Brevet FR2003899A1 — publié le 19691114

i 2003899 L'invention concerne un ensemble d'appareils de mesures électriques pour mesurer des ampèreheures, voltheures et le temps total passé sous charge de machines actionnées électriquement telles que les locomotives diesel électriques. 5 De nombreuses machines doivent subir des vérifications de maintenance à intervalles de temps déterminés et doivent être remises en état ou réparées si nécessaire. De même, des machines déterminées peuvent être utilisées de manière différente par roulement en faisant intervenir divers modes de fonctionnement dans le but de prolonger leur vie utile. Dans un 10 ensemble dans lequel l'électricité sert à entraîner des machines, les époques appropriées pour les vérifications de maintenance et le roulement d'utilisation d'une machine peuvent être déterminés grâce aux informations obtenues par des mesures concernant l'ensemble électrique. Des éléments utiles d'information sont par exemple les heures de fonctionnement sous charge, le nombre total 15 d'ampèreheures débités, le nombre total de voltheures développés, les valeurs moyennes du courant et de la tension dans l'intervalle de temps indiqué et le travail total fourni par l'ensemble. Une locomotive Diesel-électrique est un exemple de machine actionnée électriquement pour laquelle ces informations sont souhaitables. 20 Les appareils de mesure classiques sont toutefois compliqués, coûteux et assez fragiles. Ils ont souvent été jugés peu satisfaisants pour l'emploi sur des locomotives où ils doivent résister à des vibrations, des chocs mécaniques, des variations de température et à la poussière. De plus, les appareils de mesure classiques sont assez difficiles à lire pour les 25 personnes non qualifiées et les difficultés d'indiquer le travail effectué par l'ensemble s'aggravent si le courant ou la tension varie dans de larges mesures dans les conditions de fonctionnement normales de l'ensemble, comme par exemple dans le groupe des moteurs de traction d'une locomotive Diesel-électrique. 30 L'invention a pour objet, d'une manière générale, la réalisation d'un ensemble pour mesures électriques qui est robuste, sûr, économique et donne des indications faciles à lire. En bref, une forme de réalisation préférée de la présente invention comprend plusieurs coulombmètres électrolytiques branchés avec des résistances 35 appropriées et, si nécessaire, un dispositif régulateur de tension et des redresseurs pour réaliser les ampèreheuremètres, voltheuremètres, et les compteurs horaires. Une forme de coulombmètre électrolytique comprend un tube transgrarënt4-contenant une colonne de mercure avec des bornes immergées 9 07164 2 2003899 et une petite quantité d'électrolyte placée dans la colonne entre les bornes. On oblige 11 électrolyte à se déplacer d'une borne à l'autre par le transfert électrolytique du mercure d'une borne à l'autre, la quantité transférée étant proportionnelle à la quantité d'électricité ayant traversé 1'électrolyte. De 5 cette manière, le déplacement de 1'électrolyte (ainsi que le déplacement du mercure) indique la quantité d'électricité qui a passé et par conséquent l'intégrale du courant par rapport au temps pour le circuit dans lequel l'appareil de'mfesurë" ëst branché. Seluu une forme préférée de l'invention, plusieurs de ces coulomb-10 mètres électrolytiques sont associés avec des résistances et des régulateurs de tension pour constituer un ensemble de mesures. Cet ensemble de mesures, quand il est raccordé correctement à un ensemble de machines alimentées électriquement, fournit directement ou par un calcul simple des informations telles que les heures de fonctionnement sous charge, les ampèreheures, volt-15 heures, valeurs moyennes du courant et des tensions pendant l'intervalle de temps indiqué et le nombre total de mégawattheures consommés par l'ensemble. Cette information est utile pour établir quand on commence la maintenance, la remise en état, ou le roulement d'utilisation d'une machine ou pièce de machine déterminée. 20 L'invention concerne un appareillage de mesures pour, des machines actionnées électriquement, comportant un générateur et une charge constitués, en combinaison, par un premier coulombmètre.éLectrolytique, des moyens techniques pour faire passer à travers ledit coulombmètre un courant unidirectionnel proportionnel au courant passant par ladite charge, un second coulombmètre 25 électrolytique, des moyens pour faire passer à travers ledit second coulombmètre un courant unidirectionnel proportionnel à la tension aux bornes de ladite charge, un troisième coulombmètre électrolytique et des moyens pour faire passer à travers ledit troisième coulombmètre, seulement pendant le temps où ledit générateur est sous charge, .un courant unidirectionnel d'intensi-30 té sensiblement constante, ce qui permet de combiner les indications des divers coulombmètres pour mesurer l'énergie consommée, les ampèreheures absorbés, les voltheures engendrés, le temps passé sous charge et les valeurs moyennes du courant et de la tension pendant le temps passé sous charge. Aux dessins ci-annexés : 35 la figure 1 est une représentation schématique d'une forme de réalisation préférée de l'invention branchée dans un ensemble de machines actionnées électriquement. 69 07164 3 2003899 La figure 2 est uiu schéma d'un réseau électrique avec plusieurs charges et représentant l'utilisation de l'invention pour mesurer les ampèreheures dans chaque charge. La figure 1 représente donc sous forme schématique une partie d'un-5 réseau électrique comportant un système de mesures selon l'invention. Le réseau électrique décrit est celui d'une locomotive Diesel-électrique. Ce réseau comprend un générateur principal 10 qui, dans la présente forme de réalisation, est un générateur de courant continu avec des bornes 11 et 12 reliées par des barres omnibus 13 et 14 aux bornes 16 et 17 d'une forme 10 préférée d'ensemble de mesures selon l'invention, désignée par 18. Les bornes 19 et 20 de l'ensemble de mesures 18 sont raccordées respectivement aux bornes 21 et 22 de la charge 23. Comme on le voit sur le schéma, les bornes 17 et 20 de l'ensemble de mesures 18 sont identiques électriquement. La charge 23 est représentée comme étant une charge unique mais peut, en fait, 15 être constituée par plusieurs charges isolées, par exemple les divers moteurs de traction d'une locomotive Diesel-électrique. Un générateur auxiliaire 25, qui peut être entraîné par la charge 23 comme indiqué schématiquement par la ligne en pointillé comporte des bornes 26 et 27 reliées respectivement aux bornes 28 et 29 de l'ensemble de mesures 18, dans un but décrit plus en 20 détail ci-après. Un ampèreheuremètre 30 est intercalé entre le générateur principal 10 et la charge 23 en tant qu'élément de l'ensemble de mesures 18 et dans le but de mesurer les ampèreheures débités par le générateur principal 10. Cet appareil de mesure comprend un coulombmètre électrolytique 31, un shunt de 25 mesure 32 et une résistance 33. Le coulombmètre 31 comprend un tube transparent 34 contenant une colonne interrompue de mercure 35 avec des bornes 36 et 37 qui sont plongées dans le mercure aux extrémités opposées du tube. Une certaine quantité d'électrolyte 38, qui peut être une soltlttôn aqueuse d'iodure de potassium, 30 est placée dans la coupure de la colonne de mercure. Sous l'action du courant circulant entre les bornes 36 et 37, du mercure est transféré à travers 1'électrolyte et déposé sur la borne opposée. L'électrolyte est donc obligé de se déplacer d'une borne à l'autre. La distance parcourue par 1'électrolyte dépend de la quantité de mercure transférée qui est elle-même fonction de 35 l'intensité du courant passant par la colonne de mercure et de la durée du passage dudit courant. La distance parcourue par 1'électrolyte dans le tube indique alors le produit du courant passant par le coulombmètre 31 par le temps pendant lequel il passe autrement dit à la quantité d'électricité (coulombs) ayant traversé le tube. 07164 4 2003899 Comme l'indique la figure 1, le tube transparent 34 du coulombmètre 31 peut comporter des repères à intervalles déterminés dans le sens de la longueur. Une ligne de séparation nette se forme aux deux intersurfaces entre le mercure et 11électrolyte, dont l'une peut être utilisée comme 5 repère pour indiquer la distance parcourue par 1'électrolyte. Le coulombmètre comporte une échelle limitée destinée à indiquer la quantité d'électricité déterminée par ces résistances de calibrage associées et ses caractéristiques propres. Quand l'extrémité de cçtte échelle est atteinte, c'est-à-dire quand 11électrolyte 38 a atteint la borne 37, le 0 dispositif peut être réemployé simplement en inversant ses connexions au reste de son circuit. Dans le cir.cuit électrique représenté sur la figure 1, la charge 23 absorbe un courant très intense. Le coulombmètre 31 n'est pas placé directement sur le trajet du courant de travail parce que les courants intenses pourraient 5 provoquer la vaporisation du mercure ou de 1'électrolyte dans le tube transparent et parce qu'un courant intense traversant directement le coulombmètre réduit la durée du passage du courant dans le coulombmètre avant de dépasser l'extrémité de son échelle. Pour prolonger la période de mesure du coulombmètre 31 et le 0 protéger contre les courants trop intenses, une résistance 33 est branchée en série avec