MESURE DE L'ENERGIE ELECTRIQUE

Coulombmètres et Joulemètres. — Dans une distribution électrique, la redevance doit être calculée d'après la quantité d'énergie utilisée. Dans la plupart des réseaux à courant continu , la distribution s'effectue sous une tension sensiblement constante et l'énergie disponible est proportionnelle à la quantité d'électricité fournie. Il suffit, dans ce cas, de disposer un appareil qui totalise cette quantité, pour obtenir une base de taxation convenable. Il résulte de là que, dans ces réseaux, les compteurs peuvent se réduire à des mesureurs de quantité d'électricité ou coulombmètres.

Au début des distributions électriques on s'est même contenté de simples compteurs de temps, dont le totalisateur, déclanché lors de l'établissement du courant, enregistre un nombre proportionnel à la durée de la fermeture du circuit. Il est clair qu'un tel appareil ne peut convenir que dans une installation utilisant une puissance invariable.

Dans les distributions par courants alternatifs , où le rapport du coefficient de self-induction à la résistance des récepteurs est variable, le retard de phase du courant varie également. Par suite, l'expression de la puissance électrique alternative, qui est Eefr Ierr cos ? dans le cas de courants sinusoïdaux, montre que, pour une différence de potentiel efficace constante, l'énergie fournie n'est pas proportionnelle à la quantité d'électricité débitée. Dans ce cas, les joulemètres seuls donnent des indications correctes.

2Ô8 CHAPITIŒ XVI.

L'emploi des compteurs d'énergie tend à se généraliser, parce

que,' même dans les distributions ordinaires à courants continus, le voltage présente des variations auxquelles il est utile d'avoir égard.

Les compteurs d'énergie sont des appareils* à intégration intermittente ou à intégration continue.

Dans le premier cas, l'instrument comporte un wattmètre dont la déviation indique à chaque instant la puissance utilisée. Un mécanisme spécial, mis en mouvement à des intervalles de temps égaux et rapprochés, fait avancer périodiquement les rouages totalisateurs d'une .quantité proportionnelle à la puissance susdite.

Dans les appareils de la seconde classe, un organe mobile, qui peut être un petit moteur électrique, avance d'une manière continue proportionnellement à l'énergie dépensée.

Les distributions à trois conducteurs, de même que les réseaux polyphasés, nécessitent soit autant de compteurs qu'il y a de circuits, soit des compteurs à enroulements multiples.

Dans le cas d'une distribution par courants continus à 3 fils, on utilisera par exemple deux enroulements fixes parcourus par les courants des fils extrêmes et agissant sur un enroulement mobile mis en dérivation sur ces fils. Le couple résultant est alors proportionnel à la puissance totale des deux branches du réseau.

Avec les courants diphasés, on adopte 2 compteurs distincts ou l'on réunit 2 appareils en un seul dans lequel les deux couples composants agissent sur l'axe du totalisateur.

Quand il s'agit de courants triphasés, on peut, comme on l'a vu au chapitre précédent, se contenter également de 2 compteurs, ou même d'un seul appareil en actionnant par les deux mécanismes le même axe totalisateur. Dans ce derniçr cas, on évite l'erreur qui pourrait résulter de l'antagonisme des deux couples électrodynamiques en jeu.

En général, les bons systèmes de compteurs donnent une approximation de 0,01 dans les essais de laboratoire, effectués dans les conditions de puissance ma'xima. Mais, dans l'application, l'erreur s'élève à 0,02 et même à o,o5 lorsque la consommation est faible.

Coulombmètre Edison. — Dans l'hypothèse d'un courant continu, le voltamètre est tout naturellement indiqué, puisque le dépôt électrolytique est proportionnel à la quantité d'électricité

