ALTERNATIFS

Les premières machines électro-dynamiques étaient à courants alternatifs. — Divers types d'alternateurs. — Premier type d'alternateurs. — Second type d'alternateurs. — Troisième type d'alternateurs. — Organes des alternateurs. — Disposition de quelques types d'alternateurs. — Etude des courants alternatifs. •— Courants de grande fréquence. — Les transformateurs. — Bobine de Rhumkorff. — Utilisation de la bobine de Rhumkorff» par Jablochkoff. — Transformateur Gaulard et Gibbs. — Transformateur Zipernowski. — Transformateur Labour. — - Rendement des transformateurs.

Les premières macbines électro - dynamiques étaient à courants alternatifs. — Toute machine composée d'organes qui sont entraînés dans un mouvement de rotation produit des effets périodiques.

C'est ainsi que les premières machines magnéto-électriques donnaient naissance à des courants présentant des périodes successives dans lesquelles leur sens était régulièrement inversé.

Ce n'est que par un artifice et une complication nécessaires que ces machines, dites à courants alternatifs ou alternateurs, ont été transformées en machines à courants directs.

Nous avons vu que les premières machines magnéto-

électriques étaient à courants alternatifs. L'invention de la machine Gramme les avait fait un peu oublier. Pour des raisons spéciales, que nous indiquerons dans un chapitre ultérieur, l'invention de la bougie Jablochkoff leur donna un regain de vogue. Mais elle ne fut que passagère et Ton revenait bientôt aux machines à courants directs dont l'emploi est généralement plus commode et est même indispensable pour certaines applications : la charge des accumulateurs, l'électro-chimie, etc.

Depuis quelques années, le vent 'a de nouveau tourné en faveur des machines à courants alternatifs. Ce revirement d'opinion n'est pas le résultat du caprice ou de la mode; il répond à certaines nécessités industrielles qui s'accentuent chaque jour davantage et, plus particulièrement à celles qu'entraîne le transport électrique de l'énergie à grande distance.

Nous reviendrons plus loin sur cette question.

Divers types d'alternateurs, — Une boucle ou spire filiforme, traversée par un flux d'induction successivement croissant et décroissant, devient le siège d'une force électro-motrice induite périodique alternativement négative et positive.

C'est là le principe fondamental de toutes les machines basées sur les lois de l'induction.

Il peut être réalisé de plusieurs manières différentes.

La première consiste a déplacer la boucle dans un champ magnétique créé par une série d'aimants ou d'électro-aimants fixes.

Il est clair que le mouvement relatif de l'inducteur et de l'induit étant seul à considérer, le même résultat sera obtenu si la boucle est fixe dans un champ magnétique mobile créé par un ensemble d'aimants ou d'électro-aimants en mouvement.

TYPES D ALTERNATEURS

Un premier type d'alternateurs se rattache à cette double combinaison.

La seconde manière consiste à avoir une spire fixe et un champ magnétique fiœe, mais dont la perméabilité magnétique varie. De là un second type.

Une troisième manière consiste à avoir une spire fixe, en présence d'un inducteur fixe parcouru par un courant alternatif.

A ce type correspond une troisième catégorie d'alternateurs désignés sous le nom de transformateurs.

Premier type, — Ce type est caractérisé par le déplacement relatif de l'inducteur par rapport à l'induit, ce qui le divise tout d'abord en deux sections principales :

Les alternateurs à induit fixe et à inducteur mobile ; Les alternateurs à induit mobile et à inducteur fixe. Nous retrouvons, en outre, dans ces machines, les trois variétés d'induit, à anneau, à tambour et à disque, dont nous avons parlé à propos des machines à courant redressé.

Si on ajoute à cela les détails spéciaux de construction, on comprend qu'on ait pu, sans aller jusqu'aux simples différences d'aspect, créer un nombre considérable d'alternateurs distincts.

