Moteur à courant alternatif monophasé à vitesse variable La présente invention concerne un moteur à courant alternatif monophasé à vitesse variable, à collecteur et à caractéristique shunt.
Ce type de moteur était considéré généralement comme n'étant pas commercial, étant donné ses défauts. L'un de ceux-ci était son faible couple au démarrage et aux faibles vitesses. Pour diminuer ce défaut, on a proposé de connecter en série les enrou lements d'excitation et d'induit lors du démarrage et de les connecter en parallèle lorsque l'induit a atteint une certaine vitesse.
On a aussi proposé de régler la phase ou l'am plitude du flux d'excitation en une fonction de la charge. On a, par exemple, proposé d'utiliser un transformateur dont les deux enroulements sont reliés en série, l'enroulement primaire étant situé dans le circuit d'excitation de l'inducteur et l'enrou lement secondaire étant situé dans le circuit de l'in duit, ceci afin de régler la phase du flux d'excitation en fonction des variations de charge. On a aussi proposé d'utiliser une capacité et une résistance en série avec le circuit d'excitation de l'inducteur afin de maintenir le flux d'excitation en phase avec la tension d'alimentation.
Le but de la présente invention est d'obtenir un moteur shunt monophasé à vitesse variable dans lequel la phase et l'amplitude du flux d'excitation sont maintenues sensiblement constantes indépen damment des changements de charge ou de vitesse et qui est capable de développer un couple suffisant pour une gamme de vitesses s'étendant d'une valeur proche de zéro à la vitesse maximum.
Un tel moteur présente une puissance de sortie qui peut varier dans un domaine étendu.
Le moteur à courant alternatif monophasé à vitesse variable et à caractéristique shunt, objet de l'invention, comprend un inducteur comprenant lui- même un enroulement d'excitation, un enroulement de compensation destiné à diminuer la réaction d'in duit et un enroulement série de commutation monté en série avec l'enroulement de compensation, un induit comprenant lui-même un enroulement d'induit et un collecteur coopérant avec deux groupes de balais, l'un de ces groupes étant connecté avec l'une des bornes de la source d'alimentation et l'autre de ces groupes étant connecté avec l'une des extrémités de l'enroulement de compensation,
chaque lame du collecteur étant connectée à l'enroulement d'induit par une résistance destinée à améliorer la commu tation et à diminuer la distorsion du champ provo quée par les tensions induites dans les parties de l'enroulement d'induit situées entre les lames du collecteur qui sont court-circuitées par les balais, et un condensateur connecté en série avec l'enroule ment d'excitation pour amener le flux inducteur sen siblement en phase avec la tension d'alimentation appliquée à l'induit.
Il est caractérisé en ce qu'un autotransformateur destiné à maintenir la phase et l'amplitude du courant d'excitation sensiblement constantes, est relié en série, par un point situé entre ses extrémités, avec l'enroulement d'excitation, et est relié par l'une de ses extrémités, d'une part avec l'autre extrémité de l'enroulement série commutation et, d'autre part, avec une prise réglable d'un trans formateur connecté aux bornes de la source d'ali mentation et destiné à permettre de faire varier la tension appliquée à l'induit pour modifier la vitesse du moteur, et, par son autre extrémité, à la source d'alimentation,
et en ce qu'il comprend en outre un enroulement shunt de commutation connecté entre l'une des bornes de la source d'alimentation et une prise intermédiaire fixe dudit transformateur. Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de l'invention ainsi que des schémas explicatifs.
La fig. 1 représente le schéma d'un moteur à courant alternatif monophasé à vitesse variable.
La fig. 2 représente le développement du stator avec les encoches à la périphérie intérieure et la disposition de l'enroulement d'excitation et d'autres enroulements associés dans lesdites encoches.
La fig. 3 est un schéma représentant l'enroule ment d'excitation et d'autres enroulements associés. La fig. 4 est un schéma représentant le collecteur et la disposition des balais.
La fig. 5 est une vue simplifiée du moteur selon la fig. 1, les connexions étant les mêmes mais dispo sées autrement afin de faciliter la comparaison avec la fig. 6.
