BOBINAGE, MONTAGE ET COUPLAGE DES MACHINES A COURANTS ALTERNATIFS

84. — Le bobinage des machines à courants alternatifs se présente en général d une manière plus simple que celui des machines à courants continus. Il est réalisé, le plus souvent, à Taide d'un nombre de bobines égal à celui des pôles inducteurs, et ces bobines sont nettement séparées Tune de Tautre au lieu de se chevaucher comme il arrive dans les induits à courants continus à tambour et à disque.

La force e. m. a, au même moment, la même valeur absolue dans toutes les bobines semblablement placées. Mais le signe

l-ig. 91.

Fig. n.

change de lune d'elles à la suivante (fig. 91). On peut sans difficulté réunir ces différentes bobines en quantité ou en série par

un groupage convenable des fils induits. La figure représente le groupement en série de trois bobines successives.

Lorsque le nombre des bobines induites est un multiple du nombre de pôles (comme par exemple pour la machine Gramme ci-dessus décrite), les forces c. m. n'ont plus à chaque instant la même valeur dans chacune d'elles, puisque la variation du flux de force y est différente. On pourra encore grouper ensemble soit en série, soit en quantité, les bobines qui sont placées scmblablc-

Fig. «3.

ment par rapport aux piles inJucteurs, telles que a^ a^, etc., que la figure 92 représente réunies en série. Celles-ci, considérées isolément rentrent en effet exactement dans le cas considéré en premier lieu, et il en serait de même pour 6, A,... c, Cj..., etc.

Quant aux bobines a, ô, c* , c?, par exemple, leurs forces e. m. sont entre elles dans des phases différentes, c'est-à-dire, passent à des mDments différents par les mi.nes valeurs. Leur groupage en quantité ne se fait pratiquement jamais. Quant à leur réunion en tension, on y recourt quelquefois.

On peut tout particulièrement considérer comme ainsi constitués certains types de machines usitées dans quelques cas exceptionnels. Telle est celle que le professeur Elihu Thomson emploie

comme génératrice excitant les transformateurs dont il se sert pour ses procédés de soudure électrique.

C'est une machine à courants continus, munie d'un collecteur, comme à l'ordinaire, sur lequel frottent deux balais. Le courant ainsi recueilli est employé à Tcxcitation des inducteurs (fig. 93).

Mais, outre le collecteur, il existe encore sur Tarbre deux bagues isolées de la masse et reliées Tune à une lame quelconque de collecteur, et l'autre à une lame diamétralement opposée. D'autres balais portent sur ces bagues, et il est facile de saisir que le fil qui les réunit extérieurement sera parcouru par un courant alternatif.

Ce type de dynamo est d'ailleurs peu employé, car la durée d'une période est celle d'un tour de l'induit, et est généralement insuffisante pour les applications industrielles difierentes de celles dont nous venons de parler.

85. — L'excitation des inducteurs exige un courant continu, au moins comme sens. Aussi les machines alternatives ne peuventelles emprunter leur excitation à leur propre courant sans recourir à un commutateur-redresseur. Elles pourraient être excitées par montage en série. Mais ce mode de montage qui nécessiterait le redressement de la totalité du courant ne s'emploie jamais.

L'excitation en dérivation s'emploie parfois notamment dans les machines Zipernowski de petite puissance, et à basse tension. Pour les machines de grande tension, on opère de môme, mais en passant, au préalable, par une transformation destinée àdiminuer la force e. m. du courant inducteur, et à faire disparaître le danger qui pourrait en résulter.

Toutefois dans la plupart des cas, l'excitation est fournie par le courant d'une ou d'une deux bobines induites spéciales dont le circuit est séparé de celui des autres, et spécialement afiecté à cet emploi.

Le commutateur-redresseur est le môme dans tous les cas. La figure 94 représente la coupe de celui d'une machine Zipernowsky à 6 pôles.

Il se compose de six segments larges «, A, a\ b\ à' , 6", séparés par six segments étroits c, c, c.

Fig 94.

Les segments a sont tous reliés entre eux et avec Tune des

extrémités du fil inducteur. L'autre extrémité est reliée aux segments h qui sont aussi en communication électrique entre eux.

Les segments étroits c, sont complètement isolés.^ Le métal employé pour ces pièces est le bronze.

Les trotteurs sont composés chacun de deux lames d'acier très mince /, /'. L'une de ces lames est tangente au cylindre; Tautre est en retard par rapport à la première d'une quantité déterminée correspondant à peu près à la moitié de la largeur d'une des lames « ou ô.

Bans la position de la figure, les lames portent toutes deux sur le même segment : a d'un côté b' de Tautre. Après un mouvement du commutateur les lames tangentes /, /'étant encore sur les secteurs a et V les lames sécantes /', /' seront venues sur b et a ,

A ce moment, par suite des liaisons du fil inducteur avec les groupes a et ô, ce circuit inducteur se trouvera en court-circuit.

Fig. 95.

Fig. 96.

Un peu plus tard, les lames porteront sur b et d' toutes deux à la fois. Tout sera revenu dans le même état qu'auparavant, et la commutation du courant sera faite.

Le courant inducteur, après son redressement, a une allure analogue à celle que représente la figure 95. L'efTet de la double lame /, /' est de fermer ce circuit sur lui-même depuis le temps / jusqu'au temps t! . Au temps ^, un extra-courant direct prend naissance dans ses spires, et prolonge le courant primitif. Aussi la courbure du courant prend-elle une allure analogue à la

figure 96, allure qui, plus que la précédente se rapproche de la continuité.

Les courbes n'indiquent, bien entendu, que le sens des phénomènes, car leur complexité est telle que Ton ne peut avoir la prétention de les représenter par une courbe qui ne serait pas obtenue par expérience.

Les lames et leurs supports sont montés sur une pièce qui est montée concentriquement avec Tarbre, et peut pivoter autour de lui. On peut ainsi ajuster la position de manière à amener les concordances nécessaires, ce qui se traduit par la disparition à peu près complète des étincelles entre les lames et les segments.

Il est préférable de les tenir à une position légèrement en arrière de la position qui donne le minimum d'étincelles. En effet, celles qui se produisent alors sont dues à un courant qui décroit : elles sont courtes et peu nourries. Avec un calage en avance, on a au contraire des étincelles dues à un courant qui augmente. Elles tendent à s'allonger d'elles-mêmes, et forment, en effet, des arcs donnant lieu à des flammes intenses. Ces étincelles ont un caractère tout spécial, et non seulement endommagent le commutateur, mais encore ont une action très vive sur les yeux et y déterminent des troubles passagers mais très douloureux.

86. — Le couplage des machines alternatives ne s'emploie guère que dans les usines centrales de distribution de lumière, pour proportionner le nombre de machines en service aux exigences delà consommation.

Dans ce cas, c'est toujours le couplage en dérivation auquel on a recours : encore n'est-il pas possible avec tous les types de machines. Examinons d'ailleurs la question d'une manière générale.

Pour que des machines alternatives puissent être utilement reliées, il faut nécessairement qu'elles puissent rester en concordance de phase. Si cette condition n'est pas remplie, on ne peut avoir, en effet, qu'une marche irrégulière et nullement pratique.

La concordance de phases exige que la vitesse angulaire des machines soit rigoureusement la même, et ne subisse aucune variation relative au bout d'un temps quelconque. Cette condition

iOO MACHINES DYNAMO-ELECTRIQUES

pourrait être remplie par un embrayage rigide effectué entre les arbres des machines à réunir. Cet artifice consistant à solidariser les pièces mobiles des machines donne évidemment le même résultat que si Ton agrandissait les dimensions de la machine au fur et à mesure des besoins ; et Ton peut considérer Tensemble des machines accouplées, comme constituant au point de vue mécanique, une seule et même machine à organes identiques multiples.

Mais la jonction des arbres n'est pas toujours possible et n'est jamais simple : on n'y recourrait que s'il n'était pas possible de faire autrement.

La question est donc de savoir si la concordance de phases peut être maintenue entre machines distinctes commandées soit par courroies, soit par moteurs indépendants.

Dans ces conditions d'installations, la vitesse angulaire ne sera jamais rigoureusement égale pour toutes les machines : si faibles que soient les différences, elles produiront très rapidement un écart d'autant plus grand que la durée de la phase est toujours très, courte.

Il faudra donc pour obtenir la rigueur de marche nécessaire qu'il intervienne des efforts régularisateurs, agissant automatiquement pour corriger un écart dès qu'il tend à se produire.

Ces efforts existent, et ne sont autres que les réactions électriques des machines les unes sur les autres. Le régime de marche d'une machine sera évidemment troublé lorsque celui d'une autre variera; et de ce trouble résultera un effort accélérateur ou retardateur selon le cas.

Les forces électro-magnétiques ainsi développées existent toujours mais elles ne sont pas toujours de sens convenable ni d'intensité suffisante pour assurer la certitude de la marche.

87. — Pour ce qui a rapport au sens des efforts, on démontrera analytiquement dans la suite de cet ouvrage que si l'on essaie de grouper les machines en série les efforts développés tendent à produire la discordance absolue des phases, d'où résulte une force e. m. nulle. Les machines se mettent en opposition et tendent à s'y maintenir.

ÉTUDE DESCRIPTIVE DES MACHINES iOl

Elles sont alors et à tout moment exactement opposées Tune à l'autre, et équilibrent leurs forces e. m. comme les deux moitiés (l'un anneau de Gramme par exemple.

Lorsqu'on met, au contraire, en quantité les machines en phase concordante, les efforts électro-magnétiques tendent à les maintenir en cet état, en les y ramenant dès qu'elles s'en écartent. Elles ajoutent alors leurs courants dans le circuit extérieur, et peuvent être ainsi reliées en nombre quelconque sur un même réseau.

