Démarrage des moteurs synchrones. — II n'y a pas

lieu ici de donner des renseignements détaillés sur la pratique du démarrage des moteurs et on ne peut que donner au lecteur le conseil de recourir à un bon manuel pratique. On se bornera ici à exposer simplement les principes généraux concernant le démarrage des moteurs synchrones à courant alternatif simple et des moteurs synchrones à courants polyphasés.

Lorsqu'un moteur à courant alternatif simple est installé avec une excitatrice spéciale, on peut utiliser cette excitatrice pour mettre le moteur en marche en Talimentant avec le courant fourni par une batterie d'accumulateurs. Cette batterie doit être prévue en conséquence, parce que, si l'organe mobile du moteur a un poids assez élevé, on court le risque de brûler l'induit de l'excitatrice; c'est pourquoi il est indispensable d'utiliser, dans ce cas spécial, un rhéostat de démarrage pour moteur à courant continu.

Dans certains autres cas, on se sert d'un autre moteur pour mettre en mouvement le moteur synchrone. Ce moteur peut être quelconque et sa puissance doit être environ égale au dixième de celle du moteur qu'il doit mettre en route ; il doit, en outre, Être construit de manière à pouvoir supporter une surcharge pendant quelques secondes. Généralement on emploie un moteur asynchrone à courant alternatif (Voir chap. xiv).

Le moteur auxiliaire, une fois en marche normale, ne doit pas actionner brusquement le moteur s)TDchrone, h cause de l'inertie que présente ce dernier, si l'on veut éviter un grand ralentissement et peut-être aussi Tarrêt complot du moteur auxiliaire. Dans ces conditions, la charge h appliquer au moteur auxiliaire doit être graduellement augmentée et, à cet effet, il est indispensable que le moteur synchrone soit commandé par l'intermédiaire d'un accouplement à friction ou par tout autre dispositif cinématique permettant d'augmenter peu à peu la vitesse angulaire jusqu'à ce que Ton arrive à. atteindre celle du synchronisme.

La figure 175 montre le dispositif adopté par la General Electric Company, Un petit moteur asynchrone, que Fon voit sur la gauche, actionne le moteur synchrone par un train d'engrenages, mais la roue à rochet est folle sur son arbre et

* iii

FiG. 17Ô.

se trouve en prise ou non par Tintcrmédiaire d'un embrayage à friction.

Pour faire démarrer le moteur principal, on commence par mettre en marche le moteur asynchrone puis on augmente graduellement la vitesse angulaire du moteur synchrone et, lorsque ce dernier a atteint son régime normal, c'est-à-dire le synchronisme, on relie le moteur au circuit après avoir préalablement excité les inducteurs. Dès que le moteur synchrone fonctionne régulièrement, on débraye l'accouplement qui le reliait au moteur auxiliaire et on coupe le circuit de ce dernier.

Les deux procédés de démarrage qui viennent d'être indiqués pour les moteurs synchrones à courant alternatif simple sont également applicables aux moteurs polyphasés, mais, pour ces derniers, on peut utiliser un procédé plus simple, ces moteurs pouvant toujours ou presque toujours démarrer spontanément èi vide, lorsqu'on les alimente avec des courants polyphasés en prenant la précaution de réduire la tension à

MOTEURS SYNCHRONES

Wïï)

Taide d'un rhéostat métallique ou liquide. Si Ton a recours à des bobines de réactance, elles doivent être construites de manière à pouvoir faire varier depuis zéro jusqu'au maximum le nombre de spires utilisées pour Talimentation des circuits du moteur {fig. 176).

Les courants polyphasés produisent un champ touraant qui, lorsque l'inducteur n'est pas excité, donne naissance à de puissants courants de Foucault dans les pièces polaires dont l'action est encore renforcée par les circuits amortisseurs (§ 72) disposés à l'extrémité des pièces polaires. fig. i76.

L'action mutuelle due au champ

tournant et aux courants de Foucault produit un couple moteur qui fait tourner l'organe mobile dans un sens tel qu'une fois le synchronisme atteint, les pôles du champ tournant se trouvent en correspondance avec les pôles de noms contraires de l'inducteur et alors le mouvement de rotation se continue d'une manière constante. Si l'induit est fixe, l'inducteur se meut dans le même sens que le champ tournant, de manière à rester en concordance avec lui une fois le synchronisme atteint. Si, au contraire, c'est l'inducteur qui est fixe, le champ tournant dû au courant de l'induit reste fixe dans l'espace, parce que l'induit tourne en sens opposé au mouvement de rotation du champ et, comme les deux vitesses sont égales, le champ reste fixe. 11 est facile d'expliquer ce fait, en prenant un moteur appartenant au premier type, c'est-à-dire à induit fixe; si on le monte sur deux pivots qui lui communiquent un mou-r vement de rotation égal et de sens contraire à celui de l'inducteur, on se trouve dans le cas du second type de moteur à induit mobile et à inducteur fixe.

Si l'on veut éviter l'emploi de circuits amortisseurs, il suffit de donner un plus grand développement aux pièces polaires

de l'inducteur et de les faire massives, afin de faciliter ainsi la production de puissants courants de Foucault. Dans certains moteurs bien construits, les effets d'hystérésis qui se produisent dans les pièces polaires feuilletées donnent naissance à un couple moteur suffisant pour le faire démarrer à vide et l'amener au synchronisme, ce qui s'explique par ce fait que, pendant la rotation du champ, l'attraction est plus considérable dans le sens du mouvement que dans le sens inverse, par suite du retard de l'effet magnétisant par rapport aux variations du champ qui le produit.

Un autre procédé de démarrage peut également être employé avec les moteurs à courant alternatif simple en disposant sur l'induit un second enroulement. Cet enroulement supplémentaire rend le moteur diphasé lors du démarrage si on l'alimente par un second courant alternatif, décalé d'environ 1/4 de période. Ce courant est produit en utilisant un des moyens qui seront indiqués ultérieurement dans le chapitre XV pour le démarrage des moteurs asynchrones à courant alternatif simple. On a ainsi réalisé un champ tournant plus ou moins parfait et ondulé, mais qui suffit pour obtenir le démarrage.

93. Indicateurs de synchiroiiisme. — Jusqu'à présent, il a été question des procédés de démarrage des moteurs, sans qu'il ait été indiqué quels sont les moyens dont on dispose pour reconnaître l'instant où le synchronisme est atteint et où il convient d'envoyer le courant alternatif ou continu, ou bien les deux, suivant les cas.

Pour reconnaître le moment où le synchronisme est atteint, on peut utiliser un dispositif stroboscopique (Voir § 12). Pour cela, on dispose sur l'arbre du moteur un disque divisé en secteurs alternativement blancs et noirs, dont le nombre doit être égal à celui des pôles de la machine ; ces secteurs doivent être soigneusement placés en regard des pôles auxquels ils correspondent et le disque est ensuite fortement éclairé à l'aide d'une lampe à arc. Gomme la lampe émet deux fois par période son intensité lumineuse maximum, le disque paratt

MOTEURS SYNCHRONES

immobile lorsque sa vitesse angulaire est celle du synchronisme. Une fois le synchronisme obtenu, on commence par exciter Tinducteur, puis on ferme le circuit de l'induit sur ia canalisation.

L'emploi (ï indicateurs de synchronisme^ constitués par des lampes à incandescence, simplifie la manœuvre et cette méthode peut être utilisée lorsqu'on effectue le démarrage avec du courant continu ou à l'aide d'un moteur auxiliaire.

Dès que le moteur a commencé à démarrer, on excite faiblement l'inducteur et l'on établit une dérivation reliant le circuit

FiQ. 1T7.

d'alimentation à l'induit à travers un groupe de lampes à incandescence montées en série; ces lampes doivent, en fonctionnement normal, exiger une différence de potentiel au QQoins deux fois égale à celle qui existe entre les conducteurs du circuit d'alimentation. Tout étant ainsi disposé, on laisse, en attendant, l'interrupteur principal ouvert (fig. 177).

Dans ces conditions, les lampes sont alimentées par un courant dû à la force électromotricc résultante produite, d*une part, par la tension de la canalisation et, d'autre part, par la force électromotrice développée dans l'induit du moteur synchrone qui fonctionne alors comme génératrice. Cette force électromotrice résultante a des fréquences différentes de celle de la tension sur le réseau d'alimentation, parce que, à certains moments, les deux composantes ont une action concor-

dante, tandis qu*à d'autres instants leur action est opposée ; les lampes indiquent nettement ces variations, qu'on appelle battements^ parce qu'elles sont tantôt poussées à l'incandescence et tantôt simplement amenées au rouge. Mais, à mesure que la vitesse angulaire élu moteur s'approche de celle du synchronisme, les battements deviennent de plus en plus lents. Lorsque ces battements ne se produisent plus qu'à des intervalles de quelques secondes, le phénomène prend un caractère de stabilité qui indique que Ton arrive presque au synchronisme et Ton saisit le moment oii les deux séries de lampes sont éteintes pour fermer l'interrupteur principal, retirer la dérivation dans laquelle se trouvent les lampes et supprimer enfin le dispositif de démarrage (Voir chap. xvii» Synchronisation), Le moteur est alors prêt à recevoir sa charge, qu'il faut néanmoins n'appliquer que progressivement, afin d'éviter que le ralentissement de l'organe mobile qui en est la conséquence ne dépasse une certaine limite, au delà de laquelle la valeur du couple moteur diminuerait et deviendrait inférieure au couple résistant; dans ce cas, le synchronisme se perdrait et l'on serait dans l'obligation d'arrêter le moteur et de procéder à un nouveau démarrage.

On peut se demander pourquoi il est nécessaire, pour mettre lé moteur en circuit, d'attendre que lés lampes soient éteintes, c'est-à-dire le moment oii la tension dans le réseau d'alimentation est en opposition de phase avec la force électromotrice développée dans le moteur. La raison est facile à donner et elle est due à ce fait que, dans un moteur idéal n'ayant aucune perte et fonctionnant sans frottements, il n'y aurait pas de dépense d'énergie pour maintenir sa vitesse à vide, c'est-à-dire que le courant aurait une valeur nulle; or, ce courant est nul ou d'intensité trèis faible lorsque les lampes ne fonctionnent pas, parce que, à ce moment, la force électromotrice développée dans l'induit du moteur est en opposition avec la tension du réseau d'alimentation ; c'est donc, par conséquent, le moment le plus favorable pour effectuer la mise en circuit. En mettant le moteur en circuit au moment où les lampes

MOTEURS SYNCHRONES 261

fonctionnent, la tension du réseau est en concordance de phase avec la force électromotrice développée dans le moteur et alors les actions qui s'exercent entre les pôles magnétiques de l'inducteur et du champ tournant s'opposent au mouvement de rotation de Torgane mobile au lieu de le favoriser.

Lorsque le démarrage s'effectue sans excitation de l'inducteur, en faisant fonctionner le moteur comme un moteur asynchrone, la méthode qui vient d'être indiquée n'est plus applicable et il faut alors disposer les lampes de l'indicateur de phase en dérivation sur les bornes du circuit inducteur soumis à l'induction du flux variable de Tinduit. Au début, une force électromotrice assez considérable est induite dans le circuit de l'inducteur et les lampes brillent d'un vif éclat; puis leur éclat diminue peu à peu à mesure que la vitesse angulaire de l'organe mobile va en augmentant; leur éclat est minimum lorsque l'on est près d'atteindre la vitesse de synchronisme, il n'est pas possible d'obtenir complètement la synchronisation, parce que, comme on le verra plus loin, dans un moteur asynchrone, la vitesse angulaire de l'organe mobile doit forcément être inférieure à celle du champ tournant. Mais, comme la vitesse obtenue au moment où les lampes ont leur minimum d'éclat difl*ère très peu de la vitesse de synchronisme, il n'y a qu'à exciter alors le moteur et à supprimer les lampes ; le synchronisme s'établit aussitôt de lui-même et la consommation du courant fourni par le réseau d'alimentation devient instantanément minimum par suite de la suppression du courant magnétisant qui étai( absorbé jusqu'à ce moment.

Le sens de la force électromotrîce au moment où l'on ferme le circuit inducteur n'est pas déterminé, mais cela ne présente pas, en général, une grande importance ; toutefois, on conçoit que la synchronisation s'effectue d'autant plus facilement que le sens du courant est celui qui est le plus favorable.

Il est utile d'insérer dans le circuit de l'induit une bobine de réactance réglable afin d'éviter que le courant n'atteigne une trop grande intensité et aussi, par suite de la réaction

produite, d'empêcher la production des harmoniques nuisibles du flux (Voir plus loin, § 96). Il est utile aussi de fermer Tinducteur sur un circuit de très grande résistance (groupe de lampes en série) pendant quelques instants lors de la mise en marche. En effet, ses spires sont alors le siège d'un flux altcrnutif dont la fréquence est très voisine de celle des courants circulant dans l'induit et les forces électro motrices produites dans Tenroulement, ordinairement en fil fin, sont très élevées. Dès que le moteur a atteint une certaine vitesse, on peut réduire le nombre de lampes pour saisir plus facilement l'instant où le synchronisme est atteint.

Pour terminer ce qui est relatif aux procédés de démarrage, il faut ajouter que, si Ton met simultanément en route Talternateur et le moteur, si ce dernier est à champ tournant, on peut obtenir la synchronisation aussitôt que Ton ferme le circuit d'excitation du moteur, en ayant soin de donner à ce dernier une certaine impulsion initiale. Son mouvement de rotation s'accentue de plus en plus jusqu'à ce que la génératrice ait atteint sa vitesse normale.

94. Influence de Texcitation. Emploi des moteurs sjrnchrones. — On verra, dans le chapitre suivant, que les moteurs asynchrones, principalement les moteurs polyphasés, ne présentent pas les inconvénients des moteurs synchrones. Ces derniers fonctionnent à vitesse constante, mais présentent des difficultés en ce qui concerne le démarrage; en outre, ils ne peuvent supporter de brusques surcharges. Malgré cela, ils sont encore assez employés dans l'industrie, plus qu'ils ne devraient l'être, àcausc d'une qualité précieusequi leur est particulière. Cette qualité est la propriété qu'ils possèdent de pouvoir, non seulement amener l'intensité du courant d'alimentation en phase avec la tension agissante, mais encore de la décaler en avant. Dans le cas où il y a concordance de phase, le facteur de puissance du circuit (§ 37) dans lequel se trouve le moteur est égal à 1 ; pour une tension déterminée, l'intensité du courant a alors la valeur minimum compatible avec la charge

MOTEURS STNCHRONES 263

du moteur et Ténergie, dissipée par effet Joule, est ëgaiemenl réduite au miuimum. Ces faits sont une conséquence de la vitesse constante du moteur synchrone et il s'ensuit qu'il est possible de produire dans l'induit une force électromotrice notablement supérieure à la tension du réseau d'alimentation, en augmentant convenablement l'intensité du courant d'excitation. Pour mieux faire comprendre les effets produits dans un moteur synchrone, par suite des variations du courant d'excitation, il suffit de rappeler ce qui se passe datis un moteur à courant continu, à excitation indépendante ou en dérivation.

