Réaction d'induit dans les alternateurs. — 11 est
utile de rappeler ici quelques faits relatifs à l'étude des dynamos k courant continu.
Dans une dynamo à courant continu [fig, 135) qui fonctionne sous une certaine charge, si les balais sont disposés perpendiculairement au champ principal <I>, le ilux propre de l'induit 9 reste perpendiculaire au flux principal et la combinaison de ces deux flux produit une simple distorsion du champ dans le sens du mouvement {fig. 136 a). l-.e flux se condense sous les extrémités de sortie des pièces polaires alfaiblissant proportionnellement le flux sous les extrémités d'entrée, mais le flux total utile produisant l'induction reste le môme et augmente même légèrement.
Mais si, comme on doit du reste toujours le faire, les balais sont décalés dans le sens du mouvement, afin d'éviter la production d'étincelles au collecteur, le flux de l'induit 9 se déplace d'un angle égal, sa direction suivant toujours celle des balais. Décomposant ce flux ç en ses deux éléments, ç^ (dans la direction de <I>) et 9., (perpendiculaire à *) {fig, 136 g), le
ALTERNATEURS 189
flux 9|, étant de sens contraire & ^, afTaibiit le champ principal et l'autre flux 90» se composant avec le flux restant * — 9^, produit le véritable champ qui est déformé dans le sens du mouvement.
Au contraire, si on exagère la production d'étincelles en décalant les balais en sens inverse de la direction du mouvement, le flux 9 formera avec 4> un angle aigu {fig. 136 7) et la composante 9^ s'ajoute au flux 4> en le renforçant. Dans ce cas, le flux résultant *^ aura une valeur plus grande que le flux * dû à Tinducteur.
Du reste, sans qu'il soit nécessaire de décomposer le flux 9 en ses éléments, on comprend facilement que, lorsque les balais sont décalés dans le
sens du mouvement,, le flux r ^ ^^ . ^^
résultant *,., dû aux flux * et '^ *"'*" ^ • '
9, ait une valeur plus faible
que le flux principal * et que, fio. isa.
au contraire, en décalant les
balais en sens opposé, la valeur du flux résultant 4>, soit
plus grande que celle de $.
Ces phénomènes, joints à l'inévitable dispersion du flux et à la perte de charge produite par la résistance ohmique de Tenroulement, sont la cause que la difl'érence de potentiel entre les balais diff'ère de la force électromotrice induite dans Tenroulement. L'ensemble de ces phénomènes s'appelle réaction d'induit.
Des phénomènes du même genre se produisent dans les alternateurs : le décalage des balais en avant dans la dynamo à courant continu correspond, dans l'alternateur, au cas où la force électromotrice est en avance sur l'intensité et alors le champ magnétique est afl'aibli ; lorsque la force électromotrice
(cl
est en retard sur Tintensité, ce qui correspond au décalage en arrière des balais d'une dynamo, l'intensité du champ magnétique augmente.
Ces actions, dues à la self-induction du circuit induit (qui agit toujours pour produire un d(^calage en retard de l'intensité) et au facteur de puissance du circuit extérieur (agissant tantôt dans le môme sens, aussi bien qu'en sens contraire si
FiG. 137.
le circuit comporte un condensateur ou un moteur synchrone), sont très importantes et méritent d*ôtre examinées en détail. Si on considère, pour prendre un exemple simple, une spire d'alternateur simple à bobine courte {fig. 137), on sait que la force électromotrice induite a une valeur nulle lorsqu'elle se trouve en face d'un pôle, puisque alors il ne se produit aucune variation de flux. Si l'intensité est en concordance de phase avec la force éleclromotrice, elle peut être représentée par la courbe 1 {fig, 137), et la même courbe peut représenter également le flux produit par l'induit, celui-
ALTERNATEURS 191
ci augmentant presque proportionnellement avec l'intensité du courant. De A en C, le flux d'induit a toujours une direction déterminée et de C en E, il est toujours de sens opposé. D'autre pari, le flux principal produit par l'inducteur va en diminuant dans la spire dans son trajet de A jusqu'en B et en augmentant (après s'être inversé) de B jusqu'en C. Les deux actions se compensent à la iin de la demi-période et Ton peut dire que, dans ce cas, la réaction d'induit est nulle ^ abstraction faite de la chute de tension due à la résistance ohmique de Tenroulement induit.
Mais, lorsque l'intensité est décalée en retard par rapport à la force électromotrice (courbe 2, fig. 137), là réaction d'induit ne renforce le flux que dans les trajets A'B et CD, tandis qu'elle le diminue dans les autres parties du parcours. L afi'aiblissenrent du flux a une valeur supérieure à son renforcement et la valeur moyenne de la force électromotrice induite, due à la variation moyenne du flux résultant, est plus faible que dans le premier cas considéré.
