CHAPITRE VI

Moteurs employés pour la traction des chemins de fer. Moteurs à courant continu avec excitation en série. Fonctionnement des moteurs-série. Manœuvre des moteurs-série. Appareils de manœuvre. Moteurs à courant continu avec excitation en dérivation. Moteurs à courant alternatifs monophasés. Moteurs à courant alternatifs polyphasés. Manœuvre des moteurs à courants polyphasés. Appareils de manœuvre.

Moteurs employés pour la traction des chemins de fer. — Vn moteur électrique se compose de deux parties : une partie fixe dite inducteur, qui produit un champ magnétique, et une partie mobile, dite induit, qui tourne sous l'action du champ magnétique. Inducteur et induit sont alimentés par du courant provenant de la ligne de distribution. Lorsque l'alimentation est faite avec des courants polyphasés, les inducteurs produisent non un champ magnétique fixe, mais un champ magnétique tournant et c'est ce champ tournant qui provoque la rotation de l'induit. Celui-ci peut alors ne recevoir aucun courant de la ligne de distribution. Comme son fonctionnement est différent de celui d'un induit à courant continu, on le désigne généralement sous le nom de rotor, les inducteurs constituant, de leur côté, le stator.

Les moteurs à courant continu sont, de beaucoup, les plus répandus. Ils ne sont autres que des dynamos recevant du courant au lieu d'en produire. Dans ce cas, le champ magnétique créé par les inducteurs (champ fixe, naturellement) agit sur les bobines

de l'induit et tend à les faire tourner de manière à les placer dans la position où elles sont traversées par le flux maximum.

Etant constitués comme des dynamos, les moteurs à courant continu devront comporter un collecteur. C'est là le point faible de ce genre de moteurs. Inconvénient compensé, toutefois, par des avantages électriques et mécaniques de premier ordre.

On a été naturellement amené à combiner des moteurs très ramassés, afin de pouvoir les loger commodément sous les caisses des voitures automotrices. La forme qui est la plus convenable à ce point de vue est, pour les moteurs à courant continu, la forme tétrapolairCy c'est-à-dire à quatre pôles. Mais un moteur tétrapolaire, d'aussi faible encombrement, tourne à une assez grande vitesse, généralement plus grande que la vitesse normale des essieux. Il faut donc, pour attaquer ces essieux, un jeu d'engrenages. À cet effet le moteur est placé à coté de l'essieu et, par un pignon, il commande une roue dentée montée sur l'essieu (lig. 272). Le rapport d'engrenage varie selon la puissance et selon la vitesse que Ton veut obtenir. Souvent il est aux environs de 3, c'est-à-dire que le pignon comprend trois fois moins de dents que l'engrenage monté sur l'essieu, ou encore que le pignon tournera trois fois plus vite que l'essieu.

Les engrenages entraînant une perte d'énergie, on a combiné des moteurs à vitesse réduite qui se montent directement sur les essieux. Mais, généralement, on réserve ces moteurs spéciaux pour les locomotives (voy. chapitre îx), celles-ci permettant l'emploi de moteurs plus volumineux que dans le cas des automotrices et à vitesse de rotation par conséquent moins considérable.

Un moteur à courants polyphasés est plus simple qu'un moteur à courant continu, n'ayant pas de collecteur 'voy. plus loin). Mais il ne possède pas, au môme degré, les avantages merveilleux qui ont fait la fortune du moteur à courant continu. En particulier, il développe, au démarrage, un couple moindre. De plus il comporte un facteur de puissance (cos ©) assez élevé, qui réduit la

304 LES CHEMINS DE FEH ELECTRIQUES

puissance appareille absorbée. Dans la pratique on emploie surtout des moteurs à courants triphasés qui sont commodes, non seulement par eux-mêmes, mais aussi au point de vue de la distribution qui peut leur être appliquée (Tlioune à Burgdorf, Jungfrau, Gorncrgrat etc.).

Tout récemment encore les moteurs à courant alternatif simple étaient considérés comme impropres à la traction, ne pouvant

Pïg. T,ï. — Attaque de l'essieu par engrenages.

démarrer sous charge. Mais la C10 Westinghouse vient d'appliquer sur la ligne d'Annapolis, comme il a été dit précédemment, un moteur nouveau, jouissant de cette propriété remarquable de se comporter à peu près comme un moteur à courant continu.