L'inducteur étant excité et le courant étant envoyé dans l'induit, ce dernier se meta tourner et développe une force électromotrice qui, conformément à la loi de Lenz, est de sens contraire à celle du courant qui alimente le moteur. Si V est la tension du réseau alimentant l'induit, e la force contreélectromotrice développée par la rotation de l'induit, r la résistance de l'induit toujours très faible, Tintensité du courant d'alimentation est donnée par la relation

Lorsque la charge augmente, la vitesse angulaire diminue, le champ restant constant ; cette vitesse diminue de la valeur nécessaire pour permettre à la force contre-éleclromotrice de prendre une nouvelle valeur e' pour que l'intensité /' corresponde à la charge appliquée :

Si la charge reste constante et que l'on vienne à modifier l'intensité du champ magnétique, la vitesse angulaire doit également varier, parce que la force contre-éleclromotrice a une valeur qui dépend directement de l'intensité du champ, de la vitesse angulaire et du nombre de spires de l'induit,

264 IJi TECHNIQUE DES COURANTS ALTERNATIFS

nombre qui ne change pas. Par suite^ si la charge est constante, la valeur de Tintensilé /' doit rester la mêmç et, conséquemment aussi, celle de la force contre-électromotrice e\ Donc, si rintensité du champ magnétique augmente, il faut diminuer la vitesse angulaire; il faut, au contraire, augmenter cette dernière si Tintensité du champ diminue.

Aucun de ces phénomènes ne se produit dans un moteur synchrone à courant alternatif. La force contre-électromotrice,* c'eslTÎi-dire la force électromotrice développée par suite du mouvement de rotation de Tinduit, a une valeur qui 'dépend uniquement de Tintensité du champ produit par l'inducteur; en effeU lorsque le moteur fonctionne à son régime normal, sa vitesse angulaire est constante et, d^autre part, le nombre de spires de Tinduit est invariable. C'est pour cela qu'on peut à volonté donner à cette force contre-éleclromolrice une valeur plus petite, égale ou plus grande que la tension du réseau d'alimentation aux bornes du moteur, sans pour cela compromettre la stabilité de marche de ce dernier ainsi que le démontre la pratique.

En négligeant les pertes, afin de simplifier l'explication, c'est-à-dire en admettant un rendement égal à l'unité, ce qui n'enlève rien à l'exactitude du raisonnement suivant, on peut dire que la puissance P développée par le moteur est égale à la quantité d'énergie que lui fournit par seconde le réseau d'alimentation; cette quantité d'énergie est en général égale (§ 37) à kVl, k étant le facteur de puissance, V la tension du réseau d'alimentation et / l'intensité du courant dans le circuit, intensité dont la valeur est donnée par la lecture de Tampèremètre. Donc

Or, dans le cas actuel, la valeur de / dépend de la tension résultante due à la tension agissante F diminuée de la force contre-électromotrice du moteur E,

Si on augmente l'excilation, E prend une valeur plus grande et rintensité / doit varier, étant donné que V est supposé

MOTEURS SYNCHRONES

constant. Si cette augmentation d'intensité du champ se produit pendant que la charge est constante, / variant dans un sens donné, k doit se modifier en sens opposé et il ne peut se produire d'autre effet, parce que P ûe varie pas et que, dans ces conditions, la loi de la conservation de l'énergie est satisfaite. En faisant varier graduellement l'intensité du courant d'excitation d'un moteur synchrone, tandis que la charge reste constante, il se produit le phénomène que représente graphiquement la figure 178. ^ Avec une faible excitation, l'intensité du courant dans l'induit du moteur prend une certaine valeur; à mesure que l'on augmente l'excitation, l'intensité du courant dans Fin- ^ duit diminue jusqu'au moment où elle prend une valeur minimum.

Pendant ce temps, Tintensité du courant reste toujours décalée en retard par rapport à la tension aux bornes du moteur. En augmentant encore l'excitation, l'intensité du courant dans l'induit reprend ses valeurs primitives; mais alors, du fait que la force contrc-électromotrice a une valeur différente de celle qu'elle avait au début, il doit y avoir un autre élément modifié; c'est justement le décalage de l'intensité du courant qui, précédemment, était décalée en retard par rapport à la tension et qui maintenant est décalée en avance. On doit déduire de ce qui précède que l'intensité minimum du courant correspond au moment où le retard est nul et où, par conséquent, le facteur de puissance est égal à Tunité (4=1).

