sistance susmentionnée 39 est mise en série avec une résistance 49 (20.000 ohms) aux bornes du tube 46, et fait donc partie du dispositif potentiomé- trique. Par conséquent, la chute de tension aux bornes de la résistance 39 est constante et sa valeur (70 volts) est déterminée par les valeurs relatives des résistances 39 et 49. En d'autres mots, en choisissant conve- nablement la résistance ou le point de tension A, on peut ajuster exactement la tension de polarisation de grille constante désirée pour les deux paires de redresseurs.
Le dispositif potentiométrique précité comprend aussi un rhéostat 50 (25.000 ohms) aux bornes du tube 47 et un rhéostat 51 (25.000 ohms) aux bornes du tube 48.
La tension variable précitée aux bornes de la résistance 37 du circuit de commande des tubes 11, 12 et la tension variable aux bornes de la résistance 42 du circuit de commande des tubes 13, 14 sont fournies par un amplificateur push-pull qui sera décrit ci-aprèso Un tube double à vi- de 52 (6 SL 7) a ses deux anodes reliées de telle façon aux résistances 37 et 42 que celles-ci représentent une charge dans les'deux circuits anodi- ques respectifs du tube. Les deux circuits anodiques reçoivent de la tension constante d'amplitude ajustée des résistances potentiométriques reliées en série 39 et 49 et de la partie de dérivation du rhéostat 50. On voit que si l'une ou l'autre moitié du tube 52 est conductrice, le courant anodique produit une chute de tension dans la résistance 37 ou 42.
Cette chute de tension dépend du degré de conductivité des parties respectives du tube, conductivité commandée elle-même par les conditions de tension dans les cir- cuits de grille associés.
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La grille de commande du tube 52 qui règle la chute de tension variable aux bornes de la résistance 36 porte la référence 53 et celle qui commande la tension aux bornes de la résistance 42 porte la référence 54.
La grille 53 est reliée par les résistances 55 (220.000 ohms), 56 (10.000 ohms), une partie d'un rhéostat 57 (25.000 ohms) et un curseur 58 à la par- tie de dérivation du rhéostat 50 dont le curseur est connecté aux cathodes du tube 52. Le circuit de grille pour la grille 54 passe par les résistan- ces 59 (220.000 ohms), 60 (10. 000 ohms) et l'autre partie du rhéostat 57 jusqu'au curseur 58, et de là par la partie de dérivation du rhéostat 50 aux cathodes du tube 52.
On remarquera que les deux circuits de grille du tube 52 re- çoivent une polarisation de grille constante ajustée de la partie de déri- vation du rhéostat 50. La résistance 56 et la partie adjacente du rhéostat 57 représentent une autre source de tension de grille pour le circuit de la grille 53. Cette autre source fournit une composante de tension de polari- sation variable qui détermine la conductivité de la moitié de tube associé à la grille 53. De même, la résistance 60 et la partie adjacente du rhéo- stat 57 représentent une source de tension de grille variable dans le cir- cuit de la grille 54.
La présence d'une tension variable aux bornes de la résistance 56 et de la partie adjacente du rhéostat 57 est due au fait que cette com- binaison résistive est mise comme charge dans un des circuits anodiques d'un autre -,,tube double à vide 61 (6 SL7). De même la résistance 60 et la partie adjacente du rhéostat 57 se trouvent dans l'autre circuit anodi- que du tube 61.
Les deux circuits anodiques reçoivent de la tension constante des rhéostats 50 et 51 reliés en série et comprennent un rhéostat de régla- ge de polarisation 62 (25.000 ohms) et une résistance 63 (100.000 ohms).
Les deux grilles de commande associées sont désignées par 64 et 65. Des résistances 66 et 67 (220.000 ohms chacune) sont respectivement reliées à ces grilles. Ces résistances sont réunies par une résistance 68 (75.000 ohms) et une génératrice tachymétrique 69. Un rhéostat de commande de vitesse 70 (50.000 ohms) est mis aux bornes des tubes 47 et 48 et donc aussi aux bornes des rhéostat 50 et 51. Ce rhéostat a une prise 71 reliée à un point entre les tubes 47 et 48 et donc à la résistance 67. Le rhéo- stat 70 a aussi un curseur 72 dont la position détermine le sens et la grandeur du couple à développer par le moteur. Le curseur 72 est relié à un point entre les résistances 66 et 68, par une résistance 73 (100.000 ohms) et sous la commande d'un relais CR 1 par un contact normalement ouvert 74.
Le relais CR 1 a deux autres contacts 75 et 76 commandés par une bobine 77.
Le circuit de la bobine 77 est relié à la bobine 78 d'un relais CR2 qui a deux contacts 79 et 80 et est désigné comme relaie à temps, ceci étant indiqué par un enroulement court-cirouité 81, quoique d'autres dispo- sitifs à temps puissent être utilisés. Les circuits des bobines des relais CR 1 et CR2 sont alimentés par le secondaire de transformateur 6 sous la commande d'un contact de démarrage normalement ouvert 82 et d'un contact d'arrêt normalement fermé 83. Quand le transformateur 1 est alimenté, l'actionnement du contact 82 enclenche les relais CR 1 et CR2. Ces deux relais sont ensuite excités à demeure à cause de la fermeture d'un circuit . de verrouillage au contact 76. Quand on enfonce ensuite le contact d'ar- rêt 83, le relais OR 1 déclenche immédiatement alors que le relais CR2 ne suit qu'après sa période d'attente.
