CHAPITRE V
Alimentation directe. Alimentation par feeders. Survolteurs et dévolteurs. Cas d'une distribution à 3 et à 5 fils. Sous-stations de transformation. Sous-stations recevant du courant continu à haute tension et produisant du courant continu à basse tension. Sous-stations recevant du courant alternatif à haute tension et produisant du courant continu à basse tension. Sous-stations recevant du courant triphasé à haute tension et produisant du coûtant continu à basse tension. Dispositions intérieures des sous-stations avec commulatrices. Transformateurs tournants. Transformation du courant alternatif à haute tension en courant alternatif à basse tension. Transformation du courant alternatif à très haute tension en courant alternatif à haute tension. Alimentation par double transformation. Jonction des sous-stations aux usines génératrices. Emploi des accumulateurs dans les sous-stations.
Alimentation directe. — Le mode le plus simple d'alimentation électrique d'une ligne que Ton puisse imaginer est celui qui consiste en une usine placée sur la ligne môme et dont le courant se déverse directement dans la ligne. (Métropolitain de Berlin.)
Mais cette grande commodité n'est pas toujours facile à réaliser, soit que l'usine doive également alimenter d'autres lignes, soit que les terrains dont on peut disposer ne conviennent pas pour l'édification d'une usine. Nous avons vu, en particulier, combien il était utile, si Ton voulait produire le kilowatt-heure à bon compte, d'avoir de l'eau de bonne qualité en grande abondance. La question de l'apport du charbon est également des plus importantes, quoique plus facilement soluble, puisque, datas 1?
Maréchal. — Chcm. de for élcct. lo
cas spécial où nous nous plaçons, l'usine, en raison de son contact avec une voie ferrée, pourra évidemment recevoir son charbon directement par rails.
Lorsqu'il s'agit d'une ligne un peu longue, comportant une distribution à tension élevée, on dispose d'une marge beaucoup plus grande pour assurer l'alimentation directe. Avec des tensions de 10 à 15 000 volts, en effet, un déplacement de l'usine de 4 à 5 kilomètres ne peut avoir qu'une faible influence sur le rendement total de la distribution.
On peut envisager le cas d'une usine mixte, c'est-à-dire alimentant directement la section voisine de l'usine par une distribution à basse tension et envoyant dans les sections éloignées du courant à haute tension, celle dernière devant toutefois être abaissée dans des postes de transformation, afin que la distribution se fasse sur toute la ligne, à la môme tension que dans le voisinage de l'usine. Mais on complique ainsi l'installation intérieure de l'usine, pour n'obtenir qu'une amélioration de rendement souvent insignifiante par rapport à l'ensemble.
A moins de cas bien spéciaux il sera préférable d'adopter une usine avec un matériel uniforme, sauf à recourir à une transformation pour la fraction de courant qui sera utilisée par les trains dans le voisinage même de l'usine.
Alimentation par îeeders. — C'est là le cas normal. Les lignes de distribution et les circuits de retour (rails) ne peuvent en effet supporter que des débits limités, en ce sens que leur résistance au passage du courant devient trop grande, dès que le débit à écouler est élevé.
Nous avons vu que si R est la résistance totale de la ligne d'aller et de retour, il se produit une perte de voltage égale à RI et une perte d'énergie égale à RI2.
Comme, sur une ligne de chemin de fer, I est généralement très grand, les pertes RI et RI2 deviennent rapidement très sensibles.
En ce qui concerne les pertes d'énergie, elles ont une influence d'autant plus grande, au point de vue économique, qu'elles ont lieu non pas seulement pendant quelques heures, ainsi que le fait se produit sur les réseaux d'éclairage qui ne fonctionnent à plein débit que durant 2 ou 3 heures par jour, mais pendant 15 ou 20 heures, sinon pendant la totalité de la journée.
Nous avons déjà montré qu'il faut alors venir alimenter la ligne, en des points déterminés, par des feeders, c'est-à-dire par des conducteurs à grosse section, qui relient directement les points d'alimentation à l'usine.
Avec une distribution par courants continus à basse tension on pourra constituer ces feeders par des rails, isolés à la manière du 3e rail. Mais on obstrue ainsi la voie. On prendra, de préférence, des conducteurs en cuivre nu ou des câbles en cuivre avec isolement et armature.
Dans le premier cas, et si la distribution se fait par conducteurs aériens on accrochera les feeders, à moins qu'ils ne soient trop lourds, aux poteaux de la ligne. Pour de petits débits, on pourra employer des fils de trolley et, pour les gros, des câbles de diamètre approprié. Dans certaines installations (Berlin) on a pris, comme feeders, des barres de cuivre que l'on a placées sur isolateurs dans un caniveau établi au milieu de la voie. On obtient ainsi des feeders moins coûteux que des câbles, puisque l'on économise le câblage; mais des barres de cuivre sont beaucoup plus incommodes à manier que des câbles. Et comme on ne les livre que par faibles longueurs, il faut confectionner un très grand nombre de joints. A la vérité, quand on ne dispose que de peu de hauteur pour installer les feeders, on a l'avantage, avec des barres que Ton place de champ^de pouvoir espacer les isolateurs, la flèche prise par les barres étant très faible. Mais alors il faut craindre le gondolement des barres sous l'action des variations de la température.
A défaut de conducteurs nus on aura recours à des conducteurs
isolés et le mieux sera, dans ce cas, de prendre comme feeders des câbles armés et isolés, que Ton placera dans le ballast ou dans les accotements de la voie. Il sera bon d'entourer les câbles, malgré leur double protection (armature et isolement), d'une petite couche de sable. Celle-ci intervient non seulement pour empêcher que le câble ne soit avarié par les angles des pierres, mais aussi pour éviter qu'il ne soit mis en contact direct avec certaines substances susceptibles, à la longue, de le détériorer.
Les feeders pour courants alternatifs (monophasés ou triphasés) peuvent être aussi aériens ou souterrains. Si la tension est élevée ils devront être considérés comme les lignes de transport de force dont il sera parlé plus loin.