La fig. 6 est le schéma d'un moteur connu.
Les fig. 7 et 8 sont des diagrammes vectoriels relatifs au moteur de la fig. 5.
Les fig. 9 et 10 sont des diagrammes vectoriels relatifs au moteur de la fig. 6 ; et la fig. 11 représente des caractéristiques de fonc tionnement du moteur selon la fig. 5.
Dans les fig. 7 à 10 on a Ef = force électromotrice du circuit inducteur, Vds = tension de l'induit, V, = tension du condensateur, Vf = tension aux bornes de l'enroulement de l'inducteur, V f,, = tension appliquée au circuit inducteur, V, = tension aux bornes de Ru, flux inducteur.
Dans la fig. 1, l'induit rotatif comprend un enroulement a du type ondulé et un collecteur com prenant des lames<I>b.</I> Chaque lame<I>b</I> est reliée au moyen d'une résistance e à un point de l'enroulement a, les points de connexion étant répartis uniformé ment. Les résistances servent à améliorer la commu tation et à réduire au minimum la distorsion du champ inducteur.
En contact avec le collecteur sont montées deux paires de balais d, dl. Il est préférable de prévoir deux balais d, disposés à 1800 l'un de l'autre, et reliés comme indiqué, ainsi que deux balais dl, dis posés de même à 180,) l'un de l'autre et reliés com me indiqué. Les paires de balais d, dl peuvent être disposées à 90o l'une de l'autre, mais elles peuvent aussi être disposées d'une façon différente, comme cela sera décrit plus loin en regard de la fig. 4.
La fig. 1 représente, à titre d'exemple, un moteur à quatre pôles ayant les quatre balais habituels dis posés sous forme de paires opposées diamétralement, les balais de chaque paire étant connectés en paral lèle. Un moteur construit de cette façon comprend un ensemble d'enroulements statoriques <I>e, m, n, o</I> (décrits plus loin) associés à chacun des pôles ; tou tefois un seul de ces ensembles a été représenté pour des raisons de simplicité.
L'inducteur comprend un enroulement d'excita tion principal e dont une extrémité est reliée à la ligne d'alimentation f. L'autre extrémité de cet en roulement est reliée, à travers un condensateur g monté en série, à une prise intermédiaire d'un auto- transformateur h, dont une extrémité est reliée à une ligne i qui peut être le conducteur neutre du réseau d'alimentation. L'autre extrémité de cet autotrans- formateur est reliée à un point intermédiaire réglable d'un transformateur de tension k, dont les extrémités sont connectées aux lignes d'alimentation f, <I>i.</I>
Le condensateur g a pour but d'amener le flux d'excitation en phase avec la tension de la source d'alimentation, tandis que l'auto-transformateur h maintient cette phase ainsi que la tension Vf aux bornes de l'enroulement d'excitation sensiblement constantes. La commutation est d'autant meilleure et le couple est d'autant plus constant dans le domaine de variation de la vitesse que la variation de flux est plus petite.
L'inducteur comprend en outre un enroulement de compensation m connecté en série avec les balais dl et, en série avec l'enroulement m, est connecté un enroulement série de commutation n qui est relié à une extrémité de l'auto-transformateur h et audit point intermédiaire du transformateur de tension k. L'inducteur comprend en outre un enroulement shunt de commutation o dont une extrémité est reliée à la ligne d'alimentation f et l'autre extrémité est reliée à un autre point intermédiaire du transforma teur k.
L'enroulement de compensation m a pour but de réduire la réaction d'induit, ce qu'il opérera dans toute la gamme des vitesses en maintenant constant le courant y circulant lorsque la charge est constante ou au contraire en le modifiant dans le cas où la charge change.
Le but des enroulements de commutation n, o est d'améliorer la commutation. L'enroulement série n intervient dans tout le domaine de vitesses en rai son des variations de courant dans cet enroulement qui sont liées aux changements de la charge. L'en roulement shunt de commutation o provoque la for mation d'une tension opposée à celle engendrée aux lames du collecteur par l'enroulement a et court- circuitée par les balais ; ces tensions se compensent progressivement lorsque la vitesse augmente, ceci sauf pour les vitesses très faibles.
