4 0
LA HOUILLE BLANCHE
E L E C T R I C I T E
Les M a c h i n e s électriques à vitesse variable
(SUITE)
7. — M A C H I N E S E N CASCADE. GÉNÉRALITÉS
N o u s indiquerons d'abord q u e l q u e s généralités sur les c o u - plages e n cascade, q u i se r a m è n e n t à d e u x cas f o n d a m e n t a u x :
1° C a s c a d e à alimentation rotoriquc.
2 ° C a s c a d e à excitation séparée.
À. — Cascade à alimentation rotorique. — A) Description générale. — L a m a c h i n e se c o m p o s e d ' u n m o t e u r d'induction principal, a v e c u n e m a c h i n e à collecteur série o u s h u n t d o n t l'alimentation est entièrement fournie p a r les b a g u e s d u m o t e u r d'induction.
D e u x variantes sont possibles :
1° L a m a c h i n e à collecteur est m o n t é e sur le m ô m e arbre q u e la m a c h i n e principale (cascade directe).
2° L a m a c h i n e à collecteur est accouplée à u n e m a c h i n e a s y n c h r o n e auxiliaire (cascade indirecte).
J T 155
G r o u p e d e c o m p e n s a t i o n séparé, t y p e Leblanc, destiné à la c o m p e n s a t i o n d'un m o t e u r a s y n c h r o n e d e 2.000 C V . , 1 2 2 t m .
C e s relations sont celles d u m o t e u r d'induction simple, a v e c cette différence q u e la puissance g P,, a u lieu d'être dissipée d a n s u n rhéostat, est utilisée sur l'arbre.
L a puissance P2 est utilisée sur l'arbre é g a l e m e n t , d a n s le cas d e la cascade directe.
D a n s ce cas, e n désignant p a r Pmt, la puissance m é c a n i q u e totale, sur l'arbre :
Pmt = Pm + P2 = (Px - g Px) + g
P
1=
L e g r o u p e est d o n c capable d e la m ê m e puissance à toutes les vitesses : il fonctionne à vitesse variable et puissance cons- tante.
L a m a c h i n e e n cascade est établie p o u r la puissance : ffmas P i
!7max désignant le glissement m a x i m u m q u i correspond à la vitesse :
Ns ('1 — £ W > .
Elle est établie p o u r la fréquence / < 7m a x, / étant la fréquence d u réseau ; p o u r la tension U o < 7m a x, U0 é t a n t ' l a tension a u x b a g u e s à l'arrêt; et p o u r le. courant n o r m a l d u rotor.
D a n s le cas d e la cascade indirecte, la m a c h i n e à collecteur est s é p a r é m e n t accouplée à u n e m a - chine a s y n c h r o n e q u i récupère sur le réseau la puissance P2. L a puissance d e glissement est d e u x fois transformée.
L a m a c h i n e à collecteur tourne alors à vitesse sensiblement constante N 0 ; elle est d o n c établie p o u r la puissance Px gmax à la vitesse N0.
L e g r o u p e m o t e u r fonctionne alors à couple constant.
L a puissance totale prise a u réseau est P1 — P2
p o u r le couple c o r r e s p o n d a n t à celui d ' u n - m o t e u r d'induction simple p r e n a n t Pl sur le réseau.
B . — Cascade à excitation séparée. — A) Descrip- tion générale. — L a m a c h i n e se c o m p o s e d ' u n m o t e u r d'induction principal a v e c u n e m a c h i n e à collecteur reliée a u x b a g u e s , d o n t l'excilation est fournie directement o u indirectement p a r le réseau.
B) Relations algébriques. —• C o n s i d é r o n s u n e m a c h i n e d'in- duction t o u r n a n t à u n e vitesse inférieure a u s y n c h r o n i s m e .
L e stator d e la m a c h i n e p r e n d a u réseau u n e puissance élec- trique
Pi
0)
U n e puissance électrique P2 se t r o u v e disponible a u x b a g u e s et l'on a d a n s tous les cas :
P2 = £-Px (2)
D ' a u t r e part, le m o t e u r d é v e l o p p e sur s o n arbre, u n e puis- sance m é c a n i q u e :
Différentes variantes sont possibles :
1° L a m a c h i n e à collecteur .est u n changeur de fréquence:
m a c h i n e d o n t le rotor c o m p o r t e d e s b a g u e s reliées a u réseau par l'intermédiaire d ' u n transformateur abaisseur, et d o n t le collecteur est relié a u x b a g u e s d u m o t e u r d'induction. L e stator d e cette m a c h i n e est u n simple a n n e a u d e tôles, sans bobi- n a g e (1).
2 ° L a m a c h i n e à collecteur est u n e m a c h i n e q u i porte u n bobi- n a g e d e c o m p e n s a t i o n et u n b o b i n a g e d'excitation. L e b o b i n a g e d'excitation p e u t être d a n s le stator o u d a n s le rotor.
(1) L a propriété caractéristique d e cette m a c h i n e est la suivante : la tension appliquée a u x b a g u e s à la fréquence d u réseau so re- trouve e x a c t e m e n t la m ê m e , côté collecteur, m a i s , cette fois, à la fréquence rotorique d u m o t e u r d'induction.
Article published by SHF and available athttp://www.shf-lhb.orgorhttp://dx.doi.org/10.1051/lhb/1929008
D a n s le p r e m i e r cas, le b o b i n a g e d'excitation est alimenté p a t le collecteur d'un c h a n g e u r d e fréquence auxiliaire, d o n t les b a g u e s sont reliées a u réseau.
D a n s le second cas, le b o b i n a g e d'excitation est alimenté par trois b a g u e s reliées a u réseau.
