Montage des moteurs en tandem ou en caacade

— On a déjà donné quelques renseignements, dans le paragraphe 104 du tome I, page 309, sur le montage en cascade des moteurs. Il faut maintenant revenir sur ce sujet pour donner une explication plus complète du fonctionnement et montrer pour quelles raisons ce dispositif ne présente pas pour la traction électrique les avantages que l'on pouvait espérer.

Si les deux moteurs sont reliés entre eux par un joint rigide, la fréquence des courants dans le moteur n" 1, destiné à alimenter le stator du moteur n*' 2, est telle qu'elle doit s'accorder avec la vitesse angulaire du rotor du moteur n' 2, vitesse angulaire qui, par suite du joint rigide, est égale à celle du rotor du moteur n'' 1. Pour préciser, si l'on représente par S| le glissement du moteur n° 1, sa vitesse angulaire

ost donnée par l'expression

(l-S,)co

et la fréquence des courants dans le rotor est ^^w/i, n représentant le nombre de champs polaires. Si on représente alors par .s'o le glissement du moteur n° 2, alimenté par les courants provenant du rotor du moteur nM, sa vitesse angulaire est donnée par

Mais, à cause de l'accouplement rigide des deux moteurs, on a

expression de laquelle on déduit

Généralement, le glissement ^^ ^^^ faible, de 4 à 5^/q; par conséquent -^ est négligeable par rapport à Tunité et il en ré-

\ suite que 5, est presque égal à -> c'est-à-dire que les moteurs

fonctionnent à une vitesse angulaire qui est presque égale à la moitié delà vitesse angulaire du champ tournant. Si les moteurs n'ont pas le mOme nombre de pôles, soit qu'ils soient indépendants, soit qu'on les ait reliés entre eux, on peut obtenir différentes vitesses.

D'une manière générale, si le nombre de moteurs groupés en tandem est N, la vitesse angulaire pour tous ces moteurs

est approximativement égale à j^ si chacun d'eux a le môme

nombre de pôles.

Si Ton admet que le rapport du nombre de spires de l'enroulement primaire (stator) et de l'enroulement secondaire (rotor) des deux moteurs soit égal à 1, et si l'ensemble est maintenu

MOTEURS ASi'NCHRONES POI.YPHASÉS 425

immobile en Tempôchant de tourner, les forces électromotrices induites dans les rotors sont égales, de même que les fréquences, on négligeant les fuites et en supposant négligeables les résistances des enroulements. Si on laisse l'ensemble libre de tourner, les forces électromotrices et les fréquences diminuent proportionnellement dans le moteur n° 2 et alors l'intensité du courant magnétisant reste constante. En eflet, si on ne tient pas compte de la résistance, l'intensité du courant dans un des enroulements est :

Il s'ensuit qu'en négligeant toujours les pertes et les fuites, le flux dans le moteur n° 2 reste constant et a une valeur égale à celui qui agit dans le moteur n° 1 ; par conséquent, les couples moteurs développés par les deux moteurs sont aussi égaux.

Afin de déterminer la valeur do ces couples moteurs pour des moteurs industriels, on peut encore utiliser le diagramme d'Heyland; mais, dans ce cas, il convient de le modifier en s'appuyant sur le raisonnement suivant, raisonnement fondé sur Tanalogie existant entre un moteur d'induction et un transformateur.

En court circuit, si on néglige la résistance des enroulements, la tension appliquée aux bornes correspond aux fuites magnétiques des deux systèmes et l'intensité du courant reste, par conséquejit, pour une même valeur de la tension appliquée, réduite à peu près de moitié; au contraire, lors du fonctionnement à vide, la ligne doit fournir le courant magnétisant nécessaire aux deux moteurs. Par conséquent, le diagramme modifié et applicable à ce système est encore celui d'Heyland, avec une valeur de ^ doublée et avec une valeur de Icc qui n'est plus que la moitié de celle qui est nécessaire lorsqu'il n'y a qu'un seul moteur en fonctionnement. En traçant la circonférence correspondante, on voit immédiatement que les valeurs des couples moteurs, dans ces conditions, sont notablement diminuées et que le décalage de phase est considérablement augmenté. Pratiquement, avec le montage en tandem

426 lA TKCHMQUE DES COURANTS ALTERNATIFS

on obtient un couple moteur maximum composé qui dopasse seulement d'environ 20 ^/^ le couple moteur maximum que chaque moteur, pris séparément, pourrait développer à sa vitesse angulaire normale, et cola en insérant des résislances daus le rotor du moteur n° 2. Si Ion n'intercale pas ces résistances, on n'obtient aucune augmentation du couple moteur résultant total.

11 est donc, par conséquent, beaucoup plus rationnel, h cet effet, do réduire la vitesse angulaire en insérant des résislances non induclivos dans le circuit de chaque moteur. Cela donne lieu, il est vrai, à une porte notable d'énergie, mais les avantages qu'on peut tirer du montage en tandem sont peu notables, d autant plus que, à cause du décalage de phase, il est toujours nuisible pour deux raisons : d'abord l'intensité du courant devient exagérée par rapport à l'effet utile obtenu et, ensuite, la forte chute de tension qui se produit dans les alternateurs agit d'une Façon nuisible sur tous les appareils alimentés par ces alternateurs.

Si à tout ce qui vient d'être exposé on ajoute que la possibilité de passer d'un mode de montage à un autre exige des complications notables des appareils de manœuvre, on arrive forcément k cette conclusion que ce dispositif, très intéressant au point do vue théorique, est loin do l'ôlre autant au point de vue pratique.

197. Moteur d'induction Heyland à 0039-^1. — M.Hoyland, ainsi que d'autres, tels que MM. Leblanc, Steinraetz, Blondel, etc., ont cherché à améliorer le moteur à champ tournant en élevant la valeur de son facteur de puissance assez bas, conséquence, comme on le sait, de la présence d'un courant magnétisant d'intensité notable et de fréquence égale k celle du courant efficace. S'inspirant des recherches de M. Leblanc et de celles de M. Gorges, M. Heyland a ou l'idée de faire produire le champ excitateur par le rotor au lieu de le produire par le stator, en faisant fonctionner le moteur d'induction comme génératrice asynchrone auto-excitatrice (Voir § 194).

MOTEURS ASYNCHRONES POLYPHASÉS 427

Ce type de moteur n a pas encore reçu la sanction de la pratique et c'est pourquoi on se bornera à en donner seulement le principe.

Alin de fixer les idées, on peut prendre comme exemple le stator d'un moteur à champ tournant, bipolaire, ayant simplement comme rotor un simple cylindre de cuivre porté par doux pièces séparées, montées folles sur Tarbre du moteur et desquelles le mouvement peut être transmis au moyen d'engrenages. A part le rendement, on réalise ainsi un moteur à champ tournant. Le courant qui alimente le stator comporte une composante magnétisante servant à la production du champ tournant et une composante énergétique correspondant au travail mécanique développé par le rotor.

On dispose sur larbre du moteur et à l'intérieur du cylindre de cuivre deux électro-aimants diamétralement opposés et on les excite de l'extérieur à l'aide d un courant continu au moyen de deux bagues fixées sur Tarbre. On peut faire tourner les deux électro-aimants, indépendamment du mouvement de rotation du rator, jusqu'à ce que l'on atteigne la vitesse angulaire de synchronisme. Une fois cette vitesse atteinte, si on excite ces électro-aimants avec un courant de sens convenable, la composante magnétisante dans le stator diminue de valeur, parce que le champ inducteur doit rester constant afin que la tension appliquée le soit également (§ 175) ; si une partie de ce champ est produite par l'inducteur tournant,, l'intensité de la composante magnétisante du courant dans le stator diminuera d'autant. On comprend facilement qu'en excitant convenablementl'inducteur, on puisse arriver à annuler complètement la composante magnétisante, le champ inducteur tournant étant alors entièrement alimenté par le courant continu. Ce dispositif n'intlue en rien sur le fonctionnement du rotor, qui continue à tourner avec un glissement proportionnel à la charge qui lui est appliquée.

