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10 je 40 50

Courant en amperts Fig. 272.

GêNÊRATEUHS ET MOTEITRS A COimANT CONTINU.

Sance électrique dépensée, de la puissance motrice développée ''et du rendement en fonction flu courant absorbé sous voltage

constant.

I Les fig. 272 et 273 représentent de telles caractéristiques

relevées sur deux moteurs de trannyay, excités respective- ^inent en série et en dérivation. Les efibrts, vitesses et puismces motrices sont rapportés à la jante des roues des

toitures.

10 20 iO 40 SO 60

Coursai tm êmptrr»

Fig 273.

On char.ge le moteur essayé au moyen d'un frein, chap. II, lU d'une génératrice tarée, qu'on accouple au moteur à l'aide d'un manchon élastique, la liaison par courroie occasionnant une perte mal définie. Il faut avoir soin de laisser tourner le moteur, protégé par un disjoncteur automatique à maxima, pendant un temps suffisant pour donner à l'huile des paliers sa température normale. On soumet le moteur à sa tension de service, tandis qu'on fait varier la puissance mécanique. On ibserve le courant d'alimentation et la vitesse pour chaque régime.

Dans un tableau l'on note, en tête, la date, la température ambiante, les données relatives au moteur et aux divers apf>ails de mesure, puis, dans des colonnes successives, les n" d'ordre des expériences, les nombres de tours par minute,

les différences de potentiel aux bornes, les courants, les puissances électriques calculées, les indications du l'rein, 1« puissances utiles, les rendements et les remarques spéciale

Il est utile de connaître l'effort de démarrage qu'un moteur peut développer avec le courant de pleine charge. A cet effei on détermine le moment du l'rein que la machine peut si monter dans ces conditions. Quelquefois, on fait simplemc appuyer sur une balance à poids ou à ressort un le\ier attact horizontalement à In poulie du moteur.

La û^. 274 indique des connexions propres à l'étude d'u électromoteur en série, dont la puissance motrice est absorW

Cffi/t^em

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Fig. 374-

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tv-v.:

il;

par un frein électromagnétique. Après avoir fermé le disjonc teur automatique à maxima qui commande l'installation, on met les résistances de démarrage progressivement en courlfj circuit, en manœuvrant la manivelle du contrôleur. L'équilibi du frein, pour une position déterminée du poids mobile M (.il appan-il, s'obtient par le réglage du courant envoyé da l'électro-aimant de celui-ci. Pour un certain couple résistanlj imposé au moteur, on peut trouver la relation entre la vîtes et la différence de potentiel agissante en changeant cctl dernière à l'aide du contrôleur.

GÉNÉRATETOS ET MOTEURS A COURANT CONTINU

Détermination directe du rendement des dynamos. —

Cas de moteurs uiécatiiques.

Un procédé direct d'évaluation du rendement d'une génératrice consiste à déterminer, par des mesures mécaniques, la puissance motrice appliquée à l'arbre de la dynamo, en même temps qu'on estime les watts disponibles aux bornes.

Quand la génératrice est conduite par une machine à vapeur, la puissance mécanique qu'elle absorbe se déduit ordinairement des diagrammes d'indicateur relevés sur cette dernière. Eu égard aux taibles ditVéï'ences entre les frottements d'une machine à vapeur en charge et à vide, on peut admettre, dans un essai approximatif, que la puissance efl'ective d'un tel moteur est égale à l'excès de la puissance indiquée en charge sur la puissance indiquée à vide pour une même vitesse. Si la machine à vapeur attaque indirectement la dynamo, on peut encore considérer, dans une première approximation, les frottements des organes intermédiaires comme indépendants de la charge. Il est essentiel que la vitesse soit invariable pendant les mesures et on attendra, avant do commencer celles-ri, que le groupe électrogène ait tourné pendant un temps suffisant pour donner aux huiles et graisses leur fluidité normale, ces lubrifiants ofi'rant parfois à froid une résistance beaucoup plus élevée qu'à la température de réprime. La constance de la vitesse est particulièrement importante dans la marche à vide : vu le faible travail à effectuer dans ces conditions, le volant apporte, pendant un ralentissement d'allure, un appoint sérieux à la vapeur et, lors d'une accélération, celle-ci doit au contraire fournir, outre le travail des frottements, l'énergie, souvent plus considérable, nécessaire pour vaincre l'inertie du volant. La petitesse des diagrammes correspondant à la marche à vide rend le ré.sultat des expériences de ce genre précaire. Une amélioration à ce point de vue consiste à abaisser la pression de la vapeur pour l'obtention de diagrammes plus faciles à surfacer avec précision.

On trouve une valeur plus exacte de la puissance reçue par la génératrice en substituant à celle-ci un frein qui absorbe le travail de la machine à vapeur dans les mêmes circonstances d'admission et de vitesse.

1 ue

Le dynamomètre de transmission offre un autre moyen de mesurer l'énergie communiquée à la dynamo, mais cet appare n'est guère applicable qu'aux faibles puissances.

Par suite de la difficulté de séparer entièrement les pert dans le moteur des pertes dans la génératrice, on convienT souvent, en cas de couplage direct, de ne chercher que lc^ rapport de la puissance électrique utile à la puissance indiqué aux cylindres à vapeur, c'est-à-dire le rendement combiné deux machines.

Quand il s'agit d'une dynamo actionnée par une turbine | eau ou à vapeur, on se contente ordinairement d'évaluer l'ea ou la vapeur consommée, sous la pression de service, pa~ kilowatt-heure recueilli aux bornes de la génératrice. ^

Les mesures électriques qui accompagnent les mesurc^f mécaniques sont l'estimation de la différence de potentiel aux bornes de la dynamo, le relevé de l'intensité du courant utile et, éventuellement, la détermination de l'intensité du courant d'excitation.

La génératrice est de préférence mise en charge sur des lampes à incandescence ou une résistance artificielle pùur courants intenses du genre de celles décrites au chap. IV. Lorsqu'on est obligé de faire l'essai pendant que la dynamo alimente des électromoteurs ou d'autres récepteurs à marche irréguliére, il convient, pour atteindre quelque précision, de faire de nombreuses expériences permettant de prendre des moyennes. Si le voltage présente des fluctuations, on peut admettre approximativement que les pertes dans la dynamo; sont proportionnelles au carré de la tension. ^M

Dans l'essai, il est bon d'établir successivement divers régimes de courant, en maintenant la même vitesse et eûj changeant la résistance extérieure reliée à la d\-namo. Pou chaque valeur du débit, on fait des lectures simultanées, éga lement espacées, au voltmètre et à l'ampèremètre, pendant* qu'on tire les diagrammes d'indicateur et qu'on contrôle vitesse, en vue de déterminer la puissance électrique moyenne correspondant à la puissance mécanique. Il est d'ailleurs recommandable de répéter plusieurs fois l'ensemble des

GÉNÉRAlEmS ET MOTEURS A COURANT CONTINU.

iservations pour chaque régime, afin de réduire, par l'adoption de moyennes, l'influence des erreurs accidentelles auxquelles de telles mesures sont exposées. Notons, en passant, que la mesure de la vitesse est une des moins exactes, si l'on borne l'observation à une période troji courte. Aussi, vaut il mieux, avec les machines à vapeur de faible et moyenne vitesse, attacher un compte-tours à l'arbre, pour calculer la vitesse moyenne d'après le nombre de révolutions effectuées pendant toute la ilurée de la série d'expériences laites avec une même charge, que pousser un instrument à pointeau pendant une minute contre l'extrémité de l'arbre. On termine l'essai en relevant la puissance requise pour faire tourner la dynamo avec son circuit d'utilisation ouvert. On a ainsi toutes les données permettant de dresser la courbe du rendement de la génératrice ou du rendement combiné du groupe électrogène en lonction de !a puissance disponible.

La méthode de détermination du rendement dont il vient d'être question est sujette, il ne faut pas se le dissimuler, à des erreurs assez fortes. Les mesures mécaniques ne comportent généralement pas la même précision que les mesures électriques et, comme la puissance mécanique absorbée est obtenue par différence entre la puissance indiquée en charge et la puissance indiquée à vide, des erreurs de sens opposés sur ces dernières quantités peuvent introduire dans l'estimation de leur différence une grande inexactitude. On ne s'étonnera pas de rencontrer des écarts de 2 pour loo entre des essais de l'espèce exécutés avec des appareils différents par divers expérimentateurs.

Dans le cas d'une dynamo mue par une turbine à vapeur, 'pour rapporter la puissance électrique recueillie au poids de vapeur consommée, on a habituellement recours à un condenseur par surface, dont l'eau condensée est pesée dans des réservoirs tarés placés sur une bascule. On éprouve généraement un tel groupe électrogène durant quelques heures en pleine charge, puis, pendant un temps plus réduit, à 3/4, 1/2 et 1/4 de charge, de même qu'avec 1/4 et i/3 de surcharge. A défaut de condenseur par surlace, on peut mesurer le poids

d'eau injectée à la chaudière, en prenant les précautions si| lées au chap. II.

Emploi d'électromoteurs tarés.

Pour essayer une génératrice de faible ou moyenne puissance, on se sert plus avantageusement d'un moteur électrique, ([ui l'entraîne, non par courroie, ce qui occasionnerait un déchet difficile à préciser, mais directement, par un accouplement élastique évitant les eflbrts longitudinaux de nature à accroître les frottements dans les paliers. On commence par tracer la courlie de tarage de l'électromoteur pour la vitesse requise, en portant en abscisses les puissances absorbées sous difiV-rence de potentiel constante et en ordonnées les même \aleurs diminuées des pertes intérieures correspondantes.

Emploi de freins mécaniques ou électromagnétiques.

Lorsiju'on n'a pas aftaire à une très petite dyniamo, peut admettre l'égalité des rendements de la machine l'onc-'' tiunnant, dans des conditions comparables, successivement comme génératrice et comme nuitenr.

Un essai au frein de Prony peut donc suffire alors pour' obtenir le rendement, mesuré par îe rapport entre la puissance mécanique sur l'arlire et la puissance électrique fournie par la .source d'alimentation. Dans le cas d'une grande dynamo, on ne peut pas utiliser la poulie de service pour l'application du frein ; afin «l'éviter un échauflcment exagéré, il faut faire usage d'une jioulie spéciale à grande surface et refroidie au besoin.

On remarquera qu'une génératrice, dont le rendement a été déterminé au préahiMe pour diverses valeurs de la vitesse, du courant débité et de la différence de potentiel aux bornes constitue un excellent frein pour l'étude des moteurs électriques et autres, de simples lectures d'ampèremètre et de voltmètre permettant d'estimer la puissance mécanique absorbée et la majeure partie de celle-ci pouvant être récupérée dans un circuit d'utilisation. Une djnamo peut au surplus fonctionner indéfiniment, tandis qu'un frein ordinaire exige des soins particuliers rendant les expériences de longue durée difficiles. Les petites dynamos ne sont toutefois pas à recommander

GÉNÉRATEURS ET MOIEURS A COURANT CONIINU.

comme freins, par suite de l'importance relativement grande ^^tle leurs irottcnients, susceptibles de varier assez fortement ^■avec la pression des balais et le graissage. ^P Pour les faibles puissances, on construit des freins électro- ^■mapnétiques sans balais, dont l'induit est un disque de cuivre. ^fOn mesure le couple résistant qu'ils exercent en équilibrant

par des poids leur inducteur mobile sur couteaux, qui tend à

suivre le mou\'ement du disque.

^^ M. Marcel Deprez et, plus récemment, M. Krebs ont réalisé ^Bdes dispositifs analogues capables d'absorber la puissance de

grands moteurs électriques, tout en permettant de récupérer la

tplus grande partie de l'énergie dépensée. Le moteur à essayer est réuni à une génératrice-frein, dont l'inducteur, au lieu de Reposer sur le sol comme dans les dynamos courantes, peut osciller dans des coussinets à billes fixés à la londation. Le

I couple qui tend à entraîner cet inducteur autour de son induit pst équilibré à l'aide de poids ou de ressorts agissant sur un levier, dont la course est limitée par des buttoirs. Il représente le couple d'entraînement du moteur, diminué du couple correspondant aux frottements mécaniques de la génératrice, lesquels peuvent être estimés par des expériences spéciales. Le rôle d'un tel frein peut être interverti. Il est possible I d'employer l'appareil comme électramoteur pour actionner une fénératrice, le couple mesuré étant alors égal au couple effectif augmenté du couple des résistances de frottement.

ui

Détermination du rendement de dynamos couplées. —

Méthode de MM. Hopkinsou.

Il est possible de réduire l'influence des erreurs entachant

s mesures mécaniques en ne faisant porter celles-ci que sur l'énergie dissipée par les pertes intérieures des dynamos essayées. Si ces déchets représentent 10 pour \oa du travail utile et si l'on commet dans leur estimatitm l'erreur consi-

érable de 5 pour 100, on peut encore obtenir le rendement

es machines à o,5 pour looprès.

La méthode ci-après est basée sur l'hypothèse de l'égalité très approchée des rendements de deux dynamos identiques

couplées mccaniquement et électriquement, quand l'une fonc tienne comme ^génératrice et l'autre comme moteur, le courant de la première étant envoyé dans la seconde. La puissano motrice nécessaire pour entretenir les deux machines en marche dans ces conditions se réduit à la somme de leurs pertes intérieures.

Les arbres des dynamos sont manchonnés. Si l'on n'est pas certain du maintien de leur alignement, il faut, pour éviter d' frottements exagérés dans les coussinets, recourir à un accoi plement élastique, tel qu'un manchon Raffard, ou à un ressoi à boudin en acier. L'ensemble des deux machines est coi mande par une courroie, sur laquelle on dispose un dynamomètre de transmission. Si l'on possède un électromoteur taré comme il a été dit au paragraphe précédent, il vaut mieux l'utiliser pour attaquer directement l'axe du groupe à l'essai.

Lorsque les deux dynamos sont excitées en dérivation, leur association électrique n'offre aucune difficulté et il est aisé d régler les courants inducteurs, par des rhéostats de champ magnétique, de manière que l'une des machines développe une force électromotrice supérieure à celle de l'autre et joue le rôle de génératrice, en débitant sur la seconde machine q fait l'office de moteur. On fait en sorte que la tension aux bornes communes et le courant échangé aient les valeurs normales. Avec des excitations en série ou composées, il est plus prudent d'aimanter les inducteurs par une source électrique indépendante, afin de se mettre à l'abri des renversements de pôles pouvant résulter de fausses manœuvres. j

Pour que la moyenne des puissances mécaniques des Jeut;;^! dynamos représente la puissance normale de celles-ci, il faut ~ nécessairement que la génératrice fonctionne au delà et le moteur en deçà de cette charge. Le premier appareil absorlx alors une puissance égale à la puissance normale augmentée de ses pertes intérieures, tandis que le second restitue puissance normale diminuée des pertes intérieures qui lui soni propres. Avec des machines assez fortes pour que leurs déchc soient inférieurs à lo pour loo de la puissance de régime, la surcharge imposée à la génératrice n'ofire pas d'inconvé*,

GÉNÉRATEtTlS ET MOTEtTlS K COLTIANT CONTINU. 567

nients et, dans les circonstances ci-dessus, le rendement des dynamos ne diffère pas pratiquement du rendement en charge normale, la courbe du rendement accusant, en général, peu de variation au voisinage de cette dernière.

La puissance p, mesurée à l'aide du dynamomètre de transmission ou de l'électromoteur taré, figure les pertes mécaniques, électriques et magnétiques totales des deux machines. La part qui revient à chacune d'elles est sensiblement />/2. Par suite, en appelant P la puissance électrique relevée aux bornes communes, le rendement de la génératrice a pour expression

On peut essayer ainsi de grandes dynamos avec une puissance motrice restreinte, attendu qu'il n'y a guère à fournir u'un cinquième de la puissance de régime d'une des machines. Le procédé décrit, de même que quelques-uns des suivants, se prête à l'étude de la perte dans les transmissions par courroie. On commence par accoupler directement les dynamos; puis on les réunit par l'intermédiaire d'une courroie. La différence des puissances p mesurées dans les deux cas est le résultat cherché.

^^ Méthode de MM. Fontaine et Cardew.

^H En vue de supprimer tout moteur auxiliaire, quand on dis- ^Hose d'une source électrique suffisante, on peut raccorder à ^^elle<i, comme l'ont indiqué séparément M. Fontaine et M. Cardew, l'une des deux dynamos identiques à essayer, ! dont les arbres sont solidarisés comme dans la méthode de MM. Hopkinson, tandis que l'autre est reliée à un rhéostat. De cette manière, la première machine, tournant comme moteur, entraîne la seconde, qui fait office de génératrice.

Le rapport entre les watts aux bornes de la génératrice et les watts aux bornes du moteur est approximativement égal au carré du rendement de chacun de ces appareils. Si l'on se sert du même voltmètre et du même ampèremètre pour effectuer les mesures, le résultat ne dépend pas de l'exacti-

1 se

tude de l'étalonnage de ces instruments, dont il suffit que indications soient proportionnelles. Une erreur due aux insti ments électriques est d'ailleurs atténuée par cette circonsi que la valeur cherchée dépend de la racine carrée des lectu:

Il convient de faire lonctionner les deux machines à régimes de courant aussi voisins que possible de l'intensité service, la tension appliquée au moteur dépassant le vol nominal d'une quantité à peu près égale à l'excès de celui sur la différence de potentiel Iburnie fiar la génératrice.

Ce procédé élimine toute difficulté en ce qui concerne le mode d'excitation, qui peut être diflérent dans les deiw machines étudiées. De plus, il permet d'accoupler des d>-namos construites pour des voltages inégaux, pourvu que leurs puissances et leurs pertes intérieures soient sensiblement les mêmes. Il est iVéquemmcnt appliqué aux moteurs de tramway, dont on estime ordinairement le rendement en comprenant dans les pertes intérieures les frottements des engrenages. On réunit deux machines par l'intermédiaire d'un faux essieu portant une roue dentée, de part et d'autre de laquelle engrènent les pignons d'attaque.

Dans un essai de durée, il est avantageux d'utiliser le courant débité, en l'envoyant dans une distribution. Si l'excitation de la génératrice est insuffisante pour arriver au voltage requis, il suffit de mettre un survolteur en série avec cette machine.

Méthode de Lord Raylcii^h et de M. Kaf^f-

La méthode dont il vient d'être question a l'inconvénient d'exiger une source électrique auxiliaire capable de développer une puissance supérieure à celle de chacune des dynamos essayées. Si l'on employait le courant produit par la généra^J trice pour aider la source auxiliaire, on pourrait réduire l'in^^ portance de cette dernière à la puissance perdue dans les deux machines accouplées et déterminer le rendement de granJf* dynamos au moyen d'un groupe électrogène ou d'une battent' d'accumulateurs relativement faible.

C'est ce qu'ont fait Lord Rayleigh et M. Kapp.

Désignons par Dj et D; les deux machines identiques i éprouver, mécaniquement reliées. Supposons les excitées en

CÉNÉRAIEURS ET MOTEURS A COURANT CONTINU

dérivation et disposons leurs circuits électriques comme le montre la fij^. 275, dans laquelle R, et R; désignent les rhéostats ie champ magnétique, B un rhéostat de démarrage, C,, Ci, tCa et C-, des clefs, A un ampèremètre et V un voltmètre.

-"ÇVJ — ,

4M/UW

Fig-. 275-

Soit D] la dynamo adoptée comme moteur, le choix étant indifférent puisque tout est symétrique. Après avoir lérmé la ■ clef C,, on met Di en marche à l'aide du rhéostat de démarrage et on règle sa vitesse au moyen du rhéostat Ri. On exxite ensuite la dynamo D: et on agit sur le rhéostat Ri jusiju'à ce ^que D» présente sensiblement la même différence de potentiel aux bornes que Di, ce qu'on vérifie au moyen du voltmètre. Lorsque ce résultat est atteint, l'induit Dj n'est traversé que par un courant minime au moment où l'on ferme la clef Ca, qui ^■réunit les deux dynamos en parallèle. Il convient (jue le voltmètre soit un appareil à aimant, pour être certain d'associer les machines par les pôles de mêmes noms, et on ne perdra pas de vue qu'un faible écart de tension suffit pour occasionner un Icourant ilangereux dans le circuit peu résistant des armatures. jOn augmente graduellement l'excitation de Dj, jusqu'à ce que Ile courant I; débité par cotte dynamo soit en deçà du courant

normal d'une quantité égale à l'excédent sur celui-ci du coi rant Ii absorbé parle moteur. L'ampèremètre, qui renseigni le courant Ij quand on laisse la clef C» ouverte, indique le courant Il lorsqu'on ouvre la clef C, après fermeture de la clef Cj. La différence Ii — I. représente le courant emprunté par le moteur à la source auxiliaire.

L'emploi d'un même ampèremètre et d'un même voltmètre pour les deux machines réduit au minimum l'influence d erreurs de mesure.

On lit, à diverses reprises, les courants L et !«, en manœu vrant les clefs Ci et Cj. On observe simultanément les voltages correspondants Vi et V», en déplaçant la clef C-,. Ces tensions diffèrent légèrement entr'elles à cause de la résistance de la clef C3, de l'ampèremètre et des fils de connexion.

Le rapport V;I;/ViI, vaut sensiblement le carré du rendement T, de chaque d\-namo. Rigoureusement, il est égal au produit des rendements de la génératrice, du moteur et de la courroie d'accouplement, si un tel intermédiaire est utilisé, ce qui n'est pas désirable vu l'incertitude quant à son effet utile." Si les voltages V| et Vj sont très peu différents, on peut écrire simplement

.rc

Avec les machines à excitation en série ou composée, mise en parallèle amène aisément des renversements de pôlesj et des intensités de courant excessives. Déjà, dans le cas des! dynamos en dérivation, il faut être très circonspect pour éviter] de fausses manœuvres.

On préfère sou\ent laisser les circuits magnétisants enj dehors des connexions principales et' traiter les dynamos j comme des machines à excitation indépendante, quels quel soient les modes d'enroulement des inducteurs. Il est toujours possible d'estimer la dépense par effet Joule dans ceux-ci, ea mesurant leurs résistances à chaud, ainsi que les courants qui les traversent ou les différences de potentiel qui y sont appliquées. Cette disposition a au surplus l'avantage de ne pas

GÉNÉRATEURS ET MOTEURS A COURANT CONTINU. 571

faire entrer en ligne de compte, comme plus haut, l'énergie consommée dans les rhéostats de champ.

Si I, et /j sont les courants dans les induits des machines associées, on a alors, pour l'expression du rendement, en appelant Wi et Ws les pertes par effet Joule dans les inducteurs,

D'un tel essai, on peut déduire la somme des déchets F par frottements, H par hystérésis et C par courants de Foucault de chacune des dynamos, en lui supposant la même valeur dans les deux machines. Soit r^ la résistance de chaque armature à chaud :

F + H + C = i (V, «, - V, i.) - -fa («.' + iV).

^m La méthode peut être étendue à des machines couplées ^■en parallèle avec des excitations égales, à la condition de mettre à la suite de l'une d'elles quelques couples secondaires en opposition avec sa force électromotrice. Cette variante convient aux machines à inducteur unique et à deux armatures, telles que certaines dynamos actionnées par des turbines de Laval.