D a n s les d e u x cas, la m a c h i n e à collecteur est m o n t é e e n b o u t d'arbre.
D'autres c o m b i n a i s o n s sont possibles, a v e c g r o u p e s séparés et différentes m a c h i n e s auxiliaires; n o u s n o u s limiterons a u x cas simples ci-dessus.
B) Relations algébriques. — L e s relations d e l'énergie restent les m ê m e s q u e d a n s le cas précédent ; m a i s d a n s le cas d u c h a n - g e u r d e fréquence, la m a c h i n e à collecteur n'étant capable d*aucun couple, le g r o u p e fonctionne à vitesse variable et couple constant. L a puissance d e glissement P2 passe d e la m a c h i n e d'induction a IL réseau à travers le c h a n g e u r . D a n s le cas d e la m a c h i n e c o m p e n s é e à excitation séparée, le g r o u p e fonc- tionne à puissance constante : la puissance d e glissement est con- vertie e n puissance m é c a n i q u e sur l'arbre p a r la m a c h i n e à col- lecteur.
Toutefois, il existe u n e différence capitale entre la cascade â excitation séparée et la cascade à alimentation rotorique :
Q u a n d u n e m a c h i n e d'induction ordinaire, telle q u e la m a c h i n e a s y n c h r o n e principale, fonctionne à s o n propre s y n c h r o n i s m e , a u c u n e tension n'est induite d a n s s o n rotor q u i joue le rôle d'une simple résistance inerte. P a r suite, la m a c h i n e n e p e u t avoir a u c u n couple*
; Si la m a c h i n e m i s e e n cascade est u n simple récepteur, ce récepteur cesse d'être alimenté a u s y n c h r o n i s m e ; l'ensemble e n cascade n e p e u t d o n c avoir a u c u n couple à cette vitesse.
M a i s , a v e c u n e m a c h i n e excitée p a r le réseau, il n'existe plus a u c u n e difficulté a u s y n c h r o n i s m e ; e n effet, la m a c h i n e à col- lecteur fonctionne à flux constant, et ce flux induit u n e tension constante (cas d u c h a n g e u r d e fréquence) o u proportionnelle à la vitesse (cas d e l'excitation séparée). A u s y n c h r o n i s m e , cette tension d é t e r m i n e le passage d'un c o u r a n t continu d a n s le rotor d e l'asynchrone principal q u i fonctionne alors e x a c t e m e n t c o m m e le rotor d'un m o t e u r s y n c h r o n e .
Si l'on considère le f o n c t i o n n e m e n t h y p e r s y n c h r o n e e n m o t e u r , o n a u r a encore :
m a i s g c h a n g e a n t d e signe ; la puissance, P2 c h a n g e d e signe, o n a u r a :
Pm = Pl + [-g) P1= P1^>
le m o t e u r d'induction continuera d o n c à fournir le m ê m e couple.
L a puissance Pa est u n e puissance électrique qui doit être four- nie a u x b a g u e s e n m a r c h e h y p e r s y n c h r o n e , puisqu'elle a c h a n g é d e signe.
P a r suite, d a n s le cas d u c h a n g e u r d e fréquence, la puissance d e glissement P2 passe d u réseau à la m a c h i n e d'induction princi- pale à travers le c h a n g e u r .
: D a n s le cas d e la m a c h i n e c o m p e n s é e , la puissance P2 est e n g e n - drée p a r la m a c h i n e à collecteur et cédée' p a r elle a u x b a g u e s .
C. — Avantages de principe des machines en cascade. — L e s relations générales d e la cascade étant établies, ce q u i n o u s dispensera d'y revenir p o u r c h a q u e couplage particulier, n o u s indiquerons m a i n t e n a n t l'avantage d e principe q u e présentent ces m a c h i n e s p o u r le réglage d e la vitesse, p a r r a p p o r t a u x m o - teurs à collecteur simples série et s h u n t d o n t les caractéristiques d e f o n c t i o n n e m e n t sont à p e u près les m ê m e s .
L a puissance par pôle d'une m a c h i n e série o u s h u n t à collec- teur est limitée â u n e valeur d é t e r m i n é e , c o m m e n o u s l'avons indiqué : a u delà, les difficultés d e c o m m u t a t i o n d e v i e n n e n t prohibitives.
D'autre part, toujours p o u r des raisons d e c o m m u t a t i o n , la vitesse m o y e n n e d e f o n c t i o n n e m e n t doit être a u x environs d u s y n c h r o n i s m e .
Il e n résulte q u e plus la m a c h i n e est puissante, plus la vitesse doit être lente : p o u r des puissances élevées, o n n'arrive p a s à des m a c h i n e s é c o n o m i q u e s .
A v e c la m a c h i n e e n cascade, o n aura les a v a n t a g e s suivants : 1° O n p e u t établir u n m o t e u r a s y n c h r o n e d e puissance p a r pôle à p e u près q u e l c o n q u e , aussi g r a n d e q u e l'on désire. L a m a c h i n e à collecteur, c o m m e n o u s l'avons v u , n e doit plus être établie p o u r la puissance totale, m a i s s e u l e m e n t p o u r la puissance d e glissement. D a n s ces conditions, elle est plus petite et m o i n s coûteuse.