Second type, — Imaginez un système formé d'un fer doux en U et, fermant l'U sans le toucher, une armature ÂB en fer doux également, pouvant se mouvoir

d'une façon quelconque soit autour de l'axe 00', soil autour de l'axe XY, soit autour d'un axe perpendiculaire au tableau et se projetant en O' (fig. 117.)

Fig. 117. — Second type d'alternateur.

Si on conçoit, en outre, une bobine traversée par un courant continu pouvant magnétiser soit Tune des branches de ru, soit l'armature elle-même, le mouvement de cette dernière déterminera un champ de flux variable capable de faire naître un courant alternatif dans une spire convenablement disposée.

On peut varier la position relative de ces diverses pièces et constituer de la sorte toute une série d'alternateurs dans lesquels l'organe mobile est une simple masse de fer doux.

Troisième type, — Ayant suffisamment défini plus haut leur principe, nous reviendrons plus loin sur ces appareils.

Organes des alternateurs, — Avant d'examiner comment les organes inducteurs et induits sont disposés dans les types d'alternateurs les plus usuels, arrêtonsnous à quelques particularités qui sont communes a tous.

Dans ces machines, lés courants sont recueillis tels qu'ils sont produits, sans être redressés. Le collecteur des machines à courants directs n'est donc plus néces* saire. C'est là un grand point parce que les collecteurs sont la partie la plus délicate des dynamos, qu'ils s'usent rapidement sous le frottement des balais et les étincelles qui l'accompagnent et qu'il faut souvent régulariser leur surface en les mettant sur le tour, jusqu'au moment où il n'y a d'autre ressource que de les remplacer complètement.

Si l'induit est fixe, on recueille les courants à deux bornes qui jouent alternativement le rôle de pôle positif et de pôle négatif, leur sens s'intervertissant sans cesse. S'il est mobile, on les recueille sur des collecteurs formés d'un simple anneau muni d'un frotteur.

Un autre point commun à tous les alternateurs, c'est

DISPOSITIONS DES ALTERNATEURS 183

qu'ils nécessitent an courant excitateur qui peut être emprunté, soit à une machine séparée k courants directs , soit à une dérivation du courant produit par la machine elle-même, dérivation qui est redressée par un commutateur monté sur le même arbre.

Quelquefois Texcitatrice à courants continus est montée sur le même arbre que Talternateur qui est dit alors auto-excitateur, La première machine Gramme à courants alternatifs, construite en 1878, appartenait à ce type.

Dispositions de quelques types d'alternateurs. — 1*' Groupe : Machine l'Alliance. — Cette machine, dont nous avons déjà parlé, était magnéto-électrique. L'inducteur fire était formé de huit aimants permanents placés en étoile et devant les pôles desquels venaient se placer successivement seize bobines disposées à la périphérie d'un disque.

Ce dispositif répété parallèlement trois ou quatre fois, donnait des machines à trois ou quatre disques encastrés entre quatre ou cinq séries d'aimants.

Ici, pas d'excitatrice nécessaire puisque l'inducteur est à aimant permanent.

Les extrémités du circuit induit aboutissaient d'une part à l'arbre lui-même, de l'autre à une bague placée sur l'arbre et séparée de lui par un isolant.

Machine Siemens. — Elle est basée sur les mêmes dispositions relatives, induit en couronne mobile se déplaçant entre deux séries d'électros. Excitatrice séparée.

Machine de Meritens. — Cette machine qui ressemble un peu par, sa forme extérieure, à la machine l'Alliance est aussi munie d'aimants permanents fixes devant lesquels tourne un anneau portant autant de séries d'enroulements distincts qu'il y a de pôles. Cette machine (fig. 66) a

184i DYNAMOS A COURANTS ALTERNATIFS pendant longtemps été la seule machine électrique

employée par l'Administration française des phares.

