CHAPITRE XI

FONCTIONNEMENT ET RÉGULATION DES MOTEURS DE TRACTION A COURANTS ALTERNATIFS

Objet de ce chapitre. — Comme on Ta vu au chapitre V, les seuls moteurs à courants alternatifs dont on ait jusqu'ici tiré un parti pratique pour la traction sont les moteurs polyphasés, à champs tournants, dont nous avons sufQsamment indiqué le mode de construction (t. I, p. 239) ; ce sont donc les seuls dont nous nous occuperons ici avec détails. Les figures G87 et 688 montrent

Biasel PhRSt 1

Pliase 2

Fig. tt87. — Schéma du mode d'alimentation d'un moteur de traction triphasé.

0|t G^, G3, cireuits de la géoératrice donnant d«s courants alteraatirs égaux, mais décalés de 130*.

A), Aj, A3, circuits correspondants dans l'inducteur du moteur.

Fig. 688. — Schéma du mode d'alimentation d'un moteur de traction diphasé.

schématiquemenl la façon dont ils reçoivent en général le courant, au moyen de deux lignes aériennes et d'un retour constitué par les rails.

Le but du présent chapitre est de faire connaître le fonctionnement de ces moteurs au point de vue de la traction électrique. Dans tout ce qui suit, nous supposerons connues les propriétés élémentaires des courants alternatifs et leurs méthodes de calcul graphique.

MOTEURS A COURANTS ALTERNATIFS î:8l

§ 1. — Fonctionnement normal

Champs magnétiques toiiniants. — Il nous parait utile de rappeler d'abord sommairement le mécanisme de la production des champs tournants dans les moteurs à courants polyphasés.

L'idée féconde des champs tournants est due à Galileo FefTaris, qui y avait été conduit par les analogies des courants alternatifs et des vibrations lumineuses : il produisit, à Taide de deux systèmes de bobines à angle droit, parcourues par deux courants alternatifs diphasés d*un quart de période, deux champs magnétiques rectangulaires diphasés de même, dont la composition donnait comme résultante un champ constant tournant d'une manière continue ; en faisant entraîner par ce champ une cage en cuivre fermée en court-circuit, il inventa le premier moteur à champ tournant.

Tesla, Bradley, Wenstrom, von Dolivo Dobrovolsky construisirent ensuite d'après celte idée les moteurs à champ tournant industriels, auxquels ils apportèrent des perfectionnements successifs. Les moteurs actuels ne rappellent plus que de loin celui de Ferraris et leur principe gagne à être exposé d'une façon différente *.

Considérons un moteur multipolaire construit à la façon ordinaire, c'est-àdire formé de deux cylindres concentriques, séparés par un très petit entrefer et portant tous deux dans des encoches des enroulements en fils de cuivre isolé. Le phénomène essentiel du fonctionnement de ce moteur est la production par les enroulements primaires, c'est-à-dire parcourus par les courants polyphasés d'alimentation, d'un certain nombre de champs magnétiques inducteurs tournants. Cette production se conçoit aisément si l'on suppose qu'on emploie, au lieu d'un nombre limité d'encoches et de courants dans chaque pôle inducteur, une infinité de courants alternatifs polyphasés sinusoïdaux ' circulant dans autant de fils très rapprochés et dont la phase varie insensiblement de l'un à l'autre. La figure 689 représente schéraatiquement ce moteur idéal.

Les courants dans les divers fils à un certain instant seront, par hypothèse, en appelant i leur petite différence de phases :

t dans le !«*• fil, lo sin 27r y >

— 2« fil,

lo sin ( 2ir + £ j ,

— 3« fil, lo sin ^2:: 4 + "') ' On aura donc le long de l'entrefer une répartilion sinusoïdale et régulièrement

* Cf. A. Blondel, Propriétés générales des champs magnétiques tournants, Éclairage Électrique, 1895.

* C'est-à-dire vai-iant en fonction du temps suivant la loi harmonique

i = I, sin 2- 7F- .

alternative des intensités de courant ; la distance entre deux maxima opposés successifs donne la largeur d*un pôle ; Tensemble des deux (ils les plus voisins parcourus par deux courants égaux, mais inverses, constitue une bobine plate produisant un flux magnétique dans la direction normale à son plan. Il s'établira, par suite, dans Tentrefer une série de flux alternativement positifs et négatifs, dont les lignes de force suivront les directions indiquées par les flèches et dont la densité, maxima au milieu des pôles tournants, variera aussi suivant une loi sensiblement sinusoïdale. Un pôle est constitué par la portion de cylindre d'où s'échappent des lignes de force de même direction. Deux pôles constituent un champ tournant complet.

