APPAREILS DE CONTROLE DE FREQUENCE MOTEURS SYNCHRONES
Dans ce chapitre, nous étudierons comment peuvent opérer les usines de distribution, pour obtenir une constance de la fréquence de leur courant suffisante pour permettre d'utiliser comme horloges réceptrices de petits moteurs svnchrones.
Mais le réglage précis de la fréquence n’a pas comme objet essentiel pour les réseaux de distribuer l’heure; le but principal est de permettre le fonctionnement convenable des inter- CONNEXIONS.
L'exploitation rationnelle des réseaux, dont les diverses usines sont reliées entre elles ou plus exactement interconnectées, doit répondre à certaines conditions:
Echange d'énergie, conformément à un programme fixé à l'avance, répartition des charges entre les différentes usines productrices, permettant l'exploitation la plus économique; réglage de la charge dans les lignes d’interconnexion, pour que le courant dans celles-ci ne dépasse pas leur pouvoir normal de transmission, etc... -
La théorie et l'expérience prouvent que pour pouvoir remplir ces différentes conditions, il importe avant tout que la fréquence soit maintenue stable et bien définie. En fait, aux Etats- Unis, 90 % des réseaux ont leur fréquence contrôlée, et en Angleterre plus de 100 centrales règlent également leur fréquence entre d’étroites limites.
Nous nous trouvons, toutefois, en présence de deux types de réglage de fréquence, l’un instantané (*) et lautre de moyenne, qui paraît mieux adapté à la distribution de l'heure. Nous ne nous occupons ici que de ce deuxième mode de réglage.
(*) Voir bibliographie, n° 24.
Nous signalerons d’abord les divers dispositifs existant dans ce domaine et donnerons les résultats d’une étude que nous avons faite sur un nouvel appareil.
L'idée du contrôle de la fréquence moyenne du courant alternatif semble avoir été donnée pour la première fois par Taury en 1899. THury avait en effet imaginé et réalisé à cette époque une dynamo, réglée par un régulateur à boule, qui servait d’horloge-mère.
Cette dynamo, servant en même temps d'alternateur, envoyait du courant dans de petits moteurs tripbasés synchrones.
Le moteur de réception était constitué par un aimant en fer à cheval monté sur un pivot tournant autour d’un axe vertical et de trois bobines disposées dans un plan horizontal.
Le réglage de la dynamo était effectué par le régulateur à boule chargé d'agir sur un enrculement de réglage lorsque la vitesse dépassait une certaine limite.
Mais en fait, l’utilisation pratique du courant alternatif commercial, pour la mesure du temps, date de 1916; jusqu’à cette date aucune méthode ni aucun dispositif n'étaient suffisamment au point pour permettre lemploi continu d'opérations de ce genre.
Voici comment s'exprime sur ce sujet M. WARREN dans son dernier rapport au Congrès International d'Electricité de Paris, en982:
« Dès 1916, on à appliqué, dans la région de Boston, au courant fourni par la « Edison-Electric Iumating Company », une méthode de réglage de ia fréquence moyenne qui permettait d'utiliser le courant alternatif, pour la mesure du temps, en acüonnant les horloges au moven de petits moteurs synchrones à démarrage automatique.
« Une horloge régulatrice installée à Ia station centrale agissait de temps en temps sur les régulateurs des turbines, donnant ainsi un réglage suffisamment précis.
« Cette horloge régulatrice, comprenant deux mouvements séparés; le premier, un pendule battant la seconde, entraînaïit une aiguille noire sur un grand cadran; le deuxième, actionné par un petit moteur synchrone à démarrage automatique, entrainait une aiguille brillante, avant même centre que laiguille noire. Ces deux aiguilles, dans les horloges régulatrices standard de ce lvpe, sont liées à leurs dispositifs d'entrainement respec- Ufs par des trains d’engrenages. L’aiguille noire donne lheure vraie à raison de 5 minutes pour un tour complet. Ces deux
aiguilles, mises en marche simultanément, restent ensemble si la fréquence moyenne du courant alternatif est bien réglée; toute variation de cette fréquence se traduit par un décalage angulaire entre les deux aiguilles.
« À tout moment l'angle des deux aiguilles indique la valeur de lerreur commise sur l'heure distribuée. On emploie l’expression «heure distribuée », pour distinguer lheure donnée par le courant alternatif de l'heure vraie donnée par le pendule.
«On doit agir de temps en temps sur les régulateurs des turbines, pour maintenir les deux aiguilles au voisinage l’une de l’autre, et faire coincider l’heure distribuée avec l’heure vraie. Les horloges régulatrices ont des échappements apériodiques de GRAHAM, leurs tiges de pendules sont en invar, et leurs mouvements actionnés électriquement; lheure est alors donnée par l'aiguille noire avec une exactitude suffisante » (ie 10):
L'horloge régulatrice, avant fait ses preuves, s’est répandue très rapidement aux Etats-Unis.
Ce type de régulateur de contrôle de fréquence moyenne se construit encore actuellement, bien que la lecture de langle entre les deux aiguilles ne soit pas très aisée du fait que, d’une
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Fig. 19
Principe d’une horloge de contrôle de fréquence moyenne. Indicateur de fréquence moyenne.
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part, ces deux aiguilles se déplacent constamment, et que, d’autre part, celle qui est actionnée par le pendule avance par saccades, toutes les secondes, alors que celle qui est commandée par le moteur synchrone tourne d’un mouvement continu.
On a amélioré cet appareil, en supprimant les deux aiguiiles et en faisant agir les deux mouvements respectivement sur les deux roues d'un différentiel, dont le satellite commande laiguille indicatrice. Lorsque la fréquence est correcte, l’aiguille reste immobile; lorsqu'elle est trop faible, ou trop élevée, celleci se déplace dans un sens ou dans l’autre, sa position à un moment donné, sur un cadran qui peut être gradué en secondes, représentant l’avance ou le retard, indique lécart entre l'heure donnée par la fréquence et l'heure du mouvement à pendule.
Fig. 20
Dans certains appareils une des roues du différentiel est commandée, non plus directement par le mouvement chronométrique à balancier, mais par un petit moteur à courant con- Hinu dont la vitesse est réglée par ce mouvement chronomé-
ss
trique. Les deux roues du différentiel étant ainsi animées d’un mouvement de rotation uniforme, l'aiguille indicatrice reste bien fixe, ce qui permet également l'enregistrement sur papier de la courbe de fréquence movenne Toutefois, ce perfectionnement est compensé en partie par une complication de lappareil, résultant de l’adjonction du moteur à courant continu. d'une batterie d’accumulateurs pour l'alimentation de ce moteur, et du dispositif de synchronisation de ce dernier par l'horloge.
Nous avons dans ce domaine réalisé un appareil basé sur un principe analogue à celui de la stroboscopie, et construit de la façon suivante (fig. 20 et 21) :
Une roue dentée 29 est entrainée, à une vitesse proportionnelle à la fréquence, par un mécanisme à moteur synchrone auto-démarreur 5. La vitesse de rotation de cette roue et le nombre de ses dents sont déterminés par l’échelle que l'on désire obtenir. Par exemple, pour une échelle de = 30 secondes,
le .
- - Le.
Fig. 21
Indicateur de fréquence moyenne
cette roue fait un tour en 6 minutes (pour une fréquence exacte) et porte 12 dents. Si la fréquence est exacte, une dent de la roue remplace donc, en un point déterminé de l’espace, la dent qui la précède en 30 secondes exactement. Si la fréquence est trop basse au bout de 30 secondes, une dent n’aura pas atteint tout à fait le point où se trouvait la dent précédente 30 secondes avant. Si la fréquence est trop élevée le contraire se produira.