La tension induite entre les lames du collecteur produit un courant qui interfère avec le courant d'excitation circulant dans l'enroulement e. Cette interférence est très sensible aux basses vitesses et diminue progressivement lorsque la vitesse augmente jusqu'à la vitesse maximum pour laquelle l'enroule ment shunt de commutation o agit pleinement afin de réduire ladite tension induite. Afin de diminuer cette interférence, il est nécessaire d'appliquer au circuit de l'inducteur, formé par l'enroulement e,
la capacité g et la partie de l'enroulement de l'auto- transformateur h située entre les points de con- nexion avec le condensateur g et la ligne i, une ten sion inversement proportionnelle à celle appliquée à l'induit suivant la vitesse à obtenir, cette vitesse étant fonction de cette tension appliquée à l'induit. Com me cela sera expliqué en détail plus loin, la tension adéquate est appliquée automatiquement au circuit de l'inducteur par l'auto-transformateur h.
La tension appliquée au circuit de l'inducteur augmentera ou diminuera avec la tension appliquée entre les extrémités de l'auto-transformateur h, cette dernière tension dépendant de la valeur à laquelle la tension de sortie du transformateur k est réglée en vue d'obtenir la vitesse voulue de l'induit et dépendant par conséquent de la tension aux bornes du circuit de l'induit et de la vitesse de l'induit.
Ainsi, lorsque le contact réglable du transfor mateur k est déplacé vers la gauche (fia. 1), la ten sion d'alimentation V,,, qui est appliquée au circuit de l'induit, est augmentée et la tension appliquée aux bornes de l'auto-transformateur h est aussi augmen tée. Par conséquent, la tension aux bornes du cir cuit de l'inducteur est abaissée automatiquement. Ceci a pour effet de maintenir sensiblement constante la tension V f aux bornes de l'enroulement e ainsi que par conséquent la phase du flux d'excitation.
Lorsque le contact est déplacé vers la droite (fia. 1) c'est l'inverse qui se produit, de sorte que la phase du flux d'excitation et la tension VI demeu rent aussi sensiblement constantes lorsque la tension de sortie du transformateur k est changée.
La commande du changement du sens de rota tion de l'induit s'effectue à l'aide de moyens connus destinés à changer le sens du courant d'alimentation dans l'enroulement d'excitation e, ou bien dans l'en roulement de l'induit et dans l'enroulement de com mutation o.
Afin d'expliquer l'effet produit par l'auto-trans- formateur h, on va décrire de façon comparative les fia. 5 et 6.
La fia. 6 représente un moteur connu compre nant une résistance RL et un condensateur g montés en série avec le circuit d'excitation de l'inducteur.
Bien que les fia. 5 et 6 soient très ressemblantes, elles représentent des moteurs fonctionnant très dif féremment. A la fia. 5, l'auto-transformateur h com mande la tension appliquée au circuit d'excitation de l'inducteur et cette tension ne dépend d'aucune façon du courant passant dans le circuit de l'induit. Ceci peut être démontré en mettant l'induit à circuit ouvert par enlèvement des balais ; la tension appli quée au circuit d'excitation de l'inducteur n'en sera pas affectée. A la fia. 6, par contre, le courant pas sant dans le circuit de l'induit influence le courant de sortie du transformateur k.
De plus, à la fia. 5, l'auto-transformateur h applique au circuit d'excita tion de l'inducteur une tension dont la valeur varie automatiquement en sens inverse de la tension de l'induit, laquelle dépend directement de la vitesse, tandis qu'à la fia. 6, le transformateur k règle l'in tensité du flux d'excitation automatiquement en fonc- tion des changements de charge, ce réglage n'étant pas nécessaire dans le cas de la fia. 5.
Le moteur de la fia. 1 est tel que l'enroulement de commutation shunt o a un effet marqué sur l'exci tation principale et l'auto-transformateur h doit être adapté en conséquence.
On va maintenant comparer les diagrammes vec toriels relatifs aux deux moteurs, les fia. 7 à 10 se rapportant au cas des moteurs non chargés.
La fia. 7 correspond à une vitesse de 600 t/m (tours/minute). Le vecteur flux 0 est en retard d'un angle de 1 par rapport à la tension Vts. La fia. 8 correspond à une vitesse voisine du maximum, soit 3000 t/m et le vecteur flux est en avance d'un angle de 2o par rapport à cette tension. Le changement est ainsi de 3 seulement. Ainsi, la phase du flux d'exci tation reste sensiblement constante lorsque la vitesse varie.
A la fia. 9, qui correspond à une vitesse de 600 t/m, on voit que le flux 0 retarde d'un angle de 8o par rapport à la tension Vts ; à la fia. 10, correspondant à une vitesse voisine de la vitesse maximum de 3000 t/m, le flux 0 est en avance de 4o par rapport à cette tension, ce qui fait une diffé rence de 12,1, qui est supérieure à celle du cas des fia. 7 et 8.
La faible variation de la phase du flux 0 est par conséquent due à l'auto-transformateur h. Plus la variation de la phase du flux 0 est faible, meil leure est la commutation, et plus le couple est régu lier dans le domaine de vitesses en question.
Les avantages résultant de l'emploi d'un auto- transformateur sont, on le voit, très importants. Lorsque le contact réglable du transformateur k est positionné de façon que Vas = 40 volts par exemple, fia. 7, une tension Vf, de 197 volts appli quée au circuit d'excitation de l'inducteur par les connexions représentées à la fia. 1 amènera la ten sion V f aux bornes des enroulements de l'inducteur à 450 volts.
Lorsque le contact est déplacé vers la droite de façon que Vas = 250 volts, fia. 8, la ten sion<B>V</B> I, appliquée au circuit d'excitation de l'induc teur sera de 79 volts lorsque la position du contact entre les deux extrémités de l'auto-transformateur h n'est pas changée et la tension VI aux bornes des enroulements de l'inducteur sera de 431 volts. Le changement n'est donc que de 4%. Ainsi, l'ampli tude du flux d'excitation demeure sensiblement cons tante lorsque la vitesse change.
A la fia. 9, par contre, lorsque Vas = 40 volts, une tension d'alimentation Vts de 230 volts appli quée au circuit d'excitation amènera la tension<B>VI</B> aux bornes des enroulements de l'induit à 394 volts. Lorsque Vas <I>= 250</I> volts, fia. 10, la tension<B>V</B> I, = 230 volts d'alimentation est toujours appliquée et la tension<B>VI</B> est maintenant de 455 volts, le chan gement étant de 13,5 % contre 4 % dans le cas des fia. 7 et 8. Un changement de 13,5 % signifie que l'intensité du champ varie de façon sensible lorsque la vitesse passe du minimum nu maximum et que le couple diminue avec la vitesse.
Ces inconvénients sont dus à la résistance RL et à la capacité g ainsi qu'à l'absence de l'auto-transformateur h.
La fig. 11, qui représente les variations de vitesse en fonction des changements de tension de l'induit, ne concerne qu'un moteur tel que celui représenté à la fig. 5. La courbe FL correspond à la pleine charge du moteur selon la figure 5. Les courbes désignées par 1/2 et 11/4 correspondent à des charges égales à 0,50 % et 125 % de la pleine charge, tandis que la courbe 0 correspond à une charge nulle. La linéarité de ces courbes signifie que le flux est main tenu sensiblement constant en amplitude et en phase dans tout le domaine de vitesses. Cette constance est due principalement à l'auto=transformateur h.
On va décrire, à titre d'exemple, un moteur d'un cheval destiné à être alimenté par un courant alter natif monophasé de 240 volts et de 50 périodes/ seconde, le moteur pouvant tourner à toutes les vitesses jusqu'à un maximum de 3000 t/min et ceci dans les deux sens.
Le moteur comprend un stator annulaire en fer qui a été représenté sous forme développée en p à la fig. 2.
