L'électricité, source d'énergie
Éclairage Et Installation Électriques 1961
FORCE MOTRICE
Voici quelques notions très élémentaires sur les moteurs électriques et leur fonctionnement.
L'unité de travail est le pied-livre. C'est la somme d'énergie requise pour élever un poids d'une livre à un pied de hauteur.
La pression électrique (le volt), multipliée par la quantité d'électricité (le coulomb), est égale à un joule qui équivaut à .7374 pied-livre.
1 volt x 1 coulomb = 1 joule.
Un Horse-Power équivaut à 746 joules.
Le Horse-Power anglo-américain — le cheval-vapeur métrique correspond à 735.75 Watts ou joules.
Une force ou un H.P. représente l'énergie requise pour élever 550 livres à un pied de hauteur en une seconde, soit 33,000 livres en une minute.
Nous avons vu par ailleurs que le courant électrique se mesure par le nombre d'ampères. L'unité de puissance pour l'électricité est appelé watt.
Le pouvoir requis pour tenir le courant électrique en marche est le produit du courant en ampères multiplié par la pression en volts, qui donne ce que l'on appelle le Watt.
Watt = Ampères X Volts
Le Watt est l'unité de mesure qui indique la quantité de pouvoir employée pour chaque volt avec une résistance de 1 ampère. 746 watts égalent un H.P.
Un Watt est l'équivalent d'un joule par seconde ou 60 joules par minute ; comme le joule équivaut à .7374 pied-livre, 60 joules équivalent alors à 60 x .7374 = 44.244 pieds-livres.
Puisqu'un H.P. correspond à 33,000 pieds-livres par minute, c'est-à-dire à la puissance qui pourra élever 33,000 lbs d'un pied en une minute, le pouvoir électrique équivalent à un cheval-vapeur sera donc de
33,000 / 44.244 = 746 Watts = 1 H.P.
Le kilowatt
Le Watt étant une petite unité qui ne représente comme force que 0.746 pieds-livres par seconde, l'on emploie de préférence, pour mesurer la force motrice, le kilowatt, qui équivaut à 1,000 Watts.
Ainsi un Kilowatt (KW) ou 1,000 watts égale :
1000 - 746 = 1.34 H.P.
Ainsi un moteur ayant une résistance de 10 ampères avec un circuit de 220 volts prendra:
10 X 220 = 2200 watts
2200 / 1000 = 2.2 kilowatts.
NOTIONS SUR LES MOTEURS
Un moteur électrique est simplement l'inverse d'un générateur; c'est une machine qui convertit l'énergie électrique en énergie mécanique, c'est-à-dire en travail.
Cette énergie mécanique obtenue au moyen d'un moteur découle de l'énergie électrique arrivant à flot à travers son armature ou induit.
En principe, le moteur est une génératrice électrique (dynamo) employée inversement.
Les manuels techniques de langue française publiés en Europe emploient indifféremment les mots dynamo, génératrice et générateur pour désigner les appareils qui engendrent mécaniquement le courant électrique. Le mot générateur est toutefois le plus employé à l'heure présente.
En reliant ses bornes à une source d'électricité, l'induit se met à tourner et développe une force motrice proportionnée à l'énergie absorbée.
Comme la dynamo, un moteur électrique se compose de quatre éléments essentiels qui sont:
1° la culasse ou bâti (yoke) qui est stationnaire et après lequel sont assujettis les enroulements qui forment les bobines d'induction ou bobines de champ (field coils) du moteur ;
2° l'induit (armature) formé lui aussi de toute une série d'enroulements, mais qui est construit de façon à tourner à l'intérieur des bobines de champs sous l'effet du courant ;
3° le collecteur (commutator) d'où partent les bornes des bobines de l'induit: enfin,
4° les balais (brush), dispositif qui permet au courant de pénétrer successivement dans chaque enroulement de l'induit afin d'y créer un moment de torsion (torque).
L'induit (armature) varie dans sa construction selon la marque du moteur et l'usage auquel il est destiné.
Le noyau de l'induit peut être cylindrique ou constitué par un anneau avec bobine. (Fig. 33).
Comme le collecteur qui permet au courant de circuler en partant d'une dynamo, l'extrémité de l'induit des moteurs est pourvue d'autant de segments de cuivre qu'il y a d'enroulements sur le noyau. (Voir fig. 34).
Les balais (brush) prennent contact avec ces segments pour introduire le courant dans le moteur. Ces balais peuvent être en cuivre ou en carbone; ils sont maintenus en place et légèrement pressés sur le collecteur par de petits ressorts ajustables.
LES MOTEURS À INDUCTION
Le moteur à induction consiste spécialement en un induit et en un champ magnétique n'ayant aucun contact électrique entre eux.
On peut classer les moteurs selon le courant avec lequel ils sont appelés à fonctionner; courant continu (D.C.) ou alternatif (A.C.) ; ils peuvent être classés également selon les phases du courant utilisé: sous ce rapport, on distingue les moteurs à phase simple et les moteurs polyphasés.
La marche d'un moteur à induction dépend de la création d'un champ magnétique au passage d'un courant alternatif à travers les électroaimants de son induit et des enroulements ou bobines du champ (field coils). Ce champ magnétique produira ou une oscillation ou une rotation suivant que le courant est à simple phase ou polyphasé.
Lorsque le courant est fourni aux électroaimants, il se produit un champ d'oscillation.
Un moteur à simple phase ne démarre pas seul, mais lorsque l'induit ou armature est mis en mouvement par une source extérieure, la réaction entre le champ magnétique et le courant induit dans l'armature n'étant plus à zéro, un moment de torsion (torque) se produit et tend à faire tourner l'armature.
