DES CHEMINS DE FER

Conditions générales de la production de l'électricité. Génératrices : a) Génératrices à courant continu; b) Génératrices à courant alternatif. Tableau de distribution et de manœuvre. Usines hydrauliques. Usines à vapeur. Emploi de la vapeur surchauffée. Turbines à vapeur. Usines avec moteurs à gaz. Emploi des accumulateurs dans les stations centrales.

Conditions générales de la production de l'électricité. — L'électricité est produite industriellement par des génératrices électriques (appelées dynamos, d'une manière générale, et, plus spécialement alternateurs, quand le courant produit est alternatif)

que mettent en mouvement des moteurs mécaniques. Evidemment, une génératrice peut être actionnée également par des moteurs électriques ; mais ces moteurs reçoivent eux-mêmes leur électricité dune autre usine et, en remontant à la source, on trouve iinalement un groupe élémentaire, comprenant un moteur mécanique et une génératrice électrique. Cet ensemble assure la transformation de l'énergie mécanique en énergie électrique.

Les moteurs employés dans la pratique sont :

Les moteurs hydrauliques;

Les moteurs à vapeur ;

Les moteurs à gaz.

Les premiers sont certainement les plus simples. Us se prêtent, de plus, admirablement à la réalisation de cette belle conception moderne de l'utilisation des forces naturelles. Mais les chutes hydrauliques importantes n'existent généralement que dans les

pays montagneux, ce qui limite beaucoup la zone d'application du système. Toutefois l'emploi de très hautes tensions (40 à ROO00 volts) qui permet des transports de force à 100 et 150 kilomètres, a singulièrement élargi, dans ces dernières années, la zone d'action possible des moteurs hydrauliques.

Malgré la grande abondance des forces naturelles il ne faudrait pas croire que la génération de l'électricité, par moteurs hydrauliques, puisse s'étendre indéfiniment. Cela tient à ce qu'une chute ne peut être captée utilement que si elle présente des qualités spéciales au point de vue de la permanence, de la qualité des eaux et de sa situation géographique1. Aussi faut-il envisager, comme mode le plus général de génération de l'électricité, Temploi de moteurs à vapeur.

Les moteurs h gaz constituent une classe nouvelle et très intéressante de moteurs. Leur rendement thermique est sensiblement plus satisfaisant que celui des moteurs à vapeur, mais ils comportent l'emploi de charbons spéciaux et n'ont pas encore été employés couramment, jusqu'ici, pour la production de très grandes puissances électriques. Ce sont des moteurs d'avenir mais évidemment, dans une grande installation autonome, sauf cas spéciaux, on hésiterait aujourd'hui à les substituer, d'une façon radicale, aux moteurs à vapeur, qui ont derrière eux un siècle de pratique et de perfectionnement 2.

Génératrices, a) Génératrices à courants continus. — La géné-

* Il n'est pas rare que, dans un pays de montagnes, des écarts, dans la proportion de 1 à 12, se produisent entre le débit d'un cours d eau à l'étiage et le débit moyen. Aussi les chutes intéressantes sont-elles celles qui jouissent d'un élément régulateur, comme un lac. Mais les chutes de cette nature sont rares et c'est ce qui donne chez nous tant d'intérêt au projet d'utilisation des chutes du Rhône, à l'aval du lac de Genève.

* Nous spécifions bien qu'il s'agit d'une installation autonome, car certaines considérations pourront faire parfois pencher la balance en faveur des moteurs à gaz. Par exemple ceux-ci seront tout indiqués, quand on aura à sa disposition d'énormes quantités de gaz combustible, comme en produisent les fours à coke et les hauts fourneaux.

ratrice à courant continu comprend une partie fixe (inducteurs) et une partie mobile (induit). Les inducteurs sont constitués par des électro-aimants, qui créent un champ magnétique dans lequel se déplace 1 induit ; cet induit n'est autre qu'un cylindre ou un anneau portant certains enroulements en fils ou en barres de cuivre isolés et c'est par le passage de ces enroulements dans le champ magnétique, que le courant se trouve engendré.

L'anneau ou le cylindre n'ont pas seulement pour objet de supporter les enroulements.

Ils renforcent le champ magnétique, car, étant en métal, ils sont pour lui de bien meilleurs conducteurs que l'air ambiant.

Considérons, pour la commodité de l'exposition, une machine à anneau et une bobine élémentaire enroulée sur cet anneau

Fi#. 18. — Production du courant dans une machine à anneau.

Fig. 19. — Représentation de la force êlcclromolrice en fonction du temps.

(fig. 18). Si Ton suppose seulement deux inducteurs (machine bipolaire) la force électromolrice qui se développera dans la bobine sera alternative et de la forme e — E sin 2- y . La période T est la durée complète d'une rotation et E le maximum de la force électromotrice. Graphiquement, cette force électromolrice peut être représentée, en fonction du temps, par la ligure 19. En reliant les extrémités de la bobine à un commutateur à coquille, monté sur l'axe de l'anneau et tournant avec lui (fig. 20\

3B LES CHEMINS DE KEH ELKUTKIQUES

on obtiendra, dans un circuit utilisateur quelconque, prenant

contact avec le commutateur par des balais, des courants redrrs-

- TT~ ses, c'est-à-dire que la forre

electromotrice ainsi produite

pourra frire représentée gra-

phiqucmcnl par la ligure lit

dont la partie négative aurait

«'■té relevée verticalement en

tournant autour de l'axe de

figure (lig. 21 1. Vu tel courant

sera, toutefois, ondulatoire et

U non continu. On arrive an

Fi;i. 20 — Redresse m eul du i-uiiraiil [iar courant COIltillU eu multipliant le commutateur à coquille. ^ b(l|)j[les pl pn donnant au

commutateur autant de lames isolées qu'il v a de bobines. Ce

KiH. 21. — Hepré

raphiqui

coin muta leur deviendra un collecteur (lig. 22j et la superposition de toutes les sinusoïdes correspondant à chaque bobine donnera une ligue résultante, à peu prés horizontale, qui sera la tension Y. du courant continu.

Cette tension sera d'autant plus forte que le champ magnétique «sera plus intense, que la longueur/ des fils ou des barres de l'enroulement sera plus considérable et que la vitesse Fi*, st. — Principe du de rotation (ou le nombre n de louis par co t,rleu^■

seconde) seront plus élevés, ce qui se traduit par l'expression K = Kln*.

Nous avons tenu à rappeler ces principes, non pas pour donner

une théorie complète de la dynamo, mais pour bien mettre en relief le mode de forma lion du courant. On voit ainsi qu'une dynamo ne donne du courant continu que par l'intervention du collecteur. Elle est, avant tout, une machine à cou- — |I[TT rant alternatif. En reliant, ! j| tot;

en effet, les extrémités de I [f- — *x-;-

la bobine élémentaire con- " ! i "

sidérée, non à un commutateur, mais à deux bagucs:

on obtiendrait dans le circuit utilisateur uniquement fir. ai — Machine â Imubunr. du courant alternatif. Nous

verrons, dans lu suile, des applications très imporlanles de cette particularité.

I.c raisonnement qui a élé fait pour une machine à anneau est le même pour une machine à cylindre (que l'on appelle plus communément machine à tambour). Ces cylindres sont munis à leur périphérie d'encoches clans lesquelles sont logés des conducteurs isolés. Or ces conducteurs sont, comme la bobine NS . élémentaire considérée pré-

= ■■■^^ cédemment, le siège de forces

électromotrices alternatives.

Fig. si. - ««jpoJjJi» Jj»»i- "."'«■ Lcul. j0„ction avec un collée teur donne, au contraire, une force clectromotrice pratiquement constante.

Les génératrices à courant continu employées dans les usines pour traction sont généralement des machines à tambour qui

utilisent mieux la place laissée libre par les inducteurs et qui sont plus robustes que les machines à anneau.

Les anneaux, comme les tambours, ne sont pas constitués par une seule masse de métal à grande perméabilité magnétique, et destinée, d'après les principes exposés plus haut, à former, pour le champ magnétique, comme un trait d'union entre les pôles des inducteurs. Afin de diminuer l'importance des courants de Foucault (courants parasites qui se développent dans les masses de métal soumises à un champ magnétique variable), cette partie de l'induit est constituée par des disques en tôle de faible épaisseur, empilés perpendiculairement à l'arbre de rotation. Ces disques sont séparés les uns des autres par une petite couche isolante. Les courants de Foucault, s'établissant perpendiculairement aux disques, sont arrêtés par l'isolant; d'autre part les disques se trouvent dans la direction même des lignes de force du champ magnétique qui ne subit, par suite, aucun affaiblissement du fait de ce mode de construction.

Une autre disposition caractéristique des génératrices pour traction, c'est qu'elles sont presque toujours multipolaires. Supposons que, dans la figure 18, au lieu de deux pôles, on ait quatre pôles alternativement nord et sud ((ig. 24.) Le courant produit dans la bobine élémentaire sera encore alternatif, mais toutes les phases de l'alternance se seront réalisées pour une demirotation seulement. On aura donc, dans la moitié du collecteur, l'ensemble des phénomènes qui, avec deux pôles, se passaient dans la totalité. On sera, par suite, amené à avoir quatre balais, au lieu de deux. Mais on conçoit qu'en réunissant deux à deux les conducteurs qui sont dans une même situation relative par rapport aux pôles, et dont, par suite, les forces électromolrices sont toujours identiques, on puisse se contenter encore de deux balais. Autrement dit, une machine h quatre pôles n'est pas forcément à quatre balais; plus généralement une machine à n pôles peut très bien n'avoir (me deux balais. C'est une question de fabrica-

PUODUJTlUN DE L'ÉLECTHIUITÉ *l

tion. Mais, naturellement, les connexions sont, dans ce dernier cas, assez compliquées.

L'induit des dynamos multipolaires présente toujours les dispositions fondamentales précédemment indiquées (disques en

l'"ig. -i. — Carcasse d'un iiijint 'Westiii^lii'usc.

tôle avec rainures pour le logement des conducteurs;. Mais, en raison de la disposition et de la répartition des champs magnétiques, les disques sont seulement placés à la périphérie de l'induit, formant une sorte de jante reliée à l'axe de rotation par des liras en fonte ou eu acier. La ligure 23 montre comment est constitue un induit Westingliouse. pour dynamo multipolaire. La

figure 26 se rapporte, d'autre part, à lu grande dynamo de 1500 kilowatts, que les établissements du Creusot ont construite pour l'usine du chemin de fer métropolitain, à Parts.

Fie. 2i. — induit d'une dynamo de InOil kilowatts. iChimiu de fer métropolitain de i'aris;. (Ateliers du Creusot.)

L'avantage des machines multipolaires, c'est d'abord une meilleure utilisation des espaces; ensuite on obtient des machines plus ramassées, plus équilibrées et partant plus robustes (fig. 27). Elles nécessitent, en outre, une vitesse de rotation moindre que les machines bipolaires puisque, toutes choses égales d'ailleurs,

PHODL'CTION DE L'ÉLECTIUCITK 4;I

elles produisent les forces éleclromolriccs îi utiliser pendant un temps — fois moindre.

La diminution de la vitesse de rotation a été et est encore I un des objectifs principaux des constructeurs de dynamos. Le l>ut

Kitt. 27. - Dynamu multipolaire p..ur triu-tioti.-

poursiiivi était surtout de permettre l'accouplement direct avec les machines à vapeur, machines dont la vitesse de rotation ne descend guère au-dessous de GO à "ÎO tours par minute. De celle façon on évite les perles de travail que produisent les transmissions par engrenages et par courroie {fig. 2H et et 29;. Mais, en agissant ainsi, on s'est condamné à n'utiliser qu'une partie des merveilleuses qualités des dynamos. Klanl donné que le courant est produit dans une dynamo par un simple mouvement rotatif et que. d'autre part, un tel mouvement se prête bien à des vitesses très

*i LES CHEMINS DE PEU ELECTIUQUES

«levées, il esl clair qu'il y a intérêt à tourner vile, puisque la tension du courant est proportionnelle à la vitesse de rotation. Sous une aulrc forme on peut dire qu'en augmentant la vitesse de rotation on pourra, à puissance égale, diminuer l'encombrement, le poids et par suite, le prix d'une dynamo. Il n'y a donc pas inlérôt, en se- plaçant au seul point de vue de la production électrique, à avoir des dynamos tournant trop lentement.

