Détermination du rendement d'un alternateur

— Les méthodes permettant de déterminer le rendement d'un alternateur sont assez nombreuses ; on ne s'occupera ici que de quelques-unes d'entre elles qui sont vraiment industrielles.

a) Méthode directe. — La méthode directe consiste à déterminer simultanément l'énergie mécanique fournie à l'alternateur et l'énergie électrique produite et à calculer ensuite le rapport de la seconde valeur par rapport a la première. Cet essai implique l'emploi d'un dynamomètre intercalé entre le moteur et l'alternateur, ce qui, le plus souvent, est impraticable. On peut éviter cette difficulté, à la condition toutefois que les conditions mécaniques du groupe électrogène s'y prêtent, en relevant exactement la puissance fournie par l'alternateur et en immobilisant le régulateur du moteur dans la position correspondant à cette charge. Cela fait, on arrête le groupe élec- Irogène et l'on désembraye l'alternateur, puis Ion applique un frein sur le moteur et l'on amène le moteur à développer exactement la même puissance que dans l'essai précédent, en se plaçant dans des conditions identiques de travail et en produisant une charge sur le moteur à Taide du frein, jusqu'à ce que la vitesse angulaire voulue soit atteinte.

Indépendamment de la difficulté que l'on éprouve pour placer un moteur quel qu'il soit dans des conditions identiques de charge après un intervalle de temps qui, en pratique, peut être assez considérable, cette méthode n'est applicable que dans le cas de puissances limitées et est de plus d'une exactitude relative. La mesure de la puissance m(?canique à l'aide d'un frein,

quoique paraissant très simple, exige des opérateurs habiles et exercés, des erreurs de 2 à 3 ^/q pouvant être commises très facilement.

Toutefois, cette méthode, convenablement modifiée, se prête bien à la mesure cherchée lorsqu'il est possible de relever à Taide d*un indicateur la puissance fournie au moteur; on^en déduit la puissance qu'absorbe le moteur lui-même pour développer la puissance effective fournie à Talternateur.

Ainsi, pour un moteur à vapeur commandant un alternateur, on relève la puissance électrique développée sous. une charge déterminée et simultanément la puissance indiquée. Cela fait, on arrête le fonctionnement du groupe et, en opérant avec la plus grande rapidité possible, on désembrayc ralternateur ; on remet le moteur en marche en agissant sur le régulateur et non sur la valve d'admission principale et on l'amène à tourner à la même vitesse angulaire que lorsqu'il commandait l'alternateur. On relève ensuite le diagramme k Taide d'un indicateur, et la puissance indiquée est celle qui représente les pertes par frottement du moteur à cette vitesse angulaire.

En déduisant de la valeur de la puissance relevée dans le premier essai celle obtenue dans le second, on a la puissance effective réellement transmise à l'alternateur. Il convient de remarquer que cet essai n'est qu'approximatif, parce que les frottements sont plus considérables lorsque l'alternateur est en charge que quand il fonctionne à vide, même à une vitesse angulaire identique. On admet que la puissance effective réellement transmise à Talternateur est les 97,5 ^\/q de celle qui résulte de la différence des deux essais. En n'effectuant pas cette réduction, on trouverait pour l'alternateur un rendement inférieur à sa valeur vraie. On procède quelquefois d'une autre manière en ajoutant à la puissance indiquée à vide un certain pourcentage, et Ton prend alors, comme réprésentant exactement la puissance transmise, la différence entre les deux essais.

Il est également utile de faire remarquer que le diagramme relevé pendant la marche à vide et à la pression normale pré-

MÉTHODES INDUSTRIELLES DE MESURE DU RENDEMEiNT 537

sente des incertitudes dans l'évaluation ; Tauleur, pour les éviter, relève le diagramme à vide avec une pression réduite en changeant le ressort de Tindicateur.

Lorsqu'on opère sur un alternateur volant, lo rendement déterminé comme on vient de le dire ne comporte ^plus les pertes par frottement, qui sont naturellement comprises dans la valeur de la puissance relevée à vide. Enfin, suivant le mode de montage de l'excitatrice de Talternateur, on devra régler ce dernier pour déterminer le rendement.

La méthode dite de l'indicateur convient aussi parfaitement lorsqu'on a à déterminer le rendement d'un alternateur commandé par un moteur à gaz, à la condition que Ton prenne certaines précautions spéciales dans l'emploi de l'indicateur, précautions que Ton ne peut indiquer ici.

Enfin, lorsque l'alternateur est actionné par une turbine, la méthode de l'indicateur est également applicable, mais les causes d'erreur augmentent dans une large mesure. En effet, pour déterminer la puissance hydraulique fournie à la turbine, il faut relever séparément la charge de Teau sur Torgane mobile ainsi que la quantité d'eau qui l'actionne. Comme on le sait, cette dernière évaluation ne peut être effectuée avec une exactitude suffisante que dans des. cas spéciaux bieu déterminés. Sans entrer dans le détail des autres causes d'erreur que présente cette méthode, on peut conseiller de ne pas l'employer lorsqu'on se trouve en présence d'alternateurs commandés par une turbine hydraulique.

D'une manière générale, il est nécessaire, pour chalcune des valeurs de la charge à laquelle on soumet l'alternateur, de faire plusieurs lectures et de prendre ensuite leur, moyenne. Enfin, il faut que, pour les essais, la machine se trouve dans des conditions normales de fonctionnement ; par conséquent il est indispensable qu'elle ait fonctionné déjà pendant quelque temps avant de commencer les essais de rendement; les opérations ne doivent être effectuées qu'après plusieurs heures de fonctionnement à pleine charge, afin que les enroulements aient eu le temps de prendre la température du régime normal.

b) Méthode indirecte en faisant fonctionner l'alternateur COMME MOTEUR SYNCHRONE. — Cette méthode, imaginée par M. Blondel, est certainement la plus simple et la plus pratique, parce qu'elle permet de se faire une idée de la valeur des pertes totales dans le fer à différentes excitations. Toutefois elle ne peut être appliquée que dans le cas où Ton dispose au moins de deux alternateurs, et lorsque Ton a la possibilité de découpler entièrement l'alternateur h essayer du moteur qui le commande.

On relie électriquement l'alternateur à essayer à un autre alternateur que l'on met lentement en marche pour faire fonctionner l'autre comme moteur. On augmente graduellement la vitesse angulaire jusqu'à ce qu'elle ait atteint son régime normal. Une difficulté qui se présente dans l'emploi de cette méthode est le démarrage de ralternaleur lorsqu'il est à courant alternatif simple ; si le courant d'excitation, à moins qu'il ne soit fourni par une autre machine, n'est pas suffisant pour produire le démarrage, on est dans la nécessité de recourir à un dispositif mécanique. Lorsqu'on opère sur des alternateurs de petite puissance, le démarrage peut se faire à la main.

Une fois la vitesse angulaire normale atteinte, on fait varier l'excitation du moteur synchrone jusqu'à ce que l'intensité du courant qui passe dans l'induit devienne minimum. Dans ces conditions, les volts-ampères fournis à l'induit donnent directement la valeur de la puissance, en watts (puisque cos ç= 1), absorbée par la machine pour compenser les pertes par frottements, hystérésis et courants parasites ainsi que par effet Joule dans l'induit. Mais il est nécessaire que les deux alternateurs soient identiquement du môme modèle. S'il n'en était pas ainsi, si, par exemple, la forme des expansions polaires, le nombre et la forme des trous ou rainures dans lesquels sont logés les enroulements de l'induit n'étaient pas identiques, il est probable que la force électromotrice des deux machines n'aurait pas la môme allure, l'intensité minimum du courant à vide ne serait plus celle pour laquelle cos ?= 1, et l'essai ne présenterait plus aucun degré d'exactitude.

En faisant varier Texcitation et la machine tournant toujours à vide à sa vitesse angulaire normale, on peut déterminer l'augmentation des pertes dans le fer correspondant à l'augmentation d'intensité du courant d'excitation ; mais, dans ces conditions, cos 9 n'est plus égal à Tunité et il est nécessaire de mesurer la valeur de la puissance fournie au moteur à Taide d'un wattmètre. On peut, toutefois, se dispenser d'employer un wattmètre en augmentant simultanément la valeur des deux excitations et en maintenant toujours l'intensité minimum du courant.