Par un dispositif spécial on arrive à diviser la phase, et un champ se produit normalement à l'axe de l'armature; ce champ de travers ou transversal (cross field) produit naturellement une torsion.
MOTEUR À PHASE AUXILIAIRE
Le champ d'oscillation dû à un courant monophasé ne provoque pas de rotation. Il est donc nécessaire de prévoir un champ de rotation qui mette un moteur à induction en marche.
Lorsque le moteur atteint une certaine révolution ce champ est supprimé, le moteur opérant alors à même le champ d'oscillation. Cette suppression du champ de rotation s'appelle un partage de phase.
Ce partage de phase ne provoquant pas une mise en marche assez rapide, un embrayage (clutch) permet à l'induit de tourner librement sur l'arbre jusqu'à ce qu'il ait atteint environ 75% de sa vitesse normale.
Pour les moteurs d'une certaine capacité, on emploie directement le courant à 3 phases 550 volts qui permet ce partage de phases et un démarrage facile.
VITESSE ET RENDEMENT DES MOTEURS ÉLECTRIQUES
La vitesse ou plutôt le nombre de révolutions (T.P.M.) du moteur par minute varie — selon la force du moteur et l'usage auquel il est destiné — de 850 à 2,500.
Le rendement d'un moteur qui tourne à ces vitesses varie suivant que l'arbre du moteur est relié directement à l'appareil qu'il actionne ou que le moteur transmet le mouvement au moyen d'engrenages ou de poulies et courroies.
Le rendement dépend du résultat recherché; il découle du principe de physique bien connu qui veut que ce que l'on gagne en force se perde en vitesse et que ce que Ton perd en force se gagne en vitesse.
Dans toutes les industries le moteur électrique tend à se généraliser; la plupart des villes et municipalités sont aujourd'hui dotées du courant électrique.
Dans les usines et manufactures, les machines à vapeur, leurs arbres de couches, leur infinité de poulies et courroies font graduellement place aux moteurs individuels actionnant chaque machine en y mettant la force et les révolutions requises.
Dans l'industrie lourde, on utilise des moteurs fonctionnant sur le courant de 550 volts ; les machines ordinaires sont actionnées par des moteurs qui utilisent le courant de 220 volts et, pour l'outillage mécanique installé sur chaque établi d'un petit atelier on se sert de moteurs qui se branchent sur le courant de 110 volts généralement employé pour l'éclairage.
Chaque moteur est muni d'un interrupteur et d'une commande automatique.
COMMANDE AUTOMATIQUE DES MOTEURS
Un coupe-circuit commandé à la main, avec fusibles généraux, est d'ordinaire placé dans chaque section de la manufacture, tandis que des commandes automatiques sont localisées dans un panneau de distribution d'où partent les circuits de chaque machine.
La commande automatique (automatic control) est un appareil coupant automatiquement un circuit lorsque le courant atteint une valeur déterminée; pour la force motrice, cet appareil prend le nom de disjoncteur.
Le disjoncteur (breaker) est un coupe-circuit pourvu d'un mécanisme propre à provoquer automatiquement son ouverture lorsque le régime d'un circuit subit certaines modifications. (Fig. 155).
Fig. 155.— Disjoncteur à l'air avec coupe-circuit automatique qui entre en action lorsque le courant subit certaines modifications.
Quand le circuit commande un courant d'une certaine intensité, lorsque l'interruption se fait, il se produit entre les couteaux du disjoncteur un certain arc voltaïque.
Pour remédier à réchauffement des contacts on a recours à un dispositif qui caractérise le type du disjoncteur.
Le disjoncteur à l'air (air circuit breaker) (fig. 150) consiste en un mécanisme de disjonction à bascule ou à rupture brusque qui, dans le cas d'une surcharge anormale sur un circuit, doit s'ouvrir automatiquement pour se refermer de lui-même dans un laps de temps limité s'il n'y a pas de court-circuit.
Le déclenchement, qui s'accomplit automatiquement à l'aide d'un élément thermique, permet au disjoncteur de prendre la position de «marche» (on), ou «d'arrêt» (off), ou neutre dans le cas d'un court-circuit. Le dispositif est aussi muni d'une manette permettant de le manœuvrer à la main.
Fig. 156.— Contact, vu en coupe, d'un disjoncteur à l'air.
D'ordinaire ces interrupteurs, s'ils sont placés sur un circuit à double pôle pour la force motrice, doivent avoir une capacité de rupture d'au moins 15 ampères, avec courant d'une tension allant de 220 à 250 volts.
Pour les circuits de 110-220 volts dérivés du tableau de distribution, les disjoncteurs doivent être unipolaires et calibrés pour 15 ampères à 125 volts.
Disjoncteur à l'huile (oil circuit breaker). Pour les installations d'une certaine importance commandant un fort circuit l'on a recours aux disjoncteurs à l'huile ; ce sont des appareils où la coupure du courant se fait dans l'huile afin de tempérer réchauffement des contacts. (Fig. 157).
Fig. 157.—Disjoncteur à l'huile, à simple lame; a) pourvu de trois noyaux mobiles ; b) pourvu de deux noyaux.
On est parvenu à mettre à point des disjoncteurs qui se caractérisent par la façon dont l'arc de rupture du circuit est soufflé ; ils sont connus, entre autres, sous le nom de disjoncteurs pneumatiques ou interrupteurs à expansion (impulse current breaker).
Fig. 158.— Détails de construction d'un disjoncteur à simple lame et pourvu de deux noyaux mobiles.