Dans les combinaisons ci-dessus, la source électrique auxiliaire doit fournir la difterence de potentiel normale des dynamos essayées. Si celles-ci sont construites pour un voltage très élevé, il est loisible, au lieu de les relier en parallèle par rapport à la source auxiliaire, de les mettre en série avec cette dernière, en ayant soin d'exciter les inducteurs indépendamment, pour éviter tout accident, et d'opposer les forces électromotrices des armatures. La source auxiliaire doit alors débiter un courant égal au courant de service île chacun des induits et suppléer à la différence entre la tension V, nécessaire au moteur et la tension V. fournie par la génératrice. Abstraction faite de l'excitation, le rendement vaut alors

^■WP.-

CHAPIIRE XXXI.

Tous les procédés d'essai par dynamos couplées avec reçu pération sont très avantageux pour les expériences de durée,J parce qu'ils n'occasionnent pas de dépenses considérable d'énergie.

Détermination du rendement par évaluation des pertes.]

— Mctiiflde de M. Suinburnc.

M. Swinburne a suggéré une méthode d'essai très commoJti pour la recherche du rendement d'une dynamo sous diverse charges et n'exigeant qu'une source d'électricité auxiliaire suffisante pour faire fonctionner la machine à vide.

Ce procède implique l'hypothèse de la constance des pertes par frottements, hystérésis et courants de Foucault d'un moteur électrique avec et sans charge, pour un flux magné tique à travers l'induit et une vitesse de rotation détermines,] ainsi que celle de l'égalité des rendements d'une dynamc comme moteur et comme génératrice.

Considérons, par exemple, une génératrice en série construite^ pour donner, à la vitesse de N tours par unité de temps, une différence de potentiel aux bornes V et un courant i. Dans ces conditions, le rendement de la machine a pour expression

Tl =

Ta, Ts et a représentant respectivement la résistance de l'induit, celle de l'inducteur et les déchets F + H + C par frottements,! hystérésis et courants de Foucault, et la force électromotricc| que la dynamo développe est

Pour estimer a, excitons l'inducteur séparément de telle manière que la dynamo, tournant comme moteur à vide, acquière! la vitesse N en produisant la force électromotrice E. Soit f le] courant très faible i[ue l'induit absorbe alors sous une différence de potentiel

V'=E4-i'r<,, dont le second terme est généralement négligeable devant le

CÉNftRATEURS ET MOTEURS A COURANT CONTINU.

premier. Le flux magnétique à travers l'induit est ainsi le même que dans le fonctionnement comme génératrice en charge, car on a, dans les deux cas,

nNpIc'

n étant le nombre de conducteurs actifs à la périphérie de l'induit ofirant 2f circuits ilérivés et 2/) le nombre de pôles de l'inducteur.

A égalité de \'itesse et de flux dans l'armature, les frottements augmentent très peu avec la charge, sauf en cas d'attaque par courroie ; la perte par hystérésis est légèrement plus élevée en charge qu'à vide, par suite de la déformation du flux, qui accroît localement l'induction magnétique et sursature les tlents tlu noyau en certaines régions ; cette déformation accentue aussi quelque peu les courants de Foucault en rendant les variations de flux plus brusques, spécialement \crs les cornes polaires; les supports de fixation, surtout dans les anneaux, sont également le siège de courants induits plus intenses en charge qu'à vide ; enfin, les extra-courants sous les balais occasionnent un déchet croissant avec !a charge. Pour ces diverses raisons, abstraction faite de l'eft'et Joule, les pertes totales sont ordinairement plus faibles de i à 2 pour loo de la puissance nominale à vide qu'en régime normal. Cependant, pour une première approximation, il est admissible de négliger la différence et de poser que les déchets en question sont mesurés par

de sorte qu'on peut calculer le rendement cherché par la formule

V/ + (r„ + r,),-»+ Ei'

S'il s'agissait d'une génératrice en dérivation, dont l'inducteur, de résistance rj, est traversé en charge par un courant ij, viendrait

V» -f- rj (»• Jf idY + rj $/ + Ef

Pour un électromotcur, en désignant par V et / la tension < le courant d'alimentation en charge, on aurait, dans l'éventua lité d'une excitation dérivée par exemple,

y» — ta (i — ij)* — n irf* — E i'

Il est important de faire intervenir dans la résistance l'induit les contacts entre les balais et le collecteur. Les résij tances de l'armature et de l'inducteur doivent être prises, av< les précautions indiquées antérieurement, à la température charge ou ramenées à celle-ci. Pour donner à vide aux frot-' tements leur valeur normale, il est nécessaire de laisser tourner, la machine pendant un certain temps, afin que l'huile de paliers prenne sa température de service. Il faut aussi veille à ce que les balais aient leur serrage usuel.

On remarquera que la méthode exposée est analogue à cell^ <|ui consiste à évaluer le rendement d'une machine à vapeu par la mesure de la puissance indiquée quand la machiné tourne à vide. Elle est applicable, non seulement à la pleine charge, mais à toutes les charges.

^ !:it|

Fig. 276.

La fig. 276 montre les connexions à réaliser pour la marche!

GÉNÉR.ATEURS ET MOTEURS A COURANT CONTINU

à vide comme moteur. Il est à conseiller de l'aire usage d'une batterie d'accumulateurs comme source auxiliaire, afin d'obtenir un courant d'essai bien constant, à moins qu'on ne dispose d'une génératrice électrique conduite par un moteur très régulier, et encore, dans ce dernier cas, une certaine circonspection est nécessaire. C'est ainsi qu'on évitera d'alimenter une dynamo en dérivation puissante par une petite génératrice en série, de crainte que les variations de vitesse n'amènent un renversement de polarité magnétique dans celle-ci.

