STATIONS CENTRALES POUR LA PRODUCTION DE L'ÉLECTRICITÉ

Puissance d'installation. — Consommation par voiture. — Matériel : (a) Dynamos ; (b) Moteurs ; (c) Chaudières ; (d) Tableau de distribution. — Emploi des accumulateurs dans les stations centrales, — Stations de transformation : [a) Transformation du courant continu à haute tension en courant continu à 500 volts ; {b) Transformation du courant alternatif à haute tension en courant continu à 500 volts ; (c) Transformation des courants polyphasés à haute tension en courant continu à 500 volts ; {d) Transformation des courants polyphasés à haute tension en courants polyphasés à basse tension.

Puissance d'installation. — Le courant électrique consommé par les voitures est produit dans des stations centrales dont Timportance dépend de celle du réseau à alimenter.

Pour une première approximation on comptera de 15 à 30 chevaux par voiture de 50 places, selon qu'il s'agira d'un très grand réseau, avec départs rapprochés, ou d'une installation très modeste (une dizaine de voitures en service)*.

Si l'on veut calculer exactement la puissance de l'usine,

* Voici une échelle un peu plus détaillée :

Nombre de voitures en service. Puissance à prévoir par voiture.

i à 5 35 chevaiM.

lOàlS 25 —

on partira des formules établies dans le chapitre ii et en tenant compte :

1^ Du rendement des moteurs des voitures (65 à 75 p. 100) ;

2*^ De la perte en ligne et dans les feeders (ordinairement 10 p. 100);

3"* Du rendement de Tusine qui peut varier dans de très grandes limites, mais qui est rarement supérieur à 70 p. 100.

Ces divers coefficients, combinés entre eux, montrent que le rendement total d'un réseau n'atteindra que très exceptionnellement 50 p. 100. En général, il sera inférieur à 40 et même 30 p. 100*.

Il est nécessaire d'expliquer pourquoi les variations du rendement de la station centrale peuvent être aussi étendues.

Supposons une usine n'alimentant qu'une seule voiture. Le travail, nul aux arrêts, va s'élever brusquement au démarrage; il décroîtra ensuite, passera par zéro quand le tramway s'arrêtera pour prendre un voyageur, s'élèvera de nouveau au départ, etc.

Ce sont là, pour la ou les machines de l'usine, de très mauvaises conditions de fonctionnement. Elles se traduiront naturellement par un rendement déplorable.

Si plusieurs voitures sont à la fois en service, la situation va se trouver sensiblement améliorée. Il sera excessivement rare, en effet, que celles-ci s'arrêtent ou démarrent toutes en même temps. La puissance instantanée se rapprochera

' Annales des Ponts et Chaussées, janvier 1896.

donc de la puissance moyenne. Néanmoins de grandes variations seront encore inévitables.

Il n'y a, en réalité, que sur les très grands réseaux où les» variations de consommation de chaque voiture se perdent dans la consommation générale et où, par suite, les machines peuvent travailler dans des conditions voisines de la pleine charge, c'est-à-dire dans des conditions correspondant à leur maximum de rendement.

Les stations centrales n'ont pas seulement à faire face à des variations de consommation instantanées. On doit en outre remarquer que, suivant l'heure de la journée, le réseau se trouvera plus ou moins chargé. Mais, à ce point de vue, elles sont dans une situation bien préférable à celle des usines électriques, alimentant uniquement des réseaux d'éclairage.

Celles-ci n'ont, en effet, à donner leur grand effort que pendant une courte période d'allumage (trois à quatre heures) et, pendant le reste de la journée (à moins de charger des accumulateurs), elles restent à peu près inutilisées.

S'il s'agit d'un réseau de tramways à accumulateurs, les conditions de fonctionnement de l'usine seront évidemment meilleures (à la condition toutefois que l'on établisse un roulement pour la charge des batteries), puisqu'il faudra effectuer, à chaque charge, un travail nettement déterminé. Aussi la Société industrielle des moteurs électriques et à vapeur qui a installé les nouvelles lignes delà C^® des Tramways de Paris et du département de la. 5eme(voir page 130) n'a-t-elle compté, pour 25 ou 28 voitures en service, que 400 chevaux soit, en moyenne, 15 chevaux par voiture.