le coulombmètre et un shunt d'appareil de mesure 32 est branché en parallèle sur le coulombmètre 31 et la résistance 33. La résistance du shunt 22 d'appareil dé mesure est choisie pour laisser passer les grandes intensités de courant consommées par la charge 23, tandis que la valeur de la 5 résistance 33 est choisie de façon à limiter l'intensité du courant traversant le coulombmètre 31 à une petite fraction du courant de travail total. Le coulombmètre 31 est ainsi protégé contre les courants intenses et sa durée d'utilisation est prolongée. La sensibilité en ampèreheures par division du coulombmètre 31 est déterminée par ses caractéristiques propres et -le rapport 0 des valeurs ohmiques de la résistance 33 et du shunt 32 d'appareil de mesure. Sur la. figure 1, 1'ampèreheuremètre 30 est représenté branché en série avec le générateur principal 10 de façon à mesurer le courant total débité par ce générateur. Cependant, il est évident qu'un ampèreheuremètre 30 peut être branché de façon à indiquer seulement une partie du courant débité 5 par le générateur 10. Pour indiquer les voltheures fournis par le générateur principal 10, un voltheuremètre 40 est branché entre Jës bornes 16 et 17 de l'ensemble de mesure"- 18. Le voltheuremètre 40 comprend des résistances 41, 42 et 43 et un 69 07164 5 2003899 coulombmètre électrolytique 44 qui est semblable au coulombmètre 31 décrit ci-dessus. La résistance 41 est une résistance chutrice qui sert à réduire la tension aux bornes du coulombmètre 40 à la valeur désirée. La résistance 41 et la résistance équivalente à l'ensemble des résistances 42 et 43 et du 5 coulombmètre 44 forment un diviseur de tension si bien que le coulombmètre 44 indique un courant correspondant à une fraction connue de la tension de sortie du générateur 10. La valeur de la résistance 43 est choisie très supérieure à celle de la résistance 42 de façon à limiter le courant passant par le coulombmètre 44 et aussi de façon que la résistance équivalente à 10 l'ensemble des résistances 42 et 43 et du coulombmètre soit très voisine de celle de la seule résistance 42. En opérant ainsi, les valeurs des résistances 42 et 43 peuvent rester fixes, tandis qu'on peut modifier celles de la résistance 41, qui constitue ainsi un multiplicateur ou résistance déterminant l'échelle. 15 Le coulombmètre 44 indique alors un produit "courant par temps" proportionnel à la tension aux bornes de la résistance 42 et à sa durée d'application et est calibrée en fonction de ce produit (tensioiixtemps). Ce nombre de voltheures indiqué multiplié par le rapport des valeurs ohmiques de la résistance 41 et de la résistance $2 indique le nombre de voltheures 20 fournis par le générateur 10. Pour indiquer les heures de fonctionnement de l'ensemble sous charge, un compteur horaire 45 représenté sur la figure 1 est alimenté par un générateur auxiliaire 25 qui peut être entraîné lui-même par la charge 23. Le compteur horaire 45 totalise le temps écoulé seulement quand la charge 23 est entraînée par le générateur principal 10. Dans un 25 ensemble type, la charge 23 est un moteur qui entraîne l'arbre d'un générateur auxiliaire 25. Une tension peut être appliquée au compteur horaire 45 par un dispositif engendrant une tension ayant une valeur suffisamment constante pour être régulée par une diode de Zener ou analogue, et qui alimente en énergie le compteur horaire 45 seulement quand le générateur 10 30 principal est sous charge. Le générateur auxilaire 45 peut être remplacé par, par exemple, une source de tension et un interrupteur actionné par la charge 23 qui relie la source de tension au compteur horaire. Quand cette charge 23 est un moteur, l'interrupteur peut être du type centrifuge actionné par ce moteur. 35 Le compteur horaire 45 comprend un coulombmètre électrolytique 46 (semblable aux coulombmètres 31 et 44) des résistances 47 et 48 et une diode de Zener 50. La tension de sortie du générateur auxiliaire 25 est régulée par la diode de Zener, fournissant une tension sensiblement constante au 9 07164 6 2003899 point 51 du compteur horaire 45. Cette tension constante fait passer un courant constant à travers la résistance 48 et le coulombmètre 46. Le coulombmètre 46 intègre le courant en fonction du temps, mais puisque ce courant est constant, il peut être étalonné de façon à indiquer seulement 5 le temps pendant lequel le générateur principal 10 a effectivement fourni de la puissance à la charge 23. La résistance 47 limite le courant traversant la diode de Zener 50 tandis que la résistance 48 limite le courant traversant le coulombmètre 46. La tension d'avalanche de la diode de Zener 50 et la valeur ohmique de la résistance 48 déterminent la valeur