Quand les relais sont enclenchés, le moteur est alimenté de façon à tourner dans des conditions vitesse-couple qui sont réglées au moyen du curseur 72 du rhéostat 70 et stabilisées par la génératrice tachymétrique 69.
La génératrice 69 fournit une tension réversible dont la pola- rité et l'amplitude dépendent du sens de rotation et de la vitesse de la génératrice. Celle-ci est mécaniquement couplée à l'induit 7 du moteur ou
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à une partie de machine entraînée par le moteur. La dépendance entre le fonctionnement de la génératrice et celle du moteur est indiquée schémati- quement par une ligne de connexion en traits interrompus 840
Des condensateurs 85 et 86 (0,5 mfd chacun) sont mis respecti- vement aux bornes des résistances 37 et 42 pour des raisons de commande de démarrage exposées plus loin.
Revenant au transformateur de courant susmentionnée on remar- quera que la tension aux bornes de son secondaire 20 est proportionnelle au courant de charge du moteur. Cette tension proportionnelle au courant est redressée par un redresseur 87 (6 X 5) dont la tension de sortie est appliquée aux bornes d'un condensateur de filtrage 88 (1 mfd) et d'un rhéostat 89 (100000 ohms). Un tube à cathode froide 90 (VR 105/30) ayant une tension de rupture donnée (105 volts) est mis en série avec les con- ducteurs de sortie du redresseur 91 et 92 mis aux bornes d'une partie de dérivation d'un rhéostat 51, une résistance 93 (150000 ohms-)étant insérée entre le conducteur 91 et le rhéostat 51.
Un tube double à vide réglable 94 (6 SN7) a ses¯cathodes reliées au conducteur 91 et ses grilles au con- ducteur 92, tandis que les anodes respectives sont reliées à celles du tu- be 52 par des conducteurs 95 et 96 respectivement.
Le dispositif fonctionne de la manière suivante.
Fonctionnement de base.
Comme il a été dits le choix de la position du contact 72 sur ' le rhéostat 70 commande le sens et la vitesse de rotation du moteur. Quand le contact 72 se trouve au milieu, chaque grille du tube 61 est au même potentiel par rapport au point de cathode B du tube 61 Ensuite, au moyen du contact mobile 58 du rhéostat potentiométrique 57 (point C), on peut rendre la chute de tension du point C au point D égale à celle du point C au point E. Les points D et E sont donc au même potentiel par rapport au point F du rhéostat 50. Quand D et E sont au même potentiel,A est à un potentiel positif par rapport à G et H de sorte que les tubes redresseurs 11 12, 13, 14 sont polarisés au cut-offsi le rhéostat 62 est réglé en conséquence.
Si les tubes redresseurs ne sont pas polarisés au cut-off, les deux inducteurs série 8 et 9 laisseront passer le même courant. Les champs des inducteurs 8 et 9 s'annulent et, quoique le courant d'induit est la somme des courants d'excitation, il n'y a pas de couple produit et l'in- duit ne tourne pas. Cette condition de non rotation peut être dénommée condition "de repos" correspondant au réglage Il de repos" du curseur 72 du rhéostat de commande 70. Que les tubes 11, 12,13 et 14 soient polarisés au cut-off ou non dans la position de repos du rhéostat 70 dépend des carac- téristiques de fonctionnement désirées. En polarisant les tubes redresseurs ,moins,loin que le eut-off on réalise un réglage "pointu" de la vitesse zéro au moyen du curseur 72.
En polarisant au cut-off ou plus loin, on donne de "l'aisance" au réglage de vitesse zéro ou de repos-du curseur 72.
Si on suppose que le curseur 72 est rapproché électriquement du point N, le point K est à un potentiel plus positif par rapport au point B et le point D devient donc plus négatif par rapport au point C. Le point D est de plus en plus négatif que le point E par rapport au point F. Par conséquent, la résistance 37 reçoit moins de courant et le point G devient moins négatif c'est-à-dire plus positif par rapport au point A. Donc l'an- gle d'allumage des tubes 13 et 14 change de façon que l'inducteur série 8 reçoive plus de courant que l'inducteur série 9. C'est donc l'inducteur série 9 qui commande le sens du couple moteur.
De manière analogue, un déplacement du curseur 72 du rhéostat de commande 70 vers le point L a l'effet opposé de sorte que c'est l'induc- teur 8 qui commande le sens du couple moteur.
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Si le circuit est réglé de façon que les deux inducteurs sont parcourus par du courant à la position de repos (vitesse zéro), un déplacement du curseur 72 par rapport à cette position de repos augmentera le courant dans un inducteur et le réduira dans l'autre. Ce réglage peut être obtenu en ajustant convenablement les rhéostats 62 et 50. Le régla- ge sera "pointu" pour tout mouvement du curseur 72, et le moteur réagira énergiquement à tout couple éppliqué par la charge à vitesse zéro.
Commande de vitesse.
L'amplitude de la tension de référence de vitesse est dé- terminée par le réglage du curseur 72 du potentiomètre 70. La génératrice taehymétrique 69 produit une tension continue proportionnelle à la vitesse.