Il y a toujours intérêt à pouvoir isoler rapidement un feeder, non seulement pour le cas où il est le siège d'une avarie, mais aussi pour avoir le moyen d'arrêter l'alimentation de telle ou telle partie de la voie. Par conséquent on reliera le feeder aux conducteurs de distribution par un fort interrupteur à main. D'autre part, à l'origine, c'est-à-dire au tableau de l'usine on placera un disjoncteur automatique, un interrupteur à main avec plomb fusible1 et, pour savoir à chaque instant ce que le feeder débite, un ampèremètre ou un waltmètre. Le voltage à l'origine, étant celui des barres omnibus du tableau, n'aura pas besoin d'être donné par un voltmètre spécial; il sera indiqué par le voltmètre général. Mais il sera bon de connaître le voltage à l'extrémité du feeder, ce que l'on obtiendra par un fil fin, spécial, j oignant l'usi ne à l'extrémité du feeder (fil pilote) . Quand le feeder sera constitué par un câble armé et isolé, le fil fin sera placé dans le câble lui-même, les constructeurs fabriquant couramment des câbles ainsi constitués.
Si des feeders d'aller sont nécessaires pour l'alimentation de la ligne, des feeders de retour devront probablement aussi être ins-
■ Avec un di sjoncteur automatique, le fusible n'est pas indispensable. On a tendance à le supprimer de plus en plus dans les installations américaines.
tallés. Nous disons probablement parce que, dans un chemin de fer, avec retour du courant par les rails, on dispose, pour le retour, dune section double de celle du 3e rail. Mais une considération intervient pour diminuer l'effet de cet avantage; c'est celle de la perte de charge dans les rails. Nous avons déjà indiqué que, sur un réseau de tramways, l'administration n'acceptait dans les rails qu'une perte de charge d'un volt par kilomètre et ce, dans le but d'éviter les décompositions électrolytiques que pourraient provoquer les fuites de courant. Si une règle pareille devait être appliquée à un chemin de fer, on serait amené, étant données les pertes de voltage assez sensibles que l'on admet dans le 3e rail (facilement 7 à 8 volts par kilomètre), à adjoindre aux rails de retour des feeders représentant une section d'acier trois ou quatre fois plus forte que celle des rails de retour. Mais comme les décompositions électrolytiques sont moins à craindre que sur une ligne de tramway, on pourra généralement admettre dans le retour une perte de voltage plus élevée \
Les feeders de retour pourraient, à la rigueur, être constitués par de vieux rails, enfouis dans le sol et formant une ligne conductrice jusqu'à l'usine; mais on trouvera généralement avantage à prendre des câbles en cuivre, soit des câbles nus, si la perte de charge admise dans le retour est faible, soit des câbles à léger isolement, si la différence de potentiel existant entre les extrémités du feeder est assez considérable. On peut constituer une canalisation suffisamment isolée pour l'objet à remplir, dans ce cas, en noyant un ou plusieurs câbles nus dans une goulotte en bois,, remplie de bitume.
Le calcul des feeders (aller et retour) ainsi que la détermination de leur point de soudure avec la ligne de distribution doivent être faits avec soin. En général et étant donné que les che-
1 L'instruction technique pour rétablissement des conducteurs d'énergie électrique (application de la loi du 2o juin 1895) prévoit que, même pour les réseaux de tramways, une perte de charge supérieure au volt kilométrique pourra, dans certains cas, être autorisée .
mins de fer pour lesquels la traction électrique a été préférée à la vapeur sont ordinairement à trafic intense, les considérations qui interviendront auront surtout comme objectif la diminution des pertes d'énergie, pertes qui sont d'autant plus sensibles que l'intensité moyenne de la ligne sera généralement très considérable. Si, dans ce cas, on admettait pour l'ensemble des circuits, une perte de charge voisine de celle qui est usuelle dans les exploitations de tramways, soit 10 à 12 p. 100 de la tension de la distribution, on arriverait à des pertes d'énergie beaucoup trop élevées. Un simple calcul montrera facilement que Ton aura intérêt à se tenir dans des limites un peu plus basses, surtout si les circonstances locales ne permettent pas d'obtenir l'électricité à un prix relativement faible, La conséquence est que, pour un chemin de fer à grand débit avec distribution électrique à basse tension, on sera amené à multiplier les feeders ou encore (dans le cas d'une alimentation de la ligne par des sous-stations de transformation) à prévoir un nombre assez considérable de ces sousstations. C'est là un des inconvénients de la distribution par courant continu à basse tension, inconvénient beaucoup moins grave pour un tramway dont les débits sont bien plus faibles que ceux d'un chemin de fer. C'est encore une démonstration de ce fait que les tensions admises sur les lignes de tramway sont, pratiquement un peu trop faibles pour des lignes de chemin de fer.
Puisque la question se trouvera limitée sur le terrain économique on devra d'abord ne pas hésiter à employer comme rails des échantillons bien supérieurs à ceux qui seraient strictement nécessaires pour le roulement et avoir également un 3e rail très lourd. Cela étant, pour déterminer les emplacements et la section des feeders, on partira de cette donnée que la dépense d'installation de ces feeders (pour intérêt et amortissement) devra être au plus égale à la dépense qu'occasionnaient les pertes d'énergie qui seront ainsi supprimées.
Lorsqu'au lieu d'un chemin, de fer à trafic intense on a affaire
à un chemin de fer à mouvement peu important, avec usine produisant l'électricité à bas prix, le problème est différent et se réduit à assurer le long de la ligne une répartition du potentiel telle que le fonctionnement des moteurs puisse être convenablement assuré. On pourra, dès lors, consentir une perte de voltage dépassant un peu 10 à 12 p. 100 de la tension, cette diminution de voltage n'ayant, comme inconvénient, que de réduire un peu la vitesse normale des moteurs1. On devra cependant vérifier que les conducteurs de distribution et les connexions électriques ne pourront pas subir, du fait du passage du courant, un échauffement excessif.