constante du courant 10 intégré en fonction du temps et par conséquent la sensibilité exprimée en temps par division du coulombmètre 46. La figure 2 représente l'utilisation de l'invention dans un circuit électrique comportant plusieurs charges. Dans la figure 2, l'ensemble de mesure 18' comprend également un voltheuremètre 40 et un compteur horaire 15 45. Cependant, à la place d'un ampèreheuremètre destiné au générateur principal 10, on a représenté des ampèreheu«etoètres 55, 56, 57 et 58 pour les mesures concernant des charges séparées 60, 61, 62 et 63 qui peuvent être les quatre moteurs de traction d'une locomotive Diesel-électrique. Dans les circonstances normales, les nombres d'ampèreheures absorbés par "20 chaque moteur de traction seront égaux mais, dans le cas d'un défaut de fonctionnement imminent, les écarts entre les ampèreheures consommés par les moteurs peuvent constituer un indice de panne. Bien que l'ensemble de mesures ait été décrit en liaison avec un réseau à courant continu, il peut être transformé pour l'emploi avec un 25 réseau à courant alternatif en plaçant des redresseurs appropriés dans les divers circuits de mesure, comme représenté par les diodes 65 à 70 de la figure 2. Les informations fournies par les divers appareils de mesure peuvent être combinées de plusieurs manières pour fournir une indication concernant l'état, l'état d'usure et le travail total fourni par une 30 locomotive Diesel-électrique sur laquelle ces appareils sont installés. Dans une locomotive Diesel-électrique, le générateur principal 10 est normalement du type produisant une puissance constante pour un réglage déterminé des commandes si bien que, dans la gamme normale de fonctionnement, si la charge absorbe un courant croissant, la tension du générateur diminue 35 de façon à maintenir constante la puissance fournie. Pour ne pas dépasser la tension ou le courant nominaux du générateur principal 10, on fait subir aux moteurs de traction 60 à 63 plusieurs changements de couplage ou de connexion de l'excitation lorsque la locomotive Diesel-électrique accélère 69 07164 7 2003899 de l'arrêt à sa vitesse de régime. Ces étapes permettent d'utiliser la puissance maximale débitée par le générateur principal 10 à chaque phase du *=-couplage sans dépasser son courant ou sa tension nominaux. Alors, sur les diverses locomotives et suivant leur utilisation, les diverses phases du 5 couplage de leurs moteurs de traction auront des durées différentes. Cette information concernant les phases du couplage sont utiles au personnel de maintenance pour employer de diverses manières les locomotives ou pour déterminer quand un contrôle de maintenance ou un changement d'utilisation par roulement s'impose. 10 Ces informations peuvent être obtenues de manière comparative en divisant les ampèreheures ou M^itheures absorbés par une locomotive déterminée par les heures de fonctionnement de façon à obtenir une valeur moyenne du courant ou de la tension fourni- par le générateur principal 10 pendant l'intervalle de temps considéré. Avec ces renseignements, on peut procéder à une 15 comparaison entre locomotives, concernant les durées relatives, pour chacune, des phases de couplage à courant intense et faible tension ou courant faible et haute tension. Ainsi, pour une locomotive utilisée pour une tâche nécessitant des démarrages et des arrêts fréquents, une vérification de maintenance ou une révision générale peuvent être nécessaire plus tôt que pour une machine utilisée 20 pour de longs remorquages ou parcours ; les appareils de mesure fourniront ces informations. De même, ces appareils de mesure fournissent des informations concernant le temps écoulé sous charge et les mégawattheures fournis par le générateur principal 10. Le temps passé sous charge est déterminé directement, tandis que 25 les mégawattheures sont facilement calculés en multipliant les voltheures par les ampèreheures, puis en divisant par le nombre d'heures. Cette information intéresse également le personnel de maintenance. Comme indiqué ci-dessus, on peut également mesurer les ampèreheures et les voltheures pour chaque moteur de traction séparé en vue de découvrir les défauts existants ou menaçants. 