F'ig. 119. — Hnrhinc Graniii

Machine Gramme. — L'alti'rnalcur Gramme comporte

DISPOSITIONS DES ALTERNATEURS 185

un induit fixe, en forme d'anneau, dans Tintérieur duquel tourne un inducteur formé d'une étoile à plusieurs branches. Il est représenté par les figures 118, 119.

Cette machine, montée sur le même arbre qu'une excitatrice à courant direct, donne des groupes de circuits distincts.

Nous nous bornerons a ces indications sommaires sur quelques exemples des alternateurs du premier type.

2* Groupe : Les alternateurs à fer tournant, sont d'invention plus récente. La disposition relative de leurs organes est réalisée de façons différentes dans les variantes que nous indiquons ci-après.

Alternateur Kingdon. — Un nombre pair de fers à cheval, tel que F, F', est disposé en cercle autour d'un axe O. Les branches gauches sont entourées d'une bobine magnétisante B ; les branches droites d'une bobine induite A. \^ /F'

Les bobines BB' ont leurs fils enroulés de façon à donner des polarités différentes aux branches successives. Le fer tournant est composé d'autant d'armatures qu'il y a de fers à cheval (fig. 120).

Alternateur Thury. — La

figure 121 représente en coupe pj^ 120. - Principe de l'ai- Talternateur Thury. MN est temateup Kingdon.

un anneau, en acier coulé,

qui présente une gorge profonde dans laquelle est enroulé en couronne le fil inducteur AB. L'ipduit est formé d'une série de bobines a b, La partie mobile du système est formée par une couronne également en acier coulé PQ, tournant sur l'arbre 00^ dont le bord recourbé présente alternativement des dents pq et des parties creuses qui passent successivement devant les

bobines induites et produisent une variation du flux magnétique inducteur.

On comprend que cette machine présente des qualités de construction, en raison de la simplicité de ses organes

Fig. 121. — Allernaleur Thury.

en mouvement, qui se réduisent à une seule pièce homogène (1).

Étude Bommaire des courants alternati&. — L'étude des courants alternatifs est loin d'offrir la même simplicité que celle des courants continus.

Ces derniers, qu'ils soient produits par une pile ou par une machine dynamo électrique, se présentent avec le caractère d'un phénomène constant, comme l'est l'écoulement d'un liquide dans un tuyau, sous une pression déterminée.

L'intensité est sensiblement la même aux instants successifs considérés, et les effets du courant conservent toujours le même sens. Ainsi, un courant continu dirigé

(1) Voir pour la description d'un plus grand nombre de types tl'aUei^aleurs, le cours d'ÉlcclHcItc' industrielle, professa & la Faculté de Grenoble par M. Pionchon.

dans un voltamètre, y décompose Teau d'une façon uniforme, remplissant Tune des éprouvettes d*un volume d'oxygène, l'autre d'un volume double d'hydrogène.

Il n'en est plus de même avec un courant alternatif. De même que le courant direct, il est bien capable d'échauffer une résistance convenablement choisie, de faire jaillir une étincelle entre deux pointes de charbon, et par conséquent dé faire naître un arc voltaïque; mais, si on lui fait traverser un voltamètre, on constate que les volumes de gaz conten\is dans chaque éprouvette sont constamment égaux; en poussant plus loin la vérification, on reconnaît qu'ils sont composés respectivement de quantités égales d'oxygène et d'hydrogène.

Cela doit être, puisque le courant alternatif est la succession d'une série de courants continus d'intensités variables, dirigés successivement dans un sens et en sens inverse.

Il est donc bien évident que les expressions différence de potentiel et intensité n'ont plus de sens précis dans le cas d'un courant alternatif, puisqu'elles sont sans cesse variables de grandeur et de sens.

Nous avons vu, à propos des courants directs, que la force électro-motrice induite dans le mouvement d'une

Fig. 122. — Variation de la force électro-motrice des courants alternatifs.

spire dans un champ inducteur variable est représentée par les ordonnées successives d'une courbe sinussoïdale,

telle que OAO'BO", cette force électro-motrice passant par zéro deux fois dans un tour complet et par deux maximum égaux et de sens contraire.