Survolteurs etdévolteurs. — Considérons un feeder d'alimentation et supposons qu'en raison de sa longueur, de sa résistance et de son débit, il occasionne par lui-même entre l'usine et son point de soudure à la lignô de distribution une perte de voltage élevée (50 à 60 volts, par exemple). Son rôle sera dès lors différent de celui qui a été précédemment envisagé, un feeder n'ayant pas seulement pour objet d'apporter un certain débit d'électricité en un point donné d'une ligne, mais aussi d'y relever la tension en écoulant cette électricité à une tension voisine de celle de l'usine.
On pourra, dans ce cas, si l'on ne veut pas diminuer la résistance du feeder, en augmentant son diamètre, arriver à un résultat analogue par l'emploi d'un sitrvolteur.
Ce survolteur n'est autre qu'une dynamo, en série sur le feeder, et qui ajoute sa force électro-motrice à celle du courant passant dans le feeder. Soit, par exemple, une dynamo pouvant donner du courant à 50 à 60 volts et intercalée sur le feeder. Il est clair que la tension résultante sera celle du feeder, augmentée de 50 à
* L'action d'un feeder sur la répartition des tensions le long de la ligne se détermine très facilement à l'aide d'un graphique, en prenant comme axe des x la ligne parcourue par les trains et comme ordonnées les pertes de voltage correspondant à la position la plus défavorable des trains.
GO volls. Par conséquent à l'extrémité du feeder la tension sera augmentée d'autant et Ton se trouvera, au point de vue de l'alintentation, dans une situation normale.
Mais on devra, pour maintenir la dynamo en mouvement, dépenser de la force motrice. En général, on actionne la dynamo par un moteur électrique tournant à la même vitesse, les arbres étant jonctionnés par un accouplement élastique, genre Raffard ou autre. Ce moteur va donc consommer de l'électricité. Et indépendamment de l'énergie nécessaire pour augmenter de 50 à GO volts le débit du feeder, il faudra dépenser, en plus, une certaine quantité de force motrice pour tenir compte de l'énergie absorbée intérieurement par la dynamo et le moteur, leur rendement individuel ne dépassant guère 90 p. 100. Par conséquent le survoltaye d'un feeder ne s'obtiendra que moyennant une certaine dépense d'énergie (facilement 25 à 30 p. 100 de celle qui est véhiculée par le feeder) de sorte que ce système ne peut être réellement pratique que si le prix de l'électricité est particulièrement bas1.
Le dévolteur est l'inverse du survolteur. Il s'emploie sur un feeder de retour dont la résistance serait telle qu'elle créerait entre les deux extrémités une différence de potentiel trop considérable. Si, par exemple, la perte de tension dans le feeder est de 45 volts, ce qui revient à dire que la tension à l'extrémité du feeder, et par conséquent sur les rails de retour, est de 15 volts, il y aura 15 volts de différence entre les rails et tout autre point de ces derniers relié à l'usine par un conducteur de résistance à peu près nulle. C'est ce qui arriverait, notamment, si l'usine était placée en bordure môme de la ligne. Dans ces conditions, des décompositions électrolytiques seraient à craindre, en même temps que la différence de potentiel entre balais des moteurs (automotrices ou locomotives) serait diminuée. Le dévolteur créera
4 Nous verrons un peu plus loin un exemple de survoltage combiné avec une distribution à 3 fils (chemin de fer de Grenoble à Chapareillan).
sur le feeder une tension négative, ce que l'on obtiendra en reliant ses balais négatifs au feeder et ses balais positifs aux barres du tableau.
Ledévolteur se compose, comme le survoltcur, d'une dynamo actionnée par un moteur électrique. Et, comme le survol teur, il ne travaille pas pour rien, absorbant une certaine quantité d'énergie.
En somme, si les survoltcurs et les dévolteurs constituent, pour certaines distributions, une solution ingénieuse et un moyen assez commode de diminuer les pertes de charges, ils ne peuvent guère être considérés que comme un palliatif, substituant le rôle d une machine, à celui que l'on peut demander à des masses inertes de cuivre ou d'acier. Inabordables dès que le prix de l'électricité se rapproche de la normale, ils sonl toujours une complication. Par conséquent ils ne pourront être adoptés que dans des cas bien spéciaux et encore faudra-t-il bien se rendre compte qu'on n'aurait pas avantage, alors, à modifier le système général de distribution.
Cas d'une distribution à 3 et à 5 fils. — Nous avons déjà fait connaître le principe de la distribution à 3 fils, système qui comporte deux lignes de distribution par exemple à -f- 600 volts et — 600 volts, les rails servant de retour commun et constituant le 3e fil.
L'alimentation des lignes de distribution se fera, comme dans le cas du courant continu, c'est-à-dire directement si la longueur du chemin de fer est faible, et avec feeder si les pertes de charge sont trop fortes avec l'alimentation directe.
Avec un tel système, la question du retour du courant par les rails se trouve simplifiée, puisque ceux-ci ne servent, pour ainsi dire, que de fils d équilibre. En effet s'il s'agit d'une ligne à double voie, lune des voies étant alimentée à -f- 600 volts et l'autre à — 600 volts, le courant consommé sur la première voie par un
train ne reviendra pas à l'usine par les rails ; il suivra seulement ceux-ci jusqu'à ce qu'il rencontre un train circulant sur l'autre voie; il atteindra les moteurs par les roues et reviendra à l'usine par le conducteur à — 600 volts.
Avec une ligne à voie unique à deux conducteurs, la voiture sera munie de deux trolleys ou de deux trotteurs et le courant aura encore moins de chemin à parcourir dans les rails.