La figure 689 représente l'état des choses à un moment donné t; mais à

Fig. 689. — Principe de la production des champs magnétiques tournants

dans un moteur polyphasé multipolaire.

l'instant t + t, \e courant deviendra nul dans le fll situé immédiatement à gauche de celui marqué 0 sur la flgure ; à l'instant t + 2 ty ce sera dans le deuxième fll à gauche, et ainsi de suite ; à chacun de ces instants, la distribution des courants représentée sur la figure se reproduit semblable à elle-même, mais décalée d'un certain angle. Les flux magnétiques restent donc semblables à eux-mêmes, mais tournent vers la gauche ; dans la durée d'une période T, ils avancent d'un espace égal à la largeur de deux flux ou d'un champ ; ils

tournent, par suite, dans le sens sinistrorsum avec la vitesse de— =? tours par

seconde, en appelant 2p le nombre de pôles inducteurs*.

Les champs tournants ainsi déflnis sont des champs parfaits, parce qu'ils restent toujours identiques à eux-mêmes et tournent avec une vitesse constante. Mais, en pratique, par raison de simplicité, ils ne peuvent être obtenus qu'à l'aide de trois ou six courants par champ (courants triphasés) ou de deux ou quatre courants par champ (courants diphasés)*. De plus, les fils, au lieu d'être répartis uniformément, doivent être logés par paquets dans des encoches ou perforations placées près de l'entrefer. Il en résulte que les champs tour-

* On a vu plus haut (t. I, p. 225) comment il convient de choisir ce nombre de pôles.

• Nous comptor - ' ■ ' "' " * * ...

sont exactement

circulant

périphériques.

nent d*une façon moins régulière et se déforment un peu en tournant ; mais le principe de leur production et leurs propriétés générales restent les mêmes.

Principe du fonctionnement d*un moteur à champs tournants. — Une fois admise la production de champs tournants sensiblement uniformes par TefTet des courants polyphasés inducteurs, il est facile de comprendre leur action sur les enroulements du cylindre secondaire ou induit.

Supposons que Ton fasse tourner Tinduit par une commande extérieure (par exemple, en laissant la voiture descendre une pente) à une vitesse égale à celle des flux tournants inducteurs, soit à un nombre de tours n^ par seconde ; les conducteurs secondaires, se déplaçant aussi vite que le champ, ne seront le siège d*aucune force électromotrico et par suite d'aucun courant. Mais aussitôt que la vitesse de l'induit se ralentira et tombera, par exemple, à une vitesse n < n^, les conducteurs induits seront coupés par les lignes de force des champs inducteurs avec une vitesse relative {n^ — n) et deviendront, en vertu de la loi de l'induction rappelée plus haut (p. 67), le siège de forces électromotrices proportionnelles à [n^ — n) et aux flux inducteurs. Si les résistances des circuits induits sont constantes, les courants induits varieront proportionnellement aux mêmes quantités.

On conçoit donc que le couple moteur ira en augmentant quand le moteur se ralentira. Cet accroissement est, en général, si rapide que la vitesse ne varie que de quelques tours (3 à 5 p. 100 de sa valeur normale) entre la marche à vide et la pleine charge.

Les courants inducteurs croissent automatiquement avec la charge, à peu près proportionnellement aux courants induits. Ceux-ci exercent, en efl'et, sur Tinducteur une réaction absolument analogue à celle qui se produit dans les transformateurs. A vide, les courants inducteurs sont limités par la self-induction des circuits de l'inducteur et se réduisent à leur composante magnétisante; en charge, les courants induits, qui sont sensiblement opposés aux courants inducteurs, réduisent cette self-induction d'autant plus qu'ils sont plus intenses et font apparaître des courants inducteurs équivalents ^

* Nous rappelons en passant que chacun des courants inducteurs alternatifs à un

On donne le nom de glissement g au rapport de la différence des vitesses [n^ — n) à la vitesse n^ obtenue dans le cas du synchronisme S

En pratique^ g doit être aussi faible que possible, même à pleine charge, parce que le rendement varie en raison inverse de ce glissement, comme il est facile de le voir '. L'induit tourne, en effet, avec la vitesse n, tandis que les courants induits tournent dans l'espace avec la même vitesse n^ que les champs qui les produisent; or la puissance produite par les forces que les champs exercent sur les courants induits est égale au produit du couple moteur électromagnétique par la vitesse angulaire, c'est-à-dire

2t:Wo C,

et la puissance mécanique recueillie sur Tarbre est le produit de la vitesse de Tinduit par le même couple

2irn C.

Il existe donc, par le fait même du glissement, une perte relative d'énergie

Cette perte est analogue, comme on le voit, à celle que produit dans une transmission le glissement d'une courroie sur sa poulie, cas où le travail perdu est transformé en chaleur par frottement ;

régime quelconque peut 6e dccomposer comme une force en deux composantes : Tune de même phase que la force clectroniotrice et qui est un courant de travail ou

wattéf Tautre décalée de 1/4 de période ou de ^ , qui est un courant ne consommant

pas de travail ou courant déwaUé. Dans les moteurs polyphasés, le courant dcwatté va en croissant d une manière continue et importante avec la charge.