C e p e n d a n t , c o m m e la m a c h i n e à collecteur doit être établie p o u r la fréquence d e glissement, et la puissance d e glissement, il s e m b l e a u p r e m i e r a b o r d q u e , le rapport d e la puissance à la fréquence restant le m ê m e q u e p o u r la m a c h i n e principale, o n n e g a g n e e n réalité rien sur ses dimensions. Cela n'est p a s exact, parce q u e le collecteur est u n organe transformateur d e fréquence, et la fréquence, d a n s le rotor d'une m a c h i n e à collecteur alimentée à basse fréquence, p e u t se retrouver égale à la fré- q u e n c e d u réseau. L e s d i m e n s i o n s d e la m a c h i n e auxiliaire sont alors celles d'une m a c h i n e d e la puissance d e glissement à la fréquence d u réseau o u à u n e fréquence assez voisine. C o m m e cette question est assez délicate, n o u s y reviendrons d a n s l'an- n e x e 1.
D a n s ces conditions, l'objection tenant à la puissance p a r pôle est p r a t i q u e m e n t écartée; d'autant plus q u e , d a n s certains cas, la polarité d e la m a c h i n e à collecteur p e u t être choisie entre certaines limites.
2 ° Il n'y a plus a u c u n e difficulté a u d é m a r r a g e , car o n d é m a r r e d'abord le m o t e u r d'induction seul, puis o n substitue la m a c h i n e à collecteur a u rhéostat d e d é m a r r a g e .
D . — E m p l o i industriel des machines en cascade. — L e s m a c h i n e s e n cascade sont utilisées d a n s l'industrie :
1° C o m m e m a c h i n e s p o u r l'amélioration d u facteur d e puis- sance d ' u n m o t e u r d'induction.
L e u r présence n e modifie p a s très sensiblement la caractéris- tique couple-vitesse d u m o t e u r d'induction ; m a i s elle modifie c o m p l è t e m e n t la caractéristique puissance wattée, puissance déWattée.
O n dit alors q u e la m a c h i n e à collecteur, q u i p e u t être d u t y p e à alimentation rotorique o u à excitation séparée, est u n e excitatrice de compensation.
2 ° C o m m e m a c h i n e s d e réglage d e vitesse.
L a m a c h i n e à collecteur p r e n d alors le n o m d'excitatrice de glissement.
N o u s e x a m i n e r o n s d'abord r a p i d e m e n t le cas des excitatrices d e c o m p e n s a t i o n , p o u r m o n t r e r c o m m e n t leur présence m o d i - fie les différentes propriétés d u m o t e u r d'induction q u e n o u s a v o n s é n u m é r é e s .
8. — L E S EXCITATRICES D E COMPENSATION
A) Excitatrice à alimentation rotorique type Lalour-Leblanc.— Des- cription, schéma.— L a m a c h i n e m i s e e n cascade est u n e m a c h i n e série à collecteur simplifiée, c'est-à-dire sans b o b i n a g e statorique : elle se réduit a u rotor à collecteur qui peut, soit être m o n t é e n b o u t d'arbre d u m o t e u r principal, soit être entraîné p a r u n
4 2
LA HOUILLE BLANCHE
petit m o t e u r auxiliaire à vitesse sensiblement constante (fig. 5 5 ) (solution f r é q u e m m e n t e m p l o y é e ; la vitesse d e la m a c h i n e , à collecteur est c o m p l è t e m e n t i n d é p e n d a n t e d e celle d u m o t e u r principal).
Caractéristiques fondamentales. — a) Vitesse-couple (fig. 56). — L a caractéristique d u m o t e u r d'induction est modifiée d a n s le
FIG. 55. — M o t e u r compensé, p a r excitatrice L e b l a n c entraînée par m o t e u r d'induction auxiliaire.
sens d'une a u g m e n t a t i o n d e la c h u t e d e vitesse entre vide et charge : le glissement à pleine charge atteint 2 à 3 l'ois la valeur qu'il avait p o u r le m o t e u r d'induction seul. Cela p e u t présenter
H
u n inconvénient, si la vitesse d e pleine charge doit être o b t e n u e d e façon très précise.
D'autre part, le couple m a x i m u m est a u g m e n t é ; il passe d e 2 à 2,6 p a r e x e m p l e .
b) Puissance w a t t é e . P u i s s a n c e d é w a t t é e (fig. 5 7 ) . — D a n s
FIG 57. — Puissance déwattée avec et sans excitatrice Leblanc.
la m a r c h e à vide, la puissance d é w a t t é e prise a u réseau est la m ê m e q u e p o u r le m o t e u r d'induction seul : cela s'explique, car, e n l'absence d e tout glissement, la m a c h i n e à collecteur
n'est p a s alimentée. A m e s u r e q u e la charge a u g m e n t e , la puis- sance m a g n é lisante se relève : p o u r le tiers d e la charge, o n a cos 9 = 1. A u delà, la m a c h i n e débile u n e puissance réactive a u réseau. Puis, la charge a u g m e n t a n t , la puissance réactive passe d e n o u v e a u e n arrière.
Puissances et vitesses réalisables. — Celle cascade est réali- sable quel q u e soit le m o t e u r d'induction à c o m p e n s e r . Si la vitesse est trop g r a n d e pour m e t t r e la m a c h i n e à collecteur en b o u t d'arbre, o n utilise u n g r o u p e séparé, à la vitesse la plus a v a n t a g e u s e .
O n csl souvent, conduit d a n s ces m a c h i n e s , à u n collecteur de d i m e n s i o n s importantes, m ô m e si l'on a choisi la tension U0 d u m o t e u r a s y n c h r o n e relativement élevée.
L a tension entre balais sur le collecteur est d e l'ordre d e 2(j à 5 0 volts.
Marche en couple, négatif. — D a n s le cas o ù la m a c h i n e fonc- tionne e n couple négatif, elle fonctionne à u n e vitesse hyper- s y n c h r o n e d a n s d e très m a u v a i s e s conditions : puissance déwaltéi très élevée prise a u réseau, couple m a x i m u m très inférieur as couple n o r m a l . Il convient alors d e croiser d e u x conducteur!
a u x b a g u e s , p o u r c h a n g e r le sens d u c h a m p tournant d e l'exci- tatrice. O n retrouve d a n s ce cas d e s propriétés symétrique!
d e celles d e la m a r c h e e n m o t e u r . L a m a c h i n e n e convient dom p a s si le couple est susceptible d e passer b r u s q u e m e n t d e moteui e n génératrice.
