Vitesse angulaire des moteurs à champ tournant

— On a déjà dit que les moteurs polyphasés sont généralement multipolaires, c'est-à-dire qu'ils ont plusieurs champs tournants, chacun d'eux se déplaçant de l'arc correspondant au temps de la période des courants alternatifs.

Si le moteur présente trois champs tournants [fig. 202), la vitesse angulaire exprimée eh tours par seconde est égala à

^, /étant la fréquence des courants alternatifs qui Talimentent.

D'une manière générale, le nombre de tours est inversement proportionnel au nombre de champs. En disposant d'une manière convenable les connexions des circuits du stator, il est possible de réduire le nombre de champs tournants et,

MOTEURS ASYNCHRONES POLYPHASES

par conséquent, la vitesse angulaire du moteur. Mais, si ce procédé est utilisJ pour obtenir plusieurs vitesses différentes, par exemple 1/2, 1/3, 1/4, etc., delà vitesse normale, il en résulte une grande complication pour le moteur ; c'est pourquoi, en pratique, on ne l'applique que pour réduire la vitesse de moitié. De plus, il est indispensable, pour pouvoir utiliser ce dispositif, que le stator soit enroulé en anneau.

FiG. 202.

Indépendamment de la possibilité que Ton a de faire fonctionner ce genre de moteur à deux ou trois vitesses angulaires différentes, suivant le nombre de champs tournants inducteurs, on sait que le nombre de tours varie d'une manière plus ou moins sensible avec l'augmentation de la charge. Le rotor ne peut jamais tourner synchroniquement avec les champs inducteurs, puisque le glissement est une condition indispensable du fonctionnement de la machine comme moteur. On verra, dans le chapitre xiv du tome II, quels sont les phénomènes qui se produisent lorsque le glissement change de signe, c'est-à-dire lorsqu'on fournit de l'énergie mécanique au rotor pour le faire tourner à une vitesse angulaire supérieure à celle des champs tournants.

Le glissement, variant d'après la charge, est la cause que la vitesse angulaire d'un moteur à champ tournant ne peut être maintenue rigoureusement constante. Toutefois, comme dans

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les moteurs de grande puissance, de 100 chevaux et plus, les variations de vitesse angulaire entre le ronctionnemenf à vide et le fonctionnement à pleine charge ne dépassent pas 1,5 0/0 et que, dans les petits moteurs, ces variations sont d'environ 3 0/0 seulement, on peut dire que, pratiquement, la vitesse de ces moteurs reste sensiblement constante.

Si l'on veut, intentionnellement, faire varier cette vitesse dans des limites plus étendues, on peut procéder de plusieurs manières.

On donne, par exemple, un peu plus de résistance au circuit du rotor; dans ces conditions, en consentant une légère perte dans le rendement. Ton arrive à obtenir des variations de vitesse de 10 0/0 et plus, la vitesse dépendant alors de la charge. Si on veut rendre la vitesse indépendante de la charge, il faut alors avoir recours à des rhéostats réglables installés en dehors du moteur. II est intéressant de remarquer que le couple moteur maximum ne change pas pour cela [fig, 182), mais se maintient pour une vitesse décroissant graduellement, au fur et à mesure que la résistance insérée augmente de valeur. Il est presque superflu de faire remarquer que les rhéostats à employer dans ce cas, surtout si les moteurs sont assez puissants, sont très lourds, parce que les courants qui circulent dans le rotor ayant une grande intensité, à cause de la très faible résistance des enroulements, il faut que les résistances soient établies avec des fils de grosse section pour éviter qu'ils ne soient portés à la température du rouge ou du moins à un échaufîement excessif.

En insérant un rhéostat dans le circuit du rotor, les variations graduelles de vitesse sont obtenues complètement, mais au prix d'une grande diminution de rendement, sans toutefois atteindre la valeur de celle qu'entraîne la modification du nombre de champs polaires. Lorsqu'on peut modifier la fréquence, la vitesse varie également sans qu'il soit nécessaire de rien changer dans les circuits; mais, en pratique, la fréquence est constante, c'est pourquoi, tout bien examiné, le meilleur procédé à employer et le seul réellement possible

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consiste à utiliser un rhéostat dans le circuit du rotor, malgré la dépense que cela entraîne et les complications qui en résultent.

