CHAPITRE V ■Les Moteurs

SI. - LES MOTEURS * COURANT i

La plus importante, au point et peut-être aussi au point de vm diverses formes sous lesquelles p l'énergie électrique est l'énergie applications que l'homme a, de du travail mécanique sont les plus vie industrielle aussi bien qu'à h d'autre part, la forme mécaniqu comme l'une des plus nobles et des puisse prendre l'énergie.

L'électricité n'a conquis vérital qu'elle occupe dans la grande indu où le moteur électrique est deve:

souple, pratique, restituant sur son sance mécanique, presque toute h reçoit lorsqu'il absorbe un certain certain nombre de volts.

11 y a fort longtemps déjà, vers 18

russe, Jacobi, eut le premier l'idée de construire une machine où l'on utiliserait l' électro-aimant poui* produire directement des mouvements continus de rotation. On conçoit aisément que si l'on place, sur une roue mobile autour d'un axe horizontal, une série de barres de fer doux équidistantes et disposées sur le contour de la roue parallèlement à l'axe, chacune de ces barres sera soumise à une attraction produisant le même effort qu'un bras qui ferait mouvoir l'anneau mobile si l'on a installé, de la même manière, à l'extérieur et très près du contour, autant d' électro-aimants qu'il y a de barres. Lorsque les barres seront arrivées en face des électro-aimants, elles dépasseront cette position en vertu de la vitesse acquise et si l'on a soin, à ce moment, d'interrompre le courant pour ne le rétablir que lorsque les barres seront parvenues près des électro-aimants suivants, on obtiendra un mouvement constamment entretenu dans le même sens. II est possible de remplacer les armatures de fer doux par des électro-aimants disposés de manière à présenter des pôles de noms contraires à ceux des électro-aimants fixes, mais il convient alors, pour communiquer à la roue une rotation continue, de changer, à l'aide d'un commutateur convenable, le sens du courant à chaque position d'équilibre.

Dans ces deux systèmes primitifs, on peut reconnaître les ancêtres déjà lointains de quelques-uns Je nos moteurs actuels, mais on comprend sans »eine que le rendement détestable et la très médiocre puissance ne permettaienl guère des applications importantes ; d'ailleurs, à l'époque où furent inventés

ces appareils rudimentaires, l'énergie électrique nécessaire pour les actionner ne s'obtenait qu'à l'aide de piles coûteuses et encombrantes.

La première machine qui fonctionna, et qui fut construite par les soins de Jacobi, atteignait à peu près la puissance d'un cheval ; elle fut employée à mettre en mouvement la roue à palette d'un petit bateau qui, malgré la violence d'un vent contraire, remonta, en présence d'un public nombreux et émerveillé, la Neva à Saint-Pétersbourg.

Il ne faudrait pas croire que cette expérience, un peu oubliée aujourd'hui, passa inaperçue ; elle excita, au contraire, vivement l'attention des industriels en Europe et en Amérique, et l'on conçut même, au début, de grandes espérances qui reposaient sur des idées inexactes.

On avait remarqué qu'avec une pile donnée on parvenait à obtenir des électro-aimants de plus en plus puissants en augmentant le nombre de spires enroulées sur la mas.se de fçr, et l'on s'imaginait que, sans augmenter la dépense, on pourrait créer des effets mécaniques constamment croissants ; d'autre part la théorie de la pile était mal connue, l'on pensait que les réactions chimiques produisent des quantités, pour ainsi dire indéfinies, d'électricité, et,, l'on ne comprenait pas parfaitement que ces quantités, ne pouvant se libérer instantanément à cause de la résistance des circuits et ne tombant que d'une faible différence de potentiel, correspondent, en réalité, à des puissances assez limitées.

Les physiciens calmèrent un enthousiasme qui

leur parut, à juste titre, partir d'une conception erronée des phénomènes et, si Ton peut aujourd'hui trouver qu'ils généralisèrent un peu hâtivement et qu'ils furent mauvais prophètes quand ils écrivirent, comme fît par exemple l'un des plus savants d'entre eux, l'illustre Verdet: « qu'il y a peu de chose à espérer de l'avenir des machines électromotrices », il convient de ne pas oublier que, dans l'espèce, leurs réserves étaient néanmoins très sages, leurs critiques très exactes, et l'on doit reconnaître qu'en établissant les raisons scientifiques qui permettaient de démontrer combien un moteur, tel que celui de Jacobi, était dispendieux, ils déblayaient, par là même, le terrain sur lequel, beaucoup plus tard, on devait fonder les principes qui ont conduit à la construction de tant de moteurs excellents.

