LES COURANTS POLYPHASÉS ET LES CHAIPS TOURNANTS

Le courant alternatif dont nous avons parlé jusqu'ici est le courant alternatif simple, c'est celui que l'on a utilisé dans les premières installations ; il convenait bien à l'éclairage, deux fils seulement permettent, comme dans le cas du continu, une distribution simple et économique. Aujourd'hui encore, ce mode de distribution est très répandu, mais un très grave inconvénient apparut lorsque se développèrent les applications mécaniques de l'énergie électrique.

Les moteurs à courants alternatifs sont des appareils imparfaits ; nous reviendrons sur cette importante question des moteurs, mais, dès à présent, nous pouvons aisément comprendre comment le courant alternatif, s'annulant avant* de changer de sens, cesse d'agir, pendant l'instant correspondant, sur l'organe mobile d'un moteur. Il existe donc de véritables points, morts que l'on ne peut franchir qu'en établissant entre les périodes du courant et la vitesse du moteur une certaine concordance.

On a comparé avec raison ces poijits morts à.

à ceux que Ton connaît dans les machines à vapeur

ou dans les moteurs à explosion et qui sont les

' points où s'arrête le piston aux extrémités de sa

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course. Et de même que, dans le cas des machines thermiques, on élimine la fâcheuse influence de ces points, en accouplant plusieurs cylindres dont; les pistons sont décalés les uns par rapport aux autres de telle sorte qu'au moment où Tun des pistons cesse d'agir, parce qu'il passe par un point mort, les autres puissent entraîner l'arbre commun, avec lequel ils sont tous en connexion; de même, on supprimera l'efi'ct des points morts électriques, en associant plusieurs courants alternatifs décalés les uns par rapport aux autres et ne s'annulant par conséquent pas au même instant; ces courants ainsi associés sont des courants polyphasés.

Les propriétés essentielles des courants polyphasés ont été signalées, en 1888, par un savant italien Ferraris, et, à peu près à la même époque, par Tesfa en Amérique; mais il a fallu plusieurs années pour que leur emploi devint pratique. Il convient do citer particulièrement les noms de MM. Maurice Leblanc et Boucherot, parmi ceux des électriciens dont les remarquables travaux ont permis l'utilisation de ces courants et aussi celui de M. Potier qui a réussi à en donner une théorie simple et claire.

Sans entrer pour le moment dans les détails de construction des générateurs polyphasés, il est possible d'expliquer, en quelques mots, la manière dont, en principe, on obtient de tels courants. Imaginons une suite de pôles magnétiques disposés, sur une couronne circulaire, à égale distance les uns des autres, et qui soient alternativement des pôles nord et des pôles sud.

Supposons maintenant Qu'une bobine se déplace

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devant ces pôles avec une vitesse constante, elle sera parcourue par un flux alternatif, elle deviendra donc le siège d*un courant alternatif dont la période est le temps qui s'écoule entre les passages du milieu de la bobine devant les axes de deux pôles consécutifs de même nom.

Si, au lieu d'une bobine, on en considère trois dont les centres sont distants du tiers de la distance de deux pôles nord consécutifs, il est aisé de comprendre qu'elles vont être, toutes les trois, parcourues par des courants alternatifs tout à fait semblables, mais décalés Tun par rapport à Taulre d'un tiers de période; ces courants sont des courants- triphasés. 11 est bien évident d'ailleurs que si, au lieu de trois bobines, on en avait un nombre différent, on aurait aussi une éombinaisonde courants alternatifs diphasés entre eux d'une fraction différente de période; mais, on pratique, les courants triphasés sont à peu près seuls employés dans les distributions à courants alternatifs polyphasés.

Ce système de transmission d'énergie semble, au premier abord, exiger trois lignés différentes, c'està-dire six fils entre les deux stations et, par suite, entraîner de coûteuses complications, mais, par un artifice simple et ingénieux, on peut réduire à trois le nombre des fils nécessaires.