La tension tachymétrique se combine à la tension de référence de manière à amener le circuit amplificateur à la condition de repos. Mais la condition de repos pour l'amplificateur entraîne des courants inducteurs nuls ou égaux dans le moteur, c'est-à-dire la disparition du couple. L'amplitude du couple, dans les limites des paramètres du circuit, est donc déterminée par la différence entre les tensions de référence et tachymétrique. Quand le moteur tourne sous une charge donnée et à la bonne vitesse,,la différen- ce de tension est exactement celle nécessaire pour maintenir la vitesse du moteur à cette charge. Si la vitesse du moteur diminue, par exemple à cause d'une variation de charge, la tension tachymétrique diminue aussi et la différence avec la tension de référence augmente.
Il s'ensuit que l'an- gle de phase des points d'allumage desredresseurs glisse de la quantité nécessaire pour ramener le moteur à sa vitesse correcte. Inversement, si la vitesse du moteur augmente au-dessus de la valeur correcte, la différen- ce de tension devient plus petite et peut même changer de polarité de sor- te que les angles d'allumage sont déphasés dans l'autre sens réduisant ou renversant le couple moteur jusqu'à rétablissement de la vitesse correcte.
De cette manière, le dispositif se stabilise lui-même à vitesse constante en concordance avec le réglage de vitesse effectué au rhéostat de commande 70. Cette commande de couple et de vitesse agit pour les deux sens de ro- tation.
Commande de limitation de courant et d'accélération.
Comme il a été dit, la tension redressée aux bornes du rhéostat 89 est pratiquement proportionnelle au courant de charge du moteur.
En fonctionnement normal du moteur, cette tension reste en-dessous de la valeur à laquelle le tube 90 devient conducteur. Par conséquent, la ten- sion redressée proportionnelle au courant n'a normalement pas d'effet sur la commande de vitesse et de couple. Au contraire quand, pendant des pé- riodes de démarrage ou de surcharge, le courant du moteur dépasse une va- leur déterminée, la tension aux bornes du tube 90 atteint la valeur de rupture. Le tube 90 conduit alors du courant par le conducteur 92, la ré- sistance 93, une partie du rhéostat 51 et le conducteur 91. Ce courant rend le conducteur 91 plus positif par rapport à la prise M du rhéostat 51. Il s'ensuit que le tube 94 normalement polarisé au ou près du cut-off par le réglage du point M, devient conducteur et fait passer du courant dans les résistances 37 et 42.
Les points G et H deviennent donc plus négatifs par rapport au point A et changent l'angle d'allumage des tubes redresseurs de manière à réduire les intervalles de conductivité et le courant moteur ré- sultant. Cet effet de limitation de courant limite la charge maximum pou- vant être appliquée aux redresseurs et commande aussi l'accélération du mo- teur en concordance avec un démarrage, une variation de vitesse ou une in- version désirés.
Démarrage et arrêt.
Quand le transformateur 1 est alimenté mais que le moteur
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est arrêté, les deux relais CR 1 et CR2 étant déclenchés, les condensa- teurs 85 et 86 sont chargés par l'intermédiaire des contacts fermés 79 et 80 par les résistances potentiométriques 39, 49, 50, 51
Quand le moteur est démarré en enfonçant le contact de dé- marrage 82, faisant enclencher les relais CR 1 et CR2, tandis que le cur- seur 72 du rhéostat de commande de vitesse 70 est glissé à une certaine distance du point de repos, le dispositif de commande accélère le moteur jusqu'à la vitesse préréglée en substance comme expliqué ci-dessus.
Ce- pendant, le changement de tension aux bornes des résistances 37 et 42 est d'abord grandement absorbé par la décharge des condensateurs parallèles 85 et 860 On évite ainsi une variation brusque de tension et une brusque avance correspondante des points d'allumage des redresseurs, ce qui éli- mine ou amortit les effets perturbateurs des pointes initiales du courant de démarrage. Cette limitation du courant perdure pendant quelques cycles et permet au courant du moteur de monter graduellement jusqu'à ce que le dispositif limiteur de courant entre en jeu.
Quand le moteur est arrêté en enfonçant le contact d'arrêt 83, le relais CR1 déclenche immédiatement alors que le relais CR2 reste enclenché pendant un moment supplémentaire. Pendant ce moment, le curseur du rhéostat 72 est déconnecté des circuits de grille du tube 61 et la ta- chymètre 69 est relié par le contact 75 de sorte que sa tension n'inter- vient pour polariser les circuits de grille que lors d'un couple moteur in- verse. ' C'est-à-dire que, alors que le moteur tourne toujours dans la di- rection première, l'inducteur pour couple inverse est alimenté de manière prédominante. Le moteur fonctionne en récupération et fournit de l'éner- gie en retour au réseau alternatif à travers une des paires de redresseurs qui fonctionne en convertisseur.
Par conséquent, pendant l'intervalle mentionné en premier lieu, le moteur ne glisse pas simplement vers les vi- tesses lentes mais est brutalement ralenti par freinage à récupération.
Le déclenchement subséquent du relais CR2 a pour effet de connecter les circuits de commande des redresseurs à l'extrémité négative du circuit potentiométrique. Ceci rend les grilles des redresseurs négati- ves par rapport au conducteur de cathode 10 de la quantité correspondant à la chute de tension dans les résistances 49, 50, 51 et 93 et arrête la conduction de tous les tubes redresseurs 11, 12, 13, 14.