Le premier point sur lequel ils attirèrent l'attention est le rôle des phénomènes d'induction dans un moteur électrique ; dès que l'appareil tourne, et qu'entrent en jeu les actions électromagnétiques, en vertu de la réciprocité que nous avons indiquée précédemment, une force électromotrice induite prend naissance qui s'oppose au passage du courant; et ainsi de l'énergie électrique disparaît dont on retrouve l'équivalent dans le travail recueilli ; pas plus qu'aucune autre machine, le moteur ne crée de l'énergie, il consomme, sous forme électrique, ce qu'il restitue sous forme mécanique.

Si le courant est, comme dans les expériences de acobi, produit par des piles, c'est, en définitive, 'énergie chimique qui est la source du travail récupéré et les expériences classiques de Favre mon-

trèrent combien, avec les anciens mo énergie était mal employée, puisque l'o vait comme énergie mécanique qu'i dixième environ de la chaleur fournie ] lut ion du zinc des piles, chaleur qui pe mesure à l'énergie chimique dépensée.

Aussi les applications des premie furent-elles très limitées et très partit servirent dans des cas qui n'exigeaient pa forces motrices mais qui nécessitaient < sion, de la rapidité et de la facilité, soit j en train du mouvement, soit pour so artiste, qui a construit des appareils remarquables par leur fini, Froment, f.

le premier industriel qui ait employé di électromagnétiques dans ses ateliers, il le avec succès, à mouvoir et à diriger des propres à graduer les cercles et, à règles.

Mais le moteur véritablement utilisa usages les plus variés ne fut découvert où Gramme inventa la dynamo ; cet adm reil de transformation fonctionnait aussi moteur que comme générateur ; à volo nissait de l'énergie électrique en absorl vail mécanique, ou, inversement, il ; première en régénérant le second. Dès li taine avait installé à l'exposition de groupe de deux machines Gramme, réui circuit conducteur, l'une Fonctionnait c( ratrice, et produisait le courant qui fa:

l'autre; cette expérience renfermait en

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l'abondante récolte qui, depuis lors, a poussé dans le domaine de l'électricité.

La théorie de la dynamo, fonctionnant comme réceptrice, est absolument parallèle à la théorie de la génératrice ; dès que la machine est en marche, une force contre-électroraotrice, qui a pour mesure, en volts, le nombre qui exprime, en joules, l'énergie mécanique produite dans le récepteur, parle passage d'un coulomb, prend naissance dans l'induit qui tourne ; le courant qui circule dans le moteur obéit naturellement encore à la loi d'Ohm et il est égal au quotient, par la résistance de l'induit, de l'excès de la différence de potentiel d'alimentation sur la force contre-électro motrice.

Il est. d'ail leurs facile de trouver une expression de la force contre -éleclromotrice .en fonction des données de la machine; on démontre bien simplement que cette expression est exactement la même que celle qui lie, au flux inducteur, au nombre de spires de l'induit et à sa vitesse, la force électromotrice de la même machine, considérée comme générateur.

Des lois de l'induction découle aussi la règle qui permet de connaître le sens de rotation du moteur; d'après la loi de Lenz, la machine, fonctionnant comme réceptrice, tournera dans le sens contraire à celui dans lequel il faudrait la mettre en mouvement,' comme génératrice, pour qu'elle produise le courant qui la traverse; ceci, bien entendu, à condition que les pôles inducteurs ne soient pas changés.

De cette règle, on tire facilement des conséquences

relatives aux divers cas possibles ; dans les machines à excitation séparée, rarement employées d'ailleurs, ou dans les machines à aimants permanents, quelquefois encore utilisées pour de petites applications, la rotation est possible dans les deux sens, et dépend du sens du courant.

Dans les machines à excitation en série, et dans les machines dont les inducteurs sont excités en dérivation, il faudra aussi, pour changer le sens de la rotation, changer lesens du courant soit dans l'induit seul, soit dans l'inducteur. II. sera toujours préférable, d'ailleurs, de le changer dans l'induit, soit pour ne pas couper le circuit inducteur, opération dangereuse dans le cas des moteurs en série, soit pour éviter les courants de rupture, généralement plus forts pour les bobines inductrices que pour l'induit.