30 Comme on l'a vu ci-dessus, on n'a pas jugé les appareils de mesure électrique classiques appropriés à l'emploi sur les locomotives. Cependant, la présente invention concerne un ensemble qui est robuste, non endommagé par les vibrations, d'emploi facile, non sujet à des erreurs résultant des variations de température et de prix raisonnable. Cet ensemble est par conséquent particu-35 lièrement adapté aux locomotives Diesel-électriques et à d'autres services durs. 07164 8 2003899 REVENDICATIONS 1. Ensemble d'appareils de mesure pour des machines actionnées électriquement avec un générateur et une charge comprenant, en combinaison, un premier coulombmètre électrolytique, des moyens pour faire passer par ledit 5 premier coulombmètre un courant unidirectionnel proportionnel au courant dans ladite charge, un second coulombmètre électrolytique, des moyens pour faire passer à travers ledit second coulombmètre un courant unidirectionnel proportionnel à la tension aux bornes de ladite charge, un troisième coulombmètre électrolytique et des moyens pour faire passer un courant dans ledit troisième 10 coulombmètre, seulement pendant que ledit générateur est sous charge, un courant unidirectionnel sensiblement constant, grâce auquel les indications des divers coulombaètres peuvent être associées de façon à indiquer l'énergie consommée, les ampèreheures débités, les voltheures développés, le temps sous charge et les valeurs moyennes du courant et de la tension pendant le tenps 15 passé sous charge. 2. Ensemble d'appareils de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit générateur est du type à courant continu tandis que lesdits moyens pour faire passer dans ledit premier coulombmètre un courant unidirectionnel proportionnel au courant traversant ladite charge comprennent l'ensemble 20 d'une résistance en série avec ledit coulombmètre et un shunt d'appareil de mesure en parallèle sur ledit coulombmètre et ladite résistance et intercalé dans le trajet du courant aboutissant à ladite charge. 3. Un ensemble d'appareils de mesure selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit générateur est du type à courant continu tandis 25 que lesdits moyens pour faire passer à travers ledit second coulombmètre un courant unidirectionnel proportionnel à la tension aux bornes de ladite charge est constitué par l'ensemble d'une première résistance branchée en série avec fedit coulombmètre et d'une seconde résistance branchée aux bornes dudit générateur et en parallèle sur ledit coulombmètre et ladite première résistance. 30 4. Ensemble d'appareils de mesure selon l'une quelconque des revendica tions précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens pour faire passer dans ledit troisième coulombmètre seulement quand ledit générateur est sous charge, un courant unidirectionnel sensiblement constant comprennent l'ensemble d'une résistance en série avec ledit coulombmètre, un régulateur de tension en 35 parallèle sur lesdits résistances et coulombmètres et des moyens commandés par ladite charge pour exciter ledit régulateur de tension seulement quand ledit générateur est sous charge, la tension constante connue apparaissant aux bornes dudit régulateur de tension produisant ainsi un courant unidirectionnel constant passant par lesdits résistance et coulombmètre. 69 07164 9 2003899 5. Ensemble d'appareils de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens pour faire passer dans ledit second coulombmètre un courant unidirectionnel proportionnel à la tension aux bornes de ladite charge comprennent une résistance chutrice et déterminant 5 l'échelle, branchée en série avec l'ensemble desdits première résistance, seconde résistance et coulombmètre. 6. Ensemble d'appareils de mesure selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un redresseur couplé audit régulateur de tension et une source de courant alternatif commandée par ladite charge 10 pour alimenter en courant ledit redresseur seulement quand ledit générateur est sous charge. 7. Ensemble d'appareils de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit générateur est du type à courant alternatif et lesdits moyens pour faire passer dans ledit premier coulombmètre un 15 courant unidirectionnel proportionnel au courant passant par ladite charge comprennent l'ensemble d'une résistance en série avec ledit coulombmètre, un redresseur en série à travers lesdits résistance et coulombmètre et un shunt d'appareil de mesure en parallèle sur lesdits coulombmètres, résistance et redresseur et sur le trajet du courant aboutissant à ladite charge. 20 8. Ensemble d'appareils de mesure selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit générateur est du type à courant continu tandis que lesdits moyens pour faire passer dans ledit second coulombmètre un courant unidirectionnel proportionnel à la tension aux bornes de ladite charge comprennent l'ensemble d'une première résistance branchée en série 25 avec ledit coulombmètre, un redresseur "branché en série avec lesdits coulombmètre et résistance, et une seconde résistance branchée en parallèle entre les bornes dudit générateur et en parallèle sur lesdits coulombmètres, première résistance et redresseur.