Ce qui précède démontre que les relais CR1 et CR2 ne doivent pas nécessairement être réunis de la manière représentée. Si on le désire, on peut utiliser au lieu des relais respectifs CR1 et CR2 des interrupteurs distincts de freinage et d'arrêt.
Le moteur peut aussi être arrêté en amenant le curseur 72 du rhéostat de commande 70 au point de repos.
Pendant le ralentissement, dû à l'enfoncement du contact d'ar- rêt ou au déplacement du curseur du rhéostat de commande, le courant de charge du moteur reste sous la commande de limitation du courant décrite précédemment.
Opération de renversement et souple négatif.
Il a été fait allusion lors de la description précédente de la .commande de vitesse et de freinage à la possibilité d'un couple inverse et au fonctionnement du moteur en récupération. Il faut remarquer que de la récupération ou un couple inverse se produira chaque fois que le moteur est soumis à une charge d'entraînement et que le dispositif s'arrangera automatiquement lui-même pour que les tubes à décharge 11, 12 ou 13,14 fonc- tioneent en convertisseurs pendant les périodes d'entrainement Ceci res- sortira plus clairement de ce qui suit.
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Le sens de marche du moteur peut être renversé en faisant passer le curseur 72 du rhéostat de commande d'un côté à l'autre du point de repos. Quand on fait cela pendant que le moteur tourne, le moteur con- tinuera d'abord à tourner dans le même sens quoique l'inducteur de marche inverse soit le plus alimenté. Il s'ensuit que la charge entraîne le mo- teur, c'est-à-dire que le couple moteur est négatif et la polarité des bornes du moteur est inversée par rapport à celle des tubes redresseurs prédominants de sorte que le moteur, travaillant .en génératrice, fournit de l'énergie én retour au réseau alternatif et freine avec récupération jusqu'à ce que sa vitesse passe par zéro. Après cela, le moteur accélère dans le sens opposé jusqu'à la vitesse déterminée par le nouveau réglage du rhéostat de commande.
Une opération de récupération temporaire semblable peut aussi se faire si le rhéostat de commande de vitesse est ramené d'un point de vi= tesse plus élevée à un point de vitesse moins élevée, le moteur continuant à tourner dans la même direction. Si le changement de réglage est brusque ou assez important, la tension tachymétrique peut dépasser la tension de référence. C'est pourquoi, le champ d'excitation opposé à celui produi- sant le couple positif sera prédominant et il y aura récupération si les conditions vitesse-charge sont appropriées.
Si le. moteur, en étant en fonctionnement, dépasse la vitesse prévue, l'effet sur les circuits de commande des redresseurs est le même que si le curseur 72 du rhéostat de commande 70 était déplacé de l'autre côté du point de repos. En conséquence, la tension tachymétrique peut dé- passer la tension de référence et il y aura récupération pratiquement de la même manière que dans le paragraphe précédent.
En reprenant l'ensemble du système, on constate que le dis- positif ne nécessite que deux redresseurs biplaques pour réaliser toutes les opérations susmentionnées, alors qu'auparavant il fallait trois redres- seurs monoplaques pour les dispositifs avec récupération. Evidemment, pour des exigences moindres les redresseurs biplaques peuvent être rempla- cés par des monoplaques, de préférence avec des tubes suiveurs. D'autre part, pour de grandes puissances chaque redresseur biplaque représenté peut être remplacé pour un redresseur triphasé ou polyphasé. On consta- tera que n'importe quel dispositif redresseur de ce type modifié est plus simple et exige un moins grand nombre de tubes que les dispositifs connus avec des redressements comparables..
Il est entendu que si le dessin repré- sente des thyratrons, un dispositif conforme à l'invention pourra utiliser aussi des ignitrons.
Il faut aussi remarquer que toutes les cathodes de tous les tubes redresseurs fournissant du courant au moteur sont reliées à un seul et même conducteur. Il s'ensuit que les circuits de commande ou de grille nécessaires sont considérablement simplifiés en comparaison des dispositifs de commande à récupération connus. Par exemple dans le dispositif repré- senté, il ne faut que deux circuits de commande et deux circuits déphaseurs associés. L'appareillage accessoire, en particulier les tubes amplifica- teurs associés, est réduit en nombre et exige une quantité relativement moindre d'éléments de circuit.
En se référant à l'amplificateur représenté, les deux tubes 52 et 61 et les circuits associés se présentent comme deux étages d'ampli- fication en cascade. Si la sortie peut être moins importante, un seul éta- ge peut suffire ; que d'autre part on peut ajouter un ou plusieurs éta- ges amplificateurs'supplémentaires, si on le désire.
Il est clair que l'invention n'est pas limitée aux caracté- ristiques et détails particuliers de la forme d'exécution représentée, mais que divers changements et modifications peuvent être apportés sans sortir de son cadre.
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ELECTRONIC MOTOR CONTROL DEVICES-
The present invention relates to electronic motor control devices and particularly to devices for supplying a direct current motor by means of alternating current and for making it run at an adjustable and stabilized speed.
The invention aims to provide: a device of the aforementioned type ensuring the controlled operation of the motor in recovery or negative coupling using rectifiers and associated electronic devices much simpler than those used in prior devices with comparable performance; a device of this type with which the engine, when stopping, brakes with regeneration; a simplified but safe current limiting device for controlling @ motor acceleration.