COMPTEIRS ÉLECTRIQtES. 289

qui a traversé cet appareil. M. Edison a employé un voltamètre à sulfate de zinc et à électrodes de zinc. Afin d'éviter l'introduction d'une résistance trop considérable dans le circuit principal, le courant qui alimente les récepteurs traverse une bande de maillechort R. Les voltamètres V, V sont dérivés sur cette bande ; chacun d'eux est en série avec une bobine de Kl de cuivre r, r'. La résistance d'un des voltamètres et de la bobine additionnelle est calculée de manière que l'électrolyte soit traversé par la millième panie du courant d'alimentation. Le but des bobines r, r1 est de compenser les variations de résistance de l'électrolyte : lorsque la température

change, la résistance du liquide varie en sens inverse de celle du cuivre, et des mesures sont prises pour qu'il y ait une exacte compensation. Afin d'empêcher la congélation du liquide, une bilame B ferme le circuit d'une lampe L , lorsque la température descend trop fortement. La lampe reste allumée jusqu'à ce que la chaleur qu'elle dégage ait ramené la bilame dans la position normale. Chaque mois, un contrôleur retire un des voltamètres qu'il porte à l'usine , afin de vérifier l'accroissement de poids de la cathode ; pendant ce temps, l'autre voltamètre totalise le courant utilisé par l'abonné.

l'autre du balancier magnétique, fig. 146. Les mécanismes de ces horloges sont reliés par un train d'engrenages différentiels qui totalise les différences de vitesse des deux mouvements sur une série

de cadrans. Les changements de température agissant également surles deux balanciers n'influencent pas sensiblement le compteur.

Fig. 147.

On voit dans un coin de la boîte un fil à plomb servant à mettre l'appareil de niveau.

Les indications de l'instrument dépendent de la permanence du magnétisme du balancier de droite. Un courant intense, provoqué par exemple par un court-circuit momentané dans l'installation, suffit parfois pour modifier profondément l'aimantation du barreau. De plus , il est assez facile de frauder en disposant un aimant dans le voisinage du compteur de manière à annuler l'effet du courant.

Lorsqu'il s'agit de totaliser l'énergie absorbée par un circuit ou simplement de desservir une distribution par courants alternatifs,

Fîg. i43.

on adopte une combinaison reposant sur le principe du wattmètre, fig. 147. La bobine fixe, formée de gros lîl et parcourue par le courant utilisé, est placée horizontalement. A l'intérieur de cette

bobine oscille une bobine de fil fin supportée par le balancier de droite à l'aide d'un étrier et reliée aux points d'entrée et de sortie du circuit desservant les récepteurs. La variation d'allure des deux mouvements d'horlogerie est proportionnelle à l'action mutuelle des deux bobines, c'est à dire à la puissance électrique moyenne.

Dans le modèle le plus récent du compteur Aron, fig. 148, les balanciers, qui ont été raccourcis pour accélérer les oscillations et augmenterainsi la sensibilité, sont terminés chacun par une bobine mise en dérivation sur les conducteurs principaux. Les bobines fixes sont traversées , en sens contraires, par le courant d'utilisation, de manière à produire une accélération d'un côté et un ralentissement de l'autre et à entraîner la minuterie proportionnellement à la différence des nombres de battements des pendules.

Comme il est impossible d'arriver au synchronisme parfait des deux balanciers à vide, M. Aron a eu l'idée d'intervertir périodiquement le courant dans les deux bobines mobiles, ce qui compense les erreurs et soustrait le système aux influences magnétiques extérieures.

En outre, chaque mouvement de l'inverseur de courant provoque le remontage automatique des ressorts des mécanismes d'horlogerie.

Dans le cas des distributions à 3 conducteurs par courants continus, les deux bobines fixes sont intercalées dans les conducteurs extrêmes et les- bobines mobiles dérivées sur ces conducteurs.

Pour les distributions triphasées , on effectue les liaisons indiquées au chapitre précédent. Des interversions automatiques s'effectuent comme avec les courants simples.

j Joulemètres-moteurs. Système £. Thomson. Système

Vulcain. — On doit à M. E. Thomson un joulemètre à intégration continue convenant également aux courants continus et aux courants alternatifs, fig. 149. Le principe de ce système avait été indiqué par MM. Ayrton et Perry. Deux bobines de gros fil, traversées par le courant de circulation , servent d'inducteurs à une bobine mobile de fil fin à laquelle on ajoute une résistance extérieure sans self-induction et qu'on place en dérivation sur le circuit utile. Un commutateur, analogue à celui de Gramme, est disposé sur l'axe de rotation vertical de la bobine de fil fin, qui prend un

mouvement rotatoire sous l'influence d'un couple électrodynamique proportionnel aux watts consommés et équilibré, lorsque la vitesse de régime est atteinte, par la réaction des courants de

Foucault développés dans un disque en cuivre entraîné entre les pôles d'aimants permanents. L'appareil constitue donc un moteur électrique dont la puissance est absorbée, sous forme de chaleur, par un frein à disque de Foucault. Le couple retardateur est proportionnel au carré du flux magnétique fourni par les aimants. Les aimants qui commandent l'amortissement doivent donc être très constants. Afin de compenser les frottements, on a muni les inducteurs d'un enroulement supplémentaire en fil fin, disposé en série avec l'induit, parcouru par le courant dérivé et produisant un couple égal à celui des frottements. Le nombre de révolutions de cet induit sans fer est enregistré par les aiguilles des cadrans supérieurs.