Vili. *8. — Dynimiii nmllipuliiire <ic -MO kilowatts (Westiaghousi'j.

Ci's principes attirent de nouveau l'attention des industriels et lu construction d'une nouvelle classe de machines à vapeur permet d'en faire une application rationnelle et économique. Nous voulons parler des turbine* à vapeur, qui se répandent de plus en plus et qui se prêtent admirablement à des accouplements directs avec des dynamos à grande vitesse.

On retrouve les mômes avantages avec les turhinex à eau, moteurs excellents, à tous les points de vue, et dont les qualités remarquables ont bien été mises en évidence par les nombreuses applications qui viennent d'être faites de l'utilisation, pour la traction, des forces hydrauliques naturelles.

Les dynamos à courant continu offrait cet avantage qu'elles

PHODUCÎIUK DE I.'liLECTlUCITE 4C

peuvent elles-mêmes exciter leurs inducteurs, c'est-à-dire produire le champ magnétique nécessaire à la création du courant. Celte particularité, extrêmement remarquable, est due au magnétisme rémanent des inducteurs. On constate, en cflél, quand une dynamo s'arrête, que les inducteurs conservent néanmoins une certaine quantité de magnétisme ; or ces inducteurs sont entourés de fils reliés aux balais de la dvnamo. Dès que

Y\%. 29. — Dynamo multipolaire de 15C0 kilowatts (South Sidc Elevated Railroad, Chicago i.

la machine tourne, le champ magnétique rémanent suffit pour développer dans l'induit une certaine force éleclromotrice, créant, entre balais, une petite différence de potentiel. Le circuit inducteur se trouve donc légèrement excité et accroît l'intensité du champ magnétique. Aussitôt, la différence de potentiel aux balais s'élève, le courant d'excitation augmente et le champ magnétique devient plus puissant. On arrive ainsi, finalement, au régime qui correspond à l'allure normale de la dynamo.

Les dynamos employées dans les usines pour traction sont le plus souvent compound. C'est-à-dire que le circuit inducteur est double, comprenant un circuit en série avec l'induit et le circuil extérieur et un circuit en fil plus fin, en dérivation.

Quel est le but de l'excitation compound? C'est de rendre la tension sensiblement constante, quel que soit le débit de la machine. On s'explique ce résultat en remarquant qu'une dynamo simplement excitée en série a tendance à subir une diminution de force électro-motrice, quand le courant diminue, puisque le circuit des inducteurs se trouve plus faiblement excité. Au contraire une dynamo en dérivation, c'est-à-dire excitée par un circuit à fil fin branché sur les balais, envoie dans son circuit d'excitation d'autant plus de courant qu'il en passe moins dans le circuit extérieur. Le champ magnétique a alors tendance h augmenter et à accroître la force éleclromotrice de l'induit. Les deux modes d'excitation, considérés isolément, ont donc des effets diamétralement différents. On conçoit qu'en les combinant, on puisse obtenir le maintien du champ magnétique à une valeur sensiblement constante, ce qui assure la permanence de la tension du courant.

Le mode de création du champ magnétique des dynamos n'est qu'une application de la célèbre découverte d'Ampère relative aux électro-aimants. C'est-à-dire que la circulation d'un courant électrique continu dans des fils entourant une masse de 1er transforme cette masse en aimant. Mais, comme cette propriété est générale, elle s'applique aussi bien aux conducteurs de l'induit qu'aux conducteurs des inducteurs.

Si donc on considère, par exemple, une machine à anneau, les courants qui circulent dans chaque moitié de l'anneau, entre les balais, formeront deux aimants dont les champs magnétiques viendront s'opposer au champ magnétique produit par les inducteurs. C'est là ce que Ton appelle la traction d'induit. Elle se manifeste par une distorsion du champ magnétique inducteur, qui déplace la ligne neutre de l'anneau et oblige à déplacer les balais de telle façon qu'ils prennent contact avec l'induit suivant cette ligne neutre déviée. Cette opération s'appelle le calage des balais. On s'aperçoit que les balais sont mal calés, aux

étincelles qui se produisent entre leurs extrémités et l'induit. Il finit alors les déplacer, jusqu'à réduire les étincelles au minimum.

Lorsque, dans une usine, le courant est fourni par plusieurs dynamos, on doit, pour obtenir le courant total, les réunir en quantité, ce que Ton appelle également les mettre en parallèle. On relie, dans ce cas, les balais à deux barres collectrices qui se trouvent être, par conséquent, au même potentiel que ces balais et sur lesquelles on branche les circuits utilisateurs.

On conçoit qu'avec des dynamos identiques la production doive se répartir d'une façon égale entre les diverses unités. Mais si les dynamos sont de puissance et de fabrication différentes, leurs caractéristiques peuvent très bien ne pas concorder. On fait alors usage Au fil d équilibre, conducteur à faible résistance qui réunit les balais positifs et que commande un interrupteur dit d'égalisation.

Ainsi qu'il a été dit plus haut les dynamos compound sont celles qui sont employées le plus fréquemment dans les usines de traction. Elles permettent, comme on l'a vu, d'assurer une distribution h potentiel constant. Mais les barres du tableau sont seules à potentiel constant. Si Ton a à transporter le courant par un câble de résistance R, il se produit une perte de charge RI. variable avec le débit I et la tension n'est plus constante au point d'utilisation. On évite cet inconvénient par l'emploi de dynamos hypercompound, qui donnent une tension constante non plus aux balais, mais à l'extrémité du conducteur qui les réunit au point d'alimentation.

Les dynamos avec excitation en série, dont les qualités sont si remarquables quand on les emploie comme réceptrices, c'est-àdire comme moteurs, ne servent guère pour la traction, sauf dans le cas où Ton veut produire du courant continu à haute tension. M. Thury, qui s'est fait le vulgarisateur de ce système, emploie, alors, plusieurs dynamos identiques, excitées en série, et qu'il monte également en série, c'est-à-dire que le cou-

Kig. 30. — Principe de la production du courant alternatif.

nuit produit par la première dynamo passe dans la seconde, puis dans la troisième, etc., augmentant chaque fois sa tension de celle

de la dynamo traversée. On peut, de cette façon, par la mise en série de dynamos identiques et à potentiel relativement bas, obtenir des tensions très élevées. On tourne ainsi les difficultés de construction que présentent les dynamos à courant continu et à haute tension *.

b) Génératrices à courant alternatif. — Nous avons vu qu'une bobine, en tournant dans un champ magnétique, était le siège d'une force électromotrice alternative e = E sin 2 t: -^- • En réunissant les extrémités de la bobine respectivement à deux bagues montées sur l'arbre de rotation et en branchant sur ces deux bagues, par des balais, un circuit utilisateur quelconque (lig. 30) on distribuera dans le circuit un courant alternatif simple ou monophasé.

Supposons que la bobine tourne non pas dans un seul champ magnétique, mais dans une série de champs magnétiques disposés circulairement comme dans une dynamo multipolaire. Le courant produit sera encore alternatif, mais la période T sera diminuée

et deviendra — en supposant qu'il y ait 2n pôles.

Enfin, au lieu d'une seule bobine, considérons n bobines semblables placées sur l'anneau, suivant une disposition symétrique correspondant aux 2n pôles considérés.

4 Les dynamos à courant continu ne se font que rarement pour plus de 3 000 volts. Principalement en raison des difficultés d'exécution du collecteur, qui doit présenter un nombre de lames d'autant plus grand que la tension est plus élevée.

PRODUCTION DE L'EliEtiTftI&ITE ■' H

Ou ces bobines seront montées en « série » et la tension . résultante sera égale à m fois la tension produite dans une bobine.

Ou elles seront reliées en « quantité » et, dans ce cas, la tension sera toujours égale à e = E sin 2 r~ -=- , mais le courant produit aura une intensité» fois plus grande.

Les machines à courant alternatif simple, en matière de traclion, servent surtoulpotir le transport de la force à distance. Elles

t'ig. 31. — Groupe d'excitation pour alternateur (Chemin de Ter métropolitain

offrent cet avantage de pouvoir produire facilement des tensions élevées puisque, d'une part, le collecteur n'existe plus et que, d'autre part, il suffit de multiplier le nombre de pôles et le nombre des bobines pour augmenter rapidement la tension, ■

La suppression des collecteurs est une grande simplification, ces organes étant sujets à se détériorer par suite des étincelles ou de l'usure de la matière. Ils seraient d'ailleurs à peu près impraticables pour des tensions 1res élevées.

Une dynamo à courant alternatif ne peut pas exciter convenablement ses inducteurs, puisqu'elle produirait non un champ magnétique constant, mais un champ magnétique sinusoïdal. On tt recours, pour assurer cette excitation, a une excitatrice, c'està-dire à une petite dynamo à courant continu, que met en mouvement un moteur spécial (fig. 31). ■ •'

Le groupement d'alternateurs en quantité (ou en parallèle) présentait autrefois de grandes difficultés et certaines machines ne pouvaient même jamais s'accoupler. Mais, aujourd'hui, les constructeurs donnent aisément, à ce sujet, toutes garanties. Une condition est que le moteur tourne bien régulièrement, quand on considère non seulement le nombre de tours par minute, mais encore la vitesse de rotation pendant un tour complet. Dans le cas des machines à vapeur, l'emploi de forts volants augmente

Fi g. 32. — Lampes de phase, pour le couplage des alternateurs.

sensiblement le coefficient de régulation et il n'est pas rare, dans les installations modernes, devoir des moteurs pour alternateurs munis de volants de 30 à 40 tonnes.

Certains constructeurs, pour faciliter le couplage, ont complété leurs alternateurs par des amortisseurs. Ce sont des barres de cuivre dans lesquelles les courants arrivant de la machine qui n'est pas en concordance de phase créent des courants qui s'opposent à une modification de la vitesse et tendent à l'établissement du synchronisme.

Quand on a des machines se couplant facilement on saisit très commodément le moment où Ton doit accoupler les alternateurs, en faisant usage de l'indicateur de phase (fig. 32). Cet appareil consiste en deux lampesà incandescence (par exemple de 1 10 volts, chaque) montées en série, et sur le circuit desquelles sont insérés

les secondnrr66.de deux petits transformateurs, dont les primaires sont respectivement alimenteVpar-les alternateurs à coupler. Les secondaires de ces petits transforma te urs donnent du courant alternatif à 110 volts. S'il y a concordance de phase, les lampes reçoivent 220 volts, soit 110 volts chaque et brillent d'un vif

éclat ; au contraire, dès qu'il n'y a plus concordance de phase, la lumière varie, seleignanl à certains moments pour revenir à son maximum. C'est ce dernier instant que Ion choisit pour abaisser l'interrupteur de couplage. Celte manœuvre, bien que facile, doit être faite par un operateur de sang-froid et ne se laissant pas intimider par les différents phénomènes lumineux ou sonores qui peuvent se produire, quand le couplage ne réussit pas, ce qui arriverait, par exemple, si l'on n'avnilpas bien saisi le moment de la grande luminosité de l'indicateur de phase.

Revenons à l'exemple que nous avons piîs en commençant, c'est-à-dire au cas d'une bobine enroulée sur un anneau et se

déplaçant dans un .champ magnétique. Il s'y produit, comme on l'a dit, une force élcctromotricc alternative égale a E sin 2it -^7- Si, au Heu d'une seule bobine on en «onsidere trois, placées a

Fi«. 3t. — Induit d'un alternateur triphasé.

égale distance sur l'anneau, on aura encore dans chacune d'elles trois courants alternatifs; mais ces courants seront « décalés » l'un par rapport à l'autre d'un tiers de période. Ce seront donc d(*s courants triphasés. En sorte que l'on voit qu'il est bien facile d'obtenir des courants triphasés avec des machines tout à fait analogues a des machines à courants alternatifs simple». Soit, par -exemple, le cas d'une machine multipolaire. Entre deux pôles de mCme nom, on intercalera 3 bobines également espacées et celles-ci seront, d'après ce que l'on vient de dire, le! siège de

forces électromotrices triphasées. Si l'on a 2n pôles, on prendra n séries de 3 bobines, et celles-ci, réunies entre elles, donneront soit un courant triphasé d'intensité » fois plus forte (montage en

23 périodes (fjsine d*a Moi

parallèle ou en quantité), soit une tension triphasée trois fois plus forte (montage en tension).