Le courant recueilli aux bornes d'un alternateur présente les mêmes variations dans la limite de temps représentée par 00" qui porte le nom de période. Le nombre de périodes par seconde porte celui de fréquence.

A chaque instant, la différence de potentiel et l'intensité changent de valeur, et si l'orf ajoute que la fréquence des alternateurs ordinaires est de 40 à 140 environ, on voit que ces éléments varient avec une rapidité extrême.

Un ampèremètre ou un volmètre ordinaires, placés dans un circuit traversé par un courant alternatif, ne sauraient donc donner aucune indication.

Par contre, il faut considérer dans un courant alternatif, l'influence qu'exerce sur lui-même le conducteur qu'il traverse, par effet de self induction ainsi que par sa capacité, tandis que dans le cas d'un courant continu, on n'a à se préoccuper que de la résistance du circuit.

On a été, cependant, amené à introduire dans l'étude des courants alternatifs, les notions Ae potentiel et à^ intensité, mais à la condition de bien faire observer, au préalable, qu'elles doivent être envisagées d'une façon un peu différente que précédemment.

Le sens des courants alternatifs, changeant à chaque demi-période, si l'on veut avoir, en valeur absolue, la valeur de leur intensité, il faut la rechercher dans la manifestation d'un phénomène qui soit fonction non de la première puissance de cette intensité, mais de son carré; ce qui rend la mesure indépendante de son signe.

Or, nous avons vu que la quantité de chaleur dégagée dans un circuit est proportionnelle au carré de l'intensité du courant qui le traverse. L'échauffement d'un conducteur par le passage d'un courant alternatif donne donc

le moyen d'évaluer son intensité moyenne en valeur absolue.

On est convenu d'appeler intensité efficace d'un courant alternatif, celle du courant direct produisant le même eflFet calorifique. C'est la racine carrée du carré moyen des intensités dans le temps considéré. De même, la différence de potentiel efficace entre deux points, est celle par laquelle il faut multiplier l'intensité efficace pour avoir la quantité d'énergie produite entre ces deux points.

Les appareils tels que les éleclrodynamomètres, dans lesquels l'aiguille se déplace sous l'influence du carré de l'intensité du courant, permettent de mesurer l'intensité des courants alternatifs.

On peut également la mesurer ii l'aide d'un ampèremètre Cardew (fig.

123). Dans cet appareil, le courant traverse un fil fin formé d'un alliage de platine et d'argent, l'échauffé, et produit sa dilatation. Ce fil est enroulé sur une série de poulies en ivoire, ce qui permet d'opérer sur une grande longueur n'occupant qu'un petit es- p. j^j

pace. Son allongement produit la ro- Ampèremètre

tatlon d'une autre poulie qui porte une ^^^ ," coôranu aiguille dont le déplacement sur un nitemniift.

cadran est proportionnel au carré de l'intensité du courant qui le traverse. Cet appareil est gradué empiriquement.

Comme on a pour double expression du travail produit

190 DYNAMOS A COURANTS ALTERNATIFS entre deux points, El et RI*, ces quantités sont égales; et de l'égalité EI=RI* on déduit I=p • formule qui n'est

autre que la loi de Ohm .

Ce qui précède n'est vrai que pour un conducteur rectiligne. Dans le cas d'une bobine dont les spires réagissent les unes sur les autres par self-induction, il n'en est plus de même.

Dans ce cas, l'effet de la self-induction est de diminuer la puissance disponible entre les points considérés, laquelle n'est plus égale au produit de l'intensité efficace par la différence de potentiel efficace.

La loi de Ohm ne s'applique plus, et au lieu d'avoir

I = ^f R étant la résistance du conducteur en ohms, R

ou résistance ohmiquCy on a 1 = ^,» R' étant la résistance

apparente, appelée aussi impédance.