* Si l'on pose 12 = -— , en appelant encore T la durée en secondes d'une période

des courants inducteurs, et —- = co, on peut écrire également

/lo T

* Cette remarque capitale a été faite pour la première lois par MM. Leblanc et Hutin à une époque où l'on connaissait encore fort peu ces moteurs. Cf. Lumière Électrique,

ici, il est transformé en chaleur par effet Joule dans les conducteurs de rinduit, ce qui n'est en dernière analyse qu'un frottement moléculaire.

Pour avoir un bon rendement, il faut que le glissement reste très faible ; en pratique, il ne dépasse pas 4 à o p. 100 tant qu on n'introduit pas de résistances dans les circuits secondaires, comme cela est nécessaire pour produire des variations de vitesse ; ces résistances entraînent des pertes d'énergie plus ou moins importantes.

Analogies et différences entre les moteurs à courants polyphasés et les moteurs à courant continu; courbes caractéristiques. — D'après ce qui précède, le fonctionnement des moteurs polyphasés est caractérisé par les particularités suivantes :

1^ L'excitation des inducteurs, c'est-à-dire la production des champs magnétiques, est faite par des courants alternatifs^ qui fournissent en même temps, par leur réaction sur les courants induits, l'énergie nécessaire à la production du travail mécanique ^ ; l'induit est sans communication avec le réseau, et les courants qui le parcourent sont créés seulement par induction : d'où la nécessité d'employer de faibles entrefers entre les deux cylindres. Au contraire, dans les moteurs à courant continu, les deux fonctions sont bien distinctes : le circuit inducteur ne fournit que le champ magnétique, tandis que le circuit induit, alimenté directement par la ligne, fournit l'énergie nécessaire à la production du travail mécanique.

2^ L'induit ne porte pas de collecteur : sa réaction n'est donc pas limitée comme pour le courant continu par la production d'étincelles aux balais ; cela permet de mettre des enroulements plus considérables sur l'induit et d'employer de très petits entrefers qui réduisent les enroulements d'excitation, deux conditions favorables à la réalisation de grandes puissances sous un faible poids.

Z" L'induit ne peut prendre une vitesse supérieure à celle du synchronisme, où il ne produit plus aucun couple ; le couple moteur n'apparaît sur l'arbre qu'à condition qu'il y ait un cer-

* Voir la note de la page 283.

tain ralentissement ou glissement et croit avec ce glissement. Le fonctionnement des moteurs polyphasés présente à ce dernier point de vue une analogie intéressante avec celui d*un moteur à courant continu alimenté à potentiel constant et à excitation constante. Nous avons rappelé, en effet, au chapitre IX (p. 77) que, si Tarmature atteint une vitesse no telle que la force électromotrice de l'induit soit égale au potentiel de distribution, il n'y passe aucun courant, et qu au contraire, aussitôt qu'elle se ralentit, il y a passage dans Tinduit d'un courant proportionnel à la réduction de vitesse (îIq — 7i) et donnant naissance à un couple proportionnel à la même différence, c'est-à-dire, en appelant ^ et y des constantes, ;* la résistance de Tinduit, N son nombre de spires et $ le flux tournant,

C = pN*I = XN±l|îlZliO. (60)

Dans les deux cas, si la vitesse n dépasse la limite n^, le moteur devient générateur et fait l'offlce de frein à récupération rendant de l'énergie au réseau au lieu d'en emprunter.

Mais il ne faut pas pousser l'analogie plus loin, car, si, dans le moteur à courant continu à excitation constante considéré, le flux reste constant à travers l'induit, il est loin d'en être de même pour le moteur polyphasé, par suite des fuites magnétiques ; une partie des lignes de force produites par les enroulements inducteurs se ferme en effet directement à travers Tair sans passer par le noyau induit et ces fuites magnétiques croissent avec la réaction d'induit. D'autres fuites se produisent de même dans l'induit, c'est-àdire que les enroulements de celui-ci donnent naissance dans l'air environnant à des lignes de force qui se ferment sans traverser l'inducteur. Ces deux espèces de fuites donnent aux deux enroulements de \dLself'i7iduc(ion, qui réduit les intensités de leurs courants et établit entre les courants inducteurs et les courants induits une différence de phases ou décalage réduisant leur réaction réciproque. Tant que la différence de phases entre les courants induits et les flux inducteurs est négligeable, ces deux facteurs varient à chaque instant proportionnellement et le couple produit est de la forme

comme pour le courant continu , en appelant ^ et I les valeurs moyennes des flux et des courants, r la résistance des circuits induits et A une constante ; au contraire, s'il y a un décalage 6, l'expression moyenne du produit précédent prend la forme connue

cos 0.

Par suite de ces effets, en apparence accessoires, mais en réalité fort importants, le couple d'un moteur polyphasé croit bien d'abord

tao