Inversement, si l'intensité est décalée en avance sur la force électromotrice (courbe 3, fig, 137), l'action renforçante est supérieure à l'action affaiblissante et la force électromotrice a une valeur plus élevée que celle qui est due à Faction seule du flux produit par l'inducteur.
Dans le cas de la courbe 2, si le retard de phase est de 1/4 de période (ce qu'il n'est pas possible d'obtenir en pratique), les deux flux, de l'inducteur et de l'induit, sont constamment de sens opposé et Tafl'aiblissement de l'intensité du champ est maximum. Au contraire, dans le cas de la courbe 3, si l'avance de phase est de 1/4 de période, l'augmentation d'intensité du champ est maximum.
Ayant ainsi expliqué l'action qui produit l'affaiblissement ou le renforcement du champ produit par l'induit, il convient d'examiner dans quelles conditions se produit alors le flux inducteur. C'est qu'en eflet, si à un flux constant on enlève ou on ajoute un flux variable, théoriquement on doit obtenir un flux puisa toire.
192 lA TECHNIQUE DES GOURANTS ALTERNATIFS
Dans les alternateurs simples, les choses se passent ainsi, et c'est principalement à ce fait qu'est dû le ronilement sourd caractéristique qui se produit pendant le fonctionnement de ces machines. Les pulsations sont plus accentuées dans un alternateur ë, induit denté et s'atténuent lorsque Tinduit est lisse ; la forme de la courbe de l'intensité influe aussi notablement sur les fluctuations du champ. U ne faut pas perdre de vue que ces variations du flux résultant sont grandement annulées par les spires qui se trouvent en court-circuit sur Texcitatrice, parce que ces spires présentent une grande selfinduction. Chaque variation du flux auquel elles sont soumises donne naissance à un courant induit qui, à son tour, produit un flux, lequel réagit sur le flux principal pour empêcher les pulsations et le rendre presque constant; il est entendu que ce qui reste presque constant est le flux résultant^ c'est-à-dire la résultante des flux produits par Tinducteur et par l'induit.
Dans les alternateurs triphasés, il se produit également une réaction d'induit, mais dont l'action difl'ère un peu, parce que les courants alternatifs produisent un champ magnétique qui, comme on l'a vu paragraphe 62, prend une forme sinusoïdale dans l'entrefer et se déplace constamment avec le champ induc^ teur. U se produit encore une augmentation ou un afl'aiblissement du champ magnétique de l'induit, mais les pulsations du flux disparaissent ou presque et la machine ne produit que peu ou pas de ronflement pendant qu'elle fonctionne, surtout si l'induit est lisse ou à trous fendus longitudinalement.
Si Ton a intérêt à obtenir, autant que possible, un flux résultant constant alln que la courbe de force électromotrice se rapproche de la sinusoïde, on peut munir les pôles de l'inducteur de circuits amortisseurs qui, tout en assurant un fonctionnement plus sûr, lors de la marche en parallèle des alternateurs, comme on le verra plus loin, servent encore d'écrans magnétiques, en ce sens qu'ils s'opposent à n'importe quelle variation du champ, pour la même raison que celle qui a été donnée à propos de la self-induction des bobines de' Tinduit de l'excitatrice.
ALTERNATEURS i93
Ces circuits amortisseurs sont constitués, soitparde simples pièces de cuivre qui forment pont entre un pôle et le suivant, tout en étant isolées électriquement; soit par des anneaux de cuivre qui entourent l'extrémité des noyaux polaires ; soit enfin par des tiges de cuivre enfoncées dans les noyaux près de leur extrémité et soigneusement isolées (fig. 138),
Fm. 138.
tiges reliées entre elles par des lames disposées sur les côtés, une sur le côté droit du noyau, Tautre sur le côté gauche.
73. Régulation de la tension d'un alternateur. — L'effet du flux dû à rinduit, la dispersion inévitable du flux inducteur et la résistance ohmique de Tenroulement induit sont autant de causes qui font que la tension d un alternateur a ordinairement une valeur plus faible que celle de la force électro motrice induite pour une excitation égale. On dit ordinairement^ parce que, lorsque Talternateur alimente des convertisseurs,' par exemple, il peut se produire Teffet contraire, l'intensité pouvant être décalée en avance de la force électromotrice, puisque la réaction d'induit a alors pour effet d'augmenter la valeur du champ qui ordinairement est affaibli (§ 72).
La chute de tension d'un alternateur est la différence entre la valeur de la force électromotrice pei:idant la marche à vide et celle de la tension en charge pour une môme excitation; la
tension utile peut, suivant les cas, être plus grande ou plus petite que la force électromotrice. Dans la plupart des applications, la tension est plus faible que la force électromotrice et cette chute de tension constitue, d après sa valeur, une sorte de coefficient de mérite de ralternateur considéré. Mais, si ralternateur peut éventuellement être sujet à des mises en court-circuit, par exemple lorsqu'il alimente des fours électriques, il est alors utile qu'il présente une notable chute de tension.
C'est pourquoi le courant de court circuit d'un alternateur n'est jamais dangereux au point de vue de la conservation de la machine, pourvu que sa durée ne soit pas excessive. Dans les alternateurs k faible chute de tension, Tintensité maximum ne dépasse pas six fois Tintcnsité normale et généralement elle est moindre. Dans les alternateurs à forte chute de tension, l'intensité du courant de court-circuit est tout au plus ledouble ou le triple de l'intensité normale.
Ce résultat est dû à ce fait que, dans un alternateur en court-circuit, l'intensité reste presque en quadrature * avec la force électromotrice produite par l'inducteur (en retard de 1/4 de période) ; l'atTaiblissement du champ provoquée par la réaction d'induit est alors maximum (§ 72) et le champ résultant est, par conséquent, plus faible et donne naissance à une force électromotrice de valeur plus petite^.
Pour un alternateur donné, la chute de tension varie avec la charge ; elle varie également avec le facteur de puissance du réseau, augmentant lorsque ce dernier diminue [fig. 139). C'est pourquoi la réaction d'induit et la dispersion augmentent
1. Deux courbes représentatives de force électromotrice ou d'intensité périodique sont en quadrature lorsque aux ujaxima de l'une correspondent exacteraent les miniina de l'autre et réciproquement.
2. 11 y a lieu de remarquer que cette force électromotrice est en réalité \b, foret éleclrojïiotrice résidlanle dans la spire et que l'intensité reste en concordance de phase avec elle, parce qu'il a été tenu compte delaself-induction dans les composantes du champ magnétique.
En général, ces problèmes et d'autres analogues peuvent toujours être traités de deux manières ditlérentes pour la détermination de ia valeur de la force électromotrice résultante dans un circuit. Dans le premier cas, on considère
ALTERNATEURS 195
beaucoup lorsque le facteur de puissance diminue. En fait, rintensité du courant doit être plus grande, à égalité de tension, pour une même charge (§ 38) et cela, joint au décalage en retard de Tînlensité par rapport à la force électromotrice a pour résultat d'accentuer laction affaiblissante de la réaction d'induit. Aussi, dans un alternateur bien établi, la chute de tension, qui est de 5 0/0 et quelquefois moins lorsque la charge n'est pas inductive, atteint jusqu'à 30 0/0 quand le facteur de puissance n'est que de 0,7 ou de 0,6, principalement si le type d'alternateur considéré donne lieu à de fortes dispersions de flux.
Il est toujours indispensable de pouvoir régler la tension, soit pour la maintenir constante, soit pour l'augmenter graduellement avec la charge. On arrive à ce réglage en faisant varier la tension du courant continu d'excitation des inducteurs, tension que Ton règle à son tour en agissant sur le rhéostat de champ de l'excitatrice, si cela est suffisant, ou par tout autre moyen tel que Tinsertion de résistances dans le circuit inducteur de Talternateur. Généralement, le rhéostat de champ de l'excitatrice suffit pour effectuer ce réglage.
la force électromotrice induite par le flux principal et on la compose avec celle due à la réaction d'induit; on obtient ainsi la force électromotrice résultante; dans le second cas, on ne considère que la force électromotrice résultante, due au Qux résultant produit par la combinaison des divers flux de force en pré^ sence.
H y a intérêt à considérer les phénomènes d'induction comme dus aux variations d'un flux déterminé et c'est pourquoi on donne la préférence à cette seconde méthode pour expliquer les phénomènes qui se produisent dans les machines et appareils électriques industriels.
Hifsscwce euh/iwib
FiG. 139.
Quelquefois, cette régulation de la tension doit s'effectuer automatiquement, comme c'est le cas, par exemple, d'un réseau où se produisent de brusques et importantes variations de charge ; il faut, dans ce cas, faire varier automatiquement la valeur du courant d'excitation dans l'inducteur de .l'alternateur qui, alors, est dit compoundé. Nombreuses sont les solutions imaginées dans ce but; toutes sont plus ou moins compliquées et ne sont pas encore sorties de la période d'essai. Le point commun des diverses solutions proposées est que Ton utilise le courant de ralternatcur avec des dispositifs appropriés qui, suivant les variations de charge, modifient le courant d'excitation de façon à maintenir constante la différence de potentiel aux bornes de Talternateur. On dit que l'alternateur est hypercompoundé si la tension, au lieu de rester constante, augmente avec la charge.