Dans toute station centrale une rése7*ve est indispensable. On la prend ordinairement égale à 1/3 ou 1/2 de la puissance d'installation strictement nécessaire.

Consommation par voiture. — On évalue généralement cette consommation de deux façons :

Soit en kilogrammes de charbon par voiture-kilomètre ;

Soit en watts-heure par voiture-kilomètre ou mieux par tonne-kilomètre.

La consommation de charbon par voiture-kilomètre dépend non seulement de l'importance et du profil du réseau (et aussi, naturellement, de la qualité du combustible), mais encore, comme Font fait remarquer MM. Reckenzaun et Pellissier, de la façon dont sont conduites les voitures.

Ainsi, à Bordeaux, le poids de charbon brûlé par voiturekilomètre s'est abaissé de 2,785 kg à 2,200 kg, lorsque la Compagnie a fait placer des poteaux indiquant aux mécaniciens quand ils doivent interrompre le courant.

Le mode de couplage et de réglage des moteurs a aussi sur la consommation de charbon une influence marquée. Toutes choses égales d'ailleurs, on conçoit que le réglage de la vitesse par la variation du champ magnétique (voir ch. vm) soit plus économique que le réglage à l'aide de résistances ou de shunts,

Il est rare que la consommation de charbon descende par voiture-kilomètre de 50 places et à 2 moteurs de 25 chevaux ^u-dessous de 1,500 kg. Elle atteint plus souvent 2 kg, 2,500 kg et môme davantage

En watts-heure on compte, suivant le profil des voies, de 60 à 80 watts-heure par tonne-kilomètre, soit pour une voiture de 50 places pesant 10 tonnes, voyageurs compris, de 600 à 800 watts-heure par kilomètre.

. Sur les lignes à accumulateurs de la C" des Tramways de Paris et du département de la Seine (accumulateurs de la Société pour le travail électrique des métaux), on a dépensé en moyenne du l®"" janvier 1892 au 1*' janvier 1895, 1 kilowatt-heure par voiture-kilomètre. Mais il s'agit de voitures pouvant peser jusqu'à 14,5 tonnes. La dépense de charbon, qui est de 2,465 kg, est proportionnellement un peu moins forte que pour une ligne à trolley, ce qui s'explique par le travail [plus régulier que Ton peut faire effectuer aux machines.

Sur les lignes de la njême compagnie équipées avec des accumulateurs à charge rapide , on compte ne dépenser que 670 watts-heure, mesurés à l'extrémité des feeders, par voiture-kilomètre de 14 tonnes. Ce chiffre, qui paraît faible, aura besoin d'être vérifié.

Matériel. — Une description complète du matériel employé dans les stations centrales nous entraînerait trop loin. Nous nous bornerons à indiquer les principales conditions à réaliser.

(a). Dynamos, — Les dynamos doivent être robustes, afin de supporter aisément les variations de la consommation. Comme il est désirable de pouvoir les accoupler directement

l'VO LES TRAMWAYS ÉLECTRIQUES

aux moteurs, afin de supprimer les transmissions par courroies (lesquelles absorbent de 10 à 15 p. 100 de la puissance), on sera souvent conduit à adopter des dynamos multipolaires.

Le mode d'excitation le plus employé est V excitation cornpound, c'est-à-dire que les inducteurs portent deux enroulements : un à gros fil traversé par le courant de la machine, un à fil fin traversé par une dérivation. En combinant convenablement ces deux enroulements, on arrive à obtenir un voltage sensiblement constant, quelle que soit la charge. On corrige au besoin les petites irrégularités, à l'aide d'un rhéostat que l'on insère sur l'enroulement en fil fin des inducteurs.

L'enroulement Compound s'impose en raison des variations rapides et fréquentes du débit. Dans certaines stations, on emploie môme des dynamos hypercompoundées, qui donnent une tension constante non au départ de l'usine, mais à l'extrémité des feeders.

Il est indispensable d'asseoir les dynamos sur une bonne fondation en maçonnerie, pour leur permettre de résister aux efforts brusques qu'elles ont à subir.