Dans le C4is où Ton dispose de deux moteurs, une autre solution du problème est possible; elle est due à Tingénieur Gorges de la maison Siemens et Halske et est désignée sous le nom de disposilion en landem ou en cascade.

Avec ce dispositif, on peut réduire de moitié la vitesse normale du moteur, à la condition toutefois que les deux moteurs soient reliés mécaniquement. Dans ces conrfttions, on réalise celles des deux moteurs d'une voiture automotrice de tramway alimentée par une dislribution d'énergie électrique à courants polyphasés.

Le principe sur lequel est fondé ce dispositif est le suivant : on a déjà expliqué (§ 103) que les courants développés dans le rotor d'un moteur à champ tournant avaient une fréquence très basse (2 à 3 environ). Ces courants, étant polyphasés, peuvent être utilisés pour alimenter le stator d'un second moteur dont le rotor peut être du type à court circuit ou du type avec résistances. Si les deux moteurs sont indépendants au point de vue mécanique, l'un d'eux tourne à une vitesse angulaire dont la valeur est presque égale h celle du synchronisme, tandis que l'autre a une vitesse très petite ; mais, si ces moteurs sont reliés par un accouplement rigide, c'est-à-dire si tous deux agissent simultanément sur un même ensemble constituant le couple résistant, il doit se produire un équilibre entre les deux vitesses différentes et Tensemble prend une vitesse résultante unique. Le moteur quia la plus grande vitesse ralentit et l'autre tourne plus vite. On démontre, et l'expérience confirme, que la vitesse résultante a une valeur qui est la moitié de la vitesse normale, ce qu'il est, du reste, facile de comprendre pour peu que l'on y réfléchisse.

Ce dispositif a été proposé pour l'application des courants polyphasés à la traction électrique sur les chemins de fer, car on peut obtenir un couple moteur supérieur au couple normal avec une vitesse angulaire réduite de moitié. Toutefois, ce

procédé n'est pas exempt d'inconvénients, c'est pourquoi ses applications pratiques sont peu nombreuses (Voir tome II, chap. xiv).

105. Facteur de puis9ance et rendement des moteurs polyphasés à champ tournant. — On a fait remarquer, dans le paragraphe 98, qu'un moteur à champ tournant se comporle comme un véritable transformateur en ce qui concerne les réactions qui se produisent entre le stator et le rotor. Aussi retrouve-t-on, dans ce type de moteur, un champ magnétique résultant qui tourne, puisqu'il est produit par trois courants alternatifs; c'est pourquoi le courant qui alimente le moteur comporte une composante magnétisante, dont Tintensité reste constante quelle que soit la charge, et unecomposanle active, dont l'intensité croît graduellement avec la charge en partant d'une valeur minimum qui correspond aux diverses pertes lors du fonctionnement à vide (frottements, effets d'hystérésis, courants de Foucault, effet Joule).

La même chose se produit dans un moteur à courant continu en dérivation, puisque la quantilé de courant fournie par la ligne qui l'alimente peut être divisée en deux parties : l'une dont l'intensité reste constante et qui est le courant d'excitation, l'autre dont l'intensité varie suivant la charge et qui alimente Tinduit. La seule différence consiste dans ce fait que, dans le moteur d'induction, les deux courants, décalés l'un par rapport à l'aulre de i/4 de période, circulent tous deux dans le stator. -

On voit que, comme dans un transformaleur, le courant alimentant le moteur est décalé par rapport h la tension agissante. Mais, tandis que dans le transformateur, par suile de la forme du circuit magnétique avec entrefer très petit, il suffit d'un courant magnétisant d'intensité très faible (quelques pour cent) pour produire le champ, tellement faible qr.a partir du moment où le transformaleur fonctionne à demicharge, le retard de phase dû au courant magnétisant est pratiquement négligeable, dans le moteur asynchrone, où le flux

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de chaque phase doit traverser un entrefer d'au moins 1 mm, soit au minimum 2 mm pour le parcours total du flux, le courant magnétisant nécessaire représente environ 30 0/0 du courant total h pleine charge et, par conséquent, ne peut pas être considéré comme négligeable, même à charge complète.

On sait que le facteur de puissance, très faible lors du fonctionnement à vide, 0,20 à 0,25, atteint avec la charge jusqu'à 0,8 à 0,9. Les moteurs de grande puissance, de 200 chevaux et plus, atteignent rarement 0,95 à pleine charge; pour les petits moteurs, on ne dépasse guère 0,70 à 0,75.

On ne saurait trop répéter que le décalage de Tintensité par rapport à la tension est nuisible, parce qu'il occasionne dans tous les conducteurs de l'installation, depuis le moteur, lui compris, jusqu'à ralternateur, dos pertes par effet Joule plus considérables que celles que produiraient les seuls courants actifs; en outre, la composante qui se produit réagit, aussi bien dans les transformateurs que dans les génératrices, pour affaiblir le champ utile ainsi que la tension agissante, de manière à produire une baisse notable de puissance. Des deux actions produites, effet Joule et composante réactive, c'est la dernière qui est la plus nuisible, car elle peut réduire de 1/3 et môme plus la puissance d'une installation.

Les deux effets nuisibles qui viennent dï;tre signalés peuvent être évités en installant en des points déterminés des condensateurs ou des moteurs synchrones capables de fournir le courant magnétisant nécessaire aux moteurs asynchrones (Voir § 46 et 91-). 11 est à prévoir que la construction des condensateurs industriels sera l'objet de perfectionnements importants qui permettront de les utiliser largement pour cette application.

La figure 203 est un diagramme donnant les valeurs successives de la puissance efficace et de la puissance apparente, relevées par Tauteur, d'un moteur triphasé de la maison Brown, Boveri et C'% de 8 chevaux, à quatre pôles (2 champs tournants) et de fréquence 42. Il y a lieu de remarquer que la courbe du facteur de puissance, dont la valeur pour le fonc-

tionnement à vide n'est que 0,15, s'élève jusqu'à 0,90 pour le fonctionnement avec la charge maximum.

Une autre constatation importante est que la courbe de la puissance effective est presque une droite, au moins jusqu'à la pleine charge ; le segment qu'elle intercepte sur Taxe vertical

fO 12 U f6

/hùsance e/i cAn'atur

donne la valeur de la puissance absorbée à vide. L'influence de la composante magnétisante est clairement mise en évidence par les deux courbes de la puissance, qui, un peu éloignées Tune de l'autre au début, vont graduellement en se rapprochant jusqu'à la charge normale pour ensuite s'écarter de nouveau Tune de Tautre. La courbe du rendement monte d'abord rapidement, puis lentement, atteignant le maximum 0,86 pour la puissance de 8 chevaux (moitié environ . de la puissance maximum du moteur). En surchargeant le moteur, lorsque cela est possible, le rendement diminue.

Généralement, un moteur asynchrone peut supporter une surcharge de 40 à 50 0/0 et même plus, c'est-à-dire jusqu'au moment où le couple moteur atteint son maximum ; ce point dépassé, comme on la déjà exposé, le moteur n'est plus dans

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les conditions de stabilité voulues et il s'arrête. Le rendement baisse notablement lorsque le moteur fonctionne au maximum de charge.

La courbe de rendement des moteurs à champ tournant a toujours une allure analogue à celle que donne le moteur dont il vient d^ôtre question. Cela prouve que le rendement de ce genre de moteurs est déjà bon pour une charge dont la valeur est très éloignée du maximum pour lequel le moteur a été calculé. Un rendement de 0,9 pour une charge normale (un peu inférieure au maximum) est obtenu facilement pour des moteurs de puissance moyenne bien construits. Dans les moteurs puissants, un rendement de 0,93 à 0,94 est quelquefois atteint.

Le fait que ces moteurs ont un bon rendement, même en fonctionnant à charge partielle, les rend aptes, comme les moteurs à courant continu excités en dérivation, à être utilisés dans tous les cas où le travail qu on leur demande est essentiellement variable et reste en moyenne inférieur au maximum qu'ils peuvent parfois supporter.