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 rinduil 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 Taide de gros fil et de fil Bn. 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 fil engendre le courant de grande intensité nécessaire pour alimenter les lampes 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 marche. 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 alternatifs, par suite de. la rotation des induits et des extra-courants 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

MOTKIRS SYNCHRONES MONOPHASÉS. l63

tensions dans une dîsiribuiion 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.

MOTEURS SYNCHRONES MONOPHASÉS.

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 courants monophasés et en moteurs à courants polyphasés , les deux classes comprenant des machines synchrones et des machines asynchrones.

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, § 3x5, et supposons qu'on envoie le courant qu'elle produit dans une machine semblable B, par. l'intermédiaire de collecteurs à bagues non figurés. En vertu du courant indiqué par les flèches, il se développe dans l'induit du récepteur 6 des pôles qui tendent à entraîner cet organe en lui faisant produire une force électromotrice en opposition avec celle engendrée par A.

ELECTROMOTEURS .

Le démarrage de B exige que l'armature 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 ci rinertie de Tinduit doivent être assez faibles pour que celui-ci prenne la môme vitesse angulaire que Tinduit générateur.

Fig. 344.

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 l'électromoteur est l'absence de force contre-électromotrice 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 courant qui traverse l'enroulement 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 décallage entre les positions simul-* tanées de B et de A , attendu que la position de B dépend des phases du courant qui détermine le couple moteur. Ce dernier est pulsatoire et la machine n'acquiert une vitesse de rotation uniforme

MOTEURS SYNCHRONES MONOPHASÉS. l65

que grâce à Tinertie 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 <p, § 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 conduit à des appareils volumineux et 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 l'effort 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 synchrones ont l'avantage d'être , par essence, auto-régulateurs de vitesse.

Si nous reprenons les considérations présentées à l'occasion du couplage des alternateurs en série , nous nous rendrons compte des conditions de fonctionnement des moteurs synchrones. Nous avons vu que deux alternateurs placés dans ces conditions tendent à se mettre en opposition de phases, celui qui retarde jouant le rôle de moteur.

Appelons E4 la force électromotrice maxima de l'alternateur et supposons que la phase du moteur soit en retard d'un angle -x — 2a sur celle de l'alternateur. La force clectromotrice du premier pourra être représentée à un instant quelconque par E| sin [at -\~ ol) et celle de la force contre-éleciromotrice du moteur dont la valeur maxima est Eg par — Ej sin (at — a). ^ Ainsi qu'on l'a vu au §441, la puissance reçue par le moteur sera, en désignant par r la résistance du circuit et X sa self-indue-

l66 ÉLECTROMOTEL'US.

tion supposée constante et en considérant E, et E., avec des signes opposés

!,rJilU^^ rcos(a^P) + ^£sin(a-P) j (i)

OÙ

Eo^ = E,^ + E2^ — 2 Ef E2 CCS 2a ,

et

. (El -4- Ej)

tang p = — ' ^ ^^^ tang a.

Celte dernière équation conduit à

(E< 4- £2)008 a ces p = — î ^

Par suite ( i ) devient, en développant et en remplaçant,

P2=^;y.a l^aj^jE4(^CQS2a + fl£sin2a)-E2r{. (2)

L'angle de phase 2a ne peut dépasser une demi période correspondant à un angle tt, mais cet angle peut devenir négatif ou positif par suite de Tinertie du moteur, lorsque la charge appliquée à ce dernier varie. L'expression (2) montre que le travail absorbé par le moteur est moindre si 2a est négatif que s'il est positif. Donc, le moteur tend à retarder s'il est en avance et à avancer s'il est en retard, de manière que la différence de phase tend vers o. Aussi longtemps que 2a est voisin de o, P2 est d'autant moindre que l'avance du moteur est plus grande et d'autant plus grand que le retard est plus fort. Donc, tout désaccord entre l'opposition des phases du générateur et du moteur tend à être corrigé par une cause, dont l'influence croît avec le désaccord.

Le court exposé qui précède fait entrevoir des inconvénients propres aux moteurs synchrones monophasés.

lo 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 SYNCHRONES MONOPHASES. 167

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 l'allure correspondant au synchronisme de ses phases avec celles du courant. Les petits moteurs, à masses mobiles légères, démarrent automatiquement lorsqu'ils sont en dehors des points morts.

3« 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 conire-électromotrice revient nulle, le courant peut atteindre une intensité dangereuse pour la machine. C'est pourquoi il est utile de pourvoir ces n^oteurs d'un mode d'accouplement qui les débraie automatiquement lorsque la charge devient trop grande et leur permet de continuer à tourner synchroniquement.

57^* Étude graphique des moteurs synchrones monophasés. —

km 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 qoi est le développement de celle exposée au § i8i .

Si le couple qui s^oppose à son mouvement n'est pas trop consi- , dérable, l'alternateur prend une vitesse angulaire sous laquelle il développe une force contre-électromotrice de même 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-élecmotrice , l'angle BAC figurant le retard des phases des deux quantités. Si Ton admet que les deux droites tournent autour du point A en sens

('; Blakesi.ey, Alternaiing Currents of Electricity, London, i88(j. Fleming, The Allernate current Transformer, London, 1889.

I 68 ÉLE CTROMOTEURS.

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 élcciromoirices agissant dans Talternateur. 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 cette 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 électromotrice résultante maxima. Cette résultante peut aussi être représentée en

grandeur et en direction par DR, 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, la 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 électromotrîce résultante DB doit être combinée avec la force électromotrice de self-induction de l'alternateur, pour donner la force électromotrice effective dont la phase coïncide avec celle du courant, § 181.

Désignons par Z 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 «p de la force électromotrice effective sur

DB a pour tangente -^ — . Portons cet angle suivant DBG et abaissons sur BG les perpendiculaires DFet AG. La longeur FD repré-

MOTEURS SYNCHRONES MONOPHASÉS. 1 69

sente la force électromotrice de self-induction et FB la force éleciromotrice 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 électro-

motrice résultante maxima, par 1 le courant maximum, on a vu

que la puissance moyenne est exprimée par

Mais

d'où

F = — ces y.

K B FB

E = DB, Iz=-^, ces 9=1^;

FR

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

maximum — par la projection GB

FB

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

11 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

a et b faisant entr'elles un angle a est égale à — co,s a.

ÉLECTROMOTEURS.

La puissance due à la force contre-électromotrice est

FB P'= — XFG.

Cette dernière est la puissance motrice de l'alternateur. La puissance dépensée P' est évidemment égaleà la somme de la puissance recueillie P" et de la puissance calorifique P Le rendement électrique de Talternateur a pour expression