CHAPITRE XX

98. Recherches expérimentales sur le phénomène de la commutation. — 99. Conditions d'une bonne commutation. — 100. Influence des principales dimensions d'une machine sur la commutation.

98. Recherches expérimentales sur le phénomène de la commutation. — 1. Diagramme de commutation. — Dans le cas où une machine donne des étincelles et où l'on en recherche la cause, l'expérience suivante est d'un utile secours. A l'aide d'un miilivoltmètre on mesure la tension moyenne entre les balais et les différents points du collecteur sur lesquels ils portent. On peut, à cet effet, employer comme contacts deux fils taillés en pointe que Ton déplace de millimètre en millimètre sous l'arc de contact du balai et du collecteur. On peut ainsi obtenir pour chaque position des balais et pour toutes les charges de l'armature une représentation de la variation des différences de potentiel moyennes sur l'épaisseur ^ des balais *.

Nous avons vu page 408 que l'on a pour la résistance superficielle de contact en un point

l/x = Dux Rk = <?a+ 2)ax.Kw = 0,2 + Dk-Kw VOlt.

Mais la grandeur mesurée n'est autre que celle de t/, ; aussi peuton plus simplement calculer D^^ d'après l'expression

itw

1. Nous entendons toujours par a épaisseur » des balais la longueur de leur arc de contact avec le collecteur. [N. d. T.]

2. La mesure de ces différences de potentiel est mentionnnée dans une très intéressante notice publiée par les ateliers d'Oerlikon lors de TExposiUon universelle de Paris en 1900 et intitulée « Sur le calcul des Machines électriques d.

On commence par tracer la courbe Z)„ et l'on détermine la valeur moyenne /)„ qu'on déduit, à l'échelle, de la courbe Z)„. En intégrant cette courbe on obtient alors la courbe du courant de commutation. Cette courbe n'est cependant pas, comme on l'a vu précédemment, absolument exacte; elle est toutefois suffisamment précise pour permettre de suivre l'allure de la commutation.

Pour les enroulements imbriqués où le collecteur et les balais ont des positions identiques dans le schéma réel et dans le schéma réduit, la courbe des valeurs de 6\ ne s'étend que sur une épaisseur de balai. Par contre, pour les enroulements ondulés^ on devrait absolument «appliquer le tracé de la courbe de U^ à la largeur d'un groupe de balais du schéma réduit. Ce n'est cependant pas possible; aussi obtient-on, dans ce cas, comme densité moyenne locale de courant une valeur moyenne correspondant à

VPIL«

in\

i ÎOi--0

2 Voit

,mp.

un rapport -j- supérieur à

Fig. 277 a et b.

Courbes expérimentales de tension sous les balais d'un moteur et courbes de courant de commutation qui s'en déduisent par le calcul.

celui qui résulte du schéma réduit de l'armature considérée. La méthode basée sur ce procédé conduit aux plus grandes erreurs avec les enroulements ondulés.

La courbe de la figure 27(> représentant la densité moyenne locale de courant est caractéristique d'une génératrice en pleine charge^ où les balais sont calés dans un champ un peu trop faible ;

ceci concorde également avec Tallure de la courbe du courant cle commutation qui s'en déduit. Le facteur de forme i^ de celtecourbe est égal à 1,1.

2. Exemple I. — La figure 277 a donne les diagrammes de tension pour un balai relevés par M. H. Oesterlein^ ingénieur, sur un moteur de 140 chevaux sous 120 volts à la vitesse angulaire de 400 tours par minute, de 1*^4. G. Volta, de Reval.

La courbe I correspond à la marche à vide ; la courbe II, à la marche sous charge normale ; et la courbe III, à une surcharge de 25 p. 100, le calage des balais restant le même. Elles ont été relevées dans des conditions favorables, car on avait a = p et -^ = 3,25. L'enroulement en était ondulé.

A vide la densité moyenne de courant sous les balais est presque nulle. Il faut, par suite, déterminer la position d'un nouvel axe des abscisses X' X' tel que les aires comprises entre cet axe et la courbe I au-dessus et au-dessous de cet axe X' X' soient égales entre elles. Le déplacement de Taxe XX nécessaire à cet effet est égal à la différence de potentiel constante e^. On a dans l'exemple choisi ^^=0,2 volt.

On trouve alors, d'après les courbes II et III, Kw. 2)ax = f/x — eu z= [7, — 0,2.

Si maintenant on mesure au planimëtre les surfaces comprises entre les courbes II et III et l'axe X'X', l'ordonnée moyenne d'une de ces surfaces donne i?^ D^.

On a d'ailleurs

et Ton trouve

Ryf. Du (mesuré)

Da (calculé) Dans l'exemple actuel on a

Rw = -^^ = 0,142 ohm

à pleine charge, et

à 23 p. 100 de surcharge

R^ = ^^^ = 0,109 ohm

En calculant ensuite le facteur de forme /. pour les courbes II et III on trouverait

à pleine charge, et

à 25 p. 100 de surcharge.

Il en résulterait ici encore

Uw= Kw.2)B6ff = /lw.Dtt./u= 0,142.5.1,21 = 0,860 volt

à pleine charge, et

Uw = 0, 109 . 6,3 . 1 ,32 = 0,905 volt

à 25 p. 100 de surcharge.

Ces deux valeurs concordent si bien quil est impossible d'arriver à mieux.

Les courbes du courant de commutation peuvent maintenant se calculer et on obtiendra facilement les courbes II et III de la figure 277 6, le courant i\ étant ici connu.

Elles ont la môme forme que celles précédemment calculées (fig. 236) et que celles obtenues expérimentalement par Everett et Peake (fig. 244).

On ne peut, par contre, déterminer à l'échelle la courbe du courant de commutation à vide I ; la forme seule peut en être indiquée ; elle est représentée dans la figure 277 b.

On a

Va eff

La machine, à 25 p. 100 de surcharge, travaillant juste à la limite de Tapparition des étincelles, il est intéressant de refaire les calculs correspondants et l'on trouve pour ce régime

eu + et =^ li.v.Oi (l^+li) 10- «

= 2.32.15,9.330.(3,15 + 6,05) 10" « = 2,2 volU

./i.t;.0<.*..XL.iO-«

.2.23.15,9.330.4,8.10- •= 0,46 volt.

Particuliërement intéressante pour la commutation est la grandeur suivante (Voir p. 433)

jy,, __ en + gt

c'est-à-dire que U'^ est arrivé à la limite admissible ou l'a même dépassée. La machine avait d'abord été essayée avec des balais plus étroits -~- = 1,9 ; et, comme elle donnait des étincelles, on avait échelonné ces balais; il est en effet facile de comprendre que, pour A=i,9,onae.=0,79 volt et U't dépasse de beaucoup la limite des étincelles.

3. Exemple //. — Gomme autre exemple, la figure 278 a représente le diagramme des tensions à l'un des balais d'une génératrice de la même maison que la précédente, ma-

= 4,46 volts,

VoUs i.S

Amp.-207.

Pig. 278 a et b.

Courbes de tension, déterminées expérimentalement, sous les balais de charbon d'une génératrice, et courbes du courant de commutation déduites par le calcul.

chine de 175 kw sous 105 volts à 275 tours par minute. Le couplage de l'armature est en séries parallèles avec a = p et -^ = 2,85>

Le calage des balais était le même en pleine charge et à vide^ Les courbes donnent

eu =:: 0,04 volt.

Comme courbes du courant de commutation on a celles de la figure 278 b.

En pleine charge il y a sous-commutalion, le champ de commutation ayant une variation trop brusque ; le collecteur était également plus cliaud que ne l'indiquerait le calcul, ce qui s'explique parfaitement, le facteur de forme étant, à pleine charge, /„ = l,o4.

On a en outre

ilw= -^^4^ = 0,092 ohm, o,yo

l\. — R,y.Da eff = 0,092.5,95.1, 5 1 = 0,845 volt,

l\ = l\. + eu = 0,845 + 0,04 = 0,885 volt.

L'emploi de balais d'épaisseur 6^, dans le sens de rotation, plus petite que lors de l'essai précédent donnait lieu à un moindre échauffement du collecteur, le champ exact de commutation ayant une allure plus raide pour une plus faible durée de commutation, et la machine fonctionnait sans étincelles.

4. Exemple III. — Les diagrammes de tension des figures 279 a et b ont été relevés par l'Auteur avec des balais combinés de la Société Schuckert et C'\ Du côté où commence la commutation le balai est en cuivre ; il est en charbon du côté où elle finit, comme l'indique la figure.

