TRANSFORMATEURS A COURANT CONTINU

576. — Systèmes divers. — Un moteur électrique peut être utilisé, en combinaison avec une dynamo, pour transformer Ténergie électrique, fournie sous forme de courant continu à haute tension, en énergie dont la tension est réduite à une valeur admissible dans les habitations privées. Dans ce but, le premier courant alimente un moteur et ce dernier met en marche une dynamo, dont rinduit fournit la différence de potentiel tolérée.

MM. Laurence, Paris et Scott ont réuni ces deux appareils en un seul. Un induit du genre Pacinotti a ses sections enroulées alternativement à l'aide de gros fîl et de fil fin. Ces deux enroulements communiquent avec deux collecteurs situés de part et d'autre de l'armature. L'induit à fil fin est en série avec l'inducteur et reçoit le courant de haute tension, tandis que l'enroulement à gros fîl engendre le courant de grande intensité nécessaire pour alimenter leslampes et les autres récepteurs situés chez les particuliers. Cette combinaison a le double avantage de réduire la dépense d'excitation, grâce à l'emploi d'un inducteur commun, et de supprimer à peu près le décalage des balais, attendu que les réactions des deux enroulements sur le champ sont inverses. L'appareil est donc susceptible de tourner sans grande surveillance, puisqu'on n'a pas à toucher aux balais pendant la n^arche. Par contre, la disposition indiquée a l'inconvénient grave de rapprocher deux circuits à des tensions différentes et d'exposer ceux-ci à des contacts. Le danger

est ici bien plus sérieux que dans les transformateurs à courants

ahernatifs , par suite de la rotation des induits et des extra-cou- % il

l62 ÉLECTROMOTEURS.

rants auxquels donnent lieu les variations brusques du débit. Pour ces raisons, il paraît préférable de séparer complètement le moteur du générateur et d'employer deux machines distinctes dont les arbres sont unis par un accouplement isolant.

Nous avons vu que MM. Elihu Thomson et Siemens ont employé les moteurs-générateurs dans le but de régulariser les tensions dans une distribution à plusieurs conducteurs. Dans ce cas, les enroulements des induits sont identiques et, comme ils sont soumis à des tensions faibles , le danger signalé plus haut n'existe pas.

577. — Généralités. — L'invention des moteurs à courants alternatifs est relativement récente et un grand intérêt s'y rattache par suite du développement des distributions d'énergie électrique par les transformateurs.

Des principes divers ont été utilisés dans l'exécution des moteurs à courants alternatifs et ces derniers peuvent se diviser en moteurs à flux inducteur constant ou synchroniques, en moteurs à flux inducteur périodique et en moteurs à flux inducteur tournant ou à courants polyphasés.

Les premiers ne diffèrent pas en principe des alternateurs dont les inducteurs sont alimentés par un courant continu.

Les alternateurs, comme les dynamos continues, sont réversibles, mais, de même que les générateurs à courants alternatifs absorbent une énergie variable pendant la rotation, § 438, lorsque ces machines fonctionnent comme moteurs , sous l'action de courants alternatifs de période convenable , elles développent un couple qui varie périodiquement , ce qui détermine une succession de points morts pendant une révolution. Cette circonstance exige que ces machines , tout au moins les types actuellement connus , soient mises en marche à vide et , en outre , pour les appareils d'une certaine puissance, qu'on leur communique un mouvement initial, comme on le fait pour certains moteurs à gaz.

Considérons une machine magnéto de Siemens A, § 3i5, et

supposons qu'on envoie le courant qu'elle produit dans une machine semblable B, par riniermédiaire de collecteurs à bagues non figurés. En vertu du courant indiqué par les flèches , il se développe dans rinduit du récepteur B des pôles qui tendent à entraîner cet organe en lui faisant produire une force électromotrice en opposition avec celle engendrée par A.

Fig. 344.

Le démarrage deB exige que Tarmature de cette machine ne soit pas à Tun des points morts, ce qui arrive lorsque les pôles induits sont en regard des pôles inducteurs. En outre, les frottements et l'inertie de rinduit doivent être assez faibles pour que celui-ci prenne la même vitesse angulaire que l'induit générateur.