B) Excitatrice à excitation séparée, type changeur de fréquence- Description, schéma. — L a m a c h i n e m i s e e n cascade est u n chan g e u r d e fréquence d o n t les b a g u e s sont reliées a u réseau pai l'intermédiaire d ' u n transformateur abaisseur, et les balai d u collecteur sont réunis a u x b a g u e s d u m o t e u r asynchrou principal. L e c h a n g e u r d e fréquence doit être e n b o u t d'arbn d u m o t e u r principal (fig. 5 8 ) , o u entraîné p a r celui-ci a u moyei
1 \
FIG. 5 8 . — M o t e u r c o m p e n s é p a r c h a n g e u r d e fréquence e n bo\(
d'arbre.
d'engrenages : le rapport d e s vitesses entre m o t e u r et. changeu est d é t e r m i n é , et la position angulaire relative d e s d e u x arbre doit rester invariable. L e réglage d e la puissance magnétisant;
se fait p a r décalage d e s balais d u c h a n g e u r .
O n p e u t é g a l e m e n t utiliser u n c h a n g e u r séparé auLonont (fig. 5 9 ) , il faut alors le m u n i r d ' u n b o b i n a g e staloriqué q«
assure sa rotation. M a i s cette solution n e convient q u e si la charg d u m o t e u r principal n e varie p a s très b r u s q u e m e n t : sinon k d e u x m a c h i n e s , c h a n g e u r et m o t e u r , n e restent p a s accrocha entre elles.
U n e variante consiste à utiliser a u lieu d u c h a n g e u r sim])l<
u n e m a c h i n e c o m p e n s é e excitée p a r s o n stator (à l'aid d'un c h a n g e u r d e fréquence auxiliaire e n b o u t d'artn d o n t les b a g u e s sont reliées a u réseau (en général p a r l'inté?
médiaire d ' u n transformateur) et d o n t le collecteur alinieli.
l'enroulement d'excitation séparée d u stator d e la m a c h i n e à les différents artifices d o n t o n dispose p o u r améliorer la c o m - collecteur principal). . . t m u t a t i o n p e r m e t t e n t d e la reculer très loin. Il n'y a a u c u n e
U n e autre variante consiste à réaliser le c h a n g e u r sous f o r m e , . ^difficulté à réaliser u n e excitatrice p o u r c o m p e n s e r u n m o t e u r d'une m a c h i n e c o m p e n s é e excitée par son rotor sur le réseau.
T o u t e s ces dispositions d o n n e n t la m ê m e caractéristique;
a % n c h r o n e d e quelques milliers d e C V .
Couple négatif. — O n se reportera à ce qui a été dit p o u r le m o t e u r a u t o c o m p e n s é . L a m a c h i n e convient si le couple est susceptible d e passer b r u s q u e m e n t d e m o t e u r e n génératrice.
9. L E S EXCITATRICES D E GLISSEMENT
N o u s e x a m i n e r o n s ici les d e u x couplages les plus simples ; n o u s d o n n e r o n s ensuite q u e l q u e s indications générales sur les autres couplages'réalisables.
A) Cascade série à collecteur. — Description, schéma (fig. 60). — L e g r o u p e se c o m p o s e d'un m o t e u r d'induction d o n t les b a g u e s
FIG. 59. — M o t e u r c o m p e n s é par c h a n g e u r d e fréquence a u t o n o m e .
c'est a u constructeur q u e revient le choix d e la solution la plus o p p o r t u n e .
Caractéristiques fondamentales. •— O n p e u t appliquer i m m é -
J T l«6
FIG. 60. C a s c a d e série avec double jeu d e balais.
alimentent directement u n m o t e u r série à collec- teur: O n utilise e n général six b a g u e s a u m o t e u r d'induction, et d e u x j e u x d e balais p a r p h a s e sur le collecteur, décalables s é p a r é m e n t . L a position d e s balais est caractérisée p a r d e u x angles d o n t l'un est fixe, tandis q u e l'autre est réglable.
Enfin, d a n s le cas o ù l'on désire varier la vitesse à vide, o n prévoit e n outre u n e induc- tance triphasée connectée e n dérivation a u x balais.
L e réglage d e l'inductance p e r m e t d e régler la vitesse à vide d'une façon continue ; le réglage
0
C h a n g e u r d e fréquence destiné à la c o m p e n s a t i o n d'un groupe L é o n a r d , 1.050 C V . , 7 5 0 t m .
d i a l e m e n t ici tout ce q u e n o u s a v o n s dit sur les caractéristiques d u m o t e u r d'induction a u t o c o m p e n s é .
Puissances et vitesses réalisables. — L e c h a n g e u r d e fréquence est u n e m a c h i n e toujours petite p a r rapport à la m a c h i n e prin- cipale ; sa puissance est d e l'ordre des pertes Joule d a n s le rotor d e la m a c h i n e principale : soit q u e l q u e s c e n t i è m e s s e u l e m e n t d e la puissance d e celle-ci. L e s d i m e n s i o n s résultent principale- m e n t d e celles d u collecteur. L a tension entre balais dépasse r a r e m e n t 2 0 à 3 0 volts.