La composante magnétisante étant ainsi annulée, on comprend que le champ produit par l'inducteur développe dans les spires du stator des forces électromotriccs réactives dont la valeur est

égale h celles gui primitivement étaient dues à la composante magnétisante, amenant ainsi la force électromotrice résultante à la valeur nécessaire pour produire seulement le courant efficace (cos g ==: 1).

Mais, si Ion vient à augmenter Tintensité du courant dans l'inducteur, la force électromotrice réactive prendra une valeur trop élevée et Tinlcnsité efficace du courant sera affaiblie, à moins de développer de nouveau et spontanément, dans le stator, un courant magnétisant, qui ne doit pas être décalé en retard, mais bien en avance, pouvant rétablir la constance du champ magnétique résultant et ayant une action démagnétisante pour le moteur. Dans ces conditions, les courants alternatifs circulant dans le stator seront encore partiellement énergétiques et partiellement magnétisants, mais le décalage de phase aura changé de signe.

Le champ magnétique inducteur, ayant la vitesse angulaire du synchronisme, peut également ^tre obtenu avec les courants triphasés du réseau d'alimentation. A cet effet, on dispose à l'intérieur du rotor un enroulement fixe en tambour, alimenté par trois points équidistants placés à 120** Tun de l'autre. En faisant varier la tension du courant d'alimentation, on peut faire varier l'intensité du champ inducteur comme auparavant; mais cette disposition ne présente aucun avantage, parce que la composante magnétisante, au lieu de se produire dans le stator, se produirait dans cet inducteur.

Il n'en serait plus de même si l'inducteur avec enroulement en tambour était muni d'un collecteur sur lequel appuieraient trois balais et si on le faisait tourner, indépendamment du rotor, en Talimenlant comme précédemment avec les courants de l'installation. 11 y a lieu toutefois de remarquer que, les balais étant fixes, la vitesse angulaire du champ tournant produit par rinducteur ne peut pas varier, quelle que soit la vitesse angulaire absolue de l'inducteur; mais il se produit dans l'inducteur les mômes effets que ceux qui se produisaient primitivement dans le stator. Tant que l'inducteur est fixe, le champ magnétique tournant développe dans les spires des

Googk

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forces (Ueclromotrices réactives pour compenser celles qui se produisent lorsqu'on dispose de toute la tension du réseau d'alimentation. Si Tinducteur tourne, les variations du flux dans les spires sont moindres et la même intensité du courant peut être obtenue avec une tension plus faible. A la limite, lorsque l'inducteur a une vitesse angulaire égale à celle du synchronisme, la tension nécessaire pour produire le courant est réduite à la valeur qu'il faut pour vaincre la résistance des spires. La composante magnétisante est alors totalement annulée et le champ produit est théoriquement identique à celui, que peut produire un courant continu amené par rintermodiaire de deux bagues et de deux balais.

Comme toujours, pour une certaine vitesse angulaire déterminée, on peut augmenter ou diminuer l'intensité du courant en faisant varier la tension du courant alimentant le moteur. On peut obtenir cette tension réduite au moyend'un auto-transformateur spécial (§ 151) ou bien en utilisant directement quelques spires de l'enroulement du stator.

M. Gorges, vers la fin de 1891, avait pensé que le circuit inducteur, tournant avec une vitesse angulaire quelconque, sans que celle du champ soit modifiée, pouvait être placé dans le rotor même et ce dispositif a été précisément réalisé. Mais on s'est aperçu que, par suite du mouvement de translation des différentes bobines intercalées entre les lames du collecteur, la tension aux bornes de ces bobines et, par conséquent aussi, le courant, bien que n'étant plus alternatif (pour les raisons déjà données, si l'on admet que la vitesse angulaire est celle du synchronisme), a toujours le même sens, mais est pulsatoire, ce qui pourrait être seulement évité en alimentant l'inducteur avec des courants polyphasés ayant un grand nombre de phases. Quoique l'eflet de ces pulsations du courant dans renroulement inducteur soit partiellement compensé par l'enroulement en court circuit du rotor, il est néanmoins toujours sensible et donne lieu à des dispersions de flux et à une production d'étincelles au collecteur.