Connaissant la résistance de l'induit, on peut en déduire les pertes par effet Joule ; le reste donne la valeur des pertes par frottement et dans le fer.

Pour déterminer séparément chacune de ces pertes, on peut tracer un diagramme {fig. 263), qui fait connaître la valeur de ces deux natures de pertes en fonction de Tintensité du courant d'excitation. Prolongeant ensuite convenablement la courbe jusqu'à la rencontre de l'ordonnée correspondant à l'origine, on peut admettre, avec une approximation suffisante, que le segment intercepté donne la valeur des pertes par frottement qui sont constantes, la vitesse angulaire étant aussi constante.

Mais il ne faut pas perdre de vue que la valeur des pertes dans le fer ainsi obtenue dépend absolument de l'intensité du courant dans l'induit et aussi de sa phase par rapport à la tension appliquée et que, si le courant est décalé en retard, lorsqu'il s'agit d'un moteur, il y a augmentation de l'intensité du champ, tandis que, s'il est décalé en avance, il se produit un affaiblissement du champ. C'est pour cela, ainsi qu'on l'a dit au commencement de ce paragraphe, que ces déterminations

Inlenoiié du courant dexcUatwn

540 LA TECIIMQUK DK^ COURA.NTS ALTERNATIFS

ne donnent que des valeurs approximatives des pertes aux différentes excitations. Pour effectuer une détermination exacte, il faudrait connaître le nombre d'ampères-tours résultant, ce que Ton obtient en ayant recours à la méthode de M. Potier pour déterminer la chute de tension qui permet d'obtenir la valeur des coefficients a et X nécessaires. Mais, dans ces conditions, Tessai serait trop laborieux et Ton se contente de Tessai correspondant à cos 9 =- 1. En ajoutant ensuite les pertes par effet Joule en fonctionnement normal aux autres pertes, pour tenir compte approximativement des courants parasites dans le fer, on en déduit le rendement, excitation non comprise. Si Ton ajoute à ces pertes celles dues à l'excitation, on a le rendement complet industriel de Talternateur.

c) Méthode indirecte avec évaluation séparée des pertes. — Cette méthode est pratique, principalement pour les alternateurs dont l'organe mobile a une masse considérable. Cette méthode, imaginée par M. Routin, porte le nom de méthode chronomêtrique. Elle se prête parfaitement à l'évaluation séparée des perles par frottement et des perles dans le fer à différentes excitations. Elle ne donne pas lieu aux mômes critiques que la précédente, parce que, l'induit n'étant pas parcouru par des courants, le champ inducteur n'est pas influence par ces courants et par leur phase.

Si on met en marche l'alternateur par un procédé quelconque, mécanique ou électrique, aune vitesse angulaire supérieure à la normale et, après avoir abandonné à lui-même l'alternateur, si Ton vient à exciter séparément Tinducteur avec un courant d'intensité déterminée, l'organe mobile sous laction de forces retardatrices prend une vitesse angulaire inférieure à la normale.

Fio. 26t.

MÉTHODES INDUSTRIELLE.S DE MP:SURE Dr RENDEMENT 541

Soit ABC [fig. 264) la courbe représentant les variations de la vitesse angulaire de Talternateur en fonction du temps et o)„ la vitesse angulaire normale. A un instant quelconque,

Ténergie cinétique du système tournant est-Aw-, A' étant le

moment d'inertie ; si le moment statique des forces retardatrices est C, le théorème des forces vives donne

expression dans laquelle / est l'espace angulaire parcouru pendant le temps que met la vitesse angulaire pour passer de w à (j)q. Puisque d/ ~- (od/, on a aussi

Cd/

z= C(od/ =: - d ^1 KC02V

expression de laquelle on déduit le travail des forces retardatrices à la vitesse angulaire o) :

Coj :- : — A'JJ -j7»

ai ainsi que la valeur du couple retardateur :

Si a est Tangle que fait avec Taxe des temps la tangente géométrique h la courbe au point correspondant à la vitesse angulaire normale w,,, angle que Ton relève sur le graphique, on a

C„ =: — K langa,

d'où Ton déduit immédiatement les pertes à la vitesse angulaire normale en multipliant C„ par w,,.

Si maintenant on effectue à plusieurs reprises le même essai avec différentes valeurs d'excitation, on obtient différentes courbes. Puisque les pertes par frottement sont constantes pour une vitesse angulaire déterminée, on a la possibilité do déterminer par ditTérence les pertes dans le fer (hystérésis et

542 LA tbchmql'p: des courants alternatifs

courants parasites) pour les différentes valeurs de l'excitation. Les pertes par frottement se déterminent par la même méthode en supprimant l'excitation ou même en appliquant parfois des ampères-tours négatifs, afin de supprimer le magnétisme rémanent; on vérifie expérimentalement celte excitation négative en faisant tourner Taltemateur et en s*assurant que la tension aux bornes est nulle.

11 est indispensable, pour appliquer la méthode, de connaître la valeur du moment d'inertie de Tor^ane mobile et comme, habituellement, elle n'est pas donnée par le constructeur, il faut la calculer ou la déterminer expérimentalement. Ce calcul est très laborieux et ne donne qu'une valeur incertaine; lorsque la chose est possible, il est toujours préférable de recourir à Texpériencc.

Cette détermination expérimentale peut s'effectuer de différentes manières.

M. Routin, auteur de la méthode, applique une charge additionnelle, à l'aide d'un frein à corde, de manière à connaître exactement la puissance absorbée lorsque la vitesse angulaire est normale, t«)„. On relève alors les courbes de retard, d'abord à vide, puis avec le frein qui donne un couple retardateur additionnel connu Cq à la vitesse angulaire (.)„. Si aj et a^ sont les angles que la tangente à la courbe, au point correspondant h tùn, fait avec l'axe horizontal, on a

C=z -^ K tang (Zf

d'où Ton tire

tang»! — tangaj

Ce mode d'opérer n'est pas très commode à appliquer et, en outre, le poids de la poulie du frein introduit une cause d'erreur dans la valeur de A' à cause des frottements plus considérables sur les coussinets. La méthode est suffisante pour déterminer K dans un moteur à vapeur, à gaz ou dans une turbine, etc. ; mais, avec un alternateur, on peut procéder d'une ma-

nière plus simple, tout en atteignant un plus grand degré d'exactitude.

Le couple résistant additionnel, lors du second essai, est obtenu en faisant travailler lalternateur sur un circuit extérieur déterminé et ne présentant pas de self-induction, en ayant le soin de relever préalablement Tinlensité /du courant fourni par 1 alternateur avec une excitation déterminée et maintenue constante pendant la durée de Tessai, la vitesse angulaire étant normale (i)„. La puissance absorbée est, par conséquent, égale à fl7*^, si H représente la résistance de la totalité du circuit, y compris celle de l'enroulement de Talternateur. Lorsqu'on opère sur un alternateur triphasé, on peut, pour simplitier, n'elTecluer l'essai que sur une des phases. Si P^ est la puissance dissipée par effet Joule à la vitesse angulaire («)„, on a évidemment Po = C^wn. [Pour avoir /ÎT en unités C. G. S,, (grammes-cm2), il suffit d'exprimer aussi C^ en unités C. G. S, c'est-à-dire qu'il suffit de multiplier Pq par 10^ et la puissance résistante est alors donnée en ergs par seconde.]

Le mode de procéder est identique au précédent.

On peut également déterminer C d'une autre manière. On fait fonctionner l'alternateur à essayer comme moteur synchrone à la vitesse angulaire w» et avec cos <p = 1. On note la puissance absorbée en déduisant de cette valeur la puissance dissipée par effet Joule, ordinairement négligeable ; le reste donne la puissance nécessaire pour vaincre les différentes forces retardatrices à cette vitesse angulaire, c'est-à-dire P = Cu)„.