P o u r éviter les difficultés d e c o m m u t a t i o n , o n se limite e n général, à u n e puissance p a r pôle d e l'ordre d e 1 0 cà 1 5 C V . L ' e m p l o i d'engrenages réducteurs n'offre p a s d e difficulté, car ils n e doivent transmettre q u ' u n couple très faible.
M a i s cette limite à la puissance p a r pôle n'a rien d'absolu, et
FIG. 61. — G r o u p e cascade a v e c m o t e u r série Couple p o u r d e u x positions des balais.
d e l'angle d e décalage p e r m e t d e régler la c h u t e d e vitesse entre vide et charge.
Caractéristiques fondamentales. — a) Vitesse-couple. — D a n s le s c h é m a sans inductance, la vitesse à vide est le s y n c h r o n i s m e (fig. 6 1 ) . Si l'on e m p l o i e u n e self d e réglage, la vitesse à vide
44
LA HOUILLE BLANCHE
est réglable entre d e u x limites : d'une part la vitesse d e s y n c h r o - n i s m e d u m o t e u r d'induction, d'autre part celle q u i corres- p o n d à la s o m m e des pôles d u m o t e u r a s y n c h r o n e et d u M o t e u r à collecteur, à la fréquence d u réseau.
P o u r u n e vitesse à vide d o n n é e , l'écart d e vitesse entre vide et c h a r g e est réglable entre d e u x limites, d e façon continue, p a r le décalage (fig. 6 2 ) .
O n pourra, p a r e x e m p l e , faire varier la c h u t e d e vitesse d e 1 0 à 2 0 % . O n n e p e u t descendre au-dessous d'un certain glis- s e m e n t m i n i m u m : la caractéristique n'est d o n c p a s s h u n t , m a i s c o m p o u n d .
b) Puissance d é w a t t é e . Puissance w a t t é e . — Q u a n d le g r o u p e fonctionne a b s o l u m e n t à vide, il p r e n d a u réseau la puissaiice m a g n é t i s a n t e à vide d u m o t e u r d'induction.
Q u a n d la charge a u g m e n t e , la puissance m a g n é t i s a n t e prise
G r o u p e cascade d e 1.600 C V . , 5.500 V., 2 5 0 t m . à vide, 1 2 % d e glissement.
d e vitesse est g r a n d e , plus élevée est la charge qui correspond à cos <p = 1. L e réglage d e la vitesse réagit ainsi q u e l q u e p e u sur celui d e la puissance déwattée.
Conditions et étendue du réglage de la vitesse. — L'importance d u m o t e u r à collecteur a u g m e n t e a v e c l'étendue d e la variation d e la vitesse; p o u r u n réglage d e vitesse d e 1 à 2, le m o t e u r à collecteur devient aussi gros q u e le m o t e u r d'induction à régler.
E n effet, le m o t e u r à collecteur est alors d e la demi-puissance d u m o t e u r principal à la demi-vitesse.
A u s s i se limite-t-on à u n e variation d e 1 à 2 p o u r n e pas arriver à d e s m a c h i n e s d'un prix exagéré.
D ' a u t r e part, il est difficile d e réaliser des vitesses très élevées : p o u r d e s puissances d e l'ordre d e 1.000 C V . et plus, o n dépasse r a r e m e n t la vitesse d e 5 0 0 tours a u s y n c h r o n i s m e .
L a cascade série n e convient p a s p o u r réaliser u n réglage d e vitesse d a n s d e s limites p e u étendues, p o u r des raisons rela- tives à la polarité d u m o t e u r à collecteur et à la c o m m u t a t i o n , raisons sur lesquelles n o u s n e p o u v o n s insister ici (la polarité d e la m a c h i n e â collecteur est, d a n s u n e certaine m e s u r e , arbi- traire et o n e n dispose .pour faciliter les conditions d e c o m m u t a -
P o u r u n e vitesse à vide d o n n é e , la caractéristique puissance w a t t é e — puissance d é w a t t é e se modifie a v e c le décalage, c'est-à- dire a v e c l'écart d e vitesse entre vide et charge : plus la c h u t e
FIG. 6 3 . — D i a g r a m m e d u groupe cascade série.
a u réseau d i m i n u e r a p i d e m e n t , s'annule, puis c h a n g e d e signe : sensiblement, c o m m e p o u r la cascade a v e c excitatrice Leblanc-
FIG. 6 2 . — C a s c a d e série a v e c inductance.
Différents réglages d e l'inductance et des balais.
L a t o u r . C e s conditions apparaissent sur le d i a g r a m m e (fig. 6 3 ) . S a n s inductance, le point S se t r o u v e e n V ; a v e c inductance, il se t r o u v e au-dessous d u point V .
tipn : o n p e u t ainsi n'avoir sur le collecteur q u ' u n e fraction d e la tension aux b a g u e s d u m o t e u r d'induction).
Marche en couple négatif. — L a m a c h i n e n e p e u t p a s fonction- ner d a n s d e b o n n e s conditions e n couple négatif, sans a u c u n c h a n g e m e n t d e c o n n e x i o n s , q u a n d o n l'entraîne à u n e vitesse supérieure à sa vitesse à vide : le facteur d e puissance et le couple m a x i m u m sont p e u élevés. P o u r réaliser d e s caractéristiques symétriques d e celles o b t e n u e s d a n s la m a r c h e e n m o t e u r , il convient d e modifier le sens d u c h a m p t o u r n a n t d e la m a c h i n e à collecteur par u n c h a n g e m e n t d e c o n n e x i o n s a u x b a g u e s .
B) Cascade avec changeur de fréquence. — Description, schéma (fig. 5 8 ) . — L e s b a g u e s d u m o t e u r a s y n c h r o n e alimentent le collecteur d'un c h a n g e u r d e fréquence d o n t les b a g u e s sont réu- nies a u réseau p a r l'intermédiaire d'un transformateur abais- seur.