Aussi, avec la distribution à S fils, pourra-t-on, généralement,
Ba£U
Fig. 207. - Dislribulîo
s fils (ligne île Grenoble à Chapareillan).
s'éviter tous feeders de retour, même si des feeders d'aller ont été reconnus nécessaires. Ces derniers véhiculant en réalité du courant à I 000 volls, pourront avoir une zone d'action beaucoup plus étendue que dans le cas d'une distribution à 500 volts. Us pourront, d'ailleurs, si l'on veut pousser encore plus loin la distribution, être combinés avec des groupes survol leurs.
C'est un système d'alimentation et de distribution de cette nature, qui a été appliqué sur le chemin de fer de Grenoble à Chapareillan. Ce chemin de fer, bien qu'ayant une longueur de 43 kilomètres, a pu, grâce à une distribution à 3 fils et à des sur-
volteurs, être alimenté par une usine à courant continu à basse tension. Celle-ci renferme trois groupes de 250 kilowatts, constitués chacun par une turbine utilisant une chute d'eau de 450 mètres et une dynamo accouplée directement à la turbine et donnant à la vitesse normale (325 tours par minute) 417 ampères à 600 volts. Deux de ces dynamos, montées en série, assurent la distribution à trois fils. La troisième est de réserve.
Du tableau partent trois feeders, aboutissant à Grenoble, les Drogeaux et Chapareillan (fig. 207). En raison de leur longueur ces feeders occasionneraient respectivement des pertes de voltage de 250, 150, et 235 volts. Mais des survolteurs créent dans ces feeders des forces électromotrices égales aux pertes de charge ci-dessus, en sorte que la ligne est bien à la tension des barres du tableau, soit 600 volts de différence avec les rails. Les feeders sont doubles (un pour chaque « pont »). Par groupe de feeders il y a donc deux survolteurs, c'est-à-dire un sur chaque feeder. Ces deux survolteurs, qui sont constitués par des dynamos-série, sont mis en mouvement par un moteur Compound en dérivation sur les feeders. Ce moteur Compound ayant une vilesse constante, les dynamos-série tournent à une vitesse constante. Dès lors leur tension variera proportionnellement à l'intensité du courant circulant dans le feeder. Par conséquent plus l'intensité croîtra (ce qui correspondra à une augmentation proportionnelle de la perte de charge) et plus la tension du survolteur s'élèvera. En d'autres termes le maintien du potentiel de la ligne aux valeurs de + 600 et — 600 volts se fera d'une façon automatique.
Nous avons vu qu'il existait un système de distribution à 5 fils sur le City and South London. A la vérité ce système ne ressemble en rien au système à 5 fils que l'on emploie si couramment pour une distribution d'éclairage. Dans ce dernier cas les 5 fils forment quatre « ponts » et les lampes sont réparties d'une façon aussi uniforme que possible sur chaque pont. On ne pourrait appli-
quer ce syslème aux chemins de fer qu'à la condition d'avoir une ligne à quatre voies avec conducteurs de distribution disposés comme on Ta indiqué, page 189.
Mais la complication serait grande et l'isolement des conducteurs aux croisements et aux aiguillages serait difficile à réaliser. D'ailleurs on ne pourrait recourir à une distribution par rails isolés, la différence de potentiel entre les rails extrêmes et la voie étant de 1 000 volts. Pour ces diverses raisons n'a-t-on pas employé,
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Fig. 208.— Distribution à cinq fils (City and South London).
sous cette forme, le système à 5 fils sur le City and South London. Au départ les cinq fils existent bien, mais les fils extrêmes ne servent en réalité quedefeeders (fig. 208). Les autres fils forment avec la voie deux « ponts », l'un à+ 500 volts, l'autre à — 300 volts réalisant ainsi une distribution à 3 fils. Quant aux fils extrêmes ils suivent la voie jusque dans des sous-stations où ils actionnent des moteurs à SOO volts, branchés d'une part sur ces fils extrêmes et d'autre part sur le 2e ou le 4e fil. Ces moteurs commandent eux-mêmes des dynamos à 500 volts dont les balais sont reliés au 2e fil et à la voie pour la gauche, au 3e fil et à la voie pour la droite. Ces dynamos alimentent directement la ligne, comme le feraient des usines marchant en parallèle avec la première.
Les deux fils extrêmes sont constitués par des cables ; la voie sert de 3° fil; quant aux 2e et 4° fils, ce sont les 3e rails de l'une et l'autre voie.
Mais ces 3es rails, tout en ne présentant que la différence usuelle de 500 volts entre eux et les rails de roulement, sont l'un à + 500 volts et l'autre à — 500 volts. Donc ils ne devront jamais se rencontrer et la voiture, sous peine d'un court-circuit formidable, ne devra prendre contact par ses frotteurs avec l'un et l'autre rail. Aussi aux croisements et aux aiguillages les rails conducteurs sont-ils interrompus sur une longueur de 6 mètres, ce qui n'empêche pas, cependant, l'alimentation d'être assurée, parce que les trains comprennent une voiture motrice à l'avant et une à l'arrière et que les frotteurs d'arrière sont alors, en plein, sur les rails conducteurs.
Autrefois le City and South London n'était qu'à 2 fils et à 500 volts. Mais son prolongement vers le Nord a fait condamner ce système de distribution, qui conduisait à des pertes de charge et à des pertes d'énergie inadmissibles. Après une série d'études comparatives, les ingénieurs de la ligne ont renoncé à effectuer un transport de force par courants triphasés et ils ont trouvé plus simple et plus économique d'employer le système qui vient d'être expliqué. Ils s'en déclarent très satisfaits, accusant pour le rendement des sous-stations les chiffres suivants :
A quart de charge, 90 p. 100.
A moitié charge, 94 —
A pleine charge, 96 —
A 50 p. 100 de surcharge, 96 —
L'équilibrage des lignes se fait, d'autre part, d'une façon parfaite et la Compagnie estime que tout autre système aurait été pour elle plus coûteux et plus compliqué.