En principe, les dynamos à courant continu, appartenant à tous les types, peuvent donc être employées comme moteurs et elles permettront de marcher en avant ou en arrière, il- ne faudrait pas croire cependant qu'il est indifférent d'utiliser n'importe quelle machine pour tous les cas.

Selon les modes d'excitation, les propriétés peuvent être très différentes.

Le moteur série a un couple de démarrage qui, étant proportionnel au flux et à l'intensité, est très considérable, et une vitesse qui varie en sens inverse du couple résistant; ce moteur convient donc parfaitement pour des manœuvres intermittentes qui demandent des efforts variables, il sera avantageusement utilisé sur les tramways et pour actionner les

divers engins de manutention, mais lorsqu'il importera devoir une vitesse constante avec un couple résistant variable, comme dans les transmissions d'ateliers et d'usines, il ne devra jamais être employé. Dans ce cas, au contraire, on pourra s'adresser aux moteurs shunt ou moteurs en dérivation qui ont un couple moins élevé au démarrage, mais, dont, en revanche, la vitesse varie peu avec la charge. Les moteurs à excitation mixte ou moteurs compound, qui possèdent les deux modes d'excitation, partici- * peront aux avantages de l'un et de l'autre système et aussi à leurs inconvénients, ils rendront des services quand il s'agira d'exercer des efforts fréquemment variables et qu'une certaine variation de la vitesse avec la charge sera indifférente.

La conduite et la mise en marche des moteurs à courant continu demandent certaines précautions; quand le moteur est au- repos il ne donne naissance à aucune force côntre-électromotrice, et, si on l'introduit brutalement dans le circuit d'alimentation, son induit, dont la résistance est toujours très faible, va être parcouru par un courant énorme. D'après la loi de Joule, un dégagement de chaleur se produira qui pourra détériorer gravement l'appareil. Il est donc, de toute nécessité, d'intercaler en série avec l'induit une résistance assez grande que l'on pourra ensuite diminuer au fur et à mesure qu'avec la vitesse croîtra la force contre-électromotrice. Ces "héostats de démarrage sont ou bien des rhéostats à liquide ou bien des rhéostats métalliques avec soufflage magnétique destiné à chasser les arcs de rupture qui se produisent aux touches de contact.

Ces mêmes rhéostats peuvent être utilisés pour régler la vitesse, mais ils consomment en pure perte une partie assez considérable de la puissance ; aussi préfèfre-t-on souvent agir sur le flux inducteur, par exemple en augmentant ou en diminuant l'entrefer, ou bien mettre le moteur en communication avec la distribution par l'intermédiaire de divers appareils de transformation. On peut encore disposer sur l'induit plusieurs circuits dont les spires sont en nombres différents, ainsi, dans certaines automobiles électriques on actionne souvent par des accumulateurs un intéressant moteur, familièrement et pittoresquement nommé moteur « 5 et 3 font 8 » parce qu'il comprend deux circuits, dont l'un a 5 spires et l'autre 3; on réalise ainsi des vitesses proportionnelles à 2, 3, 5 et 8, en utilisant, soit un seul de ces circuits, soit tous les deux associés en série, ou d'une façon différentielle.

Lorsque l'on voudra enfin faire cesser l'action du moteur, il faudra, comme au début, ne pas opérer brutalement; si l'on coupait l'excitation pendant qu'il y a encore un courant dans l'induit, le moteur s'emballerait et, d'autre part, le courant acquerrait une intensité dangereuse; on doit avoir toujours soin de supprimer d'abord le courant dans l'induit.

Si l'on coupe ainsi la communication entre l'induit et le réseau et que l'on réunisse les balais par une résistance, la machine va fonctionner comme génératrice, et l'énergie électrique qu'elle produira absorbera la force vive des organes mécaniques qui sont en relation avec le moteur. Il résultera de là un freinage très puissant, parfois même un peu

brutal, mais qui sera très utile pour arrêter la charge a un endroit déterminé, et cette propriété a reçu des applications très intéressantes ; elle est employée pour pointer les canons à tourelles ou pour briser l'élan des tramways et diminuer leur vitesse dans les descentes.

Si l'on compare, en appliquant la règle donnée plus haut, le sens de rotation d'une machine fonctionnant comme moteur à celui de la même machine employée comme générateur, on remarquera facilement que, pour freiner, dans le cas d'un moteur série, il faudra intervertir les connexions des inducteurs avec les balais, sinon la machine ne s'amorcerait pas. Dans le cas du moteur en dérivation, la seule précaution à prendre sera de maintenir le circuit d'excitation connecté avec le circuit d'alimentation.