L e réglage d e la vitesse se fait e n m o d i f i a n t la g r a n d e u r d e la tension appliquée a u x b a g u e s d u m o t e u r d'induction, et le réglage d e la puissance m a g n é t i s a n t e , p a r décalage d e la p h a s e d e la tension appliquée a u x b a g u e s d u m o t e u r principal. Il y a d o n c d e u x réglages à faire.
E n réalité, les d e u x réglages sont liés; q u a n d o n modifie la g r a n d e u r d e la tension, la puissance m a g n é t i s a n t e varie ; et q u a n d o n modifie le calage, la vitesse varie.
. U n g r a n d n o m b r e d e dispositions o n t été i m a g i n é e s p o u r effec- tuer ce, double réglage d e g r a n d e u r et d e p h a s e .
L e s plus simples sont les suivantes :
1° E m p l o i d ' u n régulateur d'induction d o u b l e alimentant les b a g u e s d u c h a n g e u r ;
2 ° E m p l o i d ' u n d o u b l e j e u d e balais sur le collecteur d u c h a n g e u r (fig. 6 4 ) ;
corresponde à u n e p h a s e diamétrale d u rotor d e l'asynchrone principal.
3 ° E m p l o i d ' u n g r o u p e s y n c h r o n e moteur-alternateur. O n utilise u n m o t e u r s y n c h r o n e alimenté p a r le réseau, qui entraîne
FIG. 64. —• C a s c a d e avec c h a n g e u r cle fréquence à double jeu d e balais.
3 ° E m p l o i d ' u n g r o u p e s y n c h r o n e moteur-alternateur.
1° L e régulateur d p u b l e p e r m e t d e transformer la tension d u réseau e n u n e tension décalée d'un angle constant p a r rapport à celle d u réseau et Variable entre u n m a x i m u m et u n m i n i m u m symétriques p a r rapport à zéro.
C e s y s t è m e est s i m p l e m e n t f o r m é cle d o u x régulateurs d'induc- tion simples d o n t les stators sont e n parallèle et les rotors e n série; o n déçaje les rotors d a n s le m ê m e sens, les c h a m p s tour- n a n t s s ta toriques étant opposés.
2 ° U n d o u b l e jeu d e balais p e r m e t d e passer d e la position 1 - V à la position 8 - 8' (fig. 6 5 ) p a r les étapes indiquées : la tension reste invariable e n p h a s e et varie d e + à — la valeur diamétrale p a r décalage s y m é t r i q u e .
Il convient alors q u e c h a q u e paire d e balais d i a m é t r a u x
F i a . 6 5 . — Positions successives des d e u x balais correspondant à 2 b a g u e s diamétrales d u m o t e u r principal,
u n alternateur. L a tension d e l'alternateur p e u t être réglée e n g r a n d e u r p a r s o n excitation ; sa p h a s e , p a r rapport à celle d u réseau, est réglable p a r décalage d u stator.
Caractéristiques fondamentales. — a) Vitesse-couple. •— L a caractéristique, est shunt, a v e c vitesse à vide réglable d a n s u n intervalle s y m é t r i q u e p a r rapport a u s y n c h r o n i s m e (fig. 6 6 ) .
L'écart d e vitesse entre vide et charge n'est q u e p e u supérieur
FIG. 66. — C a s c a d e avec c h a n g e u r d e fréquence.
C o u p l e a u x vitesses extrêmes.
à celui d u m o t e u r a s y n c h r o n e seul, p o u r u n réglage d e vitesse m o d é r é .
L e g r o u p e est capable d u m ê m e couple à toutes les vitesses;
le rapport d u . couple m a x i m u m a u couple n o r m a l d i m i n u e q u a n d la vitesse à vide d i m i n u e , sensiblement d e la m ê m e m a n i è r e q u e p o u r le m o t e u r s h u n t à collecteur déjà étudié.
h) Puissance déwattée. Puissance w a t t é e , — L a caracté- ristique est différente a u x différentes vitesses à vide ; ce q u e n o u s a v o n s dit d u m o t e u r s h u n t à collecteur à double a l i m e n - tation est applicable.
Conditions et étendue du réglage de la vitesse. •— L ' i m p o r t a n c e d e la m a c h i n e à collecteur a u g m e n t e a v e c l'étendue d u réglage ( c o m m e d a n s tout s y s t è m e d e réglage d e vitesse e n cascade) ; o n se limite, e n général, à u n réglage d e ± 2 0 % a u t o u r d u s y n c h r o n i s m e , p o u r conserver u n e allure satisfaisante d e la carac- téristique d e puissance d é w a t t é e .
L a puissance par pôle d u c h a n g e u r est limitée à 1 0 à 2 0 C V par pôle p o u r des raisons d e c o m m u t a t i o n . Il est toujours p o s - sible, e n utilisant d e s e n g r e n a g e s réducteurs entre le m o t e u r principal et le c h a n g e u r , d e respecter cette condition : a u c u n e difficulté particulière n e se présente d u fait d e s e n g r e n a g e s , qui n e transmettent q u e le couple c o r r e s p o n d a n t a u x pertes.
Il n'y a d o n c p a s d p difficulté à régler la vitesse d'un m o t e u r a s y n c h r o n e t o u r n a n t à g r a n d e Vitesse»
46
LA HOUILLE BLANCHE
L a cascade a v e c c h a n g e u r convient particulièrement, a u réglage d e la vitesse d a n s des limites p e u é t e n d u e s (il n'existe plus ici a u c u n e d e s difficultés signalées p o u r la cascade série).
