DK LA PUISSANCE MECANIQUE
et la perte en chaleur dans le circuit ne sera que
R - cos2 ç.
Les moteurs à courants polyphasés ne présentent pas le vice de démarrage des moteurs synchroniques. Ces nouveaux appareils possèdent, comme on Ta vu, un couple de démarrage considérable. De plus, pour les petites puissances , ils sont exempts de tout collecteur et peuvent se construire à peu de frais. Ils paraissent donc appelés à jouer un rôle important dans les transmissions de puissance.
593. — Distribution de la puissance mécanique. — Nous avons admis, dans ce qui précède, que les génératrices et les réceptrices sont concentrées dans deux postes distincts; les premières étant activées par une force motrice produite à une certaine distance d'une usine où Ton utilise la puissance disponible.
Il existe des applications où, d'un centre de production unique, on doit distribuer Ténergie à une série d'électromoteurs ou de lampes éparpillés dans un espace plus ou moins étendu.
C'est le cas lorsqu'à proximité d'une ville se trouve une chute d'eau qu'on désire utiliser à la distribution de la puissance motrice et de la lumière, ou bien encore lorsque, dans une usine ou une exploitation, on veut concentrer la production de la force motrice dans un atelier spécial , où l'on développe l'énergie électrique nécessaire à l'alimentation des moteurs et des foyers lumineux. Nous ne ferons qu'énumérer les solutions que peut recevoir la question, en renvoyant, pour les détails, à l'exposé des principes généraux énumérés dans les chapitres précédents.
Si le centre de production est peu éloigné des points d'utilisation, une distribution directe en dérivation sera la solution la plus simple. Mais, lorsque la distance est considérable, il faut, en vue d'économiser le cuivre des conducteurs, recourir à des tensions élevées qui ne peuvent être admises dans les récepteurs autres que ceux des usines où Ton dispose d'un personnel spécial : il est nécessaire alors de faire subir à l'énergie électrique une transformation. Nous savons que l'emploi des transformateurs à courants alternatifs ou à courant continu, ou encore celui des accumulateurs,
fournit le moyen de résoudre la question. La solution par les accumulateurs, chargés en série et déchargés en dérivation, présente Tavantage de permettre un emmagasinement continu et une régularisation commode du débit, ce qui n'est pas à dédaigner lorsqu'on doit utiliser des forces motrices variables ; mais le prix actuel de ces appareils en restreint remploi.
En ce qui concerne le mode d'enroulement des moteurs à courant continu à adopter, on aura égard au système de distribution et au genre de travail qu'ont à effectuer ces appareils. Le plus fréquemment la distribution a lieu en dérivation. On a vu que le moteur en série , qui se recommande par sa simplicité et par Teffort de démarrage dont il est capable, ne convient que pour autant que la charge ne descende jamais en dessous d'une certaine limite. Cependant, lorsqu'un agent est spécialement préposé à la surveillance du moteur, il n'y a pas à craindre que celui-ci s'emporte et l'on est libre d'adopter, même avec des charges très variables, l'excitation en série. Le moteur excité en dérivation est susceptible de fournir automatiquement une régularisation de vitesse très suffisante dans la plupart des cas. Il a l'inconvénient, lorsqu'on fait usage de tensions de distribution élevées, de nécessiter du fil très mince sur les inducteurs, ce qui accroît le coût de la machine, les difficultés d'isolement et les chances d'accidents par l'effet des extra-courants. Enfin, l'excitation compound à enroulements concourants permet de réunir les avantages des deux systèmes précédents, tandis que l'excitation à enroulements différentiels donne la possibilité d'une régularisation absolue de la vitesse.
Les moteurs à courants alternatifs polyphasés se prêtent à une réduction commode de la tension dans la distribution ou, tout au moins, à la limitation des courants de haute tension aux inducteurs des machines. De plus, ils permettent de supprimer le -collecteur dans les appareils de faible puissance et d'arriver ainsi à un prix de construction assez faible pour qu'il soit possible dans les ateliers d'adjoindre un moteur à chaque outil et de supprimer toutes les transmissions mécaniques dont les frottements entraînent des pertes considérables. Afin de varier la vitesse des moteurs suivant le genre de travail des outils, on peut avoir plusieurs génératrices de fréquences différentes, et relier les réceptrices à celles des génératrices qui fournissent la vitesse de rotation la
plus convenable. Une distribution par courants alternatifs donne la latitude d'alimenter directement les moteurs d'usine par des courants de haute tension et de réduire la tension dans les moteurs domestiques et dans les lampes, par l'emploi des transformateurs.
594. — Projet. — En vue d'appliquer les formules établies au § 590, supposons qu'une puissance motrice disponible de 5o chevaux doive être transmise, à 10 kilomètres de distance, à l'aide de deux dynamos en série, dans lesquelles la force électromotrice maxima tolérée est 2 000 V, et d'une canalisation aérienne pour laquelle on prévoit un taux d'amortissement et d'intérêt de 7 7-2 pour 100. Le prix du bronze ayant une résistance spécifique de 2 mO-cm à o® C est, par hypothèse, de 3 fr. le kilogramme, pour les fils de gros diamètres. Enfin, le coût annuel d'un kiloW électrique supplémentaire est estimé à 240 francs, ce qui, à raison de 2 000 heures de travail, représente 12 centimes par kiloWheure, c'est à dire le prix du travail fourni par une machine à vapeur d'une dimension moyenne, lorsque le combustible coûte 20 francs la tonne.
Dans les dynamos de la puissance requise, le rapport de la puissance électrique totale à la puissance mécanique dépensée varie de 0,90 à 0,97. Nous adopterons 0,94 pour la génératrice et 0,92 pour le rapport entre la puissance disponible sur l'arbre de la réceptrice et la puissance électrique de celle-ci , cette machine étant supposée avoir la même dimension que la précédente, mais une vitesse moindre.
La puissance électrique à développer par la première est (*) 5o X 736X0,94 = 34600 W.
(') Les opérations numériques ont été faites à la règle à calcul.
iq8 transmission et distribution de la puissance mécanique.
L'intensité du courant est
iz=— = 17,3 A.
La règle de Thomson, § 475, indique, pour les données précédentes , la densité de courant
y ppt 1/ 0,12 ^, ^.
8=v/::^ = . / ' 1 ^ ' ^- := 65 A par cm'.
Pour le courant de 17,3 A, la section sera
—4^ = 0,266 cm2, et le diamètre du conducteur
0,266 X 4 coo
-^^ — ^^--î ^ 0,583 cm.
La résistance d'une ligne de 20 kilomètres, aller et retour, posée à Taide de conducteurs semblables , est d'environ 1 5 0.
En admettant que les deux dynamos aient chacune une résistance intérieure de 5 O, la résistance totale du circuit devient
La chute de tension dans le circuit est
et la force contre-électromotrice
Le rendement électrique de la transmission est, dans ces conditions,
et le rendement industriel
Le rendement commercial de la génératrice est
On verra que ces résultats ont été dépassés pratiquement à Kriegstetten. Si le coût de la puissance motrice est supérieur à 240 fr. le kilowatt, on est conduit à une section plus forte pour le conducteur , ce qui améliore le rendement.
Prix approximatif d'une semblable transmission.
Deux dynamos de 35 kilowatts à 200 fr. par kilowatt, y compris le matériel accessoire 14 000
Bronze, poids 0,266 X 2 000 X 8,9 = 4 73o kg à 3 fr. le kg 14 190
Poteaux, isolateurs et accessoires 3 000
fr. 3i 190
Celte somme représente les frais d'installation du matériel électrique pour une puissance utile de
5o X 0,678 = 33,9 chevaux,
soit 922 fr. environ par cheval.
595. — Développements progressifs des transmissions de puissance motrice par Télectricité. — La première démonstration publique du transport électrique de Ténergie a été faite par M. H. Fontaine, à Taidc de machines Gramme , à l'Exposition de Vienne, en 1873. Depuis lors, la société Gramme a effectué un grand nombre d'installations définitives de transport et de distribution de puissance motrice, en étendant progressivement les distances des transmissions à mesure que les perfectionnements des machines et la réduction de leurs prix permettaient de satisfaire à la fois aux desiderata théoriques et économiques ( ';.
M. Deprez, qui s'appliqua vers 1880 à l'étude du transport de la puissance par l'électricité, indiqua nciiemcnt la nécessité de recourir aux grandes forces éleciromotrîces pour étendre le rayon des transmissions.
Il exécuta une série d'expériences de transport de force à grandes
(•) H. Fontaine, Transmissions électriques. Baudry, i885.
distances qui eurent beaucoup de retentissement et qui , si elles ne donnèrent pas tous les résultats qu'en espérait leur promoteur, fixèrent l'attention du grand public sur cet important problème.
Après différents essais exécutés à Munich (1882), à Paris (i883y et à Grenoble (i883), M. Deprez fit, en i885, des expériences sur une ligne, de 56 kilomètres de longueur, posée entre Creil et Paris et formée de fil de cuivre isolé, de 5 millimètres de diamètre. Le double fil mesurait loô ohms, auxquels s'ajoutaient 84,5 ohms représentant la résistance des dynamos. Celles-ci étaient excitées par des machines spéciales, ainsi qu'on l'a vu au § 591. Elles étaient de grandeurs différentes, toutes deux multipolaires, et tournaient, la génératrice à 170 tours, la réceptrice à 277 tours. La force électromotrice de la première atteignait 6 000 volts , la plus haute tension produite à cette date à l'aide des dynamos. Le courant était d'environ 10 ampères. De la puissance absorbée de 1 16 chevaux, il restait à la station de réception environ 52 chevaux, d'où un rendement commercial voisin de 45 pour 100 pour la transmission.