Au lieu de garder les trois bobines génératrices isolées, nous allons les réunir par leurs extrémités voisines; les forces électromotrices produites dans chacune d'elles resteront toujours décalées de 1/3 de période Tune par rapport à l'autre. Joignons alors les extrémités communes de la bobine 1 et de la bobine 2 à une première bague, les extrémités

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communes de la bobine 2 et de la bobine 3 à une seconde bague, et de môme encore, les extrémités communes de 3 et 3 à une troisième bague^ nous produirons' sur ces bagues des tensions triphasées comme les forces électromotrices. Appuyant alors, sur les bagues, des frotteurs en relation avec trois fils de ligne, nous aurons dans ces fils des courants triphasés que nous recueillerons, à la slalion réceptrice, dans trois circuits partiels ayant deux à deux une extrémité commune et formant un circuit fermé.

Au lieu de ce montage que Ton appelle moulage en triangle, on peut réunir entre elles les extrémités antérieures des trois bobines et réunir ensuite à trois bagues, communiquant avec trois fils de ligne, les extrémités postérieures; on adopte, bien entendu, une disposition analogue pour les récepteurs et l'on a ce que Ton appelle une distribution en étoile.

Les deux couplages ainsi définis n'ont pas exactement les mêmes propriétés. Dans le couplage en étoile, les trois extrémités antérieures des bobines sont mises au même potentiel, puisqu'elles ont un point commun que Ton désigne sous le nom de point neutre, et Ton démontre aisément que la tension efficace entre deux fils est égale à 1,74 fois la tension efficace entre un des fils et le point neutre. Le courant qui circule entre le point neutre et Tune des bagues est évidemment le môme que celui qui circule dans le fil de ligne réuni à cette bague.

Il n'y a pas de point neutre dans le couplage en triangle, et comme à un fil de ligne aboutissent les

deux branches du triangle, le courant qui ya passer dans ce fil est évidemment plus intense que celui qui provient d'une seule branche; le calcul permet d' établir qu'il est exactement égal à 1,74 fois le courant qui circule dans chaque branche.

Les conditions sont, en quelque sorte, inverses Tune de l'autre pour les deux montages et il importe de le comprendre pour diverses applications.

Dans l'un ou l'autre cas, la puissance s'évaluera d'ailleurs sans difficulté; elle est la somme des puissances de chacun des courants alternatifs simples, et comme les trois phases sont égales, elle est égale à trois fois le produit de la tension par le courant et par le facteur de puissance. Il résulte de là que, quel que soit le mode de montage, la puissance fournie par une génératrice triphasée et absorbée par un appareil d'utilisation triphasé est toujours représentée par 1,74 fois le produit de la tension entre deux des fils de ligne par l'intensité du courant circulant dans un de ces fils et par le facteur de puissance.

La grande importance des courants polyphasés tient à ce que, comme l'a montré G. Ferraris, ces courants permettent d'obtenir un champ magnétique tournant sans qu'il soit nécessaire de produire une rotation mécanique de bobines ou d'aimants.

Les champs tournants sont connus depuis longtemps et leur propriété essentielle a même été mise en évidence par Arago, huit ans avant la découverte de l'induction par Faraday, c'est-à-dire à une époque où cette propriété, qui est une conséquence simple

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des phénomènes d'induction, ne pouvait être comprise. Il n'est pas sans intérêt de rappeler qu'en 1826 Poisson avait donné du magnétisme de rotation une explication manifestement inexacte ; cette explication avait sufflsamment satisfait les contemporains et même, parmi eux, un esprit aussi averti qu'Arago, pour que tous estimassent qu'il était inutile de chercher à approfondir la question ; il contenait cependant en germe, ce phénomène négligé, la découverte capitale de l'induction.

Nous dirons qu'en un point de l'espace il existe un champ magnétique tournant lorsque la force, qui s'exercerait sur un pôle placé en ce point, change à chaque instant de direction de telle façon que le vecteur qui la représente tourne constamment autour de son origine, tout en restant dans nn même plan.

Rien n'est plus simple que d'obtenir un champ tournant, puisqu'il suffira, à cet effet, de faire tourner les pôles d'un aimant.

L'expérience fondamentale d'Arago consistait à montrer qu'une masse mélallique quelconque, placée dans un champ tournant, prend elle-même un mouvement de rotation et que, si elle n'éprouve > aucune résistance, elle tourne avec la même vitesse que le champ.

, Tout se passe comme si, par quelque action invisible de viscosité ou de frottement, le champ, poui^ tant immatériel, entraînait dans sa rotation la masse métallique.

L'explication est très simple : le champ, en tournant, donne naissance dans le corps conducteur à

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des courants d'induction qui le traversent d'une ma- • nière très compliquée; ce sont comme on les appelle aujourd'hui, des courants de Foucault. Ils ont, ces courants, des formes dont il serait souvent bien difficile de se rendre compte, mais ils sont d'un sous tel qu'ils obéissent a la loi de Lenz ; ils s'opposent par conséquent au mouvement de l'aimant, et par suite des actions électromagnétiques réciproques, l'aimant agissant à son tour sur ces courants les attire et entraîne avec eux, dans sa rotation, la masse métallique elle-même.

On comprend donc que, gr&ce à un champ tournant, on puisse faire tourner un corps sans aucun mécanisme matériel et sans aucun contact élcclrique avec l'extérieur. Mais il est clair que l'on n'aurait pas, au point de vue de la pratique, obtenu un résultat bien intéressant si, pour produire le champ tournant, il fallait nécessairement faire tourner un aimant; il serait alors tout aussi simple de faire directement tourner la masse métallique. Les propriétés des courants polyphasés font apparaître la question sous un jour nouveau.

Considérons, pour Qxer les idées, trois bobines disposées de telle manière que leurs axes forment un triangle équilatéral et supposons chacune de ces bobines excitée par une phase d'une distribution triphasée. Au centre du. triangle existe un champ magnétique, qui. à un instant donné, a une certaine direction et une certaine grandeur et ce champ est la résultante des trois champs composants produits par les trois bobines.

kn bout d'un temps égal à un tiers de période,

l'ixduction et lb courant êlectbiqlb 111

les intensités, qui sont précisément décalées Tune par rapport à l'autre d'un tiers de période, ont changé dans les bobines, de telle manière que la seconde bobine est à ce moment parcourue par le courant même qui parcourait la première au début, et que dans la troisième circule alors celui qui na* guère circulait dans la seconde.

Les flux magnétiques ont suivi les variations des courants qui leur ont donné naissance et Ton voit que le champ, au centre est devenu le môme que celui qui se produirait si, les courants restant constants, le système des trois bobines avait tourné solidairement autourde ce centre d'un angle de 120*» ; en d*autres termes, au bout d'un temps égal à un tiers de période, le champ a conservé son intensité initiale mais a tourné d'un angle de 120°. On comprend ainsi comment il se fait que, d'une manière générale, la résullantc des trois champs, produits par lés trois phases, varie constamment en grandeur et en direction ; elle tourne dans le plan qui contient les trois axes de manière à effectuer un tour complet pendant la durée d'une période.

Pour reprendre une comparaison qui, déjà, nous a servi, nous dirons que Tensemblc des trois bobines est analogue à une combinaison que Ton rencontre souvent dans les treuils à vapeur et où Ton voit trois pistons identiques atlaquant un arbre qui est commun à trois manivelles calées à 120°; les mouvements de va-et-vient des trois pistons sont décalés à 120*» mais la rotation de l'arbre s'effectue d'une façon absolument régulière, sans points morts.

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Avec la combiaaîson électrique nous pourrons obtenir un appareil nommé rotor qui, grâce aux réactions réciproques du champ tournant et des courants induits, prendra un mouvement de rolaiion continu sans qu'il soit nécessaire d'établir aucune connexion matérielle entre lui et Texlérieur.