Les moteurs à courant continu sont donc des appareils simples, d'une théorie très claire, d'une pratique facile ; mais ils partagent les défauts des dynamos génératrices ; ils ont souvent une commutation défectueuse, et la présence des balais est une cause de fragilité et de gène. Au courant alternatif vont correspondre d'autres moteurs qui pourront ne pas présenter les mêmes inconvénients, mais dont la réalisation est souvent plus compliquée et l'étude singulièrement plus délicate et plus laborieuse.

5 2. - LES MOTEURS SYNCHRONES

La variété des combinaisons auxquelles se prêtent les courants alternatifs simples ou polyphasés

162 l'èlictricité .

est naturellement plus grande que pour le courrfoï"'** ** 1 ™ : continu; deux facteurs, voltage et débit, ne suffisent plus pour déterminer complètement le courant, et le constructeur va pouvoir disposer, a son gré, de plusieurs variables.

On comprend, dès lors, qu'à partir du moment où l'alternatif fut mieux connu et où prit fin l'injuste défaveur dans laquelle il était tombé, les solutions proposées pour le faire servir à la production du , travail mécanique se multiplièrent rapidement.

Aujourd'hui, les types de moteurs à courant alternatif sont fort nombreux et fort divers, et pour se reconnaître dans une collection devenue presque trop abondante, il est nécessaire d'adopter une classification. Mais, comme dans toutes les entre- '

prises semblables, les auteurs ne sont pas entièrement d'accord sur la meilleure méthode à suivre pour ranger leurs richesses. Il est cependant rationnel de fonder la classification sur les caractères qui paraissent les plus importants, et sans doute ces caractères sont, d'une part, la nature du champ des moteurs, d'autre part le degré plus ou moins élevé de liberté qu'ils possèdent relativement à leur vitesse.

A ce dernier point de vue, où nous nous placerons tout d'abord, les moteurs à courant alternatif se rangent dans deux grandes classes: les moteurs synchrones et les moteurs asynchrones.

Pour les premiers, le nombre de tours qui peut être effectué, dans un temps donné, par la partie mobile, est lié obligatoirement et d'une façon invariable à la fréquence du courant alternatif qui les

LES KOTBUBS

alimente; leur vitesse est, par exemple, rigou sèment la même que celle du générateur, quelle soit la puissance qu'on leur demande, pourvu, entendu, que cette puissance soit intérieure à certaine limite, au delà de laquelle ils ne pourn plue tourner ; pour cette raison, on les appelle enroues, entendant par là qu'ils mettent le m temps que l'appareil producteur du courant faire un tour complet. Les seconds ont, au traire, une vitesse de rotation variable et qui par conséquent, aucune relation nécessaire av fréquence du courant donné ; on dit qu'ils asynchrones.

Depuis longtemps déjà, on a utilisé des appa synchrones à courant alternatif, non pas, doute, pour transmettre de grandes puissai mais pour obtenir cependant des effets bien rei quables et fort précieux. Lorsque, dans les cl sous-marins, on produisait des émissions d'éle cité, tantôt positives, tantôt négatives, et que, un galvanomètre à miroir convenablement am puis, pins tard, dans le très ingénieux instrui inscrîpteur inventé par Lord Kelvin et auquel donné le nom de siphon-recôrder, on observai! mouvements très brusques et très nets, corres dant au sens des courants qui leur donnaient i sance, on avait, en vérité, réalisé une transmis synchrone d'une petite quantité d'énergie m aique. L'on trouve également dans un autre a reil bien justement célèbre, un modèle très re: quable d'alternateur et de récepteur synchrone:

t du téléphone de Bell, où le synchro-

précisément la condition même de la is la reproduction de la parole. La petite

fer doux, devant laquelle on parle, et la

entoure l'extrémité du barreau aimanté ère la plaque, constituent un système qui table alternateur actionné par le mouveitoire du son; tout mouvement de la odifiant l'aimantation du barreau, fait Iuï qui traverse la bobine, et de cette résultent des courants alternatifs. Ces ont actionner un appareil identique au motionnant comme récepteur; ils modiantation du barreau correspondant et il dans la plaque des mouvements de ode.