On a reconnu que les balais en charbon détérioraient beaucoup moins le collecteur que les balais en métal. Ils sont aujourd'hui d'un usage à peu près général.

Pour le choix de la puissance des dynamos, on se rappellera que les grandes unités réduisent toujours les frais de main-d'œuvre et de surveillance. Elles offrent aussi l'avantage d'un excellent rendement.

Aux Etats-Unis, on emploie couramment des unités de 2 000 et même 2 500 chevaux. A Brooklyn, une partie du réseau est alimentée par une usine de 10 000 chevaux divisée en quatre groupes de 2500 chevaux*.

(b). Moteurs, — Les moteurs hydrauliques ne peuvent être adoptés que là où Ton dispose d'une chute d'eau importante, d'un débit sensiblement constant. Ils sont alors constitués par des turbines^ ordinairement à axe vertical et sur Tarbre desquelles sont montées directement les dynamos.

Les moteurs à vapeur, de beaucoup les plus répandus, sont ou horizontaux ou verticaux. On paraît surtout vouloir employer aujourd'hui (quand la place ne fait pas défaut) des moteurs horizontaux dont la surveillance est certainement plus facile que celle des moteurs verticaux.

Un fort volant est de rigueur*. Il suffit, pour en comprendre l'utilité, de se reporter à ce que nous avons dit précédemment sur les variations de la consommation. Dans un même ordre d'idées, il est indispensable que le régulateur règle très rapidement la consommation de la vapeur.

Généralement les machines sont à un seul cylindre. Mais lorsque l'on a à alimenter un grand réseau et que, par suite, les variations de la consommation se trouvent sensi-

* Voir le Génie civil du 10 novembre 1894.

* A Brooklyn chaque volant pèse 75 t. Un volant pareil, qui viendrait à se rompre sous Faction de la force centrifuge, causerait dsms une usine une véritable catastrophe. Aussi commence-t-on à employer, dans les grandes stations centrales américaines, des volants en acier lamellaire, qui offrent de grandes garanties de sécurité (voir la Nature du 25 juillet 1896).

siblement atténuées on adoptera des machines à double et à triple expension qui produisent une meilleure utilisation de la vapeur.

Quel que soit le système adopté, il est clair que Ton devra s^arranger de manière à condenser la vapeur. Il faudra donc placer l'usine en un point où Teau se trouvera en abondance, à proximité.

Le graissage à Thuile est maintenant de plus en plus répandu. Dans les grandes stations centrales une véritable distribution d'huile est même organisée. Un réservoir est placé sous les toits et communique par des tuyaux avec les différents organes à lubrifier. Puis Thuile se rend dans un réservoir inférieur, d'où une pompe l'élève jusqu'à un filtre situé au-dessus du réservoir de départ.

S'il s'agit d'une installation importante, il sera tout indiqué d'employer, pour le chargement du charbon,' des appareils automatiques. On réalisera ainsi une économie notable et l'on diminuera la fumée évacuée par l'usine, ce qui est réclamé, comme on le sait, par beaucoup de municipalités.

Dans certaines usines on procède de même, automatiquement, à l'enlèvement des cendres et des escarbilles. C'est un système qui est d'autant plus à recommander que, très souvent, les chaudières sont placées en sous-sol.

La consommation de charbon devant atteindre facilement

i kg par cheval et par heure on arrive, pour une usine de 1000 chevaux, marchant de 7 heures du matin à minuit à une consommation journalière de 17 tonnes de charbon. Ce chiffre montre combien il est important non seulement de réduire les frais de manutention du charbon, mais aussi de placer Tusine de telle façon que le combustible puisse y être approvisionné soit par bateau, soit par voie ferrée.

Il faut aussi pouvoir se procurer de Teau, en grande quantité, et autant que possible deTeaune nécessitant aucune épuration préalable.

L'emploi à' économiseurs se généralise de plus en plus. Ces appareils se composent le plus souvent de tubes léchés par les fumées et dans lesquels on fait circuler leau d'alimentation, avant de l'envoyer dans les chaudières: Un système de raclettes mécaniques enlève la suie qui se dépose sur les tubes et qui formerait rapidement une couche mauvaise conductrice de lachaleur^ On peut ainsi gagner de 80 à 100*.