On peut donner de ce fait l'explication physique suivante ; un courant alternatifdécalé en retard, par rapporta la tension

ijisnsiié càiaximnt cTexaioàm

FiG. 178.

agissante, afTaiblit le champ inducteur lorsqu'il s'agit d'une génératrice; dans un moteur, au contraire, le même phénomène a pour effet de renforcer ce champ; ce fait est analogue au déplacement des balais dans une dynamo à courant continu (§ 73). Si la charge du moteur reste constante, la composante active du courant ne varie pas; la seule qui puisse varier est la composante magnétisante. Cette composante magnétisante augmente l'intensité du champ lorsque le courant total est décalé en retard ; elle l'affaiblit, au contraire, quand le courant total est en avance sur la tension.

Dans un moteur synchrone, si l'intensité est décalée en retard par rapport à la tension agissante, le champ utile est dû, en partie, au courant d'excitation et, pour l'autre partie, à la composante magnétisante ou de réaction. En augmentant l'intensité du courant d*excitation, la charge restant constante, la composante magnétisante doit diminuer et réciproquement, afin que le champ magnétique inducteur résultant ait une intensité constante. Ceci se produit jusqu'au moment où le courant résultant se trouve en concordance de phase avec la tension et alors la composante magnétisante est supprimée.

En augmentant l'intensité du courant d'excitation au delà de cette limite, le champ deviendrait trop intense si la 'composante magnétisante, qui alors intervient de nouveau, ne venait affaiblir le champ, décalant alors l'intensité résultante (lue sur l'ampèremètre) en avance, par rapport à la tension, au lieu de la décaler en retard.

On peut expliquer le phénomène d'une autre manière : pour une valeur déterminée de l'intensité du courant dans l'induit, il se produit une force électromotrice résultante dont la valeur est celle de la tension aux bornes du moteur, diminuée de celle de la force contre-électro motrice induite. Pour une certaine charge, la valeur de la force contre-électromotrice reste invariable et, par conséquent, l'intensité du champ ne doit pas varier puisque la vitesse angulaire est constante. En augmentant l'intensité du champ par l'excitation, celte augmentation est

MOTEURS STNCHRONES 267

annulée parle champ contraire, dû au courant de réaction auquel il donne naissance ; l'effet inverse se produit lorsqu'on vient à diminuer l'excitation.

En résumé, en faisant varier convenablement l'excitation d'un moteur synchrone, il est possible de mettre en concordance de phase l'intensité du courant avec la tension aux bornes ; en surexcitant le moteur, il est possible aussi de décaler l'intensité en avance et, dans ce cas, le moteur se comporte comme un condensateur (§ 44).

Dans ces conditions, si Ton tient compte de ce fait que les moteurs asynchrones ont un facteur de puissance k == 0,8 environ et que, par suite, leur fonctionnement exige une intensité de courant supérieure de 20 0/0 à celle qui leur serait strictement nécessaire si le facteur de puissance était égal à l'unité ; que, d'autre part, une plus grande intensité de courant entraine des pertes plus considérables par effet Joule, on comprend que, dans beaucoup de cas, la possibilité d*obtenir un facteur de puissance égal à l'unité, dans une transmission d'énergie utilisant des moteurs synchrones, fasse préférer ce type de moteur, au moins toutes les fois que les inconvénients qu'il présente ne sont pas de nature à empocher leur emploi pour l'application que l'on a en vue.

Lorsque l'emploi de moteurs asynchrones est seul possible pour l'application que l'on veut réaliser, on peut placer un moteur synchrone en dérivation à l'extrémité de la ligne; en faisant fonctionner ce moteur à vide et en le surexcitant, on peut amener en concordance de phase, tout au moins dans la ligne et dans les génératrices, le courant et la force électromotrice. Dans ces conditions, il est possible de régler le système pour que le décalage en retard de l'intensité produit par les moteurs asynchrones soit compensé par le décalage en avance dû aux moteurs synchrones. C'est ce qui a été expliqué en d'autres termes dans le paragraphe 46, à propos du condensateur qui peut fournir à un appareil inductif, auquel il est relié, le courant magnétisant nécessaire à ce dernier.

Dans le cas considéré, l'appareil inductif est la génératrice

même, qui présente toujours une certaine self-induction; cette self-induction produit une chute de tension supérieure à celle •que produit la seule résistance ohmique et l'insertion en dériyation d'un moteur synclirone sur la ligne peut avoir pour effet, s'il est convenablement excité, d'augmenter la valeur de la tension sur la ligne et aux bornes de la génératrice. En outre, si on surexcite le moteur de façon à décaler le courant «n avance par rapport à la force électromotrice de la génératrice, la réaction d'induit de cette dernière agit alors, pendant une période, sur l'inducteur pour rendre l'action magnétisante supérieure à l'action démagnétisante, tandis que c'est le contraire qui se produit ordinairement (§ 74); dans ees conditions, pour une même excitation, la tension aux bornes peut devenir supérieure à la valeur de la force électromotrice lors du fonctionnement à vide de l'alternateur.