Marche en couple négatif. — L e f o n c t i o n n e m e n t en couple n é g a - tif sur le p r o l o n g e m e n t d e la caractéristique n e d e m a n d e a u c u n c h a n g e m e n t d e c o n n e x i o n s ; le passage sur u n e caractéristique q u e l c o n q u e d e la m a r c h e e n m o t e u r à la m a r c h e e n génératrice n e présente a u c u n e difficulté, et l'on peut, e n général, dépasser le couple n o r m a l e n génératrice e n conservant u n b o n facteur d e puissance.
10. — Autres couplages réalisables. — Il existe u n e infinité d e couplages e n cascade, qui ont été i m a g i n é s e n v u e d e réaliser toutes les caractéristiques q u e p e u v e n t d e m a n d e r les applications les plus variées.
O u t r e les g r o u p e s d o n t n o u s v e n o n s d'indiquer les caracté- ristiques, o n e m p l o i e encore f r é q u e m m e n t p o u r le réglage d e la vitesse :
1° L e couplage à alimentation rotorique a v e c m a c h i n e c o m - pensée à excitation s h u n t (groupe Iiyposynchrone) (fig. 6 7 ) ;
FIG. 6 7 . — C a s c a d e avec m a c h i n e c o m p e n s é e à excitation s h u n t p a r le stator.
2 ° L e couplage a v e c m a c h i n e c o m p e n s é e et excitation séparée par le rotor (groupe h y p o - h y p e r s y n c h r o n e ) (fig. 6 8 ) ;
FIG. 68. — Cascade a v e c m a c h i n e c o m p e n s é e à excitation séparée p a r le rotor.
3 ° L e couplage a v e c m a c h i n e c o m p e n s é e et excitation séparée p a r le stator (groupe h y p o - h y p e r s y n c h r o n e ) ' (fig. 6 9 ) ;
4° L e couplage a v e c m a c h i n e c o m p e n s é e à excitation m i x t e par le stator : u n e excitation s h u n t , et u n e excitation séparée p o u r passer le s y n c h r o n i s m e (groupe h y p o - h y p e r s y n c h r o n e , c o n n u sous le n o m d e c a s c a d e Sherbius).
N o u s arrêterons là cette é n u m é r a t i o n .
Selon les cas, l'exploitant désire plus o u m o i n s d e c h u t e d e vitesse entre vide et charge, u n e variation d e vitesse à vide plus o u m o i n s étendue, u n e caractéristique d e puissance m a g n é - tisante plus o u m o i n s parfaite, u n fonctionnement, à couple constant o u à puissance constante d a n s la g a m m e des vitesses.
L e s conditions d ' e n c o m b r e m e n t , d e r e n d e m e n t , d e prix global
FIG. 69. — C a s c a d e a v e c m a c h i n e c o m p e n s é e à excitation statorique séparée par u n c h a n g e u r auxiliaire à double jeu d e balais.
d e l'installation, d e simplicité d e m a n œ u v r e , d e sécurité, inter- v i e n n e n t toutes d a n s le choix d e la solution. Il n'est, p o u r ainsi dire, p a s d e p r o b l è m e q u e le constructeur spécialisé et expéri- m e n t é n e puisse résoudre.
O n utilisera tantôt d e s m a c h i n e s à entrefer continu, tantôt d e s m a c h i n e s à pôles saillants a v e c pôles d e c o m m u t a t i o n : ce sont là des différences qui n'intéressent q u e le constructeur, et qui n e modifient e n rien les propriétés et les caractéristiques des m a c h i n e s .
11. —"- Possibilités des moteurs polyphasés. — Récapitulation. — N o u s établirons m a i n t e n a n t , c o m m e n o u s l'avons fait p o u r les m o t e u r s à c o u r a n t continu, u n tableau qui r é s u m e les possibilités diverses p o u r le réglage d e la vitesse e n courants polyphasés.
T o u t e s les caractéristiques couple-vitesse p e u v e n t être ob- t e n u e s c o m m e n o u s l'avons indiqué.
Il est d e s cas o ù l'on p e u t hésiter sur la m a c h i n e à employer.
Considérons p a r e x e m p l e le cas d'un m o t e u r s h u n t p o u r venti- lateur, la vitesse d e v a n t être réglée d e 1 à 3. O n p e u t e m p l o y e r le m o t e u r d'induction réglé p a r résistances, o u bien le m o t e u r série p o l y p h a s é . Il convient d e c o m p a r e r le prix d e s m a c h i n e s et l'énergie prise a u réseau clans les d e u x cas, la solution la plus é c o n o m i q u e n'est p a s i m m é d i a t e m e n t évidente.
' à caractéristique
réglable. — M o t e u r série polyphasé.
Ô
fi
à caractéristique shunt
n o n réglable. —
réglable d a n s de petites li-
mites réglable d a n s
limites éten- dues.
réglable. —
M o t e u r d'induction sim- ple ; cascade a v e c exci- tatrice Leblanc-Latour.
C a s c a d e a v e c excitatrice d e c o m p e n s a t i o n à exci- tation séparée.
M o t e u r a u t o c o m p e n s é .
à caractéristique
c o m p o u n d ) réglable et vi- tesse à vide
réglable.
M o t e u r shunt à double alimentation.
M o t e u r s h u n t à double jeu d e balais.
C a s c a d e a v e c changeur d e fréquence à excitation séparée.
M o t e u r d'induction avec résistance ro torique.
C a s c a d e série simple.
C a s c a d e série a v e c in- ductance dérivée.
N O T E A N N E X E
Avantage de principe de l'excitatrice à collecteur en cascade pour la compensation des moteurs d'induction. — 1 ° L a fréquence dans la machine à collecteur. — A v e c u n e m a c h i n e à collecteur alimentée p a r les b a g u e s d'un m o t e u r d'induction, la fréquence d a n s le b o b i n a g e et le fer statorique est /s = gf, f étant la fré- q u e n c e d u réseau et g le glissement.