Pour obtenir des courants biphasés il suflirait d'espacer les bobines de telle façon que les tensions diffèrent d'un quart de période.

Dans tout ce qui précède, nous avons supposé que le ou les champs magnétiques étaient lixes et que les bobines étaient ■mobiles. Mais il est clair que l'on obtiendrait les mômes résultats en prenant des bobines fixes et des champs magnétiques mobiles, les bobines se trouvant toujours dans un champ magnétique -variable, cette variation étant d'autre part nécessaire et suffisante

pour créer le courant alternatif. Or, les grands alternateurs modernes sont presque tous ainsi établis. L'avantage est que, seules, les parties fixes de la machine sont parcourues par des courants alternatifs, ce qui est particulièrement désirable, quand on a affaire à des courants à haute tension.

La figure 33 montre un alternateur de ce type que construisent les ateliers d'OErlikon. L'induit peut se déplacer parallèlement à lui—

Yig. :»i. — Alternateur triphasé de 5000 kilowatts, Il UOO volt», 25 périodes (Chemin de fer élevé de Ncw-YorkJ.

même, de manière à permettre une visite complète des inducteurs. Le principe de la production du courant alternatif par inducteurs mobiles est également applicable au cas des courants triphasés. Il suffit alors de bobiner la partie fixe en conséquence. La figure 34 représente un induit de cette nature. Le courant triphasé recueilli est dirigé vers trois bornes, où se font les prises de courant. Des bagues ne sont plus en effet nécessaires, puisque le courant est produit dans une partie fixe. Cependant il faut encore deux bagues sur l'arbre de rotation des inducteurs pour amènera ceux-

ci, d'une façon continue, le courant qui assure leur excitation. On a, dans ces dernières années, été amené à augmenter de plus en plus la puissance des alternateurs. Un alternateur d'un millier de kilowatts est aujourd'hui chose courante. Celui que représente la figure 35 a une puissance de 800 kilowatts, avec surcharge possible de 50 p. 100. 11 a été établi par la Ci0 Weslinghouse pour J'usine des Moulineaux, qui alimente la ligne des Invalides à Versailles et qui doit fournir de l'électricité à une grande partie des lignes de banlieue de la Ciodes Chemins de fer de l'Ouest. La tension a été fixée à 5 000 volts. Le nombre de périodes est de 25. L'usine des Moulineaux renferme 9 alternateurs de ce système. L'expérience a prouvé que ceux-ci se comportaient d'une façon parfaite, se groupant très aisément en parallèle. La figure 36 représente l'un des grands alternateurs triphasés du chemin de fer élevé de New- York (Manhattan Railway). Chaque alternateur a une puissance de 5 000 kilowatts. Le courant produit a une tension de 11 000 volts et une fréquence de 25 périodes par seconde. Les dimensions de ces colossales machines sont de 12,468 m. pour la hauteur de la partie fixe et de 9,60 m. pour le diamètre de la partie tournante. Le poids de cette dernière est d'ailleurs de 160 000 kilogrammes.

La vitesse de rotation est de 75 tours par minute. Bien que ce chiffre soit faible, la vitesse, à la périphérie de la partie tournante, atteint, en raison des grandes dimensions de cette partie, environ 40 mètres à la seconde. Il a donc fallu prendre des précautions spéciales pour éviter les effets mécaniques de la force centrifuge. Le moyeu est en acier coulé et la jante lui est rattachée non par des bras, mais par deux plateaux en tôle. La jante est elle-même constituée par une série de segments en acier coulé boulonnés entre eux et sur la jante. Enfin les inducteurs proprement dits, comprennent une carcasse en tôles feuilletées, s'assemblant à queue d'aronde avec la jante et des bobines que réunissent deux à deux des cales en métal non magnétique.

5i» LES CHEMINS DE FED ELECT1IIQUES

Le rondement des alternateurs est do :

90 p. 100 à quart de charge; "9i, a — à demi-charge ; !tïï,3 p. 100 à tiers de charge ; ilti,5 — à pleine charge.

L'échaulfemcnl, après vingtJquali'c heures de marche à pleine charge,* no dépasse pas, de plus de H*J degrés', la température ambinntect la machine peut impunément 'supporter une surcharge de .'10 p. 100 pendant plusieurs heures.

L'excitation de tels alternateurs absorbe 225 ampères sous 220 volts, soit environ C0 kilowatts. On a intérêt, dans ces conditions, à produire le courant d'excitation par un groupe éleclrngène avec moteur à vapeur, d'autant plus que le groupe peut exciter également plusieurs alternateurs. Les groupes d'excitation ont chacun une puissance de 250 kilowatts et comportent une ily- „ , , namo à courant con-

rig. oi. — rer tournant pour alternateur.

tinu de môme puissance et des machines compound-tandem horizontales, actionnant directement cesdynamos (vitesse, 220 tours par minute).

Enfin, il nous reste à citer une catégorie de machines dans lesquelles les seules parties tournantes sont constituées par des masses de fer (machines à fer tournant). Si l'on considère des bobines inductrices placées en regard de bobines induites et, entre les deux, un espace dans lequel tournent des pôles en fer disposés suivant les rayons d'une circonférence, on voit que le champ magnétique, maximum au moment où les pôles seront en

PRODUCTION Dfi L'ELECTRICITE ;$"

regard des bobines, ira ensuite en décroissant quand les pôles s'éloigneront. Ces variations du champ produiront dans les bobines induites des courants électriques, tout se passant comme si le i-liump était lixe et les bobines mobiles. Les ateliers d'OErlikon,

V\g. 38. — l'art ie lixe d'un alternateur u fer tournaut.

qui construisent ce genre de machines, constituent le fer tournant par une double rangée de pôles entre lesquels est montée la bobine inductrice, lîlleest unique et forme comme un grand disque débordant légèrement sur la ligne des bobines qui sonl placées de part et d'autre (iig. 38). Le champ magnétique se ferme d'une pari, pur la carcasse qui réunit les bobines induites et d'autre part par le fer tournant. Des ouvertures ménagées dans la carcasse permettent une ventilation 1res satisfaisante de la machine,

l'air étant violemment chassé par le fer tournant. Aussi l'augmentation de température ne dépassc-t-ellc pas 30 à 35° à pleine charge. La figure 39 montre un alternateur triphasé de 570 kilowatts, de ce système, construit par les ateliers d'OErlikon poulie chemin de fer de la Jungfrau. La tension est de 1 000 volts.

avec une fréquence de 38. L'excitation, est assurée par une petite dynamo à courant continu, montée sur l'une des extrémités do l'arbre de l'alternateur1.

Tableaux de distribution et de manœuvre. — On appelle ainsi des tableaux, généralement en marbre, ou tout autre matière isolante et incombustible, sur lesquels sont concentrés les appareils servant à la manœuvre des dynamos et à l'envoi du courant dans les feeders.

' Les alternateurs à fer tournant ne se fabriquent guère maintenant que sur demande spéciale, coûtant plus cher que des alternateur» ordinaires et ayant un moins bon rendement.

La figure 40 montre un type de tableau pour usine h courant

continu. On voit que ce tableau est divise en panneaux. Les deux

panneaux de droite servent pour la manœuvre des dynamos, au

nombre de deux, dans le cas actuel. Chaque dynamo a son

Fig. i«

panneau. En arrière, se trouvent deux barres en cuivre dans lesquelles se déverse le courant (une barre positive et une barre négative). Le courant ne s'y rend qu'après avoir traversé un interrupteur à main, un interrupteur automatique et un ampèremètre. Un voltmètre, placé à droite, en saillie, peut être connecté, à l'aide d'une fiche, avec chaque panneau.

A la partie inférieure de chaque panneau et pour chaque génératrice se trouve le rhéostat d'excitation correspondant. Quant à l'interrupteur d'égalisation, il est placé près des machines, sur un

Socle spécial.' Les panneaux pour le départ des feeders se trouvent vers lu gauche. Chaque trader est commandé par un interrupteur à main et un - interrupteur automatique '.De plus un ampèremètre et un voltmètre donnent, pour chaque feeder. le débit et le voilage.

Les interrupteurs automatiques sont des instruments particulièrement prccieuxduns une usine? pour traction, ayant le grand avantage d'isoler celle-ci, dès que la demande de courant devient excessive — soit qu'il se produise un court circuit sur la ligue, suit plus simplement que plusieurs démarrages aient lieu en même temps. — Le principe est de faire dcclanclier un ressort sous l'action d'un électro-aimant, qui intervient des que nt dépasse une valeur donnée. Les contacts se font par des blocs de charbon que l'on peut facilement remplacer quand ils ont élé détériorés par les arcs qui accompagnent généralement la rupture. Les figures 41 et 42 donnent deux types de ces interrupteurs; le premier est construit par la C'8 Thomson Houston; le second est fabriqué par la C* WesUnghouse. Quand les feeders sont aériens, il esl indispensable de protéger

i Les interrupteurs automatiques pour un sens que l'un peut 1rs faire ijeelancher pot l'on ne veut pas dépasser. On peut aussi i intensité limite s'est maintenue pendant u

•nines ou Terriers sont réglables en ' une valeur donnée de l'intensité, i s les faire doelaneher que quand ce nombre déterminé de secondes.

chacun d'eux par unparafoudrc. Mais il est recommandablc de monter ces appareils en dehors du tableau et même en dehors de l'usine. Nous en reparlerons dans un prochain chapitre.

Enfin on aperçoit au milieu du tableau les appareils de mesure comprenant un wallmelre, un ampèremètre cl un voltmètre.

Fig. *3, — Diajonrt

e Westinghoi

S'il s'agit d'une usine à courants triphasés, on retrouvera une disposition analogue, sauf cependant qu'un tableau supplémentaire sera nécessaire pour la manœuvre des excitatrices.

La figure 43 montre l'avant et l'arrière d'un tableau pour usine Iriphasée, à 5 000 volts. Les barres collectrices sont au nombre de trois et le couraot de chaque machine y est déversé en passant d'abord par un interrupteur I ri polaire (fig. 44)', puis par un interrupteur automatique (fig. 4î> et 46). Cet interrupteur est triple, à

raison d'un interrupteur par phase et les (rois branches déclnnchenl

à lu fois. On le remet en place à l'aide d'un levier dont la manette est située près de la poignée commandant l'interrupteur bipolaire.

Lorsque l'interrupteur déclanche, il se produit un arc, très

Kig. 41. — Inlcrruptcur tri polaire mm enveloppe et avec euveloppe).

intense qui a tendance a diverger vers les objets métalliques voisins.

Aussi la C* Wcstînghouse prolègc-t-elle latéralement ses interrupteurs automatiques à haute tension par des joues en marbre, qui arrêtent l'arc électriijue. Ces joues en marbre sont parfaitement visibles ii la partie supérieure du tableau.

Chaque panneau de maeliinc comporte en outre son indicateur de phase, pour

„.,,„... , le couplage en parallèle,

Fijç- 15. — Disjoncteur automatique. " ° r '

et son rhéostat d'excitation.

Les départs de feeders se font comme l'arrivée du courant, à

l'aide' d'interrupteurs tripolaires et de disjoncteurs automatiques

triples.

Nous aurons l'occasion de reparler des tableaux de distribution quand nous examinerons les sous-slalions de transformation. Bornons-nous seulement à rappeler que les tableaux doivent toujours fi Ire installée dans un endroit bien sec et qu'il faut s'arranger pour qu'ils ne puissent èlre atteints par les eaux de condensation on autres. I.e montage et les jonctions des câbles devront cire fails avec le plus grand soin et l'on prendra la précaution de colorer, par exemple , en rouge ceux qui sont parcourus par des eouranls à liante tension, et en bleu ceux parcourus par des courants continus jusqu'à (i ou 7011 volts. Le sol sur lequel le tableau sera scellé devra former, autant que possible, une plate-forme isolante (asphalte ou bitume). Enfin nu doit recommander de bien abriter les cables reliant le tableau aux maciiines.

Si on les place dans des caniveaux, ceux-ci devront pouvoir être visités facilement et, dans leur construction, on évitera les angles saillants qui pourraient, à la longue, dénuder les câbles.

PRODUCTION DE L'ELECTHICITE «vr>

Usines hydrauliques. — Dans les usines hydrauliques- l'organe moteur est presque toujours constitué par une turbine.

Ces appareils sont d'une simplicité remarquable; ils se prêtent admirablement à l'accouplement direct des dynamos et, si Ton prend soin d'arrêter dans une chambre de décantation les graviers que pourrait entraîner l'eau, ne nécessitent que des dépenses d'entretien excessivement faibles.

On peut distinguer les usines hydrauliques à grande chute (maximum 8 à 900 mètres), les usines à moyenne chute (une cinquantaine de mètres) et les usines à faible chute (une dizaine de mètres et au-dessous). Il n'entre pas dans le cadre de cet ouvrage de traiter de la question même des chulcs et de leur utilisation. Rappelons seulement que le cas le plus simple qui puisse se rencontrer est celui d'une dénivellation importante existant entre deux points assez voisins d'un cours d'eau. On se» contentera, alors, de réunir les deux points considérés par une conduite en acier, débouchant dans l'usine hydraulique. Au sommet, un barrage avec déversoir sera installé pour diriger l'eau dans la conduite et permettre au liquide en excès de s'écouler par sa route naturelle.

Si la disposition des lieux le permet, on augmentera la hauteur de chute en surélevant le barrage ; quelquefois même on Créera la chute de toutes pièces, par l'installation d'un barrage de grande hauteur. Mais on ne devra pas oublier qu'un grand barrage est un ouvrage toujours difficile à construire et que, dans son établissement, il est indispensable de se donner un coefficient de sécurité très élevé.

Les chutes d'eau que Ton peut utiliser pour ainsi dire sur place sont généralement rares. Il faut, pour cela, avoir affaire à une cascade ou à. un cours d'eau profondément encaissé dans des gorges. Si le ruisseau que l'on veut utiliser est simplement à pente rapide, comme il en existe tant dans les montagnes, on établira, à flanc de coteau, un canal de dérivation à pente très

Maréchal. — Chem. de fer élect. 5

douce (par par mètre) par mètre pente du co vation. Si la pie, de î> c 49 millim* 49 mètres p On pourn longueur d quand il s'n <lébit très a peut obtenii P, avec 100 1 bant (te 500 très cubes Dans chacu I» = 50 Mais une u faible haute généralcmci portants qu lent souvei façon gènnn tal de premi

prise.

x par-

/ / fluide

", \ autre

, rr pteur.

Si le distributeur et le récepteur sont montés concentrique-

ment autour de l'arbre de rotation, la turbine est dite radiale, avec cette autre dislinelioti qu'elle est centrifuge quand le récepteur entoure le distributeur, et centripète, quand le distributeur est monté à la périphérie du distributeur.

Lorsque le distributeur est au-dessus du récepteur, la turbine rentre dans lu catégorie des turbines parnltPlex.

V\%. iH. — Usine de Stirvn/ '«hcinin de fer du Knyet .1 Clinimuiis \i\c :ri-rrali: .les tuyaux J'amencr cl de l'usine.

Eniin on a beaucoup employé, dans ces dernières années, des turbines mixtes ou américaines qui sont une combinaison des types centripètes el parallèles.

En Europe, on se sert surtout dans les usines pour traction dé turbines radiales, en les montant soit horizontalement (axe horizontal) soit verticalement (axe vertical).

La première disposition est celle qui est le plus fréquemment employée. Elle permet, en effet, d'employer des dynamos d'un

type ordinaire et facilite grandement ta surveillance, la turbine et la dynamo étant au même niveau. L'entraînement de la génératrice se fait par un plateau avec accouplement élastique, genre Raffard ou autre, et à des vitesses qui peuvent atteindre facilement de 1 000 à 1 200 tours. Il suffit, alors, de dynamos de faible volume pour obtenir une grande puissance électrique.

Comme rentrant dans ce genre, nous signalerons : (a) Les turbines des deux usines électriques de la ligne du Fayel à Chamonix. Dans l'usine de Servoz (chiite de 40 m.) (fig. 41 el 48) il est fait usage de turbines centripètes, actionnait) directement une dynamo à courant continu à 0 pôles (fig. 49). La vitesse de la turbine varie de 015 tours à vide à 448 tours pour une puissance maxima de 448 chevaux Dans les mêmes conditions le courant de la dynamo passe de 0 a 440 ampères. Il est à remarquer que la dynamo a une excitatrice spéciale, tout en étant munie

d'un second enroulement dans lequel passe une fraction du courant qu'elle produit. Par suite, l'excitation augmente quand la vilessc diminue et maintient la tension à 350 volts. A l'usine des Chavanls (chute de 139 m.) (fig. 30 et 51) on a employé une disposition analogue, mais les turbines (au nombre de 4) sont cenirifuges au lieu d'être centripètes. Leur vilesse varie de 430 tours

Fig. 50. — Us

e des Chavants (chemin de fer du f-'nyet à. Chnmonixj. Coupe longitudinale.

à pleine charge jusqu'à 600 tours à vide. Les excitatrices, qui occupent la partie médiane de l'usine, sont constituées par deux turbines à régulateur, de 60 chevaux, actionnant des dynamos de même puissance.

(0) Les turbines du chemin de fer de la Juntjfrau sont au nombre de 4 savoir : 2 de 500 chevaux, (hauteur de chute 33 mètres), et 2 de 800 chevaux (iig. 52). Ces dernières offrent cette particularité (système Francis) que, sur le pourtour du distributeur, se trouvent des palettes mobiles qui peuvent s'incliner plus ou moins sous l'action d'un servo-moteur que met en mouvement le régulateur,

TU LES CHEMINS DE FEU ELECTIlly LES

Les dynamos sont des alternateurs à fer tournant produisant du courant triphasé à la tension de 70011 volts. La vitesse de rotation est de 380 tours par minute.

c) Les turbines du chemin de for de la Valleline (usine de Morbegno) offrent cotte particularité qu'elles mettent en mouvement des alternateurs produisant des courants triphasés à 20000 volts (fig. 53). Leur puissance peut atteindre 1 oOO kilowatts. Kilos fonctionnent sons une chute do 3I> mètres et tournent à loti tours. Les turbines sont du système Ganz, type centripète. lin môme temps qu'un allé ma leur, elles actionnent une excitatrice, montée sur le même arbre.

Lorsque la turbine est à axe vertical il faut employer des dynamos avec bâtis spéciaux

'""'«■ i-l — L'sini! des ciiavmiu (l'iiciui» d.- car cellos-cï sont coucliées fur du Favel n Cbaniouixi. Cou ne trans- . . . .. .

versale. nori/ontalcmenl . In exemple

classique de ce système se rencontre dans l'usine d'Arthaz, qui alimente le chemin de fer du Salèvo (Itg. 54). Les dynamos produisent 27î> ampères à fiOO volts cl sont à grand diamètre (3,20 m.), l'our cette dernière raison elles, ne tournent, qu'à 45 tours, vitesse de la turbine. La figure B!i montre une dynamo analogue, mais d'un type plus récent, spécialement combiné parla maison (ïïrlikon.

Nous citerons, enfin, l'application grandiose qui a été faite du système à axe vertical dans les usines du Niagara. Toutefois, il esl bon d'ajouter qu'il s'agit là d'une installation présentant des conditions tout à fait spéciales, en raison do la situation particu-

PJIODI'CTION DE L'ELECTIUCITE

lièr,> de la clmle. Celle-ci est tout à fuît brusque et, d'autre pari.

Fig. $$. — Turbines du cliemin Je Ter de la Yollclinc. (l'siiie^ue Morbogno.) l'encaissement du cours d'eau, à l'aval, ne permettait pas de placer

lUtttUL — Chcm. de fer *l«. j,

n LES CHEMINS DE FEU ELECTRIQUES

les installations hydrauliques au niveau inférieur. On a dû, à partir du niveau supérieur, creuser de grandes chambres verticales au fond desquelles se trouvent les turbines (système Francis). Les dynamos sont au niveau du sol cl leur commande se fait par un arbre vertical, long de il moires (lig. 56). Ces dynamos

lfij(. îii. — Dynamo pour turbin L'si

qui tournent à 230 tours, ont une puissance de 5UÛ0 chevaux (l'tg. 57). Deux usines, pour 100000 chevaux, ont déjà 616 installées sur la rive américaine et l'on s'occupe d'en créer une troisième, encore plus puissante sur la rive canadienne. Les unilés seront de 10 000 chevaux. Les dynamos seront à inducteurs mobiles et produiront du courant triphasé à la tension de 12000 volts' (Kg. 58, 59, 6(1 ol (il).

Il est clair que des installations analogues à celles du Niagara sont tout à fait exceptionnelles. La plupart des usines hydrauliques pour traction présentent, au contraire, un caractère de sim- ■ CcnierirU. 3 janvier l'JOÎ.

|»licilc beaucoup plus marqué et, à ce point de vue, les conslruc-

Fij[. ÏJ. — Uviiaum |i(jur liirbini: ri ;ixc verlk'dl. Tvpo des ui.'lic-is dïKilikon.

leurs ont gêné raie ment donné la préférence au type horizontal qui permet de réunir toutes les machines suivant un même niveau. C'est également te désir de simplifier encore les installations hydrauliques qui a conduit à la création d'un type nouveau dans lequel l'eau agit non plus par réaction, mais par choc. Ce type s'applique spécialement aux grandes chutes. La turbine se compose, alors, d'une simple roue munie d'nugeK montés à la péri-

phcVie. Nous trouverons plus loin une disposition analogue, en parlant des turbines à vapeur.

Les figures 62 et 63 montrent une de ces roues- turbines (système Pelton) actionnant un alternateur de 500 chevaux. Le peu d'encombrement d'un tel moteur est remarquable, la roue n'ayant que 1,20 m. de diamètre. On fera d'ail leurs observer <jue l'on pourrait encore augmenter la puissance de la machine en projetant

l'eau non pas par deux ajutages, comme l'indique la ligure, maïs par un plus grand nombre.

Les turbines, à côte de leurs glands avantages, ont un inconvénient sur lequel il faut insister. C'est leur tendance à l'emballement, quand la charge diminue brusquement. Bien que l'on puisse corriger cet inconvénient par l'emploi de régulateurs, on fera bien

de calculer la macliinc de lello façon qu'elle puisse supporter !,i vitesse; maxîma correspond an t à la marche à vide. Celte précau-

Viii. 59. — Nouvelles usines du Nia «ara. Coupe longitudinale de ladiaiii lire des turbines.

Iton se justifie amplement pat- ce fait que les régulateurs pour turbine n'ont ni la souplesse, ni l'instantanéité des régulateurs di; machines à vapeur. Ils doivent agir en effet sur des organes lourds

[.ES CHEMINS DE FER ELECÏH IQUES résistants (vannes de fermeture des tuyaux d'amenée). Et si, litre part, une action trop brusque intervient, il peut se pro-

Fit-. 6U. — Nouvelles usines du Niagara. Turbine de 10 000 thevaux.

duire des « coups de bélier » suffisants pour crever les conduites les plus résistantes.

Heureusement que, dans les usines pour traction, on peut avoir recours à l'électricité pour effectuer toutes ces manœuvres. Le régulateur n'intervient plus que pour lancer le courant dans l'ap-

pareil chargé spécialement de la manœuvre des vannes. N'ayant

aucun cITort mécanique à exercer, il peut agir avec beaucoup de sensibilité.

-. (Coupe perpendiculaire à l'axe

Il n'en est pas moins certain que. môme avec le secours de l'électricité, on n'a pas toujours résolu d'une façon très heureuse

le problème de la régulation des turbines et c'est un point qui devra mériter une attention toute spéciale, quand on aura une installation de ce genre à surveiller ou à exécuter.

Régulateur

Fxntéirra

W/fMm/^M/tâiïï/à

Fig. 63. — Turbine pour rhnte de grande hauteur, (Coupe longitudinale.)

Usines à vapeur. — Une usine à vapeur comprend deux parties bien distinctes : la chaufferie pour la production de la vapeur et la salle des moteurs.