On sait qu*en abaissant la tension d'un alternateur audessous de sa valeur normale, la valeur de l'intensité du courant qu'il peut débiter est également limitée; il est alors facile •de comprendre pourquoi un facteur de puissance peu élevé peut limiter considérablement la puissance efficace d'une génératrice. Dans ce cas, l'emploi d'un moteur synchrone permettant de faire fonctionner l'alternateur, comme il le ferait sur une résistance non iuductive, est tout à fait indiqué.

Après avoir examiné le fonctionnement d'un moteur synchrone lorsque la charge et la tension aux bornes sont constantes, mais l'excitation variable, il reste à examiner comment •ce moteur se comporte quand, la tension et l'excitation restant •constantes, la charge vient à varier.

Il importe d'abord- de faire connaître qu'il ne peut se produire une opposition complète de phase entre la tension et la force contre-électromolrîce, parce que, en admettant que leurs valeurs efficace» soient égales (on sait que la force électro motrice peut avoir une valeur plus grande, égale ou plus faible que celle de la tension), il se produit entre elles un décalage qui donne lieu à une force électromotrice résultante et, par •conséquent, à la production d'un courant dans l'induit. Dans

MOTEURS SYNCHRONES 26^

ces conditions, s*il se produit une augmentation de charge, le moteur retarde légèrement, sa vitesse angulaire restant toutefois la même, le décalage entre la tension et la force contre^ électromotrice est plus grand et l'intensité du courant augmente ainsi que le couple moteur.

L'effet contraire se produit lorsque la charge diminue. Par conséquent, l'intensité du courant se règle automatiquement, suivant les variations de* charge, par suite du décalage en retard plus ou moins accentué de la force contre-électromotrice développée par rapport à la tension agissante, retard qui se traduit par un déplacement plus ou moins grand de l'organe mobile du moteur par rapport à la position correspondant à l'opposition complète entre la tension et la force contre-électromotrice.

Malgré les avantages réels que présente le moteur synchroneà cause de son rendement, comme son installation nécessite une dépense appréciable et que, comme toute machine, il exige une certaine surveillance et un certain entretien augmentant les dépenses d'exploitation, on ne peut toujours recommander son emploi, si ce n'est dans certains cas spéciaux, lorsqu'on veut, par exemple, empêcher les effets nuisibles de la self-induction dus à d'autres moteurs ou à certains appareils tels que le& transformateurs, les génératrices, les lampes h arc, etc.

11 est encore un fait sur lequel on doit porter son attention, c'est que la régularité de fonctionnement d'un moteur synchrone exige que la tension du réseau d'alimentation aux bornes du moteur ne subisse pas de variations brusques, parce qu'alors le couple moteur n'est plus proportionné au couple résistant; si le couple moteur est trop faible, la vitesse du moteur diminue, le synchronisme se perd et le moteur finit par s'arrêter.

C'est pour ce motif que les courts circuits produits par les

décharges atmosphériques sur une longue ligne aérienne font

brusquement baisser la tension des génératrices et produisent

quelquefois la désynchronisation des moteurs synchrones.

^alimentés par le réseau.

95. Mouvements oscillants d&ns un moteur synchrone. Emploi de circuits amortisseur^. — Si les propriétés utiles du moteur synchrone, propriétés qui ont été exposées dans les paragraphes précédents, rendent son emploi préférable dans certaines applications, il ne faut pas oublier que sa raison d'être est d avoir une vitesse angulaire rigoureusement constante et correspondant à la fréquence du courant alternatif qui Talimente. Or Torgane mobile du moteur possède toujours une certaine inertie et les forces qui agissent sur lui interviennent fortement pour le placer dans des conditions de stabilité plus ou moins bonnes.

Pour simplifier l'explication, on peut supposer que Ton se trouve en présence d'un moteur triphasé alimenté par une génératrice actionnée par une turbine hydraulique ou à vapeur. La turbine a un couple moteur constant et la vitesse de la génératrice reste pratiquement uniforme. Par suite, la vitesse angulaire du moteur ne peut être le moins du monde aiïectée de ce chef; en effet, tant que la charge supportée par le moteur ne varie pas, son fonctionnement est parfaitement régulier.

Mais, au moment où la charge varie, si elle vient par exemple à augmenter, il se produit deux phénomènes dus à ce fait que le couple moteur du moteur triphasé est inférieur au couple résistant. L'intensité du courant varie alors et augmente de manière à produire un couple moteur pouvant équilibrer le couple résistant; cette augmentation de Tintensité du courant se produit d'autant plus rapidement que la selfinduction de l'induit est plus faible et c'est pour ce motif, comme on l'a déjà dit, qu'on cherche en pratique à la rendre aussi faible que possible. Mais pendant ce temps, qui peut être très court, la majeure partie du couple moteur nécessaire est fournie par l'inertie de l'organe mobile et, de ce fait, ce dernier subit un petit ralentissement; la force d'inertie qui en résulte donne naissance au couple moteur supplémentaire nécessaire. Un nouveau régime électrique s'établit alors et l'organe mobile du moteur reprend sa position normale par Faction du couple électromagnétique ainsi produit; mais, par suite de lïnertie,

MOTEURS SYNCHRONES 27i

la position normule est légèrement dépassée et il se produit alors un mouvement en arrière; ces deux actions se continuent en donnant lieu à des oscillations de l'organe mobile autour de sa position normale. Cet état oscillatoire se continuerait indéfiniment, mais les frottements et les courants parasites qui se développent arrêtent plus ou moins vite ces oscillations et ramènent le moteur h son régime normal de fonctionnement.