E n général, / = 5 0 , et g n e dépasse p a s e n valeur absolue la valeur 0,05 a v e c lès excitatrices d e c o m p e n s a t i o n .
O n d é m o n t r e q u e la fréquence d a n s le b o b i n a g e et le fer rotorique est :
/r = «t (1 - 9) I ± 9 f
% désignant le rapport entre le n o m b r e d e s pôles d u m o t e u r à collecteur et d u m o t e u r d'induction. L e signe — correspond ait cas o ù la m a c h i n e à collecteur tourne d a n s le sens d e s o n c h a m p tournant.
Cette relation traduit le fait q u e le collecteur agit, c o m m e transformateur d e fréquence.
Si, p a r e x e m p l e , la m a c h i n e à collecteur t o u r n e d a n s le sens d e s o n c h a m p tournant, ce q u i sera le cas d e la cascade avec excitatrice L e b l a n c :
fl] = l 0 = 0,05 / = 5 0 o n aura /r = 4 5 p. /s = 2,5 p .
«i • • l il 0»05 U = 21,5 » /s = 2,5 » Si la m a c h i n e à collecteur t o u r n e e n sens inverse d e son c h a m p t o u r n a n t (ce q u i sera le cas d e la cascade a v e c c h a n g e u r de fréquence) le. seul cas possible sera :
fi- — 5 0 périodes
L a puissance a p p a r e n t e d e la m a c h i n e à collecteur est : P = q U 0 g I2
q étant le n o m b r e , des phases, I2 lè c o u r a n t des b a g u e s d u m o t e u r principal.
U0 g est la tension appliquée à la m a c h i n e à collecteur, U0
étant la tension a u x b a g u e s à l'arrêt.
L a tension U2, sur le collecteur d e la m a c h i n e , est égale à U 0
g d a n s les d e u x cas considérés d e cascade, a v e c excitatrice L e b l a n c o u c h a n g e u r d e fréquence. Si l'excitatrice est établie p o u r r a m e - ner le c o s ç à l'unité à pleine charge, le produit q U 0 I2 est sen- siblement égal à la puissance P d u m o t e u r principal. L a puis- sance a p p a r e n t e d e la m a c h i n e à collecteur est ainsi Pg, et le.
circuit m a g n é t i q u e d e cette m a c h i n e est établi p o u r la fréquence fr : le d i m e n s i o n n e m e n t d e la m a c h i n e à collecteur e n résulte.
O n voit d o n c q u e la m a c h i n e à collecteur est établie, p o u r ce q u i c o n c e r n e les d i m e n s i o n s , n o n p a s p o u r la fréquence d e glissement à laquelle elle est alimentée, m a i s p o u r u n e fré- q u e n c e sensiblement plus élevée, et q u i sera p a r e x e m p l e égale à la fréquence d u réseau.
D'autre part, la m a c h i n e à collecteur est établie p o u r u n e puissance qui n'est q u e q u e l q u e s centièmes d e celle d e la m a c h i n e principale.
2 ° L a puissance magnétisante. — L e principe d e la conservation des puissances réactives appliqué à la m a c h i n e d'induction, p e r m e t d'établir que. la puissance réactive fournie à la fré- q u e n c e rotorique se retrouve d a n s le réseau relié a u stator m u l -
1 tiplie p a r —.
g
D'autre part, u n e m a c h i n e d'induction ordinaire c o n s o m m e sur le réseau, p o u r son f o n c t i o n n e m e n t , u n e puissance réactive Px
égale à la puissance d é w a t t é e d'excitation d e s o n circuit prin- cipal et des circuits d e fuites.
Si d o n c o n v e u t débiter sur le réseau u n e puissance réactive P2, il faut fournir a u x b a g u e s la puissance, réactive totale
g (Pi + p2)
Il est ainsi a v a n t a g e u x d e fournir la puissance réactive à la fréquence rotorique : si P1 + P2 = 1 0 0 k V A et g = 0,05, alors 5 k V A m a g n é t i s a n t s fournis a u x b a g u é s sont l'équivalent d e 1 0 0 k V A côté réseau.
Remarque. — • L e s r a i s o n n e m e n t s ci-dessus n e s'appliquent plus à fréquence nulle : la m a c h i n e devient alors u n e m a c h i n e s y n c h r o n e . D a n s ce cas, la puissance d'excitation est égale à la c h u t e o h m i q u e d a n s l'inducteur : elle est p u r e m e n t w a t t é e . C o m m e n t expliquer q u e , si la fréquence rotorique d i m i n u e c o n s t a m m e n t , la puissance d'excitation, a u lieu d e tendre vers zéro c o m m e , il s e m b l e e n raisonnant p a r continuité, t e n d e vers u n e valeur finie. '?
Cela tient à ce q u ' o n n e p e u t fournir u n e puissance réactive sans dépenser u n e certaine puissance active sous f o r m e d e perte J o u l e : le r a i s o n n e m e n t q u e l'on fait e n n e t e n a n t c o m p t e q u e d e la puissance réactive est d o n c incomplet. L'énergie m a g n é t i - sante a d e u x c o m p o s a n t e s : l'une active (celle qui existe seule- m e n t a u s y n c h r o n i s m e ) , l'autre réactive ; p a r suite, plus la fré- q u e n c e est faible, plus la puissance m a g n é t i s a n t e se r a p p r o c h e d e la valeur m i n i m a .
(A suivre.) (Extrait de Jeumonl, avril-juin 1928).