On sait que c'est là une condition qui, jusqu'ici du moins, paraît essentielle pour l'exploitation économique des usines centrales de distribution électrique.

88. — Mais, de ce que les machines peuvent rester en concordance, il ne s'ensuit pas nécessairement qu'elles le feront dans tous les cas. Il faut que les forces régularisatrices aient une grandeur suffisante pour assurer l'amortissement très rapide des oscillations relatives qui tendent à se produire. La question serait malaisée à soumettre au calcul : mais les conditions pratiques nécessaires sont bien connues.

Il paraît avantageux, dans tous les cas, que l'induit renferme un noyau de fer, dont la présence semble indispensable pour que les forces électro-dynamiques acquièrent l'intensité nécessaire. Ainsi les machines du genre de Méritons, Zipernowsky, Westînghouse, pourront se coupler en dérivation, tandis que cela sera pratiquement impossible pour les machines du genre Siemens et Ferrantî.

On a reconnu, de plus, que la régularisation se fait d'autant mieux que les machines ont entre elles une plus grande liberté relative. Ainsi deux machines commandées par poulies égales montées sur le même arbre, n'auront que de très faibles différences dans les valeurs de leurs vitesses angulaires. Elles seront cependant beaucoup plus délicates à amener en concordance, que deux machines commandées chacune par un moteur à vapeur spécial. Dans le premier cas, la raideur des courroies s'oppose plus aux glissements nécessaires que dans le second la force élastique de la vapeur n'offre de résistance aux forces électro-magnétiques régulatrices. Aussi les courroies doivent-elles recevoir un degré

de tension bien déterminé pour que la bonne marche soit assurée dans ce cas spécial.

89. — Pour régler cette tension, on agit progressivement sur les vis des châssis tendeurs qui doivent toujours être appliqués à ces machines, en se guidant sur les indications d un indicateur de phases. Ce même appareil est également nécessaire pour faire le couplage des machines au point voulu. On manœuvre les clés qui établissent la solidarité au moment précis où lappareil indique une concordance complète des phases.

Fig. 97.

Cet appareil est de la plus grande simplicité. Imaginons deux machines (fig. 97), Tune Mi déjà en service sur un circuit extérieur; l'autre Mj qu'il s'agit de réunir à la première.

On établit d'abord entre les deux machines une liaison électrique constituée par un fil simple f réunissant deux bornes, et un autre fil, dans lequel sont intercalés un galvanoscope G et une grande résistance R, réunissant les deux autres bornes.

Le courant qui traverse alors M, est beaucoup trop faible pour que les efforts électro-magnétiques qu'il détermine puissent amener la concordance.

Les machines suivent donc leurs discordances naturelles : la force e. m. qui détermine le courant dans le circuit /R G est donc la somme algébrique des forces des deux machines. Elle estmaxima au moment oîi il y a concordance des phases, et elle est nulle au moment de la discordance. Elle est donc périodique, comme chacune des composantes, mais le temps périodique est beaucoup plus long, et égal au temps nécessaire pour qu'il se produise une période complète de différence de marche entre les deux machines. Cette durée est aisément amenée à 15 ou 20 secondes.

Le courant suit évidemment aussi une loi périodique de môme durée ; et celle-ci est maintenant bien assez grande pour qu'un organe mobile, doué d'une certaine inertie, tel que Taiguille du galvanomètre G par exemple, puisse aussi prendre un mouvement périodique concordant. Ce n'aurait pas été le cas avec des périodes très rapides, que Taiguille ne pourrait pas suivre et qui ne produirait sur elle qu'une action moyenne déterminant un écart constant.

Cela étant, si la résistance R et le galvanomètre G ont des selfinductions négligeables devant celle des machines, la phase du courant coïncidera avec celle de la force e. m. Aussi lorsqu'on verra l'aiguille du galvanoscope passer par un maximum, cela indiquera qu'il y a équilibre des forces e. m. et concordance de leurs phases.

A ce moment, on peut fermer les interrupteurs i et z', qui réunissent la seconde machine au circuit extérieur, et interrompre celui de l'indicateur de phases.

En raison de l'intensité des forces électro-magnétiques régulatrices, il n'est pas absolument nécessaire de faire la jonction au moment précis de la concordance. Un instant d'avance ou de retard n'altère pas le résultat. L'auteur a môme réussi à grouper ainsi des machines sans aucun indicateur et à un moment quelconque de la phase. Ceci n'est toutefois possible qu'avec quelques types particuliers de machines.

Si après cette manœuvre, l'indicateur de phases prouve que le synchronisme complet ne s'établit pas, cela indique simplement qu'il y a des différences de tensions trop grandes entre les courroies de commande. Il faut alors régler leur tension jusqu'à ce que la concordance se maintienne ; et cette tension réglée une fois

pour toutes, on n'éprouvera plus aucune difficulté lors des couplages suivants.

Les usines centrales montées avec les appareils Westinghouse, ou Zipernowsky emploient les couplages en dérivation, non seulement de plusieurs machines, mais aussi de plusieurs usines sur le même réseau.