On voit, d'après ce qui précède, qu'une certaine inertie est nécessaire pour fournir un couple moteur supplémentaire au moment où la charge du moteur varie, afin qu'un nouveau régime électrique s'établisse; d'autre part, il convient de ne pas exagérer cette inertie, si l'on ne veut pas exagérer les mouvements oscillants. Il résulte de ces considérations que, à conditions égales, l'inertie doit être d autant plus faible que la self-induction que présente Tinduit est plus petite ; mais il ne faut pas perdre de vue que, si le moteur commande des machines par l'intermédiaire d'un accouplement rigide, l'inertie de ces machines s'ajoute à celle du moteur.

Des phénomènes identiques, mais inverses, se produisent lorsque la charge du moteur diminue au lieu d'augmenter.

Ces oscillations du moteur, qui disparaissent très souvent lorsqu'on fait varier le courant d'excitation, n'entraînent généralement pas la perte du synchronisme du moteur, car les oscillations efTectuées par l'organe mobile autour de sa position moyenne ne dépassent pas Y angle de stabilité^ angle dans les limites duquel chaque ralentissement produit une augmentation du couple moteur et chaque augmentation de vitesse, une diminution de ce même couple moteur. Mais, lorsque le moteur reçoit une forte et brusque augmentation de charge, la perte de synchronisme est inévitable si la première oscillation dépasse l'amplitude de l'angle de stabilité. Si, au contraire, l'oscillation est due à une diminution du couple résistant, il ne peut en résulter aucun inconvénient parce que, dans ces conditions, si l'angle de stabilité est dépassé par la première oscillation en avant, il ne le sera certainement pas par l'oscillation suivante en arrière, qui est plus petite.

De toute manière, ces oscillations, lors même qu'elles n'entraînent pas la désyncbronisation, donnent lieu à des variations de force contre-électromotrice, d'intensité et de décalage ; elles ont encore une répercussion fâcheuse très notable sur la ligne et les génératrices, en donnant lieu à des variations de tension suffisamment importantes pour rendre le fonctionnement des lampes absolument impossible. Dans ces conditions^ on voit que Tinstallution d'un moteur synchrone doit être faite judicieusement, si Ton veut éviter de graves mécomptes..

On a supposé jusqu'à présent que la génératrice fonctionnait à une vitesse angulaire rigoureusement constante, comme c'est le cas lorsqu'elle est actionnée par une machine à couple moteur constant. Mais, lorsque cette machine a un couple moteur variable, comme c'est le cas pour un moteur à vapeur par exemple, il se produit une variation de vitesse à chaque tour, variation qui se reproduit également sur le moteur synchrone alimenté par celte génératrice.

Ces variations de vitesse angulaire donnent Jieu dans le moteur synchrone à un véritable état oscillatoire à période lente ; ces oscillations peuvent également être produites par la machine qui est actionnée par le moteur synchrone, lorsque cette machine a un couple résistant périodiquement variable. Lorsque les impulsions ducs à ces oscillations lentes favorisent, celles dues aux irrégularités de vitesse de la génératrice, c'està-dire si la période des premières est un sous-multiple de celle des oscillations lentes, ces dernières peuvent être amplifiées au point d'entraîner la complète désynchronisation du moteur. De même le mouvement d'un pendule peut être amplifie, de manière à dépasser son amplitude normale, par de très petites impulsions se produisant à intervalles réguliers, quoique assez longs, mais toujours dans le sens favorable au mouvement.

Dans les installations comportant des moteurs synchrones, le choix des moteurs commandant les génératrices doit être l'objet d'une étude très attentive si l'on veut être certain que le bon fonctionnement de l'installation soit assuré ^Voîr aussi chap. xvii).

MOTEURS SYNCHRONES 273

toutefois, il est possible, non d'empêcher ces oscillations de se produire, mais d'éviter qu'elles prennent une trop grande amplitude en les amortissant rapidement; à cet effet, il est recommandé que les moteurs synchrones soient munis de circuits amortisseurs, dont il a été question dans le para* graphe 71, afin de donner à la force électromotrice une allure sinusoïdale ou presque sinusoïdale. Il est utile également de munir les alternateurs de circuits amortisseurs.

Ainsi, dans un moteur synchrone triphasé, les pôles de l'induit conservent une position invariable par rapport à ceux de l'inducteur, tant que son fonctionnement est régulier et sa charge constante. Si une oscillation vient à se superposer au mouvement de rotation, il y a variation du flux dans les circuits amortisseurs, car ce flux a successivement des vitesses plus grandes et moins grandes que celle du flux du champ tournant.