74. Applications des alternateurs tripliasés. — Le courant alternatif simple se prôte facilement à la distribution électrique de l'énergie pour l'éclairage, mais il ne se prête pas aussi bien aux distributions d'énergie pour force motrice et encore moins s'il est nécessaire de prévoir la transformation du courant alternatif en courant continu, lors d'un développement à prévoir de l'installation.
Les courants triphasés donnent une excellente solution dans les deux derniers cas et ils sont aussi avantageux que le courant alternatif simple en ce qui concerne la distribution d'énergie pour l'éclairage. 11 est vrai qu'une canalisation à trois conducteurs est plus compliquée qu'une canalisation à deux; mais, d'un autre côté, étant donné l'économie de poids de cuivre qui résulte du système triphasé, pour une perte en ligne égale (Voir chap. xix), il y a tout avantage à recourir à ce dernier. On peut alors affecter un des circuits, lorsqu'ils sont montés en triangle, et deux, s'ils sont montés en étoile, à la distribution d'énergie pour l'éclairage, en utilisant les trois conducteurs pour la distribution de force motrice.
A ce sujet, on doit remarquer que l'induit d'un alternateur
ALTERNATEURS
triphasé est beaucoup mieux utilisé que celui d'un alternateur simple, car, pour ce dernier, on ne Tutilise que partiellement; par suite, à égalité de puissance et de vitesse angulaire, Talternateur triphasé est plus économique.
Aujourd'hui, le système triphasé reçoit des applications de plus en plus nombreuses à cause des avantages qu'il présente et, si Ton construit encore des alternateurs simples et des alternateurs diphasés, c'est pour répondre h des besoins spéciaux de plus en plus rares, constituant de véritables exceptions.
75. Rendement des alternateurs. — Comme dans toute machine, le rendement industriel d'un alternateur est donné par le rapport entre la puissance utile qu'il fournit et la puissance qu'il absorbe pour son fonctionnement.
La différence entre la puissance absorbée et la puissance fournie donne la valeur des pertes,. qui sont :
pertes par effet Joule dans l'induit et dans l'inducteur, pertes dues à l'hystérésis et aux courants parasites et enfin celles dues aux frottements.
Ces dernières seules ne changent pas, parce que l'alternateur fonctionne à vitesse angulaire constante ; les autres varient plus ou moins suivant la charge.
Cela est mis en évidence par le diagramme que reproduit la figure 140 et qui donne les divers rendements pour cent, suiyant la charge, d'un alternateur triphasé de 750 kilowatts, la
FiG. 140.
a. Courbe du reodement.
b. Pertes totales.
c. Pertes dans le fer.
f/. Perles par frottements.
e. Perles dans le cuivre de l'inducteur.
f. Pertes dans le cuiTre de l'induit.
WO KW
i9B LA TECHNIQUE DES COURANTS ALTERNATIFS
vfitleur particulière des diverses pertes et la valeur des pertes totales pour les différentes charges.
- La construction des alternateurs est aujourd'hui arrivée à un tel point de perfection, qu'une machine de 100 kilowatts atteint facilement un rendement de 90 0/0. On comprend facilement, d'après les faits déjà exposés, qu'un alternateur fonctionnant sur un circuit inductif ait un rendement plus faible, puisque, dans ce cas, à puissance égale et avec la môme tension, l'intensité du courant doit être plus grande et que, par conséquent, Texcitation doit être renforcée.
Pratiquement, on peut admettre que les pertes dans un alternateur bien établi sont celles qu'indique le tableau suivant :
rP dans Tinduit
30 kilowatts 0/0
100 kilowatts 0/0
5U0 kilowatts 0.0
lias
rï^ dans rinducteur
ià.l
Pertes dans le fer
là2
Frottements
lia 3
t ki
Bien entendu, le rendement de Texcitatricc est mis en dehors et doit être évalué séparément. Ce rendement est généralement compris entre 80 et 90 0/0 et la puissance de l'excitatrice est égale ordinairement à 2 ou 3 0/0 de celle de l'alternateur.
Les alternateurs polyphasés ont, à égalité de conditions, un rendement supérieur à celui des alternateurs simples, parce que les matières sont mieux utilisées et que, par conséquent, les pertes sont moindres.