Les enroulements sont disposés comme indiqué sur les fig. 2 et 3. L'enroulement d'excitation e com prend 187 spires par pôle, faites en fil de cuivre dont la section transversale est égale à 0,245 mm2. Cet enroulement est logé dans 6 encoches par pôle et 83 spires de cet enroulement par pôle embrassent 8 dents, 83 spires embrassent 6 dents et 21 spires embrassent 4 dents. L'enroulement de compensation m comprend 53 spires faites en fil de cuivre, dont la section transversale est égale à 2,94 mm2 et il est logé dans 8 encoches par pôle, ce qui fait 212 spires montées en série.
L'enroulement shunt de commu tation o comporte 450 spires faites en fil de cuivre, dont la section transversale est égale à 0,0937 mm2 et qui sont enroulées autour d'une dent se trouvant entre chaque paire des pôles adjacents. L'enroule ment série de commutation n comporte 13 spires faites en fil de cuivre dont la section transversale est égale à 2,94 mue et qui sont enroulées autour de trois dents adjacentes entre chaque paire de pôles adjacents.
L'induit comporte 25 encoches et l'enroulement ondulé simple a logé dans ces encoches possède 625 spires faites en fil de cuivre, dont la section trans versale est égale à 0,98 mm-.
Le collecteur représenté sur la fig. 4 comprend 125 lames dont chacune est reliée à une partie asso ciée de l'enroulement a au moyen d'une résistance c de 1,04.Q, comme cela a été indiqué en liaison avec la fig. 1. Quatre balais<I>d, d, dl, dl</I> sont prévus. Les balais d, d sont disposés sur un axe qui est incliné et forme un angle avec l'axe sur lequel sont disposés les balais dl, qui est légèrement inférieur à l'angle droit, comme c'est indiqué sur la fig. 4.
L'épaisseur de chaque balai est telle qu'il n'embrasse pas plus de deux lames. La disposition des balais est telle qu'à un instant donné un balai embrasse une paire de lames, cependant que l'autre balai embrasse une lame entière et les parties de deux lames adjacentes, comme montré sur la fig. 4, afin de réduire au mini mum les courants de circulation dans les spires associées de l'enroulement a.
Le condensateur g monté en série avec l'enroule ment d'excitation e a une capacité d'environ 9 micro- farads et l'auto-transformateur h est relié au trans formateur de tension k comme indiqué à la fig. 1.
L'enroulement shunt de commutation o réparti sur les quatre pôles du stator est monté en parallèle avec un branchement de 45 V sur le transformateur de tension k.
La variation de la vitesse de rotation de l'induit et le changement du sens de rotation sont obtenus comme décrit ci-dessus en regard de la fig. 1.
The present invention relates to a single-phase AC motor with variable speed, collector and shunt characteristic.
This type of engine was generally considered to be non-commercial, given its shortcomings. One of these was its low starting torque and low speeds. To reduce this defect, it has been proposed to connect the excitation and armature windings in series when starting and to connect them in parallel when the armature has reached a certain speed.
It has also been proposed to adjust the phase or the amplitude of the excitation flux as a function of the load. It has, for example, been proposed to use a transformer whose two windings are connected in series, the primary winding being located in the excitation circuit of the inductor and the secondary winding being located in the circuit of the inductor. This is in order to adjust the phase of the excitation flux as a function of the load variations. It has also been proposed to use a capacitor and a resistance in series with the excitation circuit of the inductor in order to maintain the excitation flux in phase with the supply voltage.
The object of the present invention is to obtain a single-phase, variable-speed shunt motor in which the phase and amplitude of the excitation flux are kept substantially constant regardless of load or speed changes and which is capable of developing a torque sufficient for a range of speeds extending from a value close to zero to maximum speed.
Such a motor has an output power which can vary over a wide range.
The single-phase AC motor with variable speed and shunt characteristic, object of the invention, comprises an inductor itself comprising an excitation winding, a compensation winding intended to reduce the induction reaction and a series winding. switch connected in series with the compensation winding, an armature itself comprising an armature winding and a collector cooperating with two groups of brushes, one of these groups being connected with one of the terminals of the source power supply and the other of these groups being connected with one of the ends of the compensation winding,
each blade of the collector being connected to the armature winding by a resistor intended to improve the switching and to reduce the distortion of the field caused by the voltages induced in the parts of the armature winding located between the blades of the collector which are short-circuited by the brushes, and a capacitor connected in series with the excitation winding to bring the inducing flux sensibly in phase with the supply voltage applied to the armature.