Sous-stations de transformation. — Les sous-stations de transformation sont réparties le long des lignes, assurant l'alimentation, comme le ferait une usine génératrice. Mais elles ne créent point leur électricité, la recevant de la vraie station électrique,
c'est-à-dire de l'usine centrale. Cette dernière étant combinée, dans ce cas, pour produire et transporter l'énergie électrique, même à de longues distances, dans les conditions les plus économiques, fournit aux sous-stations le courant qui convient le mieux pour cette distribution (qui est un vrai transport de force), de sorte que le courant doit subir, dans les sous-stations, avant d'être utilisé par le chemin de fer, une certaine transformation.
Nous distinguerons dans les sous-stations deux catégories : celles qui produisent du courant continu et celles qui produisent du courant alternatif.
Les premières nécessiteront toujours des appareils tournants, alors que pour distribuer du courant alternatif on peut5 si la station centrale fournit du courant alternatif, effectuer toutes les transformations désirables pardes transformateurs statiques. Ces dernières seront donc d'une organisation et d'une exploitation plus simples que les premières.
Sous-stations recevant du courant continu à haute tension et produisant du courant continu à basse tension. — Le courant primaire peut être du courant continu, ne différant de celui qui doit être distribué que par sa tension. Nous venons de voir, à propos du City and Soulh London, comment, avec du courant à 2 000 volts, on peut assurer une distribution à 500 volts. Mais, en général, quand on prend le courant continu comme courant primaire, il y a intérêt à adopter une tension bien supérieure h 2 000 volts. Toutefois si Ton considère une tension élevée, par exemple 15 à 20 000 volts, tension usuelle en matière de trans- ' port de force, on se heurte à une double difficulté. C'est d'abord qu'il n'est pas pratique de produire par une seule dynamo du courant à une tension pareille, et ensuite que l'abaissement de la tension qui ne pourrait être fait que par un moteur actionnant une génératrice à la tension de la ligne (au plus 6 à 700 volts)
comporterait un moteur à courant continu à 15 ou 20 000 volts,
appareil qu'il est tout aussi difficile de fabriquer qu'une dynamo ài5ou 20000 volts.
On tourne la difficulté par le système de la distribution en série, système qui ne comporte que l'intervention de dynamos usuelles
c'est-à-dire à 2 ou 3000 volts. Soit, par exemple, à produire du courant a 13000 volts ; on prendra y dynamos a 3000 volts que l'on montera en série et, à la sortie de la dernière, on recueillera bien du courant à 15000 volfs («g. 209 et 210). Il s'agit maintenant de le transformer en courant continu à G ou 700 volts.
Fig. 210. — Croupe élémentaire île deux dynamos en série.
Si dans la sous-station on dispose de 5 groupes constitués chacun d'un moteur à 3 000 volts, actionnant une génératrice à (i ou 700 volts et que d'autre part on alimente les moteurs en série, ils absorberont, à eux tous, les 13000 volts de la ligne primaire (lig. 211) et il suffira de réunir les génératrices en parallèle, pour alimenter à 6 ou 700 volts la ligne de distribution.
Mais on voit que la sous-slalion de transformation présente une certaine complication, puisqu'elle renfermera S groupes tournants. On pourra n'avoir qu'un seul groupe par sous-slalion, si l'alimentation de la ligne comporte cinq sous-stalions, parce que l'on alimentera les cinq stations en série, le courant
primaire les traversant successivement; en perdant 3000 volts dans chacune d'elles.
Ce système très ingénieux de distribution, spécialement étudié par M. ïhury, est complété par des appareils permettant : 1° à la station centrale de régler sa tension d'après le nombre des réceptrices en service, tout en maintenant l'intensité à une valeur
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Fig. 211. — Sous-station dans le cas de la distribution en série.
constante; 2° aux sous-stations de s'isoler par un by-pass, fonctionnant à main et automatiquement, de la ligne primaire, le courant, suivant alors celle-ci, sans passer par la sous-station l.
1 M. Cuénod, dans une très intéressante communication à la Société Internationale des Electriciens [Bulletin de janvier 1900) a fait ressortir, comme il suit, les principaux avantages de la distribution en série.
Le matériel se prèle à une grande uniformité, ce qui facilite les réparations.
Le fonctionnement prolongé d'installations exécutées a montré (pion peut atteindre, avec le courant continu, d'une manière absolument industrielle jusqu'à :io00 volts par génératrice. Il n'y a, par suite, aucune difficulté en prenant, par exemple. 20 génératrices, à atteiudre 70 000 volts, c'est à-dire un voltage permettant d'étendre la distribution, avec peu de cuivre et une faible perte, à des dislances énormes.
La ligne-série peut, au besoin, avec une distribution en boucle, être constituée par un seul conducteur. Même avec deux conducteurs, on peut s'arranger pour n'avoir qu'un seul pôle sur le même support. Le nombre des conducteurs étant au plus égal à deux, on peut placer ceux-ci à des distances convenables et éviter les
Mab&chal. — Chcm. de fer elect.
La figure 2i2 montre un des moteurs à haute tension du système Thury. Il repose sur le sol par l'intermédiaire de supports en porcelaine. D'autre part on isole également le plancher, en sorte que les chances d'accident sont très diminuées pour le personnel, Un accident est d'ailleurs d'autant moins a craindre que le con-
Fig, 212. — Moteur û haute tension actionnant un dynamo ù basse tension.
tact avec un des fils soit d'entrée, soit de sortie ne peut occasionner de choc. Il faudrait, pour cela, que la ligne à haute tension fût mal isolée, ce qui ne peut arriver que tout à fait passagèrement. L'aclionnement de la génératrice se fait par des plateaux formant volant cl que relient des bagues isolantes et élastiques.
dangers de courts circuits auxque'.s on est exposé avec les lignes à courant alternatif pour lesquelles de nombreux conducteurs sont, au contraire, nécessaire».
l.cs moteurs sont de simples molcurs à courant continu excites en série et bobinés à bas ou moyeu voltage, dont le rendement n'est pas altéré par leur montage en série. Le Tait de leur alimentation directe p;ir la ligne supprime la perte de la transformation.
Enfin, comme cela est nécessaire pour une génératrice de chemin de fer. on peut. par uu régulateur à asservissement mécanique, maintenir la vitesse des moteurs i une valeur à peu près constante.
Il est nécessaire qu'en vue du bon fonctionnement de celle génératrice, le moteur tourne à une vitesse à peu près constanle. Or, ce n'est pas là le propre des moteurs-série, qui ont tendance ii ralentir sous la charge et à s'emballer, quand celle-ci diminue. Aussi at-ou dû adjoindre au moteur un régulateur de vitesse (fig.
213 et 214). C'est assurément là une complication assez sérieuse, d'autant plus que le système de réglage adopte exige une intervention à la fois mécanique et électrique. L'appareil de réglage est constitué par une sorte de
Fig. 313. — Si-ht'ina
Fig. 214. — Régulateur de vitesse.
régulateur de machine à vapeur agissant pour la première partie du réglage sur les balais, qui sont déplacés plus ou moins par rapport à leur position normale, et ensuite sur les
inducteurs, qui sont shuntés avec des résistances variables. Li: tableau de dis tri billion pour ta mamr-uvrod un moteur-série est très simple [fig. 21"»).
Indépendamment du bypass 'lig. 2Hi', il comprend un in Le nu pleur de court circuit qui ferme le courant sur le moteur ou met ce dernier hors circuit, tout en assurant la continuité delà Italie à haute tension lig.
2I7\ Au moment où le circuit est fermé il pourrait, en raison de la, se If- induelion des inducteurs du moteur, se produire une forte étincelle qui détériorerait Fiji. 315. — Tnbleati .le dislribulion pour rillIeiTUpteur.On évitecellc la manœuvre i un moteur- série. éventualilé par un pare-
étincelles fig. 218', appareil formé de deux contacts en charbon pouvant se séparer sous L'action d'un électro-aimant en série sur le courant allant au moteur. C'est entre ces blocs de charbon que jaillit l'étincelle de rupture, mais ceux-ci peuvent très bien les supporter et on n'a a. les changer que de loin eu loin.
Nous n'avons rien de spécial à dire de la génératrice à courant continu dont le fonctionnement est identiquement celui d'une génératrice à alimentation directe. Fig. 210. — By-pnss automatique
Sous-station recevant du courant alternatif à haute tension et
produisant du courant coutiuu à basse tension. — Des sotis-slalions de celte nature ne sont que très rarement alimentées pur du courant alternatif monophasé, attendu que, lorsque l'on veut transporter de l'énergie à distance par des courants alternatifs, on fait une économie de cuivre 1res sensible en employant, au lieu de courants monophasés, des courants triphasés.
Cependant si, pour des raisons spéciales, on était amené à envisager un Irans-
Piff. sn. — Interrupteur à main du tableau port de force par courauls de distribution. monophasés , on pourrait
transformer ces derniers en courants continus à l'aide d un
appareil analogue à celui qui sert pour la transformation des
courants triphasés et que Ion désigne
sous le nom de cniirerlissnir ou de commutât rire.
Le principe de ces transformateurs se
comprendra très aisément si l'on veut
bien se reporter au mode de production
même du courant dans une dynamo (une
dynamo lit- polaire, par exemple j. Nous
avons vu que les courants engendrés dans
les bobines de l'iuduit étaient des courants
alternatifs et qu'ils no devenaient continua
que par l'intervention du collecteur. En *'B-ilH-— l'we-eLiueeiie.
sorte que si l'on suppose une dynamo munie, de part et d autre de son induit, d'un collecteur et de deux bagues isolées, reliées à deux points diamétralement opposés de l'induit (fig. 219), on pourra obtenir soi t du courant continu par le collecteur et les balais, soit du courant alternatif par les bagues. Par conséquent une telle machine pourra fttre considérée à la fois comme une dynamo à courant continu et comme une dynamo à courant alternatif. Et inversement, en raison du principe de la réversibilité, elle pourra fonctionner soit comme moteur à courant continu, soit comme moteur à courant alternatif.
Or, mettons à profit cette dernière propriété et envoyons dans
alternzUj/* ^
con/ùuo
bagues
~-À colLccteur
Fig. 219. — Principe de la commulatrice dans le cas du courant alternatif simple.
la machine du courant alternatif sous la tension et avec la fréquence de celui qu'elle est susceptible de produire elle-môme ; elle se comportera comme un moteur synchrone et tournera à la vitesse du synchronisme. Mais alors, grâce au collecteur, le courant alternatif se transformera en courant continu et celui-ci, que Ton pourra recueillir par les balais, aura une tension identique à celle que donnait la machine, considérée comme génératrice à courant continu.
De môme si Ton envovaitdu courant continu dans la machine, par ses balais, elle donnerait, aux bagues, du courant alternatif.
Le mécanisme môme de ces transformations indique qu'il doit y avoir une certaine relation entre la tension du courant continu et la tension du courant alternatif. C'est celle qui, étant donnée
haiLte* tension
basse, tension,
une génératrice, existe entre la tension du courant continu qu'elle peut produire aux balais et la tension du courant alternatif qu'elle est susceptible de donner aux bagues.
Cette dernière tension alternative ayant un maximum égal a, la tension du courant continu cl, d'autre part, la tension efficace d'un courant alternatif étant égale, d après ce que nous avons vu chapitre I, à la tension maxima divisée par y/2", on en déduit que, dans une commutatrice monophasée, la tension efficace, alternative et la tension du courant continu seront dans le rapport 4= = 0,707.
Par conséquent, si l'on veut obtenir du courant continu à 600 volts, le courant alternatif ne devra être lancé dans la commutatrice qu'à la tension de 0,707 X «00v = 424 volts.