(d). Tableau de distribution, — Le tableau de distribution réunit les appareils servant à la manœuvre des dynamos, à la mesure du courant et à son envoi dans la ligne.

Les éléments principaux sont :

1** Un rhéostat de champ magnétique pour le réglage de Texcitation ;

2^ Un interrupteur à main permettant de lancer le courant dans la ligne, quand la machine est au voltage voulu ;

1 Dans certains économîseurs on se contente d'enlever la suie, de temps en temps, à l'aide de lances à vapeur.

3^ Un interrupteur automatique coupant le courant quand il se produit un court-circuit sur la ligne et empêchant ainsi les dynamos de débiter un courant exagéré ;

4° Un voltmètre et un ampèremètre ;

5° Un parafoudre qui protège Tusine pour le cas où le tonnerre viendrait à tomber sur les conducteurs aériens.

kilowatts

Fig. tl3. — Courbe de débit d'une usine alimentant un petit réseau.

Dans un grand nombre de stations centrales il est également d'usage d'employer des appareils enregistreurs (wattmètres ou ampèremètres) qui montrent clairement toutes les variations de la consommation. Moins la ligne est chargée et plus la courbe est dentelée. La figure 113 représente une courbe relevée sur le wattmètre, dans une usine n'alimentant qu'une seule ligne, avec une dizaine de voitures

en service seulement. Sur un réseau comportant 140 voitures automotrices et 40 voitures remorquées on a obtenu au contraire la courbe représentée par la figure 114.

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7 ô g 10 fî Midi I 2 Z it 5 ^ Fig. 114. — Courbe de débit d'une usine alimentant un grand réseau.

Emploi des accumulateurs dans les stations centrales. — Les accumulateurs rendent de grands services dans les usines alimentant des réseaux d'éclairage, en fonctionnant comme volant et comme réserve.

L'idée devait venir, naturellement, de les employer également dans les stations centrales alimentant des réseaux de tramways.

On doit cependant remarquer que, dans l'un et l'autre cas, les conditions d'utilisation ne sont pas tout à fait comparables. Une usine servant à l'éclairage doit fournir du courant sans interruption. On dispose donc d'une grande marge pour la charge et la décharge des accumulateurs, et ceux-ci pourront toujours être conduits avec une allure modérée.

Dans une usine pour tramways on est un peu plus gêné, puisque celle-ci est arrêtée pendant une partie de la nuit et que d'autre part, pendant les heures de service, il est évidemment économique de demander tout le gros de la force aux machines * .

Les accumulateurs doivent donc, dans ce cas, agir surtout comme volant, en corrigeant les inégalités de charge, pour ainsi dire instantanées, auxquelles sont soumises les machines. Leur coefficient d'utilisation sera donc moindre que pour un réseau d'éclairage. Cependant ils peuvent rendre encore de sérieux services, surtout si la courbe de consommation affecte une allure analogue à celle que représente la figure H 3. On conçoit en effet qu'avec un tel régime, au lieu d'une puissance d'installation de 120 à ISO kilowatts, qui serait strictement nécessaire pour franchir les pointes de la courbe, on pourra se contenter de 60 kilowatts, correspondant à la troisième horizontale, en partant du bas de la figure. Tout ce qui est au-dessus sera fourni par une batterie d'accumulateurs. Au-dessous, les petites vallées dessinées par la courbe correspondent à du travail disponible. On l'utilisera pour charger les accumulateurs. De cette façon, on aura réduit de 50 p. 100 la puissance d'ins-

* Indépendamment de la station centrale de Fontainebleau, dont nous allons parler plus loin, nous citerons comme usine utilisant avantageusement une batterie d'accumulateurs, celle de Remscheid (Allemagne). Douze voitures seulement sont en service sur la ligne et, bien qu'elles consomment à certains moments jusqu'à 630 ampères, on peut les alimenter avec une seule dynamo de 180 ampères. Le complément est fourni par la batterie.

On vient également d'installer une batterie d'accumulateurs sur la petite ligne du Raincy à Montfermeil.

lallation et on fera travailler les machines dans des conditions voisines de la pleine charge.

La batterie d'accumulateurs se place ordinairement en dérivation sur le réseau. Comme sa force électromotrice peut varier dans de grandes limites, ainsi que nous Favons expliqué dans le chapitre vi, il faut prendre des précautions pour que le courant qu'elle débite soit maintenu à la tension constante du réseau.

On peut obtenir ce résultat à Taide d'appareils automa-

Fig. 115. — Emploi des accumulateurs dans les stations centrales.

tiques qui insèrent un plus ou moins grand nombre de bacs sur la ligne.

A Fontainebleau, on a adopté la disposition suivante, combinée par M. Pirani (fîg. 115).

Sur le circuit des accumulateurs CD est intercalée une dynamo F dont les inducteurs portent deux enroulements d'effet opposé. L'un EF est pris en dérivation sur Jes accu-

Maréchal. — Les Tramways électriques, 12

mulateurs ; Tautre GH est traversé par la totalité du courant envoyé dans la ligne. Ces deux enroulements sont combinés de telle façon que, lorsque les machines travaillent à pleine charge, la force électromotrice de la dynamo auxiliaire F, ajoutée à la tension de distribution, fasse équilibre à la force électromotrice des accumulateurs.

Donc, à ce moment, la batterie ne débite ni ne reçoit aucun courant.

Si un certain travail devient disponible, le courant diminue dans GH. L'enroulement EF prédomine et la dynamo auxiliaire ajoute sa force électromotrice à celle des dynamos de Tusine pour charger les accumulateurs. Inversement, si la demande de courant dépasse le débit des machines, l'enroulement GH change le sens de la force électromotrice de la dynamo auxiliaire et la fait contribuer, ainsi que la batterie, à charger le réseau. Le rhéostat R sert, une fois pour toutes, pour le réglage.

n existe certaines usines où l'on alimente à la fois un réseau de tramways et un réseau d'éclairage. Pour celles-ci l'emploi d'accumulateurs se justifie tout à fait. On peut même dire qu'il est indispensable, car, pour que la lumière soit bien stable, on doit éviter dans la canalisation des variations, même de 2 à 3 volts ».

Stations de transformation. — Nous nous bornerons à examiner les transformations déjà indiquées dans le chapitre premier.

* Sur un réseau de tramways il peut se produire facilement des écarts de voltage de 40 à 50 volts.

STATIONS CENTRALES l'79

(a). Transformation du courant continu à haute tension en courant continu à 500 volts.

Les distributions de ce genre ne sont pas susceptibles d'un grand avenir, en raison des difficultés que présentent la production et le transport des courants continus à haute tension.

Il existe cependant de très intéressants transports de force, par courant continu à haute tension, comme par exemple ceux de Gênes, de Chaux-de-Fonds, de Saint-Ouen à Paris (Société anonyme d'éclairage et de force), etc.

Deux procédés surtout sont en usage :

Ou bien Ton emploie une dynamo réceptrice, alimentée directement par le courant à haute tension et actionnant une dynamo génératrice à 500 volts.

Ou bien on monte en série un certain nombre de dynamos réceptrices, par exemple quatre pour un courant à 2 000 volts, chacune d'elles n'absorbant alors que 500 volts. Dans ce cas, réceptrices et génératrices sont identiques alors qu'avec le premier système il faut des réceptrices spéciales, supérieurement isolées.

(b). Transformation du courant alternatif à haute tension en courant continu à 500 volts, — Ce système est employé à Rome. Le courant alternatif est fourni par une usine hydraulique située à Tivoli (à 25 km de Rome) et amené à la station de la Porta Pia, par une ligne aérienne double à quatre conducteurs. Des transformateurs abaissent la tension de 4 300 volts à 430 volts et envoient le courant dans des con-

iSO LES TRAMWAYS ÉLECTRIQUES

vertisseurs Ganz qui donnent du courant continu à 500 volts. Une batterie d'accumulateurs Tudor de 1 000 ampèresheure a été installée en dérivation sur les barres du tableau, tant pour utiliser la puissance des convertisseurs que pour régulariser leur marche.

Ces convertisseurs comprennent des inducteurs, traversés par du courant continu emprunté à la batterie d'accumulateurs et un induit à tambour connecté, d'une part avec deux bagues (comme un alternateur ordinaire) d'autre part avec un collecteur (comme une dynamo à courant continu). En envoyant le courant alternatif à 430 volts dans les deux bagues l'appareil fonctionne comme un moteur alternatif synchrone ; mais, par le fait même que l'induit tourne dans un champ magnétique, il donne, au collecteur, du courant continu.

Les moteurs à courant alternatif synchrones ont, comme on le sait, Tinconvénient de ne pouvoir démarrer sous charge. On est donc obligé, pour communiquer aux convertisseurs leur impulsion première, d'avoir recours à une disposition spéciale. Elle consiste à les faire marcher comme moteurs à courant continu, en lançant par les balais du collecteur du courant emprunté à la batterie d'accumulateurs. Et c'est seulement lorsque la machine a pris sa vitesse qu'on peut la faire fonctionner comme convertisseur.

Les convertisseurs employés à Rome, qui sont actuellement au nombre de quatre, ont une puissance de 25 kilowatts. Grâce à la batterie d'accumulateurs, la tension se

maintient aux barres du tableau, avec une constance remarquable.

(c). Transformation des courants polyphasés à haute tension en courant continu à 500 volts. — Les appareils transformateurs sont analogues aux précédents, mais ils démarrent seuls, en vertu des propriétés bien connues des moteurs à champ tournant * .

On paraît disposé à employer, pour ces sortes de distributions, des courants triphasés, de préférence aux courants biphasés, parce qu'ils se transportent plus économiquement ^

Une des installations les plus intéressantes rentrant dans cette catégorie est celle de Lowell-Nashua (Etats-Unis). Ces deux villes sont distantes de 25 km. Le courant triphasé est produit dans l'usine de Lowell, qui alimente aussi directement un réseau de tramways à 800 volts. Et, ce qu'il y a de curieux, c'est que ce sont les mêmes dynamoB qui produisent à la fois du courant continu et du courant triphasé. La tension de ce dernier courant n'est que de 360 volts. On l'élève à 5 500 volts dans une chambre fermée à clef, à l'aide de transformateurs statiques branchés sur une ligne aérienne à trois conducteurs. A Nashua on procède à une opération inverse, c'est-à-dire que le courant triphasé, abaissé à 360 volts, est lancé dans des dynamos identiques à celles de

* Voir chapitre vu.

2 L'économie de cuivre est d'au moins 25 p. 100.

i82 LES TRAMWAYS ÉLECTRIQUES

Lowell. Ces dynamos, qui sont réversibles, produisent alors du courant continu à 300 volts.

L'ensemble de ces dispositions, qui se caractérise par une grande uniformité dans le matériel , présente encore un avantage précieux ; c'est d'exclure les hautes tensions de tout appareil en mouvement.

La même usine de Lowell alimente aussi une seconde station de transformation à Eayr's Mills.

Une distribution par courants triphasés et courants continus à 500 volts existe encore à Dublin * .

(d) Transformation des courants polyphasés à haute tension en courants polyphasés à basse tension. — Ce que nous avons dit du choix des courants triphasés s'applique également ici, d'autant plus que les moteurs à courants triphasés coûtent généralement moins cher que les moteurs à courants biphasés.

Une distribution de ce genre se fait à Lugano (Suisse). Le courant triphasé à haute tension (5000 volts) est produit dans une usine hydraulique située à Maroggia, à 12 km de la ville. La ligne, qui est aérienne, est constituée par 3 fils de cuivre de 5 mm de diamètre que soutiennent par des isolateurs des poteaux en bois espacés d'environ 25 m. La station de transformation est la simplicité môme. Elle se réduit à un transformateur pour courant triphasé, système Brown, qui réduit la tension à 400 volts. Sur les trois fils de

* Les transformateurs sont constitués par un moteur à champ tournant actionnant une dynamo à courant continu à 500 volts.

départ lun va aux rails. La tension de 400 volts doit s'en tendre, ainsi qu'il a été expliqué au chapitre premier, entre le fil de terre et chacun des deux autres. Entre le centre des trois phases elle n'est que de 231 volts.

Avec ce système, un poste de transformation peut être laissé sans surveillance.

Les transformateurs tournants exigent, a,u contraire, la présence à peu près permanente d'un ouvrier.