It is characterized in that an autotransformer intended to keep the phase and the amplitude of the excitation current substantially constant, is connected in series, by a point located between its ends, with the excitation winding, and is connected by one of its ends, on the one hand with the other end of the series switching winding and, on the other hand, with an adjustable tap of a transformer connected to the terminals of the power supply source and intended to make it possible to vary the voltage applied to the armature to modify the speed of the motor, and, by its other end, to the power source,
and in that it further comprises a shunt switching winding connected between one of the terminals of the power source and a fixed intermediate tap of said transformer. The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of the object of the invention as well as explanatory diagrams.
Fig. 1 represents the diagram of a single-phase AC motor with variable speed.
Fig. 2 shows the development of the stator with the notches at the inner periphery and the arrangement of the excitation winding and other associated windings in said notches.
Fig. 3 is a diagram showing the excitation winding and other associated windings. Fig. 4 is a diagram showing the collector and the arrangement of the brushes.
Fig. 5 is a simplified view of the motor according to FIG. 1, the connections being the same but arranged differently in order to facilitate comparison with FIG. 6.
Fig. 6 is the diagram of a known motor.
Figs. 7 and 8 are vector diagrams relating to the engine of FIG. 5.
Figs. 9 and 10 are vector diagrams relating to the engine of FIG. 6; and fig. 11 shows operating characteristics of the engine according to FIG. 5.
In fig. 7 to 10 we have Ef = electromotive force of the inductor circuit, Vds = voltage of the armature, V, = voltage of the capacitor, Vf = voltage across the terminals of the inductor winding, V f ,, = voltage applied to the inductor circuit, V, = voltage across Ru, inductor flux.
In fig. 1, the rotary armature comprises a winding a of the corrugated type and a collector comprising blades <I> b. </I> Each blade <I> b </I> is connected by means of a resistor e to a winding point a, the connection points being evenly distributed. Resistors are used to improve switching and to minimize inductive field distortion.
In contact with the collector are mounted two pairs of brushes d, dl. It is preferable to provide two brushes d, arranged at 1800 from each other, and connected as indicated, as well as two brushes dl, arranged in the same way at 180,) from each other and connected as me indicated. The pairs of brushes d, dl can be arranged at 90 ° to each other, but they can also be arranged in a different way, as will be described later with regard to FIG. 4.
Fig. 1 shows, by way of example, a four-pole motor having the usual four brushes arranged in the form of diametrically opposed pairs, the brushes of each pair being connected in parallel. A motor constructed in this way comprises a set of stator windings <I> e, m, n, o </I> (described later) associated with each of the poles; However, only one of these sets has been shown for reasons of simplicity.
The inductor comprises a main excitation winding e, one end of which is connected to the supply line f. The other end of this rolling is connected, through a capacitor g mounted in series, to an intermediate tap of an autotransformer h, one end of which is connected to a line i which may be the neutral conductor of the network d 'food. The other end of this autotransformer is connected to an adjustable intermediate point of a voltage transformer k, the ends of which are connected to the supply lines f, <I> i. </I>
The purpose of the capacitor g is to bring the excitation flux in phase with the voltage of the power source, while the auto-transformer h maintains this phase as well as the voltage Vf at the terminals of the excitation winding substantially constant. The switching is all the better and the torque is all the more constant in the speed variation range as the flux variation is smaller.
The inductor further comprises a compensation winding m connected in series with the brushes dl and, in series with the winding m, is connected a series switching winding n which is connected to one end of the auto-transformer h and at said intermediate point of the voltage transformer k. The inductor further comprises a shunt switching winding o, one end of which is connected to the supply line f and the other end is connected to another intermediate point of the transformer k.
The purpose of the compensation winding my is to reduce the armature reaction, which it will operate in the whole range of speeds by keeping the current flowing there constant when the load is constant or, on the contrary, by modifying it in the case where the load changes.
The purpose of n, o switching windings is to improve switching. The n series winding is involved in the entire speed range because of the current variations in this winding which are linked to the changes in the load. The switching shunt bearing o causes the formation of a voltage opposite to that generated at the collector blades by the winding a and short-circuited by the brushes; these tensions are progressively compensated for when the speed increases, except for very low speeds.
The voltage induced between the blades of the collector produces a current which interferes with the excitation current flowing in the winding e. This interference is very sensitive at low speeds and gradually decreases as the speed increases up to the maximum speed at which the switching shunt winding acts fully in order to reduce said induced voltage. In order to decrease this interference, it is necessary to apply to the circuit of the inductor, formed by the winding e,
the capacitance g and the part of the winding of the autotransformer h situated between the points of connection with the capacitor g and the line i, a voltage inversely proportional to that applied to the armature depending on the speed at obtain, this speed being a function of this voltage applied to the armature. As will be explained in detail later, the adequate voltage is automatically applied to the inductor circuit by the auto-transformer h.
The voltage applied to the inductor circuit will increase or decrease with the voltage applied between the ends of the autotransformer h, the latter voltage depending on the value to which the output voltage of the transformer k is set in order to obtain the desired speed of the armature and therefore dependent on the voltage across the armature circuit and the speed of the armature.
Thus, when the adjustable contact of the transformer k is moved to the left (fia. 1), the supply voltage V ,,, which is applied to the armature circuit, is increased and the voltage applied to the terminals of the auto-transformer h is also increased. Therefore, the voltage across the inductor circuit is automatically lowered. This has the effect of maintaining substantially constant the voltage V f at the terminals of the winding e as well as consequently the phase of the excitation flux.
When the contact is moved to the right (fia. 1) the reverse occurs, so that the phase of the excitation flux and the voltage VI also remain substantially constant when the output voltage of the transformer k is changed.
The change in the direction of rotation of the armature is controlled by means of known means intended to change the direction of the supply current in the excitation winding e, or else in the bearing of the armature and in the com mutation winding o.
In order to explain the effect produced by the auto-transformer h, we will describe in a comparative way the fia. 5 and 6.
The fia. 6 shows a known motor comprising a resistor RL and a capacitor g connected in series with the excitation circuit of the inductor.
Although the fia. 5 and 6 are very similar, they represent engines that work very differently. A la fia. 5, the auto-transformer h controls the voltage applied to the inductor excitation circuit and this voltage does not depend in any way on the current flowing in the armature circuit. This can be demonstrated by putting the armature open by removing the brushes; the voltage applied to the inductor excitation circuit will not be affected. A la fia. 6, on the other hand, the current not sant in the armature circuit influences the output current of the transformer k.
In addition, at the fia. 5, the auto-transformer h applies to the excitation circuit of the inductor a voltage the value of which varies automatically in the opposite direction to the voltage of the armature, which depends directly on the speed, while at the fia . 6, the transformer k adjusts the intensity of the excitation flux automatically according to the load changes, this adjustment not being necessary in the case of fia. 5.
The engine of the fia. 1 is such that the shunt switching winding o has a marked effect on the main excitation and the auto-transformer h must be adapted accordingly.
We will now compare the actual diagrams relating to the two engines, the fia. 7 to 10 relating to the case of unloaded motors.
The fia. 7 corresponds to a speed of 600 rpm (revolutions / minute). The flux vector 0 is behind by an angle of 1 with respect to the voltage Vts. The fia. 8 corresponds to a speed close to the maximum, ie 3000 rpm and the flux vector is ahead by an angle of 2o with respect to this voltage. The change is thus only 3. Thus, the phase of the excitation flow remains substantially constant when the speed varies.
A la fia. 9, which corresponds to a speed of 600 rpm, it can be seen that the flux 0 lags by an angle of 8 ° with respect to the voltage Vts; to the fia. 10, corresponding to a speed close to the maximum speed of 3000 rpm, flow 0 is 4o ahead of this voltage, which makes a difference of 12.1, which is greater than that in the case of fia. 7 and 8.
The small variation in the phase of flux 0 is therefore due to the auto-transformer h. The smaller the variation in the phase of flux 0, the better the switching, and the more regular the torque is in the speed range in question.