Ces conditions sont comparables à celles d'un moteur à vapeur à un cylindre, dont la distribution serait mue par une machine indépendante. Le piston n'obéirait à la force élastique de la vapeur que s'il est dans une position différente des points morts et si le frottement et l'inertie des pièces mobiles lui permettent de suivre immédiatement le jeu périodique des organes de distribution.

Une circonstance favorable au démarrage de Télectromoieur est Tabsence de force conire-élcctromotrice au début, ce qui permet au courant d'atteindre une valeur initiale très élevée. Comme le couple moteur est proportionnel au produit du flux dans l'induit par le

ELECTROMOTEURS.

courant qui traverse renroulement de ce dernier, il en résulte un effort de démarrage énergique.

Par suite de l'écart entre la phase de la force électromotrice de A et celle du courant , il y a un décalage entre les positions simultanées de B et de A, attendu que la première dépend des phases du courant qui détermine le couple moteur. Ce dernier est pulsatoire et la machine n'acquiert une vitesse de rotation uniforme que grâce à rinertie des masses en mouvement. On peut diminuer la période de ces pulsations par l'emploi d'inducteurs et d'induits multipolaires.

La puissance que le moteur est susceptible de développer est en rapport avec la puissance électrique El cos cp, § 182, qu'il absorbe. Il convient de réduire, autant que possible , la constante de temps du moteur, afin que l'angle de phase soit minime, sinon on serait conduite des appareils d'un grand volume et surtout coûteux pour produire un effet utile donné.

Une fois l'induit en marche , on peut appliquer la charge normale. Une surcharge momentanée amène un brusque ralentissement, et, par suite de la diminution de la force contre-électromotrice qui en résulte, un accroissement du courant et de Teffort moteur.

Quand le couple résistant dépasse une certaine limite, la machine tombe hors de phase et s'arrête , les réactions entre l'induit et le champ inducteur ne favorisant plus le mouvement.

Si le moteur marche à vide , il absorbe juste la puissance nécessaire pour vaincre les résistances passives. Lorsque, pour une raison quelconque, la machine est soumise à un effort qui tend à accélérer son mouvement, elle devient aussitôt génératrice et concourt, dans le cas d'une distribution en dérivation, à accroître le courant dans le réseau. Les moteurs synchroniques ont l'avantage d'être, par essence, auto-régulateurs de vitesse.

Le court exposé qui précède fait entrevoir des inconvénients propres aux moteurs synchroniques :

10 Les inducteurs ne peuvent pas, comme ceux des moteurs continus, être alimentés directement par le courant agissant, lequel est alternatif. Cette difficulté a été vaincue par l'emploi d'un redresseur analogue à celui de l'alternateur Ganz, § 43i.

On remarquera que le sens de la rotation du moteur ne

MOTEURS SYNCHRONIQUES. l65

dépend que de Timpulsion initiale qu'on lui communique , les réactions entre Tinduit et le champ pouvant avoir lieu dans les deux sens. Mais comme, en général, au mouvement de Talternateur est liée la production du courant d'excitation , il faut avoir égard à la position des balais qui servent à recueillir ce courant.

2<> La machine doit être mise en marche à vide, à la main ou autrement, comme les moteurs à gaz, de manière à prendre Fallure correspondant au synchronisme de ses phases avec celles da courant. Les petits moteurs, à masses mobiles légères, démarrent automatiquement lorsqu'ils sont en dehors des points morts.

30 Le couple résistant ne peut excéder certaines limites et il convient d'appliquer la charge avec prudence, puisqu'un ralentissement de la machine occasionne sa mise hors de phase et, par suite, son arrêt. Comme alors la force contre-électromotrice devient nulle, le courant peut atteindre une intensité dangereuse pour la machine. C'est pourquoi il est utile de pourvoir ces moteurs d'un mode d'accouplement qui les débraie automatiquement lorsque la charge devient trop grande et leur permet de continuer à tourner synchroniquement.