Dans un autre ordre d'idée, nous devons signaler la tendance de plus en plus marquée qui se manifeste en faveur de l'alimentation des moteurs par des courants à tension élevée.

A la vérité, les moteurs à courant continu restent toujours à 6 ou "700 volts, le collecteur se prêtant peu à l'utilisation de tensions plus élevées ; mais, avec les courants triphasés, on a atteint

3 000 volts (chemin de fer de la Valtcline) et 10 000 volts (ligne d'expériences de Berlin à Zossen). Nous avons déjà parlé de l'intérêt que présentaient de tels systèmes de distribution. On on diminue d'ailleurs le danger en agissant, pour les différentes manœuvres que Ton a à effectuer, non sur le courant du stator c'est-à-dire sur le courant à haute tension, mais sur le courant du rotor, courant que produit, par induction, le stator et dont la tension est beaucoup plus faible (3 à 400 volts).

Moteurs à courant continu avec excitation en série.; — Ces moteurs sont, de beaucoup, les plus répandus. Les tramways marchent à peu près exclusivement avec des moteurs de ce système et Ton a eu une tendance bien compréhensible à en généraliser Temploi, quand on a voulu appliquer l'électricité à la traction des chemins de fer.

Dans un moteur avec excitation en série, c'est le môme courant I qui traverse les inducteurs et l'induit. Comme ce courant est normalement très intense, les enroulements des moteurs peuvent être constitués par des conducteurs de gros diamètre, ce qui diminue le prix de la fabrication et facilite les réparations. Les inducteurs sont montés sur la carcasse même et comme celleci se compose, le plus souvent, de deux parties réunies par une charnière, on peut très facilement visiter tout l'intérieur du moteur (fig. 273 et 274). L'inspection du collecteur, qui doit être faite plus fréquemment, a lieu par une ouverture ménagée dans la partie supérieure de la carcasse (fig. 273) et que Ton atteint facilement, dans le cas des voitures automotrices, en ouvrant une petite trappe ménagée dans le plancher de la voiture.

Il n'entre pas dans le cadre de cet ouvrage de décrire tous les détails de construction des moteurs électriques excités en série. C'est aujourd'hui un type courant et de nombreuses maisons de -construction en fabriquent d'excellents. Nous appellerons seulement l'attention sur les points suivants :

MarAciial. — CUcin. de fer élect. 20

Il est indispensable que l'huile ne puisse s'introduire dans l'intérieur de la carcasse du moteur ; les induits doivent être soigneusement frettés, des coups de feu cl d'autres avaries pouvant se

Fig. 373. — Molcur-scrie pour chemin lie fer, ouvert.

produire, en cas de défretlage. Les paliers seront combines pour une faible usure, car, sans cela, l'induil s'abaisserait et pourrait venir toucher les inducteurs- Le collecteur est souvent tait par économie, avec un nombre de lames isolées trop faible ; l'inconvénient est que la différence de tension entre, les lames est trop

grande et il se produit alors de fortes étincelles, au moment de la commutation. Le pignon, s'il en existe un, doit être extrêmement résistant. On le fait généralement en acier taillé à la fraise. La roue dentée, montée sur l'essieu, est alors en

Fig.'.STi. — Mo leur- se rie jwir chemin île fer. ouvert, l'induit restant en place.

acier coulé et l'cngronement a lieu dans un carter, rempli d'huile.

Un moteur de chemin de fer, ayant généralement à effectuer un service prolongé, doit pouvoir supporter, sans le moindre inconvénient, l'élévation de température produite par le courant. Mais, d'autre pari, il ne faut pas que cette température soit trop élevée et, généralement, ou demande qu'elle ne soit pas supé-

rieure d'une cinquantaine de décris à la température ambiante.

Fir. 275. — Moteur-série puur chemin Je fer, dan

Les surfaces de refroidissement et la ventilation devront être prévues en conséquence.