Les courbes de la figure 279 a se rapportent à une petite génératrice tétrapolaire de 28 kilowatts sous 100 volts avec pôles type Schuckert (Voir fig. 290). La courbe I est la courbe de marche», à vide; la courbe II, celle de pleine charge pour le meilleur calage des balais, tandis que la courbe III a été obtenue en charge avec décalage des balais dans un champ trop faible, et la courbe IV en charge également, mais avec calage des balais dans un champ trop fort. — La courbe de tension (fig. 279 b) est relative à une

•Voit

génératrice de 500 kilowatts de la même provenance ; le rapport

arc polaire ^^^^ ^^^^^ machine est très petit ; les épanouissement» pas polaire *

sont également construits suivant la figure 290; mais cette machine ne fonctionne pas, à calage lixe des balais, sans étincelles, de la marche à vide à la pleine charge, parce que le champ div commutation nécessaire **"*

pour la pleine charge se trouve trop près des becs polaires et que la variation du champ a ici une allure trop rapide, comme on le voit clairement d'après la courbe ; il y a, en effet, à la fin de la période de court circuit, une importante surcommutation.

Le balai composite ciiivre-et-charbon a pour but de donner de meilleurs résultats qu'un simple balai de charbon dans un champ trop faible au début et trop fort à la fin de la période de court circuit. Si le passage d'un champ faible à un champ intense est très brusque, au point que ce dernier déterminerait une importante surcommutation, un simple balai de cuivre^

placé dans le champ faible, peut môme donner de meilleurs résultats qu'un balai de charbon ; car la plus faible résistance du circuit de commutation avec des balais de cuivre nécessite également une plus faible force électromotrice de commutation. L'association du cuivre et du charbon a cependant, comparativement au simple balai de cuivre, Tavantagc que le charbon, et notamment

VoUs

Fig. 279 a et 6.

Coui-bcs de tension dcteiMninécs expérinientaloment avec balais combinés (cuivre et charbon). Cas des génératrices.

le graphite, lubriGe légèrement le collecteur et Fuse moins que les balais de cuivre.

La figure 280 a k d donne des diagrammes de tension obtenus avec des balais en charbon ordinaires sur un moteur tétrapolaire de 32 kilowatts sous 290 volts, de la maison Schiickert et C^^. La forme des épanouissements polaires est celle indiquée plus haut.

La courbe a se rapporte à la marche à vide ; la courbe d, à la marche sous charge; le passage de ak b nécessitait un déplacement des balais pour une marche sans étincelles.

Voll

aLeerla/

'iï^î=^r=^

Vdili

liiBelasbiij,rttti)es Feli

y^^ cBeUsLung.itarkes Feld ^^^ dBelaslifig,sdiwac!-t$FA<i

Fig. 280 a à rf.

Courbes de tension expérimentalement déterminées pour un moteur à balais de charbon, avec différentes positions des balais dans le champ.

Leerlauf = A vide.

Belastungt starkes Feld = En charge, champ intense. Belaslung, richtiges Feld = En charge, champ normal. Belastung, schwaches Feld = En charge, champ faible.

Pour le relevé des courbes c et rf les balais étaient disposés de manière à permettre d'obtenir à volonté un champ de commutation trop fort ou trop faible, d'où résultaient de petites étincelles sous les balais.

On voit par ces exemples, qu'il serait possible de multiplier et de varier, qu'on peut étudier exactement l'allure de la commutation par le relevé des courbes de tension sous les balais.

De même qu'on étudie le mode de fonctionnement de toute machine à vapeur à l'aide des diagrammes fournis par l'indicateur, de même on pourra désormais juger de l'allure de la commuta-

lion par les diagrammes de commutation. — Ces diagrammes ren^ seignent sur les défauts de la commutation et constituent un silr élément pour leur élimination.

99. Conditions d*une bonne commutation. — La première condition essentielle d'un bon fonctionnement du collecteur est une parfaite construction et Tabsence de défauts à tous égards. Ce collecteur doit être absolument cylindrique, poli et très exactement divisé ; le cuivre employé, chimiquement pur et aussi dur et uniformément dur que possible. Le mica doit être de qualité irréprochable et d'une dureté régulière sans être excessive. Les lames seront fixées de façon absolument rigide, le collecteur constituera un tout invariable. — Les porte-balais doivent être exempts de toute vibration et les balais porter tous aussi également que possible sur le collecteur. L'élévation de température de ce dernier ne doit pas d'ailleurs dépasser SO** C. Au delà et dans certaines circonstances, le collecteur est en effet susceptible de se déformer et de présenter du faux rond.

Lorsque le collecteur est ainsi correctement établi au point de vue mécanique, on peut dire qu'il fonctionnera d'autant mieux que les conditions électriques suivantes seront plus exactement remplies :

1. La différence de potentiel maxima entre lames voisines (Voir p. 122) ne doit pas dépasser 23 volts pour les grandes intensités et 35 volts pour les faibles intensités ; autrement dit, on doit avoir l\ „,,. ^ 23 à 33 volts.