Le mérite de M. Ileyiand est d'avoir supprimé cet inconvé-

nient à Taîde d'une disposition aussi simple qu'ingénieuse. Il n'emploie pas un enroulement spécial pour l'excitation, mais il utilise Fenroulement môme en étoile du rotor, dont les trois extrémités d'un côté sont reliées aux bagues de contact par l'intermédiaire des résistances de démarrage (fig. 220) et dont les trois extrémités opposées aboutissent à trois points équidistants d'un circuit résistant, fermé sur lui-même et mobile avec le rotor. Les courants alimentant le moteur sont amenés à ce circuit, muni de balais convenablement calés, au moyen d'un collecteur, comme dans l'anneau de Pacinotti.

FiG. 220.

Le fonctionnement de ce moteur est identique à celui du moteur imaginé par M. Gorges; mais il ne présente pas les inconvénients de ce dernier; en réalité, M. Heyiand n'a fait qu'intercaler entre les lames du collecteur de M. Gorges des résistances non inductives qui donnent passage aux extra-courants et empêchent la production d'étincelles. Ce dispositif entraîne bien une augmentation de dépense de l'énergie nécessaire pour produire l'excitation ; mais, comme cette perte est très petite, puisqu'on peut employer des résistances assez faibles, elle est pratiquement de peu d'importance.

Les faits semblentdonner raison à M. Heyiand, car les moteurs construits d'après ce principe par différentes maisons se sont comportés comme Tavait prévu l'inventeur et le cos 9 était amené k l'unité en réglant convenablement la tension d'alimentation et, une fois pour toutes, la position des balais. Dans

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le mot(^ur Heyland, il n'est pas nécessaire que Tentreforait la largonr minimum nécessaire pour le bon fonctionnement au point (le vue mécanique; on peut lui donner une plus grande larjreur, ce qui constitue une garantie de sécurité mécanique.

II nV'st pas non plus nécessaire que le collecteur comporte un aussi grand nombre de lames que celui d'une dynamo à courant continu. Il suffit de 4 à 6 lames par pôle, leur rôle étant ici complètement différent. Toutefois, Taddition de cet organo et la nécessité d'avoir une résistance ohmique pour absorlior l'énergie, pour si faible que soit cette dernière, enlève à coil<^ invention une partie de sa valeur, de sorte qu'il est ass(v. difficile de prévoir actuellement l'avenir pratique de cette dis|Misition.

Peul-ôtre de nombreuses applications pratiques seront assun't'S à l'invention de M. Heyland, comme génératrice asynchrone auto-excitatrice, parce que, comme on l'a vu, avec une excitation convenable, on peut non seulement annuler complètement la composante magnétisante du courant dans le stalor, composante qu'il faudrait fournir s'il s'agissait d'un mohuir asynchrone ordinaire fonctionnant comme génératrice, maison peut aussi amener l'intensité du courant d'excitation au point que l'intensité se trouve décalée en avance par rapport à la tension. Dans ces conditions, cette composante se trouve en quadrature avec la tension et peut non seulement fournir du courant magnétisant aux appareils du réseau qui en onl besoin, mais encore alimenter le champ propre de la machine qui est ainsi auto-excitatrice. Enfin, en faisant passer le courant principal dans le rotor, on peutcompounder l'alternal(Mir et maintenir une tension constante aux bornes du stator ou bien l'augmenter graduellement avec la charge.

On renverra le lecteur qui désirerait de plus amples détails sur cette intéressante machine au mémoire original de M. Heyland^