Pour les distributions à conducteurs multiples, on adopte des combinaisons analogues à celles décrites au sujet des compteurs Aron.

L'instrument consomme 7,5 watts lorsque la puissance utilisée est 2 5oo watts; il enregistre des que cette puissance atteint 10 watts. Après un court-circuit, il arrive que les aimants amortisseurs sont modifiés par les courants excessifs qui ont traversé les inducteurs.

Le joulemètre Vulcain est également un compteur-moteur, dans lequel diverses modifications ont été introduites.

Fig.iSo.

L'induit du petit moteur repose surdes saphirs montés sur des ressorts à boudin qui s'opposent au serrage excessif des pointes et

,QQMPTEURS ÉLECTRIQUES. 297

diminuent les frottements. Le frein électromagnétique comporte un cylindre tournant dans une couronne d'aimants, dont la hauteur peut être réglée de manière que les indications de l'appareil soient conformes à la constante inscrite. Un compteur de 22 kilowatts ne prend que 3o watts environ à vide.

On tare les compteurs-moteurs en déterminant l'énergie correspondant à un nombre donné de tours de celui des mobiles dont la vitesse est la plus grande. L'examen du système d'engrenages reliant ce mobile au totalisateur fait connaître le nombre de tours du premier que représente une division du cadran des unités.

Ainsi, dans certains compteurs E. Thomson, il faut 100 révolutions de l'induit du moteur pour faire avancer l'aiguille des unités d'une division. La constante de ces appareils est donc égale au nombre de watts-heures correspondant à ce nombre de tours. Si la constante trouvée diffère de celle renseignée parle constructeur, on peut la ramener à cette valeur en modifiant la position des aimants permanents.

Compteur Ferraris. — Ce compteur, applicable aux courants alternatifs, comprend un anneau en fera, fig. 1 5 1 , présentant 4 pôles intérieurs saillants, dont deux,^,/*, sont excités par le courant principal de circulation et les deux autres, e, tf, par un courant dérivé à travers un circuit de réactance suffisante pour être décalé d'environ 900 par rapport à la tension utile.

Les bobines produisent un champ magnétique tournant concentré par un anneau de fer fixe c, autour duquel un tambour d'aluminium b pivote sur un axe d. Un amortisseur à aimants produit le couple antagoniste.

Le nombre de révolutions du tambour entraîné par le champ est totalisé par un compteur à cadrans.

L'appareil ne consomme que 1 watt dans le circuit dérivé, pour une tension efficace de 120 volts. Il reste au repos lorsque le courant d'utilisation est nul et commence à tourner lorsque celui-ci atteint o,25 pour 100 de sa valeur limite.

En pleine charge, l'erreur maxima est de 3 pour 100.

Cet appareil n'est pas influencé par les aimants extérieurs et les vibrations. Il doit être étalonné pour la fréquence particulière des courants à mesurer.

Dans les circuits à courants triphasés ou la charge est inégalement répartie, on fait usage de i compteurs semblables dont les bobines

Fig. i5t.

à gros fil sont insérées dans 2 des conducteurs de ligne et les enroulements à fil fin dérivés respectivement entre ceux-ci et le 3* conducteur.

Compteurs à intégration discontinue. Compteur Frager. —

Les joutemètres Frager comprennent 3 parties distinctes :

i° Un wattmètre dont la déviation est proportionnelle à la puissance utilisée;

2° Un mécanisme communiquant un mouvement de rotation lent et continu à une came qui rencontre l'aiguille de l'appareil précédent pendant un temps variable avec l'amplitude de la déviation;

3" Un compteur à cadrans, mis en mouvement pendant toute la durée du contact de la came avec l'aiguille indicatrice.

COMPTEl'RS ÉLECTRIQUES. 299

Il résulte de cette combinaison que les cadrans enregistrent des nombres proportionnels aux produits par le temps de la puissance indiquée, c'est à dire totalisent l'énergie fournie.