These and other objects as well as their means of achieving will emerge clearly from the following description with reference to the appended drawing which represents, by way of example, the block diagram of a control device for a reversible motor supplied with power. rectified current from an alternating current source.
In the description of the illustrated embodiment, commercial types of electron tubes, numerical values of voltage, resistance and capacitance are given as references. These references only serve as application examples and orders of magnitude. It is obvious that other types of tubes and other numerical values of impedances can be used according to the requirements or desiderata of each particular application.
The device shown is supplied by a current line
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AC via a power supply transformer 1 having secondary windings 2, 3, 4,5 and 6, although several separate transformers can be used instead of the single one shown.
The motor to be controlled has its armature 7 connected to two series inductors 8 and 9 so that the motor torque has a direction depending on which of the two inductors is excited or which is more excited than the other at a given moment. Inductor 8 is connected to a middle tap of secondary winding 2. Inductor 9 is connected to a middle tap of secondary 3.
The motor receives secondaries 2 and 3 of the current rectified by adjustable rectifier tubes 11, 12, 13 and 14. These tubes are of the arc discharge type and are represented by thyratrons (type WL-672).
The cathodes of all the rectifier tubes are connected to a common conductor 10 connected to the armature 7. The plates of the tubes 11 and 12 are connected to the respective ends, s of the secondary 2 and therefore supply, when they are conductive, the inductor. 8 in series with the armature 7. The plates of the tubes 13 and 14 are connected to the respective ends of the secondary 3 so that the inductor 9 is supplied in series with the armature 7 when the tubes 13 and 14 are conductive. . Each pair of tubes 11, 12 and 13,14 is connected and operates as a two-plate rectifier. The plate connections of the four tubes comprise the respective primaries 15, 16, 17 and 18 of a current transformer 19 whose secondary winding is referenced. 20. The role of the current transformer 19 will be explained later.
Rectifier tubes, for convenience of the drawing, are shown as triodes, although tetrodes or pentodes can be used if desired. The control screens for the four straightening tubes are marked 21, 22, 23 and 24 respectively.
The grids 21 and 22 are joined by series resistors 26 (220,000 ohms), 27 (10,000 ohms), 28 (10,000 ohms) and 29 (220,000 ohms).
An alternating grid voltage component is applied to the terminals of resistors 27 and 28 by means of a phase shifter circuit 30 of any known type connected to the terminals of secondary winding 4.
In this way the two tubes 11 and 12 receive the alternate grid bias having a fixed phase shift, for example a delay of 90 or 120, with respect to the anode voltage of the tubes.
The control grids 23 and 24 of the tubes 13 and 14 are joined by series resistors 31, 32, 33 and 34 (same values as for resistors 26, 27, 28, 29). An AC grid voltage component having a fixed phase shift relative to the anode voltage of the tubes is applied across resistors 32 and 33 via a phase shifter 35 also joined to the secondary winding 4. The phase shift of the polarization grid alternative for tubes 13 and 14 preferably has the value of the phase shift of tubes 11 and 12.
The control circuit for tubes 11 and 12 starts from the midpoint between resistors 27 and 28 through a conductor 36, a resistor 37 (150,000 ohms), a conductor 38, a resistor 39 (10,000 ohms) and a conductor 40, and leads to the common cathode conductor 10 of the motor circuit. The control circuit for the tubes 13 and 14 starts from a point between the resistors 32 and 33 by a conductor 41, a resistor 42 (150,000 ohms). , a conductor 38, a resistor 39 and a conductor 40 and leads to the common cathode and armature conductor 10.
In addition to the aforementioned source of alternate and phase-shifted gate bias, each of the two rectifier tube control circuits comprises two additional sources of gate voltage component. In the control circuit of the tubes 11 and 12 these sources
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Additional are represented by resistance 39 and resistance 37.
Resistor 39 receives a DC gate bias voltage of constant amplitude, and resistor 37 receives a DC gate voltage of varying amplitude. The constant gate bias from resistor 39 combines with the aforementioned AC bias to form a periodic and phase shifted bias of fixed characteristic. The variable gate voltage from resistor 37 has the effect of sliding the periodic bias so as to shift the ignition point of tubes 11 and 13, i.e. the phase moment when tubes 11 and 12 become conductors in the respective positive half-periods of their respective anode voltages.
This is why the amplitude of the voltage and of the current rectified and supplied by the tubes 11 and 12 to the motor depends on the amplitude of the variable voltage at the terminals of the resistor 37.
As has been said, resistor 39 is also found in the control circuit of the pair of tubes 13,14 and therefore supplies this circuit with a constant bias voltage. Resistor 42 represents a source of variable grid voltage for the control circuit of tubes 13 and 14. Consequently, the magnitude of the voltage and current set and supplied to inductor 9 and armature 7 of the motor by tubes 13 and 14 depend on the amplitude of the variable voltage across the resistor $ 42
It will now be explained how the constant grid bias is applied across the aforementioned resistor 39 common to the control circuits of the two groups of tubes.
At the terminals of secondary 5 of transformer 1 is a rectifier 43 (type 5 Y 3) whose output voltage (375 volts) is applied by a filter circuit 44 and a series resistor 45 (5000 ohms) to the terminals d 'a potentiometric circuit. This circuit comprises three voltage regulator tubes 46, 47 and 48 which are preferably of the cold cathode type (VR 105/30).