Ces salles sont généralement placées cote à côte, les bâtiments étant établis parallèlement et à peu près de plain-picd. Nous disons à peu près, car la nécessité de placer sous le plancher de la salle des moteurs la tuyauterie et généralement les appareils pour la condensation oblige à disposer, sous la salle des moteurs, d'un sous-sol assez haut, alors que les chaudières reposent sur des fondations massives (lig. 64). On doil, d'ailleurs, être très large dans les dimensions à donner au sous-sol dont, sans cela, la température deviendrait intenable et rendrait toute surveillance extrêmement difficile. Il faut également en soigner la ventilation.

Les bâtiments se font très économiquement en fer et briques ; il sera indispensable de disposer les lanternaux de manière à éviter

toute chute d'eau sur les machines, principalement sur les dynamos génératrices et le tableau de distribution. Dans un ordre

d'idées analogue, on fera attention aux condensations qui peuvent se produire sur la toiture; elles sont occasionnées par la vapeur que laissent échapper les soupapes et les joints des tuyaux et qui vient en contact avec des parties que refroidit l'air extérieur. Pour les éviter on a souvent remplacé les combles

ordinaires par des terrasses cimentées (ciment volcanique ou autre) qui forment alors une couche mauvaise conductrice de la chaleur (fig. 07>).

Dans la salle des machines et à une hauteur convenable peut circuler, de bout en bout, un pont roulant, (l'est là un organe

indispensable dans une grande usine et l'on ne conçoit pas comment, sans cet appareil, on pourrait procéder ultérieurement au remplacement des grosses pièces des machines. Il rend également des services inappréciables pour le montage et l'on ne saurait trop recommander à ceux qui ont à construire des usines neuves de bien prendre leurs dispositions pour que, au moment où les bâtiments se terminent, le pont roulant soit prêt à fonctionner.

Pour la salle des chaudières un pont roulant n'est pas nécessaire, mais il faut que Ton dispose de toute la place voulue pour que Ton puisse aisément visiter les foyers, les carnaux, retirer les tubes, etc.

Celle salle doit contenir également une galerie pour l'évacuation des cendres et mâchefers ; cette galerie communique avec les foyers par des couloirs. On reçoit les cendres et mâchefers dans des wagonnets et on les évacue soit à l'aide d'un montecharge, soit en poussant les wagonnets à l'extérieur, à l'aide d'une rampe d'accès.

Les chaudières employées dans les usines pour traction sont de types assez variables; elles peuvent différer sensiblement de celles qui sont en usage dans les usines où l'électricité produite alimente un réseau d'éclairage parce que, dans ce dernier cas, il faut pouvoir mettre les chaudières rapidement en pression, ce qui arrive, par exemple, si le temps s'assombrit subitement. Au contraire un chemin de fer effectue un service journalier à peu près continu et, pendant au moins une vingtaine d'heures par jour, souvent môme pendant vingt-quatre, l'usine doit travailler dans sa pleine charge. 11 importe donc d'avoir des chaudières robustes, économiques et ayant une certaine élasticité leur permettant de faire face aux à-coups inévitables de la consommation.

En France, on emploie généralement des chaudières semi-tubulaires, à grand volume d'eau. On ne dépasse pas ordinairement, comme unité, des puissances de 300 à 350 chevaux. Par conséquent pour une machine de 1 500 kilowatts, par exemple, soit 2 040 chevaux, il faudra installer de 6 à 7 chaudières. L'emplacement longitudinal qu'elles occuperont sera alors plus considérable que celui correspondant aux moteurs et l'on devra renoncer à cette disposition très simple qui consiste à monter les chaudières sur une seule rangée parallèle au bâtiment des moteurs. On pourra, dans ce cas, monter les chaudières sur deux rangées se faisant face, à la condition de ménager entre ces deux rangées un espace suffisant pour que les hommes ne soient pas incom-

VUnÈaut. — Chcm. de Ter élect. 6

modes par la chaleur et que, d'autre part, on puisse facilement retirer les tubes des chaudières.

A l'étranger, les chaudières scniî-tubulaires sont moins en hon-

neur. Un leur préfère généralement les chaudières Galloway (Angleterre) et les chaudières avec tubes et réservoirs d'eau (Amérique). Mais il est sûr que. dans ce dernier cas, on a à effectuer des dépenses d'entretien plus considérables. Ce que l'on peut dire, cependant, c'est que les chaudières de ce dernier type sont moins pesanles. Mais la question du poids intervient surtout lorsque les chaudières doivent être placées en étage ifig. 66). Or, une telle disposition peut être considérée comme exceptionnelle, car

J'a facilité que l'on a, maintenant, d'alimenter un chemin île 1er par transport de force, permet réellement de placer l'usine génératrice en un point où le montage des chaudières en étage ne s'impose plus. Les Américains, qui plaçaient volontiers leurs chaudières sur deux et même trois étages.

ont maintenant une tendance maiquée à revenir aux chaudières moulées de plain-pied.

Une des questions qui doivent également intervenir pour le choix de l'emplacement d'une usine est celle de l'eau. Bien des accidents sont arrivés par suite de l'emploi d'une mauvaise eau d'alimentation, occasionnant dans les chaudières des dépôts calcaires qui provoquent à un moment donné des « coups de feu. » On peut, il est vrai, remédier à lu défectuosité de l'eau, en traitant celle-ci dans des épuralettrs. Mais ces appareils sont encombrants et la dépense d'épuration linit, en raison du grand volume d'eau employé, par n'être pas négligeable.

L'eau sert, dans une usine, non pas seulement pour l'alimonlation, mais aussi pour la condensation, car on ne conçoit pas une grande usine marchant seulement à condensation libre. Or la condensation exige de grands volumes d'eau (environ 30 fois celui de l'alimentation) et s'il fallait acheter celte eau à un prix élevé ou l'extraire de puits à débits incertains, on s'exposerait, pour la suite, à des déboires et à de graves ennuis- Le palliatif qui consiste à refroidir l'eau de condensation, après usage, et à s'en servir de nouveau, quand elle est revenue à la température normale, ne peut être envisagé que pour une installation modeste. Une grande usine pour traction doit toujours disposer d'une quantité d'eau pour ainsi dire illimitée et il est désirable, pour, obtenir

8* LES CHEMINS DE FER ËLECTMKjUES

un Ici résultat, de l'établira proximité d'une rivière ou d'un canal. L'apport et la manutention du charbon sont également des

facteurs qui doivent interveuir avec le plus de poids pour le choix de l'emplacement de l'usine. Les usines pour traction sont de

PRODUCTION DE L'ÉLECTIIICITÉ »5

randea consommatrices de charbon, d'abord parce qu'il n'est

pus besoin d'un réseau très étendu pour nécessiter des usines de plusieurs milliers de chevaux, et ensuite parce que l'usine Ira-

vaille,: pour ainsi dire, d'une façon continue. L'électricité n'est, en somme, qu'un intermédiaire, transformant en travail mécanique, dans les moteurs des trains, l'énergie contenue dans le charbon brûlé sous les chaudières. C'est ce charbon qui, en réalité, effectue la traction des trains et l'on conçoit, ce qui sera clairement établi plus tard, qu'il doive occuper une place prépondérante dans les dépenses de traction.

Tout ce qui tend à diminuer le prix du charbon doit donc être pris en très sérieuse considération par un directeur d'usine, et des dispositions réalisées à cet effet dépend souvent le succès définitif d'une exploitation électrique.

Comme premier desideratum, il faut pouvoiréliminer touttransport par charrettes et se donner la possibilité de recevoir le charbon directement soit par bateau, soit par wagon. Dans ce dernier cas, on pourra envisager l'emploi de wagons spéciaux s'ouvrant par en dessous (analogues, par exemple, à ceux dont on se sert pour les usines à gaz) et qui seront amenés sur une estacade de déchargement. Le charbon ainsi approvisionné sera repris par des wagonnets et amené par voie ferrée jusque devant les chaudières. On réduira à très peu de chose ce transport supplémentaire, en établissant l'estacade en bordure môme de la salle des chaudières.

Si le charbon arrive par bateau, l'emploi de grues électriques sera tout indiqué. Mais, généralement, le combustible devra encore franchir une assez grande distance pour parvenir à l'usine, par suite de l'existence, le long du cours d'eau, de quais, de chemins de halage ou de voies de communication. On aura alors recours à un transporteur soit aérien (fig. 67 et 68), soit souterrain (fig. 69), le premier devant être préféré au second, parce qu'il est de surveillance plus commode. Il est, d'autre part, assez difficile de mettre un transporteur souterrain à l'abri des crues, sans compter que la poussière produite par le charbon en mouvement peut être excessivement gènanle pour les ouvriers chargés de la surveillance des appareils.

Le transporteur amène ainsi mécaniquement le charbon jusque

dans l'usine et le déverse soit devant les chaudières soit, ce qui

vaut mieux, dans des soutes diposées en élage et d'où descendent d<t grands tuyaux en tôle aboutissant devant chaque chaudière.

Ces tuyaux sont fermés par une Vanne que Ton manœuvre à l'aide d'un levier et permettent de faire écouler très commodément et instantanément la quantité de charbon dont on a besoin.

Ce système se concilie très bien avec le chargement automatique des chaudières, les tuyaux aboutissant, alors, dans l'entonnoir qui alimente les appareils de chargement (fig. 70).

Le chargement automatique des foyers est un complément d'installation désirable dans une grande usine, où il faut toujours chercher à réduire l'importance de la main-d'œuvre. Certains foyers automatiques procurent môme une économie de combustible ; mais cet avantage ne doit pas être obligatoirement recherché, l'automaticité du chargement étant par lui-même une amélioration déjà très notable.

Généralement on est assez sceptique en matière de foyers h chargement automatique, beaucoup d'essais infructueux ayanl été tentés. Il est vrai qu'à l'heure actuelle il n'existe pas de foyer automatique «omnibus », c'est-à-dire pouvant s'appliquera toutes les chaudières. Il faut, parmi les nombreux appareils qui oui été imaginés par les inventeurs, faire un choix en tenant compte non seulement des dispositions intérieures des foyers, mais aussi des qualités physiques et chimiques du charbon qui doit être le plus généralement brûlé.

Il est à remarquer que les foyers automatiques sont généralement fumivores. Cet avantage spécial n'est pas à dédaigner, lorsque l'usine est installée dans une agglomération importante et l'on peut éviter ainsi les procès qu'occasionnent souvent les fumées épaisses dégagées par certains charbons.

L'évacuation des fumées et des produits gazeux de la combustion se fait généralement par de hautes cheminées en brique, dont le diamètre et la hauteur se calculent d'après des formules bien connues. Mais, de ce côté, de sérieuses améliorations peuvent être obtenues en substituant au tirage naturel le tiraye forcé (fig. 71). Les cheminées se réduisent alors à un tuyau en

tôle d'une dizaine do mètres, dans lequel ou aspire, à l'aide d'un ventilateur formant injecteur, les gaz des foyers. Un grand nombre d'usines américaines emploient maintenant le lirage forcé. La théorie et la pratique démontrent qu'un tel système est finalement bien plus économique que le tirage ordinaire et il n'y a aucune

raison pour qu'il ne s'étende pas également' -s---

européennes.

Nous avons cru devoir donner un certain ■ ment à tous ces détails parce que l'expérien qu'ils sont d'une grande importance pour un tion électrique. Très souvent l'électricité ne j contre la vapeur qu'à la condition d'être pr< économiquement et quelques millimes, gag prix de revient du kilo watt- heure, peuvent f pour une année, se chiffrer par une améliorai du coefficient d'exploitation, la dépense d'électricité ayant, dans les dépenses totales d'exploitation, une place prépondérante.

Donc, tout ce qui pourra contribuer à

diminuer la dépense de combustible devra,

dans une usine, toujours être examiné de

très près. fin. 71. — Cheminée pour

. ..,,.,. . . tirage fort o 'l'mt,.

Dans cet ordre d idées on recherchera a

utiliser les chaleurs perdues pour réchauffer l'eau d'alimentation. Les économisettrs, que ('on a imaginés dans ce but, se composent généralement de tubes en fonte dans lesquels passe l'eau d'alimentation et à travers lesquels circulent les gaz chauds et les (limées, avant de se rendre dans la cheminée. Ces tubes se couvrent rapidement de suie qui est, comme on le sait, mauvaise conductrice de la chaleur. On l'enlève à l'aide de grattoirs que met en mouvement un petit moteur. De la sorte on peut gagner de 60 à 70"; autrement dit on augmente ainsi de 00 à 70° la température de l'eau d'alimentation.

Pour envoyçr l'eau d'alimentation dans les chaudières, malgré la pression qui y règne, on se sert généralement de « petits chevaux », moteurs à vapeur à marche lente, qui actionnent dos pompes foulantes. Les injecteurs sont plutôt employés comme secours, leur rendement étant moins satisfaisant.

Nous ne nous étendrons pas longuement sur la tuyauterie^ bien que la façon dont elle est établie puisse avoir une grande influence sur le fonctionnement ultérieur de l'usine. On ne doit pas hésiter à s'adresser, pour celte partie des installations, h une maison de premier ordre. En outre, toutes les dispositions seront prises pour pouvoir isoler rapidement telle ou telle chaudière, telle ou telle partie du collecteur de vapeur. Les accidents, dans une salle de chaude, ont toujours quelque chose d'affolant et il faut que les chauffeurs puissent localiser facilement et sans hésitation toute avarie fortuite.

Les machines à vapeur pour traction doivent avoir comme qualité primordiale une grande élasticité et une régularité démarche à peu près parfaite. Tel train qui ne consommera en palier qu'une cinquantaine de chevaux, ou pas du tout s'il est à l'arrêt ou dans une pente, demandera brusquement à l'usine un millier de chevaux pour démarrer ou pour gravir une rampe accentuée. 11 ne faudra pas que, sous cet énorme effort, la machine puisse ralentir, car alors le voltage de la génératrice s'abaisserait. Ce serait demander beaucoup à la seule action de la vapeur sur le piston. On lui adjoint l'effet régulateur d'un gros volant qui emmagasine une force vive considérable et qui tend à la restituer, dès qu'un commencement de ralentissement se manifeste. C'est ce qui explique pourquoi, dans les usines électriques, les machines à vapeur sont munies de volants énormes (parfois jusqu'à 70 tonnes; , grâce auxquels les à-coups inévitables de la consommation sont supportés très aisément (iig, 72). Ils facilitent également, dans le cas du courant alternatif, la mise en parallèle des alternateurs.

Nous avons vu, en parlant des dynamos, que ces machines com-

portaient des vitesses de rotation plutôt élevées, dépassant sensiblement celle des machines ù vapeur employées le plus couramment dans l'industrie. Aussi, dans les premières installations électriques, avait-on actionné les dynamos par courroies, complication assez grande et absorbant dtt travail inutilement. Les constructeurs avaient, il est vrai, cherché à créer des machines h grande vitesse et c'est à ce type qu'il faut rattacher les

Fiji. 72. — DynaiiiM avec ranimaailr direrle et f;raud volant.

machines Willans qui jouissent d'une certaine réputation; mats, dès que l'on atteint une certaine puissance, les masses à mettre en mouvement prennent une importance trop grande, sans compter que de trop fortes vitesses ne sont guère compatibles avec un bon rendement. Aussi s'est-on résigné à rester dans des allures lentes et c'est du côté des dynamos que l'on a cherché une diminution de vitesse, afin d'arriver a un accouplement direct des dynamos et des moteurs.

Le problème a été pour ainsi dire résolu de lui-même par l'emploi de grosses unités, combinées avec la multiplication des

pôles. Une rotation complète équivaut, dans ce cas, à n rotations d'une dynamo bipolaire, si 2n est le nombre des pôles de l'unité, La conséquence est que l'on a pu obtenir des dynamos tournant à une soixantaine de tours par minute, ce qui est largement suffisant dans la pratique, attendu que des vitesses très convenables pour des machines a vapeur sont de 70 à 80 tours par minute. L'accouplement direct des machines à vapeur et des dynamos est devenu, par suite, une chose courante et Ton ne conçoit pas aujourd'hui qu'une grande usine puisse être organisée autrement. Nous avons beaucoup insisté, en parlant des chaudières, sur la nécessité de réduire autant que possible le coût de production de la vapeur.

Celte précaution ne peut avoir l'effet qu'il convient qu'autant que, concurremment, on aura porté son choix sur des machines à vapeur ayant un bon rendement, c'est-à-dire consommant, par kilowatt-heure, la plus petite quantité de vapeur possible.

L'amélioration du rendement des machines à vapeur a fait l'objet, surtout depuis les multiples applications de l'électricité, des efforts combinés de tous les constructeurs. Le gain réalisé n'a pas été très surprenant, car la machine à vapeur est, par elle-même, un instrument fort imparfait; mais les économies que les nouveaux types ont fait réaliser ont cependant sufli, dans bien des cas, pour permettre détendre encore davantage le domaine de l'électricité. C'est surtout par l'emploi de machines Compoitnd et de machines à triple expansion que le résultat cherché a été atteint. Dans les machines Compound, la vapeur, produite par les chaudières, à une pression d'une dizaine de kilogrammes, arrive, dans un premier cylindre, à cette pression, où elle effectue un premier travail, sans toutefois que sa pression, à la sortie, s'abaisse au-dessous de 5 à 6 kilogrammes; puis, elle passe dans un second cylindre où elle achève de se détendre. Ces deux cylindres sont souvent disposés de part et d'autre du volant et de la dynamo et les manivelles sont respec-

Eivement calées à 90°, ce qui facilite le'passage des points; morts. Dans la machine à triple expansion la vapeur doit arriver à lu pression de i'2k 14 kilogrammes et elle se détend successivement dans trois cylindres. La capacité de ces cylindres doit être naturellement de plus en plus grande, puisque la vapeur augmente

unités rie 800 kilowatts1..

de volume, au fur et à mesure que sa tension diminue. On est ainsi amené, parfois, à dédoubler le troisième cylindre et la machine se présente, alors, comme une machine Oompound, avec deux cylindres à droite cl à gauche au lieu d'un seul. (Chemin de fer des Invalides à Versailles).

Les machines à triple expansion ont un rendement un peu meilleur que les machines Compound; mais on leur a cependant généralement préféré ces dernières qui sont moins compliquées et consomment moins d'huile.

94 LES CHEMINS DE PEIt ELECTRIQUES

Les machines à vapeur se montent horizontalement ou verticalement.

La première disposition, qui facilite la surveillance, est certat-

Fitï- 74. — Usine pour traction, avec uiiciiiiies verliouiea. (Chemin de Ter métropolitain de Paris, unités de 1 500 kilowatts}.

nenient préférable (fig. 13). On n'adopte guère le type vertical que lorsque la place fait défaut, o'esl-à dire dans des cas où 'l'un ne peut faire autrement, ou quand on atteint de très grandes puissances (au-dessus de 1 500 à 2000 kilowatts). Avec des types

■aussi puissants, la machine- horizontale deviendrait trop encombrante, par suite du poids considérable dos pistons, et les cylindres auraient tendance à s'ovaliser le long de leur génératrice infé-

Fig. 75. — Machine Conipound verticale, de 5 000 chevaux, de la O Weatioghousc.

rieure. Mais une machine verticale de Iλ00 kilowatts et au delà devient un vrai monument, avec étages et escaliers, au milieu desquels l'œil ne peut fixer que des détails; en sorte que la surveillance générale de la machine devient forcément diffi-

elle. On se rendra compte de la physionomie de telles machines par tes figures 74 à 79, qui représentent les machines à vapeur de 1 500 kilowatts du Métropolitain de Paris (établissements

Schneider) une machine Compound de 5000 chevaux de la G" Wcstinghouse et enfin les grandes machines Compound de 8000 chevaux du Manhattan Railway '. Ces machines sonl remarquables non seulement par leur puissance, mais encore par le mode de disposition des cylindres. En réalité la machine esl double, comprenant, de part et d'autre de l'alternateur, deux machines Cross-Compound, à deux cylindres, l'un horizontal à haute pression, (44 kilogrammes), l'autre vertical à basse

' Génie civil, 13 septembre 190S.

PRODUCTION DE L'ELECTBICITE »7

pression. Les pistons de ces deux cylindres font mouvoir une même manivelle actionnant l'arbre de rotation. Dé cette façon deux paliers suffisent, ce qui constitue une grande simplification pour le montage, eu même temps que l'on réduit au strict

Fig. 77. — Élévation d'une machine de 8 UOQ chevaux du Manhattan Roilway.

minimum la longueur de l'arbre. Le cross-compoundagc donne beaucoup de régularité au mouvement et facilite le couplage en parallèle des alternateurs. Ceux-ci sont à inducteur mobile, ce dernier formant volant (son poids est de 168 tonnes). La vitesse de rotation est de 75 tours par minute. L'alternateur fournit des courants triphasés à la tension de il 000 volts et à 23 périodes.

kutcui. — Cbem. d* fer tlcct. 1

des alternateurs, les plus puissants qui existent actuellement dans des usines à vapeur, ont 13 mètres de largeur et 12,468 m. de hauteur. Leur poids total est do 400 tonnes (voy. page 55).

Fig. 78. — Vue latérale d'une machine de S 000 chevaux du Manhattan Rail «-av.

Emploi de la vapeur surchauffée. — Une des causes de mauvais rendement de la machine à vapeur est l'eau qui se dt'pose dans les cylindres, soit que la vapeur en entraîne avec elle, soit qu'elle provienne de condensations se produisant dans les cylindres mômes, par suite de leur mise en communication, au moment de l'échappement de la vapeur, avec des parties froides. L'emploi de rechaufleurs ainsi que d'enveloppes de vapeur et de

revôtemenls calorifuges autour des tuyaux d'amenée et des

cylindres diminue partiellement cet inconvénient; mais i! n'en est pas moins un des points faibles de la machine à vapeur

actuelle à condensation et à utilisation de la vapeur, telle qu'elle est engendrée par les chaudières.

On a songé, par suite, à modifier l'état physique de l'eau en surchauffant la vapeur, de manière à obtenir, non une vapeur saturée, mais un gaz à haute température, impropre à subir les les condensations anticipées qui interviennent, d une façon si fâcheuse, pour diminuer le rendement. A cet effet, on fait passer la vapeur, à sa sortie des chaudières, dans des surchauffeurs qui portent sa température à environ 300° et c'est à cette température qu'on l'introduit dans les cylindres.

Mais une machine qui est faite pour de la vapeur à 180°, par exemple, ne peut pas impunément recevoir un gaz à 300°. L'huile s'altère, et les tiroirs, qui ne sont plus convenablement lubrifiés, grippent et se détériorent.

On a donc dû commencer par demander aux fabricants d'huile pour machines des produits pouvant supporter une température de 300°. De telles huiles sont maintenant fabriquées couramment, en sorte que cette difficulté spéciale se trouve aujourd'hui résolue.

En ce qui concerne les tiroirs, on les a remplacés par des soupapes, système de distribution déjà connu, il est vrai, mais que l'on a perfectionné en soignant particulièrement les contacts et en découpant pour ainsi dire la soupape et son siège dans une même masse de métal, bien homogène. A la vérité, il n'est pasimpossible de conserver les tiroirs pour une machine à vapeur surchauffée. Mais jusqu'à ce moment les bonnes machines à vapeur surchauffée emploient pour ainsi dire exclusivement la distribution par soupapes.

Les machines à vapeur surchauffée constituent une classe nouvelle et très intéressante de moteurs à vapeur. Elles permettent d'obtenir le cheval-heure indiqué pour 550 grammes de charbon, au lieu de 700 à 750 que nécessitent les machines ordinaires, à vapeur saturée. L'économie est donc sérieuse et devra certai-

nement être prise en considération par tous les ingénieurs qui auront à construire des usines nouvelles.

Appareils accessoires. — Nous n'avons pas l'intention de passer en revue les nombreux appareils accessoires que Ton rencontre dans une grande usine pour traction. Insistons seulement sur les principaux.