On voit donc que les commutatrices ne se prêtent pas directement à la transformation du courant alternatif à haute tension en courant continu à basse tension. Un organe supplémentaire doit intervenir, qui est le transformateur statique. Un tel appareil comporte, en principe, deux électro-aimants dont les noyaux sont réunis entre eux, afin de permettre au iluxmagnétique produit par l'un d'eux d'influencer, avec la moindre perte possible, les spires du deuxième (fig. 220). Le premier électro-aimant, à fil fin, est relié au courant alternatif à haute tension (courant primaire) et produit, par conséquent, dans le noyau, un champ magnétique alternatif. Les spires du deuxième électro-aimant sont, au contraire, à gros fils. Elant soumises, grâce à la continuité du noyau, à un champ alternativement variable elles se trouvent dans la môme situation qu'une bobine tournant entre des inducteurs. Elles vont donc devenir le siè^e de forces élec-
Fig. ±20. — Principe du transformateur statique.
Iro-motrices alternatives; mais, comme le nombre de spires de la bobine à gros fils est bien moins considérable que celui de la bobine à fil fin, la tension résultante sera très inférieure à celle de la tension primaire. On peut ainsi abaisser la tension d'un courant allernatif dans de grandes limites et, en particulier, passer des plus fortes tensions admises dans les lignes primaires aux tensions réduites qui peuvent être seulemenl supportées par les commutatrices.
Pour en revenir au fonctionnement de ces dernières machines il faut bien préciser que les choses ne se passent point aussi simplement que nous l'avons indiqué, en ce sens que la commutatrice monophasée, considérée comme moteur synchrone, a, comme les moteurs de cette catégorie, l'inconvénient de ne pouvoir démarrer d'elle-même. Certains artifices doivent donc être employés pour la mise en route et nous allons indiquer quelle est la principale manière de la réaliser.
Il faut, pour obtenir Y accrochage, commencer par amener la machine à la vitesse du synchronisme; on la branchera, à ce moment, sur le courant alternatif et elle pourra, alors, continuer à fonctionner comme moteur svnchrone.
On amène très aisément la commutatrice à sa vitesse d'accrochage, quand on a du courant continu à sa disposition, en envoyant du courant dans la machine par les balais. La machine se comporte comme un moteur à courant continu et démarre franchement. Sa vitesse croît et il s'établit, aux bagues, une différence de potentiel alternative, également croissante, et que l'on peut mettre en évidence, en branchant sur les bagues des lampes à incandescence de tension appropriée. Supposons que ces lampes puissent être également alimentées par le courant primaire, après son passage dans les transformateurs statiques, par une disposition identique à celle que nous avons indiquée pour Y indicateur de jriiase des machines à courant allernatif (voy. page fÔO]. Ces lampes s'allumeront et s'éteindront, alternativement, jusqu'à
ce que la commutatrice et le courant primaire soient en concordance de phase. A ce moment les lampes resteront allumées et brûleront avec leur maximum d'éclat. C'est cet instant q,ue Ton choisira pour brancher la commutatrice sur le courant primaire.
Sous-station recevant du courant triphasé à haute tension et produisant du courant continu à basse tension. — Si, maintenant, nous envisageons le cas beaucoup plus usuel de la transformation du courant triphasé en courant continu, il nous sera facile,
Triphasé
ZT
Continu.
Fig. 221. — Principe de la cornai utatrice dans le cas des courants triphasés.
grâce aux principes précédemment exposés, de montrer comment une telle transformation pourra être obtenue.
Revenons, en effet, au mode de génératrice du courant dans une dynamo bi-polaire et considérons trois points de l'induit situés aux extrémités de rayons faisant entre eux des angles de -^
= 180° (fig. 221 ,. Les tensions alternatives engendrées en chacun de ces trois points seront décalées lune par rapport à l'autre d'un tiers de période et. par conséquent, si on réunit les trois points considérés à trois bagues isolées, montées sur l'arbre de l'anneau, on obtiendra dans ces bagues des tensions triphasées susceptibles de produire dans des circuits utilisateurs des courants triphasés. Donc, et sans revenir sur ce qui a été dit plus haut à l'occasion des courants monophasés, on réalisera une commutatrice à courants triphasés en prenant une commutatrice non plus à deux.
mais à. trois bagues; seulement le rapport qui existait dans le pre-
mier cas, entre la tension efficace du courant alternatif cl la tension du courant conlinu se trouvera modifié et l'on aura : Tension efficace polygonale du courant triphasé = tension du cc-uranl continu x = tension du courant continu x 0,612.
Donc le coefficient de Iransformalion des transformateurs statiques sera différent, ceux-ci devant être capables, si l'on u en vue,
Kig. 223. — Transformateur pour courants triphasés.
par exemple, une production de courant continu à 600 volts d'abaisser la tension du courant triphasé à (illO X 0,61 2 = 367 volts.
Les transformateurs statiques seront constitués comme des transformateurs à courants triphasés, mais on en prendra trois, à raison d'un par phase (lig. 122 et 22%).
Bien qu'alimentée par des courants triphasés, la commutalrice ne s'en comportera pas moins comme un moteur synchrone et son démarrage ne pourra être obtenu que moyennant certaines combinaisons.
Si, comme dans le cas envisagé pour les commutatrices monophasées, on dispose d'une source de courant continu, circonstance qui se présente naturellement quand la commutalrice doit être branchée sur une ligne de distribution déjà en charge, il sera facile de mettre la machine en route en la faisant tourner comme moteur à courant continu. L'accrochage se fera, ensuite, comme il a été dit pour les commutatrices monophasées. La grande commodité d'un tel système de démarrage a même conduit, dans certaines sous-stations importantes (exemple, chemin de fer élevé de New- York), à installer des groupes de démarrage, composés d'un moteur à courants triphasés actionnant une petite dynamo à courant continu.