The voltage drop across such tubes is constant (105 volts) so that any variation in the amplitude of the voltage rectified by rectifier 43 is absorbed into series resistor 45. The aforementioned resistor 39 is put into effect. series with a resistor 49 (20,000 ohms) across the tube 46, and therefore forms part of the potentiometric device. Therefore, the voltage drop across resistor 39 is constant and its value (70 volts) is determined by the relative values of resistors 39 and 49. In other words, by appropriately choosing the resistor or point. of voltage A, the desired constant gate bias voltage can be adjusted exactly for the two pairs of rectifiers.
The aforementioned potentiometric device also comprises a rheostat 50 (25,000 ohms) at the terminals of the tube 47 and a rheostat 51 (25,000 ohms) at the terminals of the tube 48.
The aforementioned variable voltage across resistor 37 of the control circuit for tubes 11, 12 and the variable voltage across resistor 42 of the control circuit for tubes 13, 14 are supplied by a push-pull amplifier which will be described below. -after a double vacuum tube 52 (6 SL 7) has its two anodes connected in such a way to resistors 37 and 42 that these represent a load in the two respective anode circuits of the tube. The two anode circuits receive from the constant voltage of adjusted amplitude potentiometric resistors connected in series 39 and 49 and from the bypass part of the rheostat 50. It can be seen that if one or the other half of the tube 52 is conductive, the anode current produces a voltage drop across resistor 37 or 42.
This voltage drop depends on the degree of conductivity of the respective parts of the tube, which conductivity itself is controlled by the voltage conditions in the associated gate circuits.
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The control grid of the tube 52 which regulates the variable voltage drop across the terminals of the resistor 36 bears the reference 53 and that which controls the voltage across the terminals of the resistor 42 bears the reference 54.
The grid 53 is connected by resistors 55 (220,000 ohms), 56 (10,000 ohms), part of a rheostat 57 (25,000 ohms) and a cursor 58 to the bypass part of the rheostat 50 whose cursor is connected. to the cathodes of tube 52. The grid circuit for grid 54 passes through resistors 59 (220,000 ohms), 60 (10,000 ohms) and the other part of rheostat 57 to cursor 58, and from there by the branching part of the rheostat 50 to the cathodes of the tube 52.
Note that both grid circuits of tube 52 receive an adjusted constant grid bias from the shunt portion of rheostat 50. Resistor 56 and the adjacent portion of rheostat 57 represent another source of gate voltage for the circuit of the grid 53. This other source provides a variable bias voltage component which determines the conductivity of the tube half associated with the grid 53. Likewise, resistor 60 and the adjacent part of rheostat 57 show a variable gate voltage source in the gate circuit 54.
The presence of a variable voltage across resistor 56 and the adjacent part of rheostat 57 is due to the fact that this resistive combination is placed as a load in one of the anode circuits of another - ,, double tube to empty 61 (6 SL7). Likewise, resistor 60 and the adjacent part of rheostat 57 are located in the other anode circuit of tube 61.
The two anode circuits receive constant voltage from rheostats 50 and 51 connected in series and include a bias adjustment rheostat 62 (25,000 ohms) and a resistor 63 (100,000 ohms).
The two associated control gates are designated 64 and 65. Resistors 66 and 67 (220,000 ohms each) are respectively connected to these gates. These resistors are joined by a resistor 68 (75,000 ohms) and a tachometric generator 69. A speed control rheostat 70 (50,000 ohms) is placed across the terminals of the tubes 47 and 48 and therefore also across the terminals of the rheostat 50 and 51. This The rheostat has a socket 71 connected to a point between the tubes 47 and 48 and therefore to the resistor 67. The rheostat 70 also has a cursor 72 whose position determines the direction and the magnitude of the torque to be developed by the motor. The cursor 72 is connected to a point between the resistors 66 and 68, by a resistor 73 (100,000 ohms) and under the control of a relay CR 1 by a normally open contact 74.
Relay CR 1 has two other contacts 75 and 76 controlled by a coil 77.
The coil circuit 77 is connected to the coil 78 of a CR2 relay which has two contacts 79 and 80 and is designated as a time relay, this being indicated by a shorted winding 81, although other devices in time can be used. The circuits of the coils of relays CR 1 and CR2 are supplied by the secondary of transformer 6 under the control of a normally open start contact 82 and a normally closed stop contact 83. When the transformer 1 is energized, l actuation of contact 82 engages relays CR 1 and CR2. These two relays are then permanently energized due to the closing of a circuit. locking contact 76. When the stop contact 83 is then pressed, the OR 1 relay trips immediately while the CR2 relay only follows after its waiting period.
When the relays are engaged, the motor is supplied so as to rotate under speed-torque conditions which are set by means of cursor 72 of rheostat 70 and stabilized by tacho generator 69.
The generator 69 supplies a reversible voltage, the polarity and amplitude of which depend on the direction of rotation and on the speed of the generator. This is mechanically coupled to the armature 7 of the motor or
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to a part of a machine driven by the motor. The dependence between the operation of the generator and that of the engine is indicated schematically by a connecting line in broken lines 840
Capacitors 85 and 86 (0.5 mfd each) are respectively placed across resistors 37 and 42 for start-up control reasons discussed later.
Returning to the above-mentioned current transformer, it will be noted that the voltage at the terminals of its secondary 20 is proportional to the load current of the motor. This voltage proportional to the current is rectified by a rectifier 87 (6 X 5) whose output voltage is applied to the terminals of a filter capacitor 88 (1 mfd) and of a rheostat 89 (100,000 ohms). A cold cathode tube 90 (VR 105/30) having a given breakdown voltage (105 volts) is put in series with the output conductors of the rectifier 91 and 92 put across a branch part of a. rheostat 51, a resistor 93 (150,000 ohms-) being inserted between the conductor 91 and the rheostat 51.
An adjustable double vacuum tube 94 (6 SN7) has its cathodes connected to conductor 91 and its grids to conductor 92, while the respective anodes are connected to those of tube 52 by conductors 95 and 96 respectively.
The device operates as follows.
Basic operation.
As has been said, the choice of the position of the contact 72 on the rheostat 70 controls the direction and the speed of rotation of the motor. When the contact 72 is in the middle, each grid of the tube 61 is at the same potential with respect to the cathode point B of the tube 61 Then, by means of the movable contact 58 of the potentiometric rheostat 57 (point C), the drop can be made voltage from point C to point D equal to that of point C to point E. Points D and E are therefore at the same potential with respect to point F of rheostat 50. When D and E are at the same potential, A is at a positive potential with respect to G and H so that the rectifier tubes 11 12, 13, 14 are biased at the cut-off if the rheostat 62 is adjusted accordingly.
If the rectifier tubes are not polarized at the cut-off, the two series inductors 8 and 9 will pass the same current. The fields of inductors 8 and 9 cancel each other out, and although the armature current is the sum of the excitation currents, there is no torque produced and the induction coil does not rotate. This non-rotation condition may be called the "rest" condition corresponding to the rest setting II of the slider 72 of the control rheostat 70. Whether the tubes 11, 12, 13 and 14 are cut-off biased or not in the position The quiescent rate of the rheostat 70 depends on the desired operating characteristics By biasing the rectifier tubes, less, far than the eut-off, a "sharp" adjustment of the zero speed is achieved by means of the cursor 72.
Biasing at the cut-off or further "ease" is given to the zero speed or rest-of-cursor 72 setting.
If it is assumed that the cursor 72 is electrically brought closer to the point N, the point K is at a more positive potential with respect to the point B and the point D therefore becomes more negative with respect to the point C. The point D is more and more negative than point E with respect to point F. Consequently, resistor 37 receives less current and point G becomes less negative, that is to say more positive with respect to point A. Therefore, the angle d The ignition of the tubes 13 and 14 changes so that the series inductor 8 receives more current than the series inductor 9. It is therefore the series inductor 9 which controls the direction of the motor torque.
Likewise, a movement of the cursor 72 of the control rheostat 70 towards point L has the opposite effect, so that it is the inductor 8 which controls the direction of the motor torque.
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If the circuit is set so that both inductors are carrying current at the rest position (zero speed), a movement of cursor 72 relative to this rest position will increase the current in an inductor and reduce it in the other. This adjustment can be achieved by properly adjusting rheostats 62 and 50. The adjustment will be "sharp" for any movement of the slider 72, and the motor will react vigorously to any torque applied by the load at zero speed.
Speed control.
The magnitude of the speed reference voltage is determined by the setting of slider 72 of potentiometer 70. The tahymetric generator 69 produces a DC voltage proportional to the speed.
The tacho voltage combines with the reference voltage so as to bring the amplifier circuit to the quiescent condition. But the rest condition for the amplifier results in zero or equal inducing currents in the motor, that is, the disappearance of the torque. The torque amplitude, within the limits of the circuit parameters, is therefore determined by the difference between the reference and tacho voltages. When the motor is running under a given load and at the correct speed, the voltage difference is exactly that necessary to maintain the motor speed at that load. If the motor speed decreases, for example due to a change in load, the tacho voltage also decreases and the difference with the reference voltage increases.
As a result, the phase angle of the rectifier ignition points slips by the amount necessary to bring the engine back to its correct speed. Conversely, if the engine speed increases above the correct value, the voltage difference becomes smaller and may even change polarity so that the ignition angles are out of phase in the other direction reducing or reversing the engine torque until the correct speed is restored.
In this way, the device stabilizes itself at constant speed in accordance with the speed adjustment made on the control rheostat 70. This torque and speed control acts for both directions of rotation.
Current limitation and acceleration control.
As has been said, the rectified voltage across the terminals of the rheostat 89 is practically proportional to the load current of the motor.
In normal engine operation, this voltage remains below the value at which tube 90 becomes conductive. Therefore, rectified voltage proportional to current normally has no effect on speed and torque control. On the contrary, when, during periods of starting or of overloading, the motor current exceeds a determined value, the voltage across the terminals of the tube 90 reaches the breaking value. The tube 90 then conducts current through the conductor 92, the resistor 93, part of the rheostat 51 and the conductor 91. This current makes the conductor 91 more positive with respect to the tap M of the rheostat 51. It follows that the tube 94 normally polarized at or near the cut-off by the adjustment of the point M, becomes conductive and makes pass current in the resistors 37 and 42.