En 1886, M. Fontaine a réalisé au moyen de dynamos Gramme d'un modèle courant, disposées en série, une transmission de force dans des conditions de résistance extérieure analogues à celles de Texpérience précédente. Quatre dynamos excitées en série et réunies en tension étaient commandées par un arbre commun, à l'aide de galets de friction. Elles communiquaient, par l'intermédiaire de résistances artificielles ayant en tout 100 ohms, avec trois réceptrices identiques aux génératrices et rendues solidaires par des manchons d'accouplement.
La tension totale des génératrices tournant à r 200 tours était 5 900 volts. Le courant ne dépassait pas 9,5 ampères. Le rendement correspondant à une puissance utile de 5o chevaux dépassait 52 pour cent. Le poids total des dynamos , qui atteignait le chiffre exagéré de 70 tonnes daris l'expérience de Creil , n'était que de 8,4 tonnes dans celles de M. Fontaine.
Le plus remarquable essai de transmission électrique à longue distance a eu lieu , à l'occasion de l'Exposition d'électricité de Francfort, entre cette ville et Lauffen qui en est distante de 175 km. Une chute d'eau de i 5oo chevaux, dont 3oo sont utilisés à l'aide d'une turbine, a servi, à Lauffen, à actionner une génératrice à courants triphasés du système Oerlikon, § 449. La tension
de 5o volts développée par cette machine a été relevée jusque 2 5 000 volts par un transformateur à 3 circuits plongeant dans Thuile. La ligne était composée de 3 fils de bronze de 5 mm de diamètre, portés par des isolateurs à huile. Un transformateur à l'arrivée ramenait la tension à 5o volts dans un circuit où Ton pouvait indifféremment introduire des lampes ou un électromoteur à courants triphasés. Le rendement entre la réceptrice du système Dobrowolski et Tarbre de la turbine a atteint 75 pour 100.
596. — Applications industrielles. — Les premières expériences, qui eurent surtout un intérêt théorique, donnèrent Tessor à des applications industrielles qui se développèrent particulièrement dans les pays favorisés de chutes d'eau, tels que la Suisse. La société d'Oerlikon a installé, en 1888, entre Kriegstetten et Soleure, sur une distance de 8 kilomètres, une transmission électrique destinée à utiliser la puissance d'une chute d'eau variant de 3o à 5o chevaux et située dans la première de ces localités. Cette application est intéressante, tant par ses résultats que par les mesures très précises auxquelles elle a donné lieu sous les auspices d'une commission présidée par M. F. Weber.
A Kriegstetten, deux dynamos Brown, enroulées en série et associées en tension, sont mues par une turbine hydraulique. Elles communiquent, par trois conducteurs en cuivre de 6 millimètres de diamètre, avec deux dynamos légèrement plus faibles, installées, à Soleure, dans une usine qui utilise directement la puissance reçue. Le système à trois conducteurs permet de réduire la tension aux bornes de chaque machine et d'assurer le fonctionnement partiel de la transmission lorsqu'une des dynamos vient à être dérangée. La ligne supportée par des poteaux, au nombre de 180, est pourvue d'isolateurs Johnson et Phillipps, § 5 18. Chacun des trois conducteurs mesure 4,5 ohms et possède un isolement pratiquement parfait. Chacune des dynamos génératrices peut développer, à 700 tours, une force électromotrice de i 25o volts et un courant de 18 ampères. Leur rendement commercial est de 88 pour 100. La résistance totale des deux génératrices est de 7,25 ohms, celle des réceptrices 7,06 ohms.
La force électromotrice totale fournie par les génératrices en tension était, pendant l'essai , de 2 1 28 volts, celle des réceptrices de
I 896 volts; d'où un rendement électrique de 89 pour 100. Intensité du courant : 9,78 ampères. La puissance mécanique communiquée par les turbines aux génératrices était de 3o,85 chevaux ; la puissance recueillie au frein sur les réceptrices atteignait 2 3,o5 chevaux, d'où un rendement commercial de 74,7 pour 100.
Une autre transmission électrique existe près du lac des Quatre- Cantons. Une chute d'eau, de 60 chevaux de puissance, delà rivière TAa, est utilisée pour mouvoir, à une distance de 4 kilomètres, le chemin de fer funiculaire qui relie le bord du lac au Burgenstock situé à 400 m au dessus de celui-ci.
La même transmission permet d'effectuer, le soir, Téclairage de rhôiel de Burgenstock, qui absorbe environ 3o chevaux. Enfin, dans les intervalles entre la marche des trains, le courant électrique est utilisé à monter Teau du lac pour les besoins de Thôtel.
L'énergie électrique nécessaire à ces divers services est produite par deux dynamos Thury excitées en série et réunies en tension. Chacune développe, à une vitesse de jSo tours par minute, 20 kilowatts utiles avec un rendement industriel de 90 pour 100. Une canalisation aérienne, composée de trois conducteurs en cuivre nu de 4,5 mm de diamètre, relie l'usine hydraulique au Burgenstock et transporte le courant de 20 ampères fourni par les génératrices.
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