L'alimentation des chaudières nécessite l'installation de pompes aspirantes et foulantes que mettent en mouvement des moteurs à vapeur ou électriques. Cette dernière disposition, qui était assez usitée, tend à être abandonnée, les moteurs électriques n'offrant pas, dans le cas actuel, des avantages spéciaux et ayant, au contraire, l'inconvénient de nécessiter une réduction de vitesse* Toutefois les moteurs électriques seraient parfaitement à leur place si Ton devait aller puiser l'eau à quelque distance de l'usine pour l'amener dans des réservoirs où elle serait ensuite reprise par les alimentateurs. On ferait alors usage de pompes centrifuges qui se prêtent parfaitement à l'accouplement direct.

Toutes les grandes machines marchant à condensation, il faut, pour condenser la vapeur, des appareils spéciaux, dits condenseurs et que l'on distingue en condenseurs à mélange et en con- . denseurs à surface. Les premiers sont les plus employés. Ils comportent une injection d'eau pour refroidir la vapeur et une aspiration pour faire le vide dans l'appareil. En Amérique, les machines qui actionnent les condenseurs sont généralement distinctes des machines motrices; en Europe on met au contraire les pompes à air en mouvement le plus souvent par une bielle actionnée par la machine motrice. Parfois même (machines horizontales) c'est le piston de la machine dont la tige se prolonge de manière à faire mouvoir le piston de la pompe à air. Une nouveauté intéressante consiste dans les condenseurs atmosphériques qui assurent la constance du vide, malgré les variations de la charge des machines.

Dans les grandes usines, le graissage est une source importante de dépenses. Il est intéressant, d'autre pari, d'éviter le transport à la main; entre le magasin et la salle des machines, des quantités considérables d'huile que consomme le service normal des machines. Aussi a-t-on organisé parfois et avec beaucoup d'àpropos de véritables distributions d'huile, desservant tous les organes à lubrifier et ramenant l'huile. à un filtre qui la débarrasse de ses impuretés. De là l'huile est élevée dans un réservoir supérieur et revient sous pression dans les différentes canalisations de distribulion.

A côté des installations usuelles d'ordre mécanique ou électrique, les grandes usines pour traction doivent présenter un certain nombre d'aménagements concernant la sécurité et le bienêtre du personnel. Rentrent notamment dans cette catégorie les lavabos, salles de douches, salles de bains, réfectoires avec fourneaux mis à la disposition des ouvriers, etc., toutes installations peu coûteuses et cependant fort appréciées du personnel. Les Américains attachent une grande importance à ces accessoires, qui font toujours chez eux l'objet dune construction soignée. De cette façon l'ouvrier s'attache plus volontiers à l'usine et si l'on sait, en outre, l'intéresser à la bonne marche de la production par des primes judicieusement établies, on peut arriver à réaliser une exploitation tout à fait économique. On verra que, dans une usine bien combinée, le prix de revient peut souvent descendre au-dessous de 0 fr. 06 le kilowatt-heure. Un chiffre aussi bas montre, par lui-même, l'étendue des améliorations qui ont pu être apportées, dans ces dernières années, aux conditions premières de la production électrique.

Turbines à vapeur. — En parlant des usines hydro-électriques, nous avons montré les avantages spéciaux des turbines à eau, au point de vue de la génération de l'électricité. On a cherché, par analogie, à créer des turbines à vapeur, faisant remarquer que

le mouvement alternatif des machines à vapeur usuelles n'est pas du tout celui qui convient, à priori, pour des dynamos, dont le mouvement est circulaire.

Les turbines à vapeur, que Ton a combinées dans ce but, constituent une nouvelle classe de machines très intéressantes. Inde* pendamment de l'avantage que présente leur mouvement circulaire, on peut insister : d'abord sur la vitesse de rotation qui est tout à fait constante pour un tour de l'arbre moteur; ensuite sur leur vitesse élevée, qui permet non seulement leur accouplement direct avec des dynamos, mais l'emploi de dynamos tournant très vite, c'est-à-dire pouvant fournir une grande puissance électrique, sous un petit volume1. D'autre part, l'entretien de ces moteurs se trouve bien simplifié, attendu que l'arbre de rotation, tout en pouvant fournir des centaines de chevaux, n'exerce sur ses paliers qu'une pression correspondant à son poids, la force de la vapeur agissant tangentiellement à la turbine. Enfin on peut employer, avec ces machines, de la vapeur à haute pression et à haute température, ce qui améliore le rendement final. Si l'on ajoute encore qu'elles ne nécessitent qu'un emplacement minime, on arrive à supposer qu'elles devront se faire, dans l'industrie électrique, une place grandissante et l'on s'explique pourquoi déjà, dans un certain nombre d'installations très importantes, on les a préférées aux machines à vapeur.

Les turbines à vapeur peuvent se diviser en deux classes : les turbines à simple roue et les turbines à roues multiples.

Le premier système, auquel appartient la turbine de Laval, est tout à fait comparable aux roues-turbines, dont nous avons montré le fonctionnement, en parlant des usines hydrauliques.

* Mais des dynamos à grande vitesse (2 à 3 000 tours par minute) exigent une grande perfection de fabrication. MM. Brown-Boveri ont très heureusement résolu les difficultés inhérentes à des vitesses de rotation aussi considérables. Us ont créé un type spécial de dynamo et d'alternateur, avec accouplement direct, supportant parfaitement des vitesses tangentielles de 60 mètres à la seconde et ne comportant que des dépenses d'entretien excessivement faibles.

Sur la périphérie d'une roue en acier sont montées un grand nombre d'ailettes que vient frapper la vapeur, sorlant de tuyères réparties le long de la roue. Le tout est, bien entendu, renfermé dans une boite étanche, communiquant toutefois avec un condenseur1.

La vitesse de rotation ainsi obtenue est considérable, attendu que la vitesse de la vapeur, à la sortie des tuyères, atteint faci-

Fig. 8(1. — Disposition générale d'une turbine Par sons.

lemcnl 1 000 mètres par seconde. Mais, par suite des remous et des jeux qui existent dans l'appareil, la vitesse tangentielie de la roue est loin d'être aussi élevée. On ne pourrait d'ailleurs pas, même en employant les aciers les plus résistants, se risquer à réaliser une vitesse pareille, car, sous l'action de la force centrifuge, la roue se disloquerait. La pratique a montré que l'on pouvait

' Avec les turbines la condensation peut être poussée jusqu'à ses dernières limites, au grand avantage du rendement. M. Râteau, dont nous décrirons plus loin la turbine à roues multiples. Tait remarquer qu'avec des machines à pistons, même en employant la triple expansion, on ne retire pas de la condensation tout ce qu'elle pt?ut donner (40 p. lui) d'économie par lapport & l'échappement à air libre; faute de ne pouvoir donner au troisième cylindre des dimensions suffisantes, ainsi du reste qu'aux orifices d'évacuation. D'autre part, en poussant la condensation trop loin on produit dans l'intérieur des pistons des abaissements de température qui occasionnent des condensations. Avec les turbiues, dans lesquelles le courant de vapeur a lieu toujours dans le même sens, cet inconvénient n'existe pas et l'on peut pousser la détente jusqu'à la pression même du condenseur.

tout au plus atteindre de 350 à 400 mèlres. C'est déjà beaucoup puisque, alors, la machine tourne à la vitesse de 20000 à 30000 tours par minute. Cependant à ne s'en fier qu'au calcul, ce ne serait pas encore assez, attendu que le maximum de rendement correspondrait à une vitesse moitié de la vitesse d'échappement de la vapeur, soit 500 mètres par seconde. La conséquence est que le

Fîf:. 81. — Turbine l'ursom. Roue uiolrice.

rendement de telles turbines csLjissez faible, sans compter que, pour actionner des dynamos, une transmission par engrenages doit intervenir. Or, non seulement une transmission de cette nature absorbe inutilement du travail, mais il faut bien remarquer encore que des engrenages, pouvant tourner à raison de 20 à 30000 tours par minute, ne sont pas d'un type courant et qu'ils doivent être laits avec des soins spéciaux.

Dans la turbine Pansons la cause do mauvais rendement des turbines à roue unique se trouve très ingénieusement éliminée de la façon suivante (lig. 80).

La vapeur est distribuée par toute une série d'aubages placés en regard d'aubages correspondants, régnant à la périphérie de la roue motrice (fig. 81). C'est donc une disposition analogue à celle d'une turbine parallèle. La vapeur, en traversant ces aubages, pousse la roue et la fait tourner. Mais, après avoir effectué ce travail, elle a encore une pression élevée et on la reçoit dans une nouvelle série d'aubages distributeurs, agissant sur une deuxième roue motrice montée sur le môme arbre que la première. Ensuite la vapeur actionne encore une troisième roue, puis une quatrième, ctc» Enfin arrive un moment où, s'étant détendue, son volume a fortement augmenté. Elle passe alors dans des roues de diamètre plus grand, se détendant de plus en plus. Une troisième série de roues, à diamètre encore plus fort, est enfin traversé et de là, la vapeur se rend au condenseur.

L'équilibrage de l'arbre moteur est obtenu d'une façon très ingénieuse en munissant cet arbre de trois couronnes dont les diamètres respectifs sont ceux des trois séries de roues motrices. En A, point où arrive la vapeur (fig. 80), la pression s'exerce à droite et à gauche, et il y a équilibre. En E, un canal F amène une dérivation de la vapeur sur la deuxième couronne, équilibrant ainsi la pression qui s'exerce de part et d'autre de A. Enfin la troisième série de roues communique par un tuyau partant de G avec la face intérieure de la troisième couronne. Quanta la face extérieure elle est, comme la dernière roue motrice, en communication avec le condenseur.

On voit que, de cette façon, l'arbre moteur se trouve parfaitement équilibré. Les paliers sont, d'autre part, extérieurs à la turbine et peuvent être facilement surveillés. Enfin, dans le prolongement de la turbine, se trouve l'appareil régulateur. C'est un régulateur à boules et à force centrifuge, qui ouvre plus ou moins l'orifice d'adduction de la vapeur.

On peut, lorsque la turbine commande une dynamo, régler la vitesse par le voltage môme de cette dynamo. A cet effet, on

PRODUCTION DE L'ÊLECTIIICITÉ 10?

aclionnev par mie dérivation, un soténoïdc qui agi! sur la vanne d admission pour l'ouvrir ou ia fermer partiellement, quand le voltage décroît ou croît.

L'emploi de la pression de la vapeur, par échelons ', au lieu de son utilisation en une seule fois, comme dans les turbines genre de Laval a. comme corollaires immédiats, d'après ce que nous

Pig. tt'i. — Turbine l'ursous, actionnant directement une dynamo.

avons dit plus haut, une diminution de la vitesse de rotation et une amélioration du rendement

Les grosses unités Puisons (on on construit qui développent jusqu'à» à 61)00 kilowatts, en particulier le Métropolitain de Londres doit comporter des unités de 5000 kilowatts) ne tournent qu'à "750 tours permettant, par conséquent, même avec des alternateurs, de réaliser l'accouplement direct, tout en tenant le nombre des périodes dans des valeurs relativement basses (do 20 à 25) (tig. 82 et 83). La vapeur est employée à toutes pressions, avec ou sans surchauffe; mais on a avantage, comme pour les machines à vapeur, à prendre de la vapeur à haute pression (de 12 à 14 kilogrammes) et à porter su température jusqu'à 300 degrés et même ' On peut, d'ailleurs, augmenter le nombre des Échelons.

pi as. L'élévation de la température est, avec ces turbines, d'autant plus acceptable, que les paliers, c'est-à-dire les seuls organes qui ont besoin d'être graissés, ne sont pas en contact avec la vapeur. Quant à la consommation de vapeur, elle s'abaisse facilement à 3,5 kg. par cheval indiqué.

MM. Brown-Boveri. qui construisent, dans leurs ateliers de

Fig. 83. — Groupe électrogène Parsons de I 50i) kilowatts.

Baden, la turbine Parsons, garantissent, pour des grosses unités (3 000 KW) des consommations de vapeur (a 10 kg. et 250°} de 6,8 kg. par KWH et pour les petites unités (300 KW) 9,7 kg. Rapportée au cheval indiqué, la consommation de vapeur ressort ainsi, pour les grosses unités, à moins de 4, 5 kg. D'autre paît, la consommation de l'huile ne dépasse pas 0,23 grammes par KWH pour les grosses unités et 0,30 grammes, pour les petites.