Fonctionnement des moteurs-série. — Dans tin moteur en mouvement il se produit, comme dans une dynamo et, par le seul fait do la rotation de l'induit dans un champ magnétique, une certaine force électromolrice e . Elle est opposée à celle du courant qui fait tourner le moteur (Loi de Lenz.) et est, pour cette raison, nommée force contre-électromotrice . Soient E la tension du courant d'alimentation (en volts), Rla résistance intérieure du moteur (en olims) et I l'intensité du courant (en ampères) qui traverse h. la fois l'induit et les inducteurs (fig. 276). On aura :

Or le régime de e est connu. Il est exprimé par la relation

dans laquelle K est une constante, n le nombre de tours par seconde de l'induit [et par suite du moteur) et ■* le ilux magnétique produit parles inducteurs.

En rapprochant les formules (1) et (2) on voit qu'au moment du démarrage e est nul et I maximum. A ce moment I =«' Cette valeur est généralement beaucoup trop forte pour pouvoir être supportée par le moteur, qui risquerait de brûler. On la réduit en augmentant R artificiellement, par des résistances, que Ton insère sur le circuit d'alimentation.

Le moteur se met en route ; la force contre-électromotrice croit

Fig. 276. — Schéma d'alimentation d'un moteur-série.

(flux,)

I t intensités)

Fip. 277. — Courbe du flux en fonction de l'intensité.

rapidement et tend à diminuer I. On pourra donc, concurremment, diminuer la résistance, et on la supprimera totalement, dès que le moteur aura atteint sa vitesse.

Sur l'arbre de l'induit, c'est-à-dire sur l'arbre du moteur, un certain couple mécanique C va se manifester. La puissance disponible sera G x2a et comme elle est, d'autre part, égale à el on aura :

formule qui permet de calculer, à chaque instant, le couple mécanique.

On peut mettre celte formule sous la forme :

ma Ti

Or le flux magnétique, ©, produit par le courant circulant dans les fils des inducteurs est fonction de ce courant. On peut le représenter graphiquement par la courbe de la figure 277. dans laquelle les ordonnées représentent les différentes valeurs du flux et les abscisses les intensités variables du courant. On voit que 'f croît d'abord proportionnellement à I ; puis il arrive un moment où les inducteurs sont saturés et la courbe se rapproche de Thorizontale, en formant un coude tout à fait caractéristique. A partir de ce moment © sera donc sensiblement constant.

Or, les moteurs-série, généralement employés pour la traction des chemins de fer, sont tels que pendant la marche normale, les inducteurs sont saturés. Us le seront donc, à fortiori, pendant tout le régime allant du démarrage à la marche normale, d'après ce que nous avons vu plus haut, sur la valeur de l'intensité à ce moment. La conséquence est que, dans un moteur-série, pour toutes les valeurs usuelles de la vitesse, on peut considérer ç comme constant. On pourra donc, en se reportant à la formule (4), énoncer cette règle que le couple est proportionnel à f intensité.

Nous avons établi qu'au moment du démarrage, l'intensité du courant était maxima. On peut donc dire également que, dans un moteur à courant continu excité en série, le couple, au démarrage, est ma.rimum. C'est là un avantage merveilleux des moteurs électriques et il est d'autant plus précieux, pour la traction des chemins de fer, que c'est justement au démarrage qu'il faut développer le plus grand effort, ce dernier pouvant alors ôlre facilement 15 à 20 fois plus considérable que l'effort normal, après mise en marche.

Supposons la vitesse de régime alteinte et admettons que le travail résistant vienne à varier (courbe, rampe, etc.). Si l'on veut voir ce que deviendra la vitesse on se reportera à la formule.

e-kno ou n =.

et comme e = E — Kl, on en déduira :

K - Ri ,,x

Pour dos débits normaux K? est constant comme on l'a vu plus haut et comme E est la tension de distribution, on voit que le travail résistant augmentant, ce qui implique une augmentation correspondante de 1, la vitesse ira en diminuant. Mais elle variera cependant assez peu, attendu que, dans des moteurs bien construits, RI est toujours très faible vis-à-vis de E.

Si, au contraire, le travail résistant diminuait, n augmenterait légèrement. Toutefois, à partir d'un certain moment, la vitesse pourrait croître très rapidement; autrement dit, pour les faibles charges, le moteur-série a tendance à l'emballement. On peut le déduire des formules indiquées plus haut, en remarquant que l'intensité du courant sera alors très peu considérable et que le flux <p ne sera plus constant, mais proportionnel à I et de la forme K'I. Par conséquent on aura :