Les courants induits intenses qui prennent alors naissance produisent un couple correcteur qui agit comme le ferait un frein et qui tend à ramener la vitesse à celle du synchronisme. Une fois la stabilité de marche obtenue, les circuits amortisseurs n'agissent plus.

Les phénomènes sont plus complexes lorsqu'il s'agit d'un moteur synchrone à courant al ternatif simple.

Le flux alternatif d'un champ magnétique peut être considéré comme la ré- '^•'•-;;^ ^ \;:^--.^ -' sultante de deux champs magnétiques p^^ i^g tournant avec la même vitesse angulaire, mais en sens inverse et ayant des intensités constantes et égales, pour chacun d'eux, à la moitié de la valeur maximum du flux alternatif. Ce phénomène présente une certaine analogie avec le dispositif cinématique' que montre la figure 179 et dans lequel deux manivelles (qui pourraient également être disposées le long d*un même axe), animées d'un mouvement circulaire, mais de sens inverse, produisent un mouvement rectiligne harmonique simple.

Les deux flux tournants composants ont, par rapport à l'organe mobile d'un moteur synchrone animé d'une vitesse angulaire w, Tun une vitesse nulle, l'autre une vitesse égale à 2 (1). Le premier de ces flux n'a aucune action sur les circuits amortisseurs tant que la vitesse est suffisamment uniforme et ne donne naissance à des courants induits dans ces circuits qu'au moment où une oscillation se produit en avant ou en arrière par rapport îi eux. Le second flux tournant, au contraire, animé par rapport aux circuits amortisseurs d'une vitesse égale à 2 w, donne constamment naissance à des courants de Foucault d'une telle intensité que le champ magnétique qu'ils produisent est presque égal à celui qui leur a donné naissance et par conséquent le neutralisent. On peut donc dire que ces circuits amortisseurs agissent sur le second flux composant comme le ferait un écran magnétique qui empêcherait le flux de les traverser.

Par suite, le premier flux composant reste seul comme champ tournant actif et, à ce point de vue, le moteur synchrone à courant alternatif simple se comporte comme un moteur polyphasé.

11 est évident que l'action régulatrice due à celte sorte d'écran magnétique est d'autant plus efficace que la résistance ohmique de ces circuits fermés sur eux-mêmes est plus faible et qu'ils sont plus complètement traversés par le flux de l'induit (Voir § 72)>

96. Rendement des moteurs synchrones et choix du type à employer. — Le rendement des mateurs synchrones bien construits ne diffère pas de celui des bons alternateurs, puisque leur construction est identique et que les pertes sont les mêmes.

Mais, pour qu'un type de moteur convienne parfaitement à une installation déterminée, il est indispensable que ce moteur se rapproche le plus possible, au point de vue des détails de construction, des alternateurs qui doivent alimenter la canalisation sur laquelle il est branché. Ainsi, par exemple,

MOTEURS SYNCHRONES 275

la forme de la courbe de la force contre-électromotrîce du ;

moteur peut différer notablement de celle de la force électro- '

motrice de Talternateur. Dans ces conditions, la force électromotrice résultante, de laquelle dépend la valeur de l'intensité du courant, contient alors des harmoniques qui donnent naissance à des courants parasites donnant lieu à des dérangements dans rinstallation. Il est vrai que Ton peut toujours chercher à atténuer ces harmoniques en intercalant une bobine de réactance entre la ligne et le moteur, cette bobine de réactance tendant, par sa nature même, à s'opposer à toute variation du flux et cela d'autant plus énergiquement que les variations de flux sont plus rapides; mais ce procédé présente l'inconvénient d'introduire dans le circuit une self-induction inutile 'Ct souvent nuisible, pouvaût compromettre la stabilité de fonctionnement. Toutefois, si le coefficient de régularité (chap. xvii) ■des moteurs qui commandent les génératrices n'est pas très élevé et que la tension des génératrices ait des tendances à osciller, la bobine de réactance peut être utilisée avec avantage pour empêcher les oscillations qui pourraient se produire dans les moteurs synchrones installés sur le réseau. C'est ce qui a été fait récemment dans le réseau de distribution de Prague et Ton a obtenu de bons résultats.

En ce qui concerne les harmoniques, il est toujours utile de faire usage de circuits amortisseurs qui ont pour effet de modifier la forme de la courbe de force électromotrice pour la rendre pratiquement sinusoïdale.

Les moteurs synchrones polyphasés sont moins lourds à puissance égale que les moteurs synchrones à courant alternatif simple, parce que les matières sont mieux utilisées, constatation qui a déjà été faite à propos des alternateurs. Aussi le rendement, toutes choses égales d'ailleurs, est légèrement supérieur.

Pour terminer, il y a lieu de recommander, lors du choix d'un type de moteur, de s'assurer que l'excitation peut être modifiée dans de larges limites, afin de rendre possible le fonctionnement lorsqu'il est surexcité.