A part l'erreur systématique provenant de l'inconstance des pertes signalée plus haut et dont l'ordre n'excède pas l'incertitude que comporte la détermination directe du rendement d'après les diagrammes d'indicateur, la méthode de M. Swinburne, qui est la plus usitée à cause de sa simplicité, admet une grande précision, parce que les mesures portent uniquement sur la puissance perdue dans la dynamo, c'est-à-dire sur la différence entre la puissance reçue et la puissance restituée. Si l'excès représente lo pour loo de cette dernière, par exemple, et peut être estimé à 2 pour lou près, à l'aide du voltmètre et <le l'ampèremètre, la valeur trouvée pour le rendement est exacte à 0,2 pour 100 environ.

Un léger écart autour de la vitesse N dans la marche comme moteur à vide a très peu d'influence sur le courant i' observé, car

et la force contre-électromotrice E varie sensiblement comme la différence de potentiel V avec la vitesse. Un déréglage de vitesse de 4 à 5 pour ico ne modifie pratiquement pas l'intensité r.

Il est toujours bon de vérifier si la machine examinée est capable de fonctionner, sans échauffement exagéré et étincelles de commutation excessives, avec les constantes V, i et N indiquées par le constructeur.

Comparaison nuincrique avec la méthode de Lord Rayleigh et de M. Kapp.

Tandis que la méthode de M. Swinburne conduit à des

rendements trop forts, celle de Lord Rayleigh et de M. Kapp donne des valeurs plutôt trop faibles, attendu que les deux dynamos couplées travaillent l'une au-dessus et l'autre en dessous de la puissance nonnale.

Voici, à titre d'exemple, les résultats relevés sur deux électromoteurs en dérivation D, et Dj, de construction identique et destinés à développer une puissance mécanique voisine de lo chevaux, au régime de 114 volts, "5 ampères et goo tours par minute.

Les appareils de mesure utilisés étaient un voltmètre Weston pour lire les tensions et un millivoltmètre Weston, dérivisur un shunt, pour noter les intensités. Ces instruments avaient été étalonnés au préalable. Les calculs numériques ont été effectués à la règle de 52 cm.

Les machines, accouplées élastiquement par l'intermédiaire d'un ressort à boudin et associées électriquement suivant la disposition de la tig. 275, mais avec des excitations indépendantes, ont été maintenues en charge pendant 2,5 heures, pour échauffer les circuits et les lubrifiants. Après cette durée, une série de lectures a donné les moyennes ci-dessous:

Moteur Di: Il = 86,2 ampères; Vj = ii3,g7 volts; «iVi = 9825 watts.

Moteur Dt:«s = 66, 5 ampères ;V-= ii5.98volts;i.Vs = 7717 watts.

Nombre de révolutions: i 121 par minute.

D'après ces chiffres,

Pour déterminer la résistance fa, on a fait passer ilansi armatures, au moment de l'arrêt, un courant estimé au moyen | du millivoltmètre shunté, la différence de potentiel aux balais j étant évaluée par un voltmètre Weston marquant de o à 3 volts. 1 La moyenne de trois expériences a été 0,061 ohm. Les inducteurs, mesurés suivant le même procédé, ont accusé, d'autre | part, 32,95 ohms.

De ce qui précède, il résulte que F ^- H -|- C = (xj2,5 watts j I 121 tours par minute, avec un courant moyen dans l'induit

GÉNÉRATEURS ET MOTEURS A COURANT CONTINU. 577

de 76,4 ampères et une force électromotrice moyenne de II4,3 volts, calculée par la formule

Vi — «1 rg + V« + i-2 Va

L'essai à vide de M. Swinburne, appliqué ensuite au moteur Di, a conduit aux chiffres suivants, qui font ressortir le peu d'influence d'un écart de vitesse :

Volts aux bornes.

Ampères dans l'induit.

Tours par minute.

L'effet Joule dû au courant de 5,3 ampères pouvant être négligé, on trouve ainsi, pour F -|- H + C, dans les conditions de vitesse et de force électromotrice moyenne du fonctionnement précédent en charge, 606 watts.

Le rapport des pertes F + H + C déduites des deux méthodes est donc

[F4-H4-C]Kapp 692^ j j^^

[ F + H 4- C ] Swinburne 6o6

Connaissant ce rapport, il suffit du procédé de M. Swinburne pour obtenir, d'une manière très approchée, la valeur réelle du rendement de toute dj'namo semblable à celles ci-dessus, au régime nominal renseigné par le constructeur.

Considérons, par exemple, le moteur Dp Avec un courant d'alimentation de yS ampères sous 114 volts, l'intensité dans l'induit vaut 75 — 114/32,95 ^ 7i,53 ampères, la chute de tension ohmique dans l'armature atteint 71, 53 X 0,061 ■-= 4,36 volts et la force contre-électromotrice mesure 114 — 4,36 = 109,64 volts. En cherchant à se rapprocher de cette dernière valeur, ainsi que de la vitesse de 900 tours par minute, dans un essai Swinburne, on a observé simultanément V = 109 volts, f = 4,89 ampères et N = 895 révolutions par minute. Il vient, par suite, dans les ■conditions normales de service :

Puissance électrique absorbée 8 55o watts.

Effet Joule dans l'induit 3i i id.

Effet Jfiiile dans l'inducteur igS id.

[F + H -I- CJswinburne 537 '«î-

IF + H -f C]Kapp 537 X 1,142 = 6i3 id.

Rendement Swinburne .... (855o — i 243),'855o = o,S55

Rendement Kapp (855o — i 3i9);8 55o = 0,848

Rendement moyen, à adopter o.85i3

Discussion,

Puisque ij = V/r^ et que, dans !a marche à vide, V diflèrc très peu de E, l'expression servant au calcul du rendement d'un électromoteur en dérivation, d'après la méthode de M. Swinburne, peut s'écrire sous la forme

où V et / sont des quantités données.

Soient dfa et lirj les erreurs que comportent les détermina- ; lions expérimentales des résistances r., et rj. Supposons, d'autre part, qu'au lieu de réaliser exactement, à vide, la vitesse normale N et la diflérence de potentiel V correspondant à la même force électromotrice qu'en charge, on opère à N j- ^N tours par unité de temps et on ait aux bornes de la dynamo une tension V ^ dV, ciN et rfV comprenant les

erreurs d'observation. Appelons enfin di' l'erreur commise

dans la lecture du courant i'.

En admettant qu'entre les limites restreintes d'expérience

les pertes mesurées par le produit V'i' sont proportionnelles à

la vitesse de rotation, les erreurs partielles du résultat sont:

^^ = ^ ,/..= A. f- .^. + ^^^ +^Vr^.

GÉNÉRATEURS ET MOTEURS A COURANT CONTINU. 579

" rfN V/ rfN V» V'»' V» N

Dans le cas particulier où V = 114 volts, / = yS ampères, N =- 900 tours par minute, Va = 0,061 ohm, ra = 32,95 ohms, V = icg volts et i = 4,89 ampères, les formules ci-dessus deviennent

tra = — 0,5987^^3,

Crj = 0,001 29 drj ,

Ci' = — 0,012 76 rf»',

<v' = — 0,000 572 3 dV,

Supposons qu'on désire, dans ces conditions, que l'erreur probable du résultat,

vaille o,oo5 r, et que toutes les erreurs partielles aient la même importance

. K/ o,oo5

soit, avec tj --- o,855,

« = 0,001 gii.

En égalant tv^, ^>v, £«', ^v et ^x à cette dernière valeur, on trouve qu'il faut alors que

dra

drj

rj

di' »■'"

dV'

rfN

Ce qui précède montre qu'il n'est pas indispensable Je mesurer les résistances électriques exactement à la tempérarature de service de la dynamo examinée. Les erreurs de 5,2.1 et 4,5 pour loo permises autorisent un écart de température de plus de lo«' C, le coefficient de variation du cuivre étant 0,004. Dans la méthode de M. Swinburne, comme dans beaucoup de procédés intlustriels, la cause d'inexactitude la plus sérieuse est une erreur systématique de principe, consistant principalement ici à admettre (jue les pertes dans le fer et les déchets par courants de Foucault dans le cuivre sont les mêmes à vide et en charge.

Métltade par essais à circuit ouvert et en court-circuit.

Pour déterminer le rendement d'une dynamo en évaluant les pertes, on fait habituellement fonctionner la machine comme réceptrice sans charge, ainsi qu'on \ ient de le voir plus haut. Mais, si l'on disjiose tl'uii éleclnimoteur taré, on peut l'utiliser pour entraîner la dynamo comme génératrice à vide, efi se servant de préférence d'un accouplement élastique direct, afin d'éviter l'incertitude au sujet de l'effet utile des courroies de transmission. Dans ces conditions, si la dynamo tourne à sa \itesse de régime, avec une excitation indépendante développant la force électromotrice induite de pleine charge, la puissance mécanique qu'elle absorbe vaut appro.ximativement les pertes nonnaks par hystérésis, courants de Foucault et frottements.

Le restant des pertes dont l'armature de la dynamo est le siège en service peut se trouver d'une manière semblable, par une expérience complémentaire. A cette fin, on met la dynamo, actionnée par le moteur taré, en court-circuit sur un ampèremètre de résistance négligeable, avec les balais calés à la lignr neutre géométrique, et on règle son excitation séparée jusqu'à obtenir, à la vitesse de régime, l'intensité du courant de pleine charge dans l'induit. La puissance motrice qui lui est alors fournie représente l'effet Joule normal rai.,' de l'arniature. la perte F par frottements, un déchet minime H' 4- C par hj-stèrésis et courants de Foucault tlù à la faible excitation, ainsi que le supplément H" 4- C" de pertes par hystérésis, courants de Foucault et extra-courants sous les balais qu'occasionne le

CENERATECRS ET MOTEURS A

SÛRÂF

fcourant de l'induit. En rompant !e court-circuit, on estime 'ensuite F |- H' 4- C', pour calculer, par dittcrcnce, îa somme /"a'.»" f H" '!- C", à ajouter à l'effet Joule normal dans l'inducteur et aux pertes mesurées dans la première marche à circuit ouvert pour avoir pratiquement toutes les pertes en charge de la dynamo étudiée.

Séparation des pertes par frottements, par hystérésis et par courants de Foucault. — Méthode de M. Mordey.

Il est utile deiconnaître séparément les pertes par frottements, par hystérésis et par courants de Foucault de l'induit d'une dynamo.

L'effet dissipateur des courants de Foucault croît sensiblement comme le carré de la vitesse, car il est proportionnel au carré de la force électromotrice d'induction qui leur donne naissance et en raison inverse de la résistance électrique qu'ils rencontrent, laquelle ne change pas V)eaucoup si l'armature n'atteint pas une température exagérée. La chaleur due à l'hystérésis est proportionnelle à la simple vitesse. Quant au déchet par frottements, il varie suivant une puissance de la vitesse comprise entre la première et la seconde.

S'appuyant sur les propriétés ci-dessus, M. Mordey a indiqué une méthode industrielle propre à déterminer l'importance individuelle de chacune de ces pertes. Il commence par mesurer, à l'aide d'un dynamomètre de transmission ou mieux d'un électromoteur taré, la puissance consommée par les frottements de la dynamo tournant, sans excitation, à différentes vitesses. Il relève ensuite la puissance absorbée lorsque la machine marche aux mêmes vitesses, à vide et avec l'inducteur excité indép>endamment de manière à produire le flu.x magnétique normal à travers l'induit. Par différence, on obtient ainsi la puissance dissipée, à chaque vitesse, par l'ensemble de l'hystérésis et des courants de Foucault. Soient P et P' ses valeurs pour deux vitesses N et N'. En désignant par k et k' les coefficients de proportionnalité à multiplier respectivement par la vitesse et par le carré de celle-ci pour avoir la puissance hystérétique et la puissance correspondant aux courants parasites, on peut poser

sSî

d'où l'on tire

Les courants de Foucault intervenant dans l'essai décrit sont ceux du noyau en fer, des pièces de consolidation et de renroulement âe l'induit. En vue d'estimer l'influence particulière lies derniers, on pourrait faire tourner, entre les pôles excités, d'abord le noyau non bobiné et plus tard l'armature pourvue de ses spires.