Ces appareils peuvent obéir à des courants très faibles ; ils ne présentent pas de frottements comme les compteurs-moteurs.

Tarification de l'énergie électrique. Système Wright. Système Brown et Routin. — Le premier système de tarification employé est celui du tarif à forfait, d'après lequel l'abonné paie une redevance fixe, quelle que soit la consommation.

On a ensuite eu recours au compteur avec tarif uniforme ou échelle de réduction proportionnelle à la consommation ; ce système n'offre d'avantages que pour les clients importants.

On a aussi proposé d'exiger une somme fixe jusqu'à concurrence d'une consommation déterminée; puis, au delà de celle-ci, une redevance proportionnelle à la consommation supplémentaire.

Dans quelques villes, on a adopté la combinaison suivante qui engage les abonnés à augmenter la demande moyenne de courant. Soit une installation privée pouvant absorber au maximum 10 kilowatts. On fait payer à raison de i fr. les 10 premiers kilowattsheures journaliers et de fr. 0,10 les kilowatts-heures suivants; en sorte que, si le compteur marque au bout du mois 5oo kilowattsheures, la taxe est de 3oo X i + 200 X 0,1 = 32o francs. Une consommation mensuelle de 1 000 kilowatts-heures n'aurait coûté que 3oo X 1 + 700 X 0,1 = 370 francs.

Tous ces systèmes présentent le défaut suivant : à l'heure où la dépense d'énergie pour l'éclairage est maxima , l'énergie demandée par les moteurs s'y ajoute. Il conviendrait d'engager les industriels à diminuer le maximum de la puissance absorbée ; or, les systèmes de tarification indiqués plus haut ne tendent pas à abaisser la plus grande ordonnée du diagramme des puissances. Le système Wright remédie à cet inconvénient.

Dans ce système, une première taxe est appliquée à une partie de l'énergie consommée proportionnelle au maximum de la puissance totale demandée et le reste de la consommation n'est frappé que d'une taxe relativement modique. Un compteur ordinaire totalise l'énergie consommée, tandis qu'un appareil spécial, connu sous le nom d'indicateur de Wright, marque la puissance maxima utilisée par l'abonné.

3oo

L'indicateur de Wright, fig. 1 5 2, comporte un tube en U terminé par deux ampoules fermées et sur lequel est branché un tube gradué fermé par le bas. Dans le tube U se trouve un liquide coloré. Un ruban en platinoïde, parcouru par le courant total de l'abonné ,

Fig. ,5l.

entoure l'ampoule A et provoque par son échauffement la dilatation de l'air de celle-ci , ce qui entraine le déversement, dans le tube gradué T, d'une partie du liquide d'au tant plus grande que le courant a été plus intense. L'échauffement de l'air n'étant pas très rapide, un courant momentané intense, tel qu'en produit un court-circuit, n'a pas d'action sur l'appareil. La hauteur du liquide dans le tube T marque l'intensité maxima atteinte par le courant pendant la durée du fonctionnement de l'instrument, attendu que ce tube ne reçoit de liquide que si le courant atteint une intensité supérieure aux valeurs antérieures. Le contrôleur vérifie l'instrument, par exemple, chaque mois et le fait ensuite basculer de manière à provoquer la rentrée du liquide dans le tube U. La graduation est faite empiriquement pour chaque appareil.

Le système Wright, employé à Brîghton, a produit d'excellents résultats. Il a toutefois l'inconvénient de mettre sur le même rang les abonnés qui ont leur consommation maxima le jour et ceux qui l'ont le soir.

COMPTEURS ÉLECTRIQUES. 3ûl

Le meilleur moyen d'engager les consommateurs à diminuer la demande d'énergie aux moments de forte charge de l'usine consiste en une tarification différente aux heures du jour et aux heures du soir; ce qui peut s'obtenir en faisant usage de deux compteurs qui sont mis en action à des heures convenables par un mécanisme spécial commandé de l'usine , ou d'un seul compteur analogue à celui imaginé par MM. Brown et Routin. Dans ce compteur, à enregistrement intermittent, des signaux, donnés par une horloge de la station centrale et transmis par des courants alternatifs dans une distribution à courants continus ou inversement, font avancer le totalisateur plus rapidement pendant les heures du soir que pendant la journée.