Une aiguille 3, grâce à un dispositif d'entrainement commandé par'une horloge-mère, à remise à l’heure par T. S. F. est rendue solidaire de la roue dentée 29 ou libérée de celle-ci.
L’aiguille est ainsi animée d’un mouvement de va-et-vient.
Si la fréquence est exacte, l’aiguille sera toujours libérée au même point et tracera une droite sur le papier. Si la fréquence est trop basse, elle sera libérée plus tôt, et si elle est trop élevée, elle sera libérée plus tard; l'inscription sur le papier se déplacera vers le retard ou vers l’avance.
Ce mécanisme peut être ainsi comparé à un dispositif stroboscopique.
Au moment de la mise en route de l'appareil, si un dispositif spécial n’était pas prévu, l'inscription partirait d’un point quelconque de Péchelle. Il est donc nécessaire de faire une mise à zéro. Cette mise à zéro se fait au moyen d’un bouton. Ce bouton, placé dans une certaine position, coupe les émissions de l’horloge; Paiguille se déplace donc sous lPaction du moteur synchrone.
Lorsque l’aiguille passe au zéro, le bouton inmobilise l’aiguille en ce point et les émissions de l'horloge sont rétablies.
Une solution d’un autre type vient d’être proposée par Me A GURLET (©):
Le contrôle de la fréquence étant effectué d’une façon régulière et sa stabilité suffisamment assurée, de nombreux svstémes de moteurs synchrones ont été proposés pour la conduite des mouvements d’'horlogerie.
Les deux principaux systèmes sont:
Le premier, le plus simple, est constitué par un moteur purement synchrone à démarrage manuel. Certains ont des pièces inductrices bipolaires dont les épanouissements sont dentés intérieurement et des rotors en fer doux; un volant monté
(*) Voir bibliographie n° 25.
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à friction ou par accouplement élastique sur l'arbre du rotor facilite le démarrage et permet d'obtenir un fonctionnement régulier.
Le deuxième est constitué par un moteur synchrone à démarrage automatique. Certains comportent un champ fixe qui est produit par une bobine unique.
Deux pôles encerclent un mince cylindre de cuivre à lintérieur duquel tournent un ou plusieurs rotors en acier à aimanlation permanente, très légers; les pôles inducteurs sont fendus et des bobines recouvertes servent à produire la rotation du champ inducteur.
L’inconvénient de ce tvpe de moteur est de nécessiter une démultiplication considérable, étant donné leur vitesse de rotation, qui est de 50 {-s. On a done été obligé de prévoir un train d’engrenage enfermé dans un carter en laiton et baiïignant dans l’huile.
Un autre type de moteur est réalisé de la facon suivante (2/29)
Fig. 23 Moteur du type employé pour la commande du mécanisme de l’horloge de la Tour Eiffel.
Le moteur synchrone est cénstitué par un aimant permanent et une série de pôles inducteurs; le moteur qui sert au démarrage automatique est un moteur d’'induction, constitué par une cloche en aluminium montée sur un axe. Cette cloche recouvre les pôles d’un moteur synchrone el porte sur sa surface extérieure un cylindre magnétique destiné à fermer le flux issu des pôles.
Un toc assure la liaison entre le rotor asvnchrone et le rotor synchrone.
Le moteur synchrone est composé de 15 paires de pôles; sur un courant 50 périodes, il tourne donc à une vitesse de 200 E.-m.
Son couple sur Paxe est de l'ordre de 2 gr.-cm.
Fig. 24 Premier mécanisme de commande pour l'horloge de la Tour Eiffel.
Sa consommation n’est pas supérieure à 2 watts-heure.
Ce type de moteur ne nécessitant qu'une démultiplication relativement faible, l'usure des rouages se trouve donc réduite.