R' est égal à R, multiplié par un coefficient K, plus grand que l'unité, que l'on dippelle facteur d'impédance. Sous cette réserve, on a :

R' = KR et 1==:î4- La valeur de l'impédance d'un conducteur (1) varie avec

(1) Voici un tableau qui donne pour des conducteurs en cuivre la

d* valeur du facteur d'impédance en fonction de 7=- •

COURANTS DE GRANDE FRÉQUENCE 191 la fréquence du courant alternatif qui le traverse et croît

avec elle. Le facteur K est égal à ^*(«;)' d étant le dia-

mètre du conducteur en centimètres; = est la fréquence^

T étant la durée d'une période en secondes.

Il faut enfin faire remarquer que la répartition d*un courant alternatif dans un conducteur n'est pas uniforme et qu'il tend à se propager par la surface du conducteur dont le centre devient d'autant plus inutilisable que la fréquence augmente.

Il y a économie à employer un conducteur creux pour des fils de plus de 15 millimètres de diamètre et pour une fréquence de 80 périodes. C'est ainsi qu'est constituée la canalisation de Deptford (Ferranti), qui se compose d'un câble formé de deux conducteurs concentriques isolés au papier.

Nous nous bornerons à ces indications, sans entrer dans plus de détails, nous contentant de résumer par quels artifices et sous quelles conditions on rend applicables aux courants alternatifs le langage et les formules propres aux courants directs.

Courants de grande fréquence. — Un ingénieur américain, M. Tesla, a été amené à étudier les courants alternatifs dans lesquels la fréquence est très considérable. A l'aide de dispositifs spéciaux dont la description nous entraînerait trop loin, il est arrivé a produire des courants ayant jusqu'à 30.000 changements de direction dans chaque sens par seconde et une tension de 200.000 volts.

Les effets qu'il a obtenus avec de pareils courants sont extrêmement intéressants.

Le plus inattendu est assurément leur absolue innocuité.

192 DYNAMOS A GOURANTS ALTERNATIFS

Alors qu'un courant alternatif de 2 à 300 volts est déjà très dangereux, les courants alternatifs de grande fréquence, sont tout à fait inofiensifs. De même que les vibrations ultraviolettes de la lumière ne sont plus perceptibles à Tœil, et que Tacuité des sons a très grand nombre de vibrations n'est plus perceptible à l'oreille, les courants alternatifs de grande fréquence cessent d'être perceptibles par l'organisme humain.

Mais nous touchons ici à un ordre de phénomènes encore trop insuffisamment connus pour qu'il y ait lieu de s'y arrêter et d'en faire entrer l'examen dans le cadre élémentaire de ce travail.

Les transforznBteurs, — Les transformateurs sont devenus dans les dernières années, de précieux auxiliaires pour les machines à courants alternatifs. Concurremment avec elles, ils fournissent une solution précieuse du problème de la transmission de l'énergie à grande distance. Quelle que soit sa forme particulière, un transformateur est un appareil qui permet de faire varier les facteurs essentiels d'un courant alternatif, sa tension et son intensité, en sens inverse l'un de l'autre, de telle façon que leur produit, qui est l'expression de l'énergie qu'ils absorbent, reste constante, à un certain rendement près.

On peut réaliser ainsi, à volonté, des réducteurs ou des élés^ateurs de tension.

Cette transformation est réalisée avec un rendement excellent et sans aucune dépense de consommation ni d'entretien, l'appareil étant inerte, robuste et exempt de toute cause d'usure ou de détérioration, conditions qu'on rencontre rarement dans la pratique industrielle.

Bobine de Ruhmkorff, — La bobine d'induction dont le principe a été imaginé par Faraday, et à laquelle le constructeur RuhmkorfTa attaché son nom, est le plus ancien transformateur connu.