578. — Étude graphique des moteurs S3mchroniques. — Afin de montrer les conditions de fonctionnement d'un alternateur soumis à une différence de potentiel efficace constante, nous emploierons la méthode graphique préconisée par M. Blakesley (*) et qui est le développement de celle exposée au § 181.

Si le couple qui s'oppose à son mouvement n'est pas trop considérable, l'alternateur prend une vitesse angulaire sous laquelle il développe une force contre-électromotrice de môme période que la différence de potentiel agissante.

Représentons le maximum de cette dernière par AB , fig. 345, et par AC le maximum de la force contre-électromotrice, l'angle BAC figurant le retard des phases des deux quantités. Si l'on admet que les deux droites tournent autour du point A en sens

(') Blakesley, Alternating Currents of Electr ici ty, London, 1889. Fleming, The AUernate current Transformer, London, 1S89.

l66 ÉLECTROMOTEURS.

inverse du mouvement des aiguilles d'une montre, leurs projections sur une direction choisie arbitrairement représentent, à un instant quelconque, les valeurs momentanées des forces électromotrices agissant dans l'alternateur. La force électromotrice résultante est la somme algébrique de ces projections. Dans le cas de la figure, comme celles-ci ont des sens contraires , la valeur momentanée de la résultante est, la plupart du temps, égale à la différence des projections considérées. Il n'est pas difficile de voir que celte différence est, à chaque instant, égale à la projection de la diagonale, passant par A , du parallélogramme tracé sur AB et AC ; on en conclut que cette diagonale représente la force éleciromotrice résultante maxima. Cette résultante peut aussi être représentée en

Fig. 345.

grandeur et en direction par DB , si Ton prend DA = AC. On voit que lorsqu'on se donne les grandeurs et les directions relatives des forces électromotrices maxima agissant dans un circuit, h force électromotrice maxima résultante est obtenue par un procédé identique à celui qu'on emploie pour composer des forces de directions différentes. Mais, à son tour, la force électromotrice résultante DB doit être combinée avec la force électromotrice de self-induction de l'alternateur, pour donner la force électro motrice effective dont la phase coïncide avec celle du courant, § 181.

Désignons par .Ç^ le coefficient de self-induction, supposé constant, de la machine, par r la résistance de celle-ci et par T la période. L'angle de retard cp de la force électromotrice effective sur DB a

pour tangente -?rr— / . Portons cet angle suivant DBG et abaissons

sur BG les perpendiculaires DF et AG. La longueur FD repré-

sente la force électromotrice de self-induction et FB la force électromotrice effective dont la phase coïncide avec celle du courant et qui est égale à celui-ci multiplié par la résistance r.

Cela étant, considérons BG comme la direction de l'espace sur laquelle se projettent les forces électromotrices dans leur révolution autour du point A. Dans la position considérée, GB est la différence de potentiel momentanément agissante et FG la force contre-électromotrice.

Les puissances dues à ces diverses forces électromotrices se représentent simplement. Si Ton désigne par E la force électromotrice résultante maxima, par I le courant maximum , on a vu que la puissance moyenne est exprimée par

P = COSÇ.

Mais

d'où

Ez=:DB, 1= f COSÇi=-prô-'

' r ^ DB

FB P = -^-^ X FB.

Cette puissance est transformée en chaleur dans le circuit de Talternateur.

On obtiendra de même la puissance P' due à la différence de

potentiel agissante AB, en multipliant la moitié du courant maxi-

FB

mum par la projection GB

FR

P'=XGB,

attendu que Tangle GBA est le retard du courant sur la différence de potentiel agissante.

Il faut remarquer que cette expression est indépendante de la direction de la base sur laquelle on projette les divers vecteurs.

En effet, on démontre en géométrie que la moyenne des produits des projections, sur une direction quelconque, de deux droites aeib

taisant entr'elles un angle a est égale à — cos a.

ELECTROMOTEURS.

La puissance due à la force contre-électromotrice est