On a pu appliquer ce {pe de moteur synchrone au dispositif chronométrique assurant la fermeture des circuits de la nouvelle horloge lumineuse de la Tour Eiffel (fig. 24 et 25) 10)
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19,25 Deuxième mécanisme de commande pour lPhorloge de la Tour Eiffel donnant les émissions de secondes.
C) Voir bibliographie, n° 926.
Indiquons brièvement comment a été conçu et réalisé ce mécanisme nouveau (fig. 24 et 25). ,
Cette horloge comporte deux cadrans de 20 mètres de diamétre qui sont placés l’un sur la face nord-ouest, l'autre sur la face nord-est de la Tour; ils sont composés de deux séries de rayons: la première série comporte 60 ravons (9 m. 80) de 15 lampes (rouges) de 10 watts chacune (correspondant aux minutes); la deuxième série comporte 21 ravons de 6 mètres de long, de 11 lampes (solaires) de 40 watts chacune (correspondant aux heures).
Les points de minutes situés sur la périphérie du cadran comportent 48 lampes de 60 watts; les points des quarts d'heure comportent des lampes de 1.000 watts.
Il a été nécessaire pour équiper chaque cadran de prévoir 25 kms de câble.
La commutation des heures s'effectue aux minutes 15 et 45.
La réalisation des cadrans étant faite il fallait prévoir un dispositif chronométrique assurant la fermeture des circuits avec une très grande précision.
Nous avons donc envisagé l'emploi d'un moteur synchrone. et la première idée fut de commander directement les balais de commutation par le moteur, mais on reconnut rapidement les inconvénients de ce procédé:
Inconvénient du passage d’un plot à l’autre, qui risquail d'allumer deux ravons lumineux en même temps. et de créer des amorçages d’étincelles, d’où la nécessité de prévoir lintermédiaire d’un mouvement mécanique composé d'un système appelé en horlogerie détente à délai.
Le moteur synchrone commande done le remontage de deux barillets; l’un, qui actionne le commutateur, correspond à lallumage des minutes; l’autre, le commutateur, correspond à Pallumage des heures.
Ces commutateurs ne commandent pas directement Pallumage des lampes, mais actionnent des relais. Toute la precision du mécanisme dépend finalement de la régularité de la vitesse du moteur de commande.
Un autre système de moteur régulier, basé sur la transformation d’un mouvement harmonique en un mouvement cireulaire uniforme, a été imaginé par M. A. GUILLET (°).
(*) Voir bibliographie n° 27.
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L'électro-diapason de cet appareil, qui normalement est en- (retenu par un contact spécial à charbon d’une très longue durée, a été supprimé par M. Gurrer, dans certains modèles ; alors, l'entretien est assuré par le secteur, quand on prend la précaution d'accorder la fréquence du diapason sur celle du courant distribué, où mieux sur un harmonique, pour atténuer les effets d’une faible variation de fréquence toujours possibles.
Le moteur fonctionne, dans ces conditions, comme un moteur synchrone à fréquence stabilisée par l'intervention du diapason moteur.
Tous les dispositifs d’horlogerie commandés par moteurs synchrones nécessitent une remise à l'heure manuelle à la suite d'interruptions de courant,
L'emploi de ces moteurs peut se généraliser dans les grands centres, où la fréquence est contrôlée entre d’étroites limites. et où les interruptions de courant sont de plus en plus rares. Les moteurs synchrones pourraient également être emplovés à bord des navires et permettre une variation progressive de lPheure en fonction du lieu.
Une solution plus parfaite consiste à compléter ces appareils par un mouvement mécanique servant de réserve de marche en cas d'interruption de courant.
Plusieurs solutions ont été proposées dans ce domaine (0):
Mais tous ces dispositifs présentent une certaine complicalion; ils nécessitent, en outre, la mise en route d’un Mouvement spécial, avec démarrage d’un échappement, au moment de la coupure de courant.
(*) Voir bibliographie, n° 28.
Fig. 26
Mouvement d’horlogerie à échappement synchronisé.