Méthodes de MM. Hiinuiiel, Dcttiiiar et Housman.

La séparation expérimentale des pertes par frottemeoLs, hystérésis et courants de Foucault d'un induit est aussi pos- 'sible sans l'assistance d'un moteur auxiliaire.

Pour isoler le déchet par frottements tlans les paliers, aux balais et contre l'air, M. Hummel tait tourner la dynamo étudiée comme électromoteur à vide, en réduisant simultanément la tension aux bornes et l'excitation, de manière à maintenir la vitesse invariable à la valeur voulue. Dans ces conditions, l'hystérésis et les courants de Foucault décroissent progressivement, mais les frottements restent sensiblement constants. Si l'on porte en ordonnées les puissances électriques absorbées par l'induit, déduction faite de l'eftèt Joule, et en abscisses les forces contre-électromotrices développées par l'armature, on obtient une courbe, dont l'extrapolation jusqu'à l'axe des ordonnées ilélimite, sur ce dernier, une longueur qui représente ^, la perte de puissance due aux frottements. ^H

Il n'est pas aisé, dans l'expérience ci-dessus, de régler l'cxci- ^ tation de façon à ramener toujours la même vitesse et l'on doit fréquemment interpoler pour trouver les points de la courbe cherchée. On é\\Xe ces tâtonnements en procédant comme suit, d'après l'indication de M. Dettmar. On relève, pour diverses excitations constantes, les courants / pris par l'induit, de résistance r.„ en tournant à vide avec des diffé-

GÉNÉRATEURS ET MOTEIRS A COURANT CONTINU

rences de potentiel v décroissantes aux balais et l'on note simultanément les vitesses N. On calcule les forces contreélectromotrices e = v — ir^, ainsi que les puissances P = et, et l'on trace, pour chaque excitation, les diagrammes P = f{e) et N =/' (e). On obtient ainsi des couples de lignes tels que i et i', 2 et 2', 3 et 3', tig. 277. Pour une vitesse OA donnée, la perte par frottements est alors déterminée par l'ordonnée OA' à l'origine de la courbe construite en joignant les points B', C, D' des lignes de puissance définis par les abscisses OB, OC, OD

Fig. 277.

des points qui, sur les lignes de vitesse de même numéro d'ordre, correspondent à l'ordonnée OA. En dressant plusieurs courbes telles que A' B' C D', relatives à diflérentes vitesses, on peut réunir les éléments d'un diagramme montrant comment la perte par frottements varie avec la vitesse.

Si des puissances P -^ ci se rapportant à une même excitation on déduit les frottements, il reste les déchets par h\stéîsis et par courants de Foucault, dont la somme H -\- C peut itre représentée par le binôme kN -\- k'N^, contenant, pour l'hystérésis, un terme proportionnel à la vitesse et, pour les

CHAPITRK XWl.

courants parasites, un terme proportionnel au carré «le cell

Par suite, si l'on trace la courbe

en portant en ordonnées les pertes H |- C divisées par le vitesses respectives et en abscisses ces dernières, il vient ue droite AS, fig. 278, dont l'ordonnée à l'origine est égale atj facteur k et le coefficient angulaire au facteur k'. Avec l'excita tion considérée, pour une certaine vitesse OB, H est don^ mesuré par la surface rectangulaire OADB et C par l'air rectangulaire ARSD.

Au lieu de la droite précédente, on dresse souvent le diagramme de M. Housman, en adoptant, comme abscisses, lesl forces contrc-électromotrices e correspondant aux dift'érencesl de potentiel appliquées à l'induit pour varier sa vitesse à videj sous excitation constante et, comme ordonnées, les courants ( d'armature. Cette ligne diffère légèrement d'une droite, attendu] que les produits et comprennent les frottements, proportionnels] à une puissance de la vitesse intermédiaire entre la première et la seconde. Rigoureusement, elle ne se prête par conséquent] pas à la séparation des pertes. Toutefois, en admettant, paf J approximation que les frottements dans les paliers et sur Icj collecteur croissent comme la simple vitesse, à la façon de! l'hystérésis, tandis que le déchet par ventilation déj)end «lilj carré de la vitesse, de même que les courants de Foucault, on]

GÉNÊR-ATEmS ET MOTEURS A COURANT CONTINU.

peut s'en servir prati(]uemfnt pour scinder les pertes en deux groupes, où l'importance relative des L-léments constituants reste indéterminée.

Méthode de raleutissement.

Les pertes par frottements, par hystérésis et par courants de Foucault d'un induit peuvent s'estimer au besoin par de simples mesures de vitesse.

Pour obtenir les frottements, on lance la dynamo, comme électromotcur à vide ou mécaniquement ;i l'aide d'un moteur auxiliaire avec débrayage, à une vitesse supérieure à la valeur

ormale, puis on laisse revenir la machine spontanément au repos, après l'avoir éventuellement désexcitée, et on observe les vitesses décroissantes, soit avec un tachymétre dont la résis-

.nce de frottement est négligeable, soit avec un compte-tours dont on lit l'indication à des intervalles sutitisamment rapprochés, soit en notant la force électromotrice intluite dans l'armature sous l'influence du magnétisme rémanent de l'inducteur. ans ce dernier cas, il faut déterminer, au préalable, la tension correspondant à une vitesse connue et veiller à ce que l'aimantation ne varie pas pendant les essais, en ne perdant pas de vue

ue le flux d'une dynamo ne suit que lentement les changements

u cijurant magnétisant. On dresse une courbe, dont les temps en secondes figurent les abscisses et les nombres de révolutions par seconde les ordonnées, ^k Si û est le moment d'inertie de l'armature, ui la vitesse angulaire et N le nombre de tours par unité de temps à un instant donné de la période de ralentissement, la force vive vaut, à ce

« ch

cr

tî

moment,

et, comme l'induit tourne sans recevoir d'énergie extérieure, j ses frottements absorbent alors une puissance