Cela fait, on maintient constante l'excitation nécessaire pour avoir cos ^ égal à l'unité, on relève la seule courbe retardatrice et puis tang a, et Ton a

C = — K tanga= 10^ — ,

ce qui donne en valeur absolue

K =■ — : • 10' grammes-centimètres carrés.

co;,tanga ®

5t4 L\ TECHNIQUE DES COURANTS ALTERNATIFS

Quelques indications à propos de l'application de celte méthode chronométrique sont ici indispensables.

Lancer un alternateur à une vitesse angulaire supérieure à la normale pour ensuite Tabandonner à lui-même n'est pas toujours chose facile. L'opération est toujours possible; mais il ne faut pas perdre de vue qu'un essai que Ton peut effectuer dans un laboratoire ou dans les ateliers d'un constructeur ne sera pas probablement réalisable dans une installation lorsque Talternateur est solidement fixé sur son massif et couplé avec son moteur.

Lorsqu'il s'agit d alternateurs de petite puissance actionnés par une courroie, le problème ne présente pas de difficulté, J

parce qu'il est facile de désembrayer la machine rapidement i

dès que la vitesse angulaire atteinte dopasse de 10 ^/^^ la normale.

Si l'on dispose de deux alternateurs, la solution du problème est encore facile, puisqu'il suffit de faire fonctionner celui qui est en essai comme moteur synchrone et que, pour obtenir le supplément de vitesse angulaire, il n'y a qu'à augmenter proportionnellement celle de la génératrice. Dès que la vitesse angulaire voulue est atteinte, on enlève rapidement les connexions de l'induit ; pour déterminer la valeur de la force retardatrice, on interrompt Texcilation et, pour les autres essais, on la maintient en réglant son intensité à la valeur voulue. Ce mode d'opérer est préférable à celui qui consiste à lancer ralternateur à Taide de son excitatrice, parce qu'il arrive fréquemment que cette dernière n'a pas la puissance nécessaire et que l'on court le risque de la détériorer.

Lorsque ralternateur est relié à son moteur par un joint rigide ou élastique, on peut alors supprimer ce joint et le remplacer par un simple joint en corde. Dès que la vitesse angulaire voulue est atteinte, à l'aide d'un couteau bien affilé, on coupe la corde et, en même temps, le mécanicien, si le moteur est une turbine n'ayant pas de régulateur, ferme rapidement l'admission pour éviter qu'elle ne prenne une vitesse dangereuse; c'est, du reste, la seule précaution à prendre.

Pour relever exactement les diverses valeurs de la courbe des retards, il faut avoir à sa disposition un tachymètre de précision. Lorsqu'on procède à Tessai avec un inducteur excité, Talternateur peut servir de tachymètre en utilisant un voltmètre, le courant absorbé par cet instrument étant négligeable et les indications qu'il donne étant proportionnelles à la vitesse angulaire; mais, pour chaque degré d'excitation, il est nécessaire de faire un nouvel étalonnage de Tinstrument, opération assez longue ; en outre, la méthode ne peut s'appliquer pour déterminer les seuls frottements et il est alors indispensable d'avoir recours soit h un bon tachymètre à force centrifuge, soit à un petit moteur électrique transformé en dynamo à excitation séparée (Voir § 230).

Un simple chronographe est suffisant pour les mesures de temps ; mais il faut deux opérateurs: l'un observant le tachymètre et l'autre le chronographe. Quand Taiguille du tachymètre passe sur une division déterminée, le premier opérateur signale le fait à l'autre en frappant un coup et le second fait la lecture du chronographe à ce moment précis et en prend note. Si le chronographe est ' à deux aiguilles (Voir § 229), un seul opérateur suffit.

L'emploi du tachymètre présente l'avantage de donner immédiatement la courbe de la vitesse angulaire on fonction du temps. On peut toutefois faire usage d'un simple compteur de tours, et l'on obtient alors la courbe de l'espace parcouru en fonction du temps {/iff. 265), la courbe de la vitesse angulaire se déduisant de la première en traçant la ligne