Les courants triphasés permettant d'alimenter non seulement des moteurs synchrones, mais aussi des moteurs asynchrones, à champ tournant, on pourra, en montant un petit moteur de cette dernière catégorie sur l'arbre même de la commutatrice, mettre le moteur en route en l'alimentant directement par le courant triphasé. On s'arrange généralement pour que le moteur de démarrage tourne en marche normale à une vitesse un peu supérieure à celle de la commutatrice, et, quand cette vitesse est atteinte, on coupe le courant, laissant la machine tourner sous sa seule force vive. Un léger ralentissement se produit et l'on arrive ainsi graduellement au moment du couplage, en sorte que celui-ci peut être saisi très facilement, ce qui permet d'effectuer l'accrochage avec une grande sûreté.
Ces deux procédés de démarrage (courant continu d'une part, moteur asynchrone d'autre part) sont de beaucoup les plus usités. A la rigueur on pourrait n'avoir recours qu'aux courants triphasés eux-mêmes, car, en circulant dans l'induit, ils créeraient un champ tournant qui, par réaction sur les inducteurs, provoquerait la rotation de l'induit. Mais un tel démarrage comporte un grand appel de courant, ainsi qu'une augmentation du cos o du réseau et il n'est guère recommandable que si la puissance
de la commutatrice est assez faible, relativement à la puissance totale distribuée.
Même, dans ce cas, il sera bon d'effectuer le démarrage, non pas avec le courant triphasé, tel qu'il sort des transformateurs, mais avec du courant à tension plus réduite, soit que Ton fasse usage de transformateurs spéciaux, soit que Ton intercale sur le circuit venant des transformateurs, un transformateur dévolteur. On devra également ne pas oublier que, pendant la période initiale de démarrage, le champ tournant produit par l'induit agira sur les spires des inducteurs, créant dans celles-ci une certaine force électro-motrice. Comme le nombre des spires est considérable (souvent 3 à 4 000) la tension résultante pourra être très élevée et elle risquera de compromettre les isolants : aussi ferat-on bien de diviser les spires des inducteurs en trois ou quatre « galettes » que Ton mettra à circuit ouvert, pendant les cinquante à soixante secondes que durera le démarrage.
Pour bien faire comprendre le mode de fonctionnement des commutatrices il nous reste à dire quelques mots de leur excitation.
Les circuits inducteurs sont généralement excités en dérivation sur le courant continu pris aux balais. Une commutatrice, considérée comme dynamo à courant continu, est donc une dynamo shunt. Mais en vue d'obtenir un réglage automatique de la tension, on a combiné aussi des commutatrices Compound, c'est-à-dire des commutatrices dans lesquelles les inducteurs sont munis d'un double enroulement : enroulement en série dans lequel passe la totalité du courant continu envoyé par la commutatrice aux barres du tableau, et enroulement en dérivation, comme dans le premier cas.
Pour se rendre compte de l'utilité de l'enroulement Compound il faut se souvenir que, dans une commutatrice, on peut faire varier la tension en augmentant ou diminuant l'excitation1. Si
* Les choses ne se passent pas comme dans une dynamo à courant continu. En
l'enroulement est seulement en dérivation il faudra agir sur un rhéostat. Mais l'adjonction d'un enroulement-série qui est traversé par un courant d'autant plus intense que l'appel de courant est lui-même plus élevé donne automatiquement, à ce moment, une augmentation de l'excitation et par suite de la tension.
Les commutatrices ont une aptitude des plus remarquables à supporter les surcharges. Cette qualité les rend d'un emploi particulièrement commode dans les sous-stations alimentant une ligne
joo zJo 3oo
Coura+xL mn, cunpcros
aSo
Joo
Fig. 224. — Rendement d'une commutatrice.
de chemin de fer et permet à celles-ci d'assurer l'alimentation
de la ligne, môme si plusieurs démarrages ont lieu simultanément.
II est d'ailleurs à noter que, môme à des régimes très variés, le
rendement des commutatrices est toujours très élevé, comme le
diminuant l'excitation, on augmente le décalage qui existe toujours plus ou moins dans le circuit d'alimentation à courant triphasé ; autrement dit on crée une résistance apparente pour le courant alternatif dont la tension se trouve diminuée et, en raison du rapport existant entre la tension du courant continu et celle du courant alternatif, il y a baisse de voltage sur la commutatrice. L'augmentation de l'excitation crée un décalage en sens inverse, c'est-à-dire agit comme une capacité. La O Thomson-Houston facilite celte action de réglage par l'excitation, en insérant sur le circuit des courants triphasés une petite bobine de réaction.
montre la figure 223, qui donne la courbe des rendements pour une commutatrice de 180 kilowatts.
Enfin le couplage en parallèle des commutatrices se fait également avec facilité. Il faudra cependant, si Ton a affaire à des commutatrices Compound, relier les bornes des enroulementssérie par des câbles de compensation.
Nous représentons par la figure 225 une commutatrice triphasée Compound de 300 kilowatts, de laC,eThomson-Houston. La machine est à 6 pôles. Il est à remarquer, en effet, que si, pour la commodité de la démonstration, nous avons envisagé
Fig. 225. — Coumiutatrice pour courants triphasés, Thomson-llouston
(300 kilowaltsi.
précédemment une commutatrice bi-polaire, on a toujours recours, dans la pratique, à plus de deux pôles, la matière se trouvant dans ce dernier cas, mal utilisée. Les noyaux inducteurs sont en acier coulé, d'une section circulaire, il sont fixés à la carcasse par un seul boulon. L'enroulement inducteur étant Compound, chaque noyau inducteur est entouré de deux bobines : Tune à fil fin (1,5 mm. de diamètre) comportant 2 890 spires, l'autre à gros fil (bandes de cuivre de G5 millimètres sur 5,5 mm.). Pour éviter la production de fortes tensions dans les bobines à fil fin, quand on veut démarrer avec le courant triphasé, on a divisé chaque bobine shunt en trois tronçons de deux bobines.
L'induit est formé par des disques en tôle empilés perpendiculairement à l'arbre et à la périphérie desquels sont ménagées 21(5 rainures, qui reçoivent 432 sections réunies par des développantes aux 432 lames du collecteur.
Les bagues pour le courant alternatif sont en bronze.
On peut voir, par la figure 226, comment, sous les variations