n'est qu'en i883 que J. Hopkinson dé- ■ ir des expériences sur les machines qui à cette époque et qui étaient d'ailleurs ippropriées à cet usage, les machines :ctriques de Méritens, qu'un alternateur onner comme moteur synchrone, iprîété se comprend aisément : supposons m alternateur à champ constant excité, le, au moyen d'un courant continu et r ec une certaine vitesse, on lance un couatif qui soit à chaque instant de signe u courant que cet alternateur engendrene s'il était mû par des forces extérieures êdait une vitesse égale, entre l'induit et

des actions électromagnétiques vont se il seront de sens contraire à celles qui

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apparaîtraient dans l'alternateur fonctionnant comme générateur; or, d'après ki loi de Lenz, ces dernières ont un sens tel qu'elles s'opposent au mouvement, les forcés électromotrices dans l'alternateur, devenu récepteur, sont donc motrices et elles pourront vaincre des résistances appliquées sur son axe; en d'autres termes, l'alternateur joue maintenant le rôle d'un moteur.

Mais nous avons admis que le moteur avait, au préalable, été amené à une vitesse angulaire correspondant à la fréquence du courant, à la vitesse de synchronisme; il ne pourra donc en aucun cas, môme à vide, démarrer seul ; de plus il devra avoir été couplé avec la ligne au moment où il est en phase avec le courant d'alimentation, autrement il s'arrêterait rapidement, il se décrocherait, comme on dit ; remarquons enfin que les inducteurs doivent être excités à part au moyen d'un courant continu et que le moteur se décrocherait pour une surcharge momentanée supérieure à une certaine limite, et nous comprendrons qu'un tel dispositif ne saurait guère être utilisé que dans des cas très spéciaux et que son emploi demande alors de grandes précautions.

Une étude plus complète amène cependant à reconnaître chez ces moteurs une propriété très intéressante ; par suite des phénomènes de self-induction dont ils sont le siège, ils produisent un décalage du courant par rapport à la tension et l'on conçoit que, dans des conditions déterminées, un moteur puisse être traversé par un courant déwatté en avant d'un quart de période sur la tension entre ces

bornes, dans ce cas il jouera le rôle d'un condensateur. c'est-à-dire qu'il améliorera le facteur de puissance d'un réseau sur lequel il aura été branché en dérivation. Pour produire ce résultat il convient que le moteur ait été hyperexcité, c'est-à-dire que le champ ait été renforcé par rapport à ce qu'il devrait être pour la charge du moteur.

D'autre part, dans les distributions, la plupart des récepteurs ordinairement employés demandent des courants déwattés en retard sur la tension,- l'introduction, en dérivation, d'un moteur synchrone, qui sera parcouru par un courant déwatté en avant, permettra d'amener seulement, aux bornes communes des récepteurs, des courants wattés qui se partageront entre les deux genres de récepteurs en courants convenablement déwattés ; et, de cette manière, il sera possible de faire une économie sérieuse dans les fils de ligne qui ne recevront plus que des intensités sensiblement inférieures à celles qu'ils auraient, sans cet artifice, dû supporter.

Dans la plupart des réseaux qui distribuent l'énergie, les courants utilisés ne sont pas alternatifs simples, mais en général polyphasés, aussi fait-on peu usage des moteurs dont nous venons de parler, tandis qu'on emploie parfois des moteurs synchrones polyphasés.

Le principe de ces appareils est le même que celui des moteurs à simple phase ; l'induit est, en quelque sorte, un groupement d'autant d'induits qu'il y a de phases, l'inducteur mobile devra, encore, être lancé à la vitesse convenable et être parcouru par un

courant d'excitation continu. Ces moteurs pourront, eux aussi, se décrocher s'ils ne sont pas bien en phase ou si la charge devient trop grande et ce décrochage, fâcheux en lui-même, aurait en outre l'inconvénient, si l'on n'y prenait pas garde, de produire dans l'induit une élévation de l'intensité capable de brûler le moteur.

Mais les moteurs polyphasés sont plus stables que les monophasés, le couple auquel ils donnent naissance prend plus aisément une valeur sensiblement constante, et il est facile, pour les mettre en marche, de disposer, grâce aux propriétés des courants polyphasés, d'un moteur auxiliaire plus ou moins rudimentaire qui peut être constitué par un circuit secondaire placé sur l'inducteur même; enfin, à puissance égale, ils peuvent être construits dans des conditions de légèreté plus grande; ce sont là des avantages particuliers qui les rendent utiles dans les transmissions d'atelier.