La turbine lialeau est, comme la turbine Parsons, une turbine à roues multiples; mais chaque roue tourne entre deux diaphragmes qui l'isolent des roues voisines (fig. 84). Ces diaphragmes sont

fixés à la périphérie intérieure de l'enveloppe et sont munis, près

Fig. Si. — Disposition intérieure d'une turbine Râteau.

de leur zone d'attache, d'aubages (fig. 85) par lesquels la vapeur, après avoir agi sur une roue, pénètre dans le deuxième compartiment et fait tourner la deuxième roue (fig. 86 et 87).

L'arbre de la turbine traverse tous les diaphragmes avec un jeu très petit, le seul par lequel puisse s'échapper inutilement la vapeur. Dans ces conditions , on peut dire que, pratiquement, toute la vapeur concourt , à la rotation de l'appareil.

Peut-être pourrait-on craindre --r-™** ■■* au contraire que, par suite

du faible jeu existant entre Kg. 85. - liiaphragme. de ta turbine J Râteau.

les diaphragmes et l'arbre, il

ne se produise des frottements susceptibles d'absorber du travail; mais les diaphragmes, dans l'évasement qu'ils présentent

pour laisser passer l'arbre, sont munis de métal anti-friction et ce métal s'écraserait, sans gêner la rotation, si le jeu venait à être insuffisant.

La turbine Bateau se trouve d'elle-même équilibrée et n'a pas besoin de pistons compensateurs.

Comme la turbine Parsons, elle convient très bien à l'acttonnement direct des dynamos ;lig. 8N) et a le grand avantage de n'occuper également qu'une place très minime (le 13 environ d'une machine à vapeur de même puissance).

Fîg. 87. — Ensemble des roues matrices dans la turbine Raleau.

La consommation de vapeur, pour de grosses unités, est donnée

comme étant un peu inférieure à celle qui a été indiquée plus haut pour la turbine Parsons.

Fig. 88. — Turbine Râteau actionnant directement une dynamo.

Usines avec moteurs à gaz. — Nous n'ajouterons que 1res peu de mots à ceux que nous avons déjà dits sur ce sujet. Quelques usines pour tramways (Orléans, Casscl, Lausanne, etc.) ont adopté ce système et paraissent s'en bien trouver. Mais il s'agit d'installations modestes et, à l'heure actuelle, il n'existe pas, en somme, de grandes usines pour traction, avec moteurs à gaz.

Lanécessité d'employer des charbons spéciaux, un coût d'établissement élevé et l'absence de précédents ont naturellement empêché ce système, malgré son intérêt, de se propager. Toutes les grandes usines de ces dernières années (New- York, Boston, Chicago, Paris, Berlin, etc.) onl, comme élément, la machine à vapeur.

Mais dans des cas particuliers, par exemple s'il s'agit d'une ligne circulant dans des régions houillères, il y aura lieu d'envisager l'emploi possible des moteurs à gaz pour la production de l'électricité. Il pourra arriver que de grandes industries {fours à coke, hauts fourneaux) puissent livrer ù bon compte d'énormes quantités de gaz aptes à l'alimentation des moteurs et l'on aura alors la possibilité de produire l'électricité à un prix infime.

Cependant l'on n'aime guère, quand on a à assurer un service public, dépendre de tiers ou d'industries qui ne peuvent pas, for-

cément, présenter le caractère de stabilité ou de régularité de l'entreprise dont on a la charge. En sorte que le cas ci-dessus envisagé est plutôt théorique. Mais il devait être indiqué, car il correspond à une physionomie nouvelle de la production électrique. Et d'ailleurs telle combinaison pourra intervenir, donnant à l'exploitant, à la fois la sécurité et le bon marché.

Emploi des acumulateurs dans les stations centrales. — Les stations centrales pour tractiç;i sont soumises à des à-coups très

J>éàitdes

mackuiéS^,

)écharge.

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'c des accumulateurs

Charae. dts accumulateurs

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Fig. 89. — Mode d'action d'une batterie-tampon sur Je débit d'une usine.

intenses. On verra, en effet, plus loin que le démarrage des trains ou leur circulation sur des rampes accentuées peuvent occasionner des appels momentanés de courant, atteignant facilement 2 000 ampères. A la vérité, les énormes volants que Ton ajoute aux machines corrigent, en partie, ces variations subites de l'intensité et, d autre part, ces dernières peuvent s'atténuer, si l'usine alimente à la fois un très grand nombre de trains. Mais la puissance demandée aux machines n'en subit pas moins des oscillations peu compatibles avec un bon rendement. Aussi a-t-on pensé à adjoindre aux machines des batteries d'accumulateurs, ayant comme destination d'emmagasiner l'énergie en excès, au moment où la consomma-

PRODUCTION DE L'ELECTIIICITE 113

lion baisse sur le réseau et de restituer de l'électricité, quand il se fait un appel de courant supérieur à la production normale des machines. Ces batteries agissent ainsi comme un volant. Elles forment tampon d'où le nom de /lat/crtes-tfiwpon, sous Inquel on les désigne généralement [tij*. 8!f'.

Fig. 90. — Vue d'une batterie-lanijion.

Maïs il faut bien remarquer que ces batteries ne sont admissibles que dans des usines à courant continu, puisque les courants alternatifs ne se prêtent pas à la charge des accumulateurs. Toutefois, si les courants alternatifs doivent être transformés en courant continu dans des sous-stations, on aura la possibilité d'utiliser le pouvoir régulateur des batteries, en plaçant celles-ci dans les sous-stations.

Les accumulateurs actuellement en usage sont toujours des accumulateurs au plomb. Une batterie se compose d'un certain

nombre d'éléments comportant des plaques positires et des plaques négatives, plongeant partiellement dans de l'eau distillée à laquelle on a ajouté de l'acide sulfurique. Cet électrolyte est renfermé dans des bacs en bois doublé de plomb et reposant sur des madriers ou des tasseaux isolés (fig. 90). Les éléments sont réunis en série, comme des piles, et Ton en calcule le nombre en admettant que la tension la plus convenable à donner à chaque élément,

pour qu'il fonctionne bien comme volant, est de 2 volts 05. Par conséquent, si la tension des machines est de 600 volts, le nombre des éléments sera de = 294. La batterie

lo

fis

jjjp=-^

tension de la marhinc

intensités

Fig. 91. — Caractéristique d'un élément d, batterie tampon.

ainsi constituée est placée en dérivation sur le réseau. Pour voir comment elle va intervenir, il suffit de tracer sa caractéristique, c'est-à-dire la courbe des ampères en fonction des volts. Cette courbe, que Ton relève expérimentalement, est représentée par la figure 91, les ordonnées se rapportant aux volts et les abscisses aux ampères. A droite de 0 la courbe donnera le régime de charge et à gauche le régime de décharge. Supposons qu'à un certain moment l'intensité sur le réseau diminue de OA et que, par suite, une telle intensité devienne disponible au tableau de l'usine. On voit que pour qu'elle puisse être absorbée par la batterie, la tension à ce moment devra être égale à AU, c'est-à-dire dépasser de BC la tension de la machine ramenée à un élément. Si donc la tension de la machine, supposée constante, n'était pas surélevée, il serait impossible d'emmagasiner dans la batterie l'intensité OA disponible. Alors intervient un organe spécial, le survolteur qui a justement pour but de donner à OA le supplément de tension BC, qui

PRODUCTION DE L'ELECTRICITE Hi>

lui est nécessaire. Supposons, au contraire, que la consommation du réseau dépasse de OA' le débit normal des machines. La batterie sera alors susceptible de donner OA', mais à la tension A'B' seulement. Le complément de tension B'C sera encore donné par le survol leur.

Ce raisonnement suppose que la lension de la machine est constante ; mais cette tension, malgré le compoundage ou l'hypercompoundagc des enroulements, subit toujours des variations plus ou moins prononcées, selon le type de machine, la tension augmentant quand le débit sur le réseau diminue et fléchissant, d'autre part, si la demande de courant augmente. Par conséquent, il se produit, de part et d'autre de la zone d'équilibre, des variations de voltage qui permettent jusqu'à un certain point à la batterie de se charger et de se décharger; en sorte que, même sans survolteur, une batterie en dérivation sur les bornes de l'usine peut, dans certaines limites, faire l'office de batterie-tampon. Mais sa capacité est ainsi moins bien utilisée. Aussi n'emploie-t-on les batteries sans survolteurs que dans des installations peu importantes et où le réglage de la tension n'a pas besoin d'être serré de près.

A la vérité il est possible, avec des génératrices h caractéristiques spéciales, d'augmenter l'étendue des charges et desdécharges de la batterie. Et même certains artifices ont été employés (par exemple dans l'usine des tramways de Bordeaux), pour modifier, dans le sens ci-dessus, des dynamos à caractéristique ordinaire. Mais il est encore plus commode de recourir à un survolteur, d'autant plus qu'un tel organe est également très utile pour la charge à fond de la batterie \

Le survolteur n'est autre qu'une dynamo, avec excitation en série, que met en mouvement un moteur shunt (par suite à

* Il existe d* autres modes de montage de batteries, mais moins simples. Voir à ce sujet, les articles de M. Jumau dans YÉclairaye électrique. N°» du 29 novembre 1902 et suivants.

vitesse sensiblement constante} et qui est traversée par le courant total de la batterie. Comme conséquence du mode d'excitation, le siirvoltage est proportionnel à l'intensité, ce qui doit être justement réalisé pour obtenir les charges et décharges dans les conditions ci-dessus indiquées. Un tel survol leur est, par suite, autorégulateur de la tension, effectuant la charge et la décharge selon les disponibilités ou la demande du réseau et sans interposition d'aucun autre appareil.

r'i«. 92. — Siirvi'ltcur pour batterie-tampon.

La figure 92 montre un survolteur, type du Creusol, employé à Paris, à l'usine du Métropolitain. Le moteur shuntcstà'ioO volts. Le survolteur proprement dit, c'est-à-dire la dynamo à excitation série peut donner ± 25 volts.

Comme l'expérience démontre que l'on diminue beaucoup les frais d'entretien d'une batterie-tampon, en la chargeant à fond de temps en temps et qu'on ne pourrait le faire avec seulement 2"> volts de supplément, on a installé" sur les inducteurs du survolteur un second enroulement, qui est en dérivation sur le circuit de la batterie et que l'on fait intervenir quand on veut pousser la charge de la batterie elle-même (fig. 93). Un rhéostat permet de faire varier l'intensité du courant traversant l'enroulement.

Grâce à cet artifice on peut porter progressivement la tension jusqu'à ISO volts, ce qui suffit pour la charge complète de la batterie. Celte batterie, du système Tudor, a une capacité de I 600 ampères avec une durée de décharge de 1 heure; elle peut supporter, d'autre part, des à-coups de 3 000 ampères. Le nombre des éléments est de 270 (pour 550 volts\ Avec une telle batterie les variations de voltage de la machine sont inférieures à 5 p. 100.

beurres du, tableau.

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'Moteur

yiy^f^J^SZÊSik^ ■*£•*■ donnant 1 25 volts

S5o volts

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Rhéostat de n*k pour porter la.

barres du, tableau.

BaMerte- > éléments

L iSo vols

Fig. 93. — Mode d'emploi d'un survolteur.

Si les batteries -tampon ont des avantages au point de vue de la régularisation de la tension et du travail des machines, elles les font, en revanche, payer par une consommation supplémentaire d'énergie et par un entretien assez dispendieux. Il est toutefois à remarquer que des batteries-tampon ont cependant un meilleur rendement que des batteries affectées à des réseaux d'éclairage. Il peut atteindre de 80 à 85 p. 100, alors que, dans une usine pour lumière, on ne dépasse guère 70 p. 100. Quant à l'entretien il coûte de 5 à 7 p. 100 de la dépense de premier établissement.

Ces diverses sujétions ont souvent fait reculer les exploitants devant l'emploi de batteries. Elles sont néanmoins avantageuses dans bien des cas. C'est seulement sur des réseaux à grand débit et trains nombreux qu'elles deviennent sans intérêt et encore y aura-t-il lieu d'envisager la question de l'éclairage ainsi que celle des services accessoires, pendant l'arrêt des machines.