The advantages resulting from the use of an autotransformer are, as we can see, very important. When the adjustable contact of the transformer k is positioned so that Vas = 40 volts for example, fia. 7, a voltage Vf, 197 volts applied to the excitation circuit of the inductor by the connections shown in fia. 1 will bring the voltage V f across the inductor windings to 450 volts.
When the contact is moved to the right so that Vas = 250 volts, fia. 8, the voltage <B> V </B> I, applied to the excitation circuit of the inductor will be 79 volts when the position of the contact between the two ends of the auto-transformer h is not changed and the voltage VI across the inductor windings will be 431 volts. The change is therefore only 4%. Thus, the magnitude of the excitation flux remains substantially constant as the speed changes.
A la fia. 9, on the other hand, when Vas = 40 volts, a supply voltage Vts of 230 volts applied to the excitation circuit will bring the voltage <B> VI </B> across the terminals of the armature windings to 394 volts. When Vas <I> = 250 </I> volts, fia. 10, the voltage <B> V </B> I, = 230 volts of supply is still applied and the voltage <B> VI </B> is now 455 volts, the change being 13.5% against 4% in the case of fia. 7 and 8. A change of 13.5% means that the field strength varies significantly as the speed goes from minimum to maximum and torque decreases with speed.
These drawbacks are due to the resistance RL and the capacitance g as well as the absence of the autotransformer h.
Fig. 11, which represents the speed variations as a function of the armature voltage changes, only concerns a motor such as that shown in FIG. 5. The FL curve corresponds to the full load of the motor according to figure 5. The curves designated by 1/2 and 11/4 correspond to loads equal to 0.50% and 125% of the full load, while the curve 0 corresponds to zero load. The linearity of these curves means that the flux is kept substantially constant in amplitude and in phase throughout the speed range. This constancy is mainly due to the auto = transformer h.
We will describe, by way of example, a motor of a horse intended to be supplied by a native single-phase alternating current of 240 volts and 50 periods / second, the motor being able to rotate at all speeds up to a maximum of 3000 rpm and this in both directions.
The motor comprises an annular iron stator which has been shown in developed form at p in FIG. 2.
The windings are arranged as shown in fig. 2 and 3. The excitation winding includes 187 turns per pole, made of copper wire with a cross section equal to 0.245 mm2. This winding is housed in 6 notches per pole and 83 turns of this winding per pole embrace 8 teeth, 83 turns encompass 6 teeth and 21 turns embrace 4 teeth. The compensation winding m comprises 53 turns made of copper wire, the cross section of which is equal to 2.94 mm2 and it is housed in 8 notches per pole, which makes 212 turns mounted in series.
The switching shunt winding o has 450 turns made of copper wire, the cross section of which is equal to 0.0937 mm2 and which are wound around a tooth located between each pair of adjacent poles. The n switching series winding comprises 13 turns made of copper wire with a cross section equal to 2.94 molt and which are wound around three adjacent teeth between each pair of adjacent poles.
The armature has 25 notches and the single corrugated winding housed in these notches has 625 turns made of copper wire, the cross section of which is equal to 0.98 mm-.
The collector shown in FIG. 4 comprises 125 blades each of which is connected to an associated part of the winding a by means of a resistance c of 1.04.Q, as has been indicated in connection with FIG. 1. Four <I> d, d, dl, dl </I> brushes are provided. The brushes d, d are arranged on an axis which is inclined and forms an angle with the axis on which the brushes dl are arranged, which is slightly less than the right angle, as shown in FIG. 4.
The thickness of each broom is such that it does not embrace more than two blades. The arrangement of the brushes is such that at a given moment one brush embraces a pair of blades, while the other brush embraces an entire blade and parts of two adjacent blades, as shown in fig. 4, in order to minimize the circulating currents in the associated turns of the winding a.
The capacitor g mounted in series with the excitation winding e has a capacity of about 9 micro-farads and the auto-transformer h is connected to the voltage transformer k as shown in fig. 1.
The switching shunt winding o distributed over the four poles of the stator is connected in parallel with a 45 V connection to the voltage transformer k.
The variation in the speed of rotation of the armature and the change in the direction of rotation are obtained as described above with reference to FIG. 1.