Points G and H therefore become more negative with respect to point A and change the firing angle of the rectifier tubes so as to reduce the conductivity intervals and the resulting motor current. This current limiting effect limits the maximum load that can be applied to the rectifiers and also controls the acceleration of the motor in accordance with a desired start, speed variation or reversal.
Start and stop.
When transformer 1 is supplied but the motor
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is stopped, the two relays CR 1 and CR2 being tripped, the capacitors 85 and 86 are charged via the closed contacts 79 and 80 by the potentiometric resistors 39, 49, 50, 51
When the engine is started by depressing the start contact 82, causing the relays CR 1 and CR2 to engage, while the slider 72 of the speed control rheostat 70 is slid a certain distance from the rest point, the Control device accelerates the motor up to the preset speed in substance as explained above.
However, the change in voltage across resistors 37 and 42 is first of all greatly absorbed by the discharge of parallel capacitors 85 and 860. A sudden voltage variation and a corresponding sudden advance of the rectifier ignition points are thus avoided. , which eliminates or dampens the disturbing effects of the initial peaks of the starting current. This current limitation continues for a few cycles and allows the motor current to gradually build up until the current limiting device kicks in.
When the engine is stopped by depressing the stop contact 83, the CR1 relay trips immediately while the CR2 relay remains energized for a further moment. During this time, the cursor of the rheostat 72 is disconnected from the grid circuits of the tube 61 and the tachometer 69 is connected by the contact 75 so that its voltage comes into play to bias the grid circuits only when switched on. a reverse engine torque. That is, while the motor is still running in the first direction, the reverse torque inductor is predominantly energized. The motor operates in recovery and supplies energy back to the AC network through one of the pairs of rectifiers which operates as a converter.
Therefore, during the first-mentioned interval, the engine does not simply slip at low speeds but is abruptly slowed down by regenerative braking.
The subsequent triggering of relay CR2 has the effect of connecting the rectifier control circuits to the negative end of the potentiometric circuit. This makes the rectifier gates negative with respect to the cathode conductor 10 by the amount corresponding to the voltage drop across resistors 49, 50, 51 and 93 and stops the conduction of all rectifier tubes 11, 12, 13, 14.
The above demonstrates that the relays CR1 and CR2 do not necessarily have to be combined as shown. If desired, instead of the respective relays CR1 and CR2, separate braking and stop switches can be used.
The motor can also be stopped by bringing the cursor 72 of the control rheostat 70 to the point of rest.
During deceleration, due to the depressing of the stop contact or the movement of the control rheostat slider, the motor load current remains under the current limiting control described above.
Negative reversal and flexible operation.
In the preceding description of the speed and braking control, allusion was made to the possibility of reverse torque and to the operation of the motor in recovery. Note that recovery or reverse torque will occur whenever the motor is subjected to a driving load and the device will automatically arrange itself so that the discharge tubes 11, 12 or 13,14 work as converters during training periods. This will become clearer from what follows.
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The direction of operation of the motor can be reversed by passing the cursor 72 of the control rheostat from one side of the rest point to the other. When this is done while the motor is running, the motor will first continue to rotate in the same direction even though the reverse inductor has the most power. It follows that the load drives the motor, i.e. the motor torque is negative and the polarity of the motor terminals is reversed with respect to that of the predominant rectifier tubes so that the motor, working . as a generator, supplies energy back to the alternating network and brakes with recovery until its speed drops to zero. After that, the motor accelerates in the opposite direction to the speed determined by the new setting of the control rheostat.
A similar temporary recovery operation can also be accomplished if the speed control rheostat is returned from a higher speed point to a lower speed point with the motor continuing to rotate in the same direction. If the setting change is sudden or large enough, the tacho voltage may exceed the reference voltage. Therefore, the excitation field opposite to that producing the positive torque will be predominant and there will be recovery if the speed-load conditions are appropriate.
If the. When the motor, while operating, exceeds the intended speed, the effect on the rectifier control circuits is the same as if the slider 72 of the control rheostat 70 were moved to the other side of the rest point. As a result, the tachometer voltage may exceed the reference voltage and there will be recovery in much the same way as in the previous paragraph.
By reviewing the whole system, it can be seen that the device only requires two two-plate rectifiers to perform all the aforementioned operations, whereas previously three single-plate rectifiers were required for devices with recovery. Obviously, for lower requirements the two-plate rectifiers can be replaced by single-plate, preferably with follower tubes. On the other hand, for large powers each two-plate rectifier shown can be replaced for a three-phase or polyphase rectifier. It will be seen that any rectifier device of this modified type is simpler and requires a smaller number of tubes than known devices with comparable rectifications.
It is understood that if the drawing represents thyratrons, a device in accordance with the invention could also use ignitrons.
It should also be noted that all the cathodes of all the rectifier tubes supplying current to the motor are connected to a single conductor. It follows that the necessary control or gate circuits are considerably simplified in comparison with known recovery control devices. For example, in the device shown, only two control circuits and two associated phase-shifting circuits are required. The ancillary equipment, in particular the associated amplifier tubes, is reduced in number and requires relatively less amount of circuit elements.
Referring to the amplifier shown, the two tubes 52 and 61 and the associated circuits appear as two amplifier stages in cascade. If the output may be smaller, a single stage may suffice; that, on the other hand, one or more additional amplifier stages can be added, if desired.
It is clear that the invention is not limited to the particular features and details of the embodiment shown, but that various changes and modifications can be made without departing from its scope.