DISPOSITIONS GÉNÉRALES DES TRAMWAYS ÉLECTRIQUES

Caractéristique d'un tramway électrique. — Tramways à conducteur aérien et trolley. — Tramways, à conducteur aérien et archet. — Tramways à conducteurs souterrains. — Tramways à conducteurs interrompus établis au niveau du sol. — Tramways à accumulateurs. — Systèmes mixtes. — Gourants employés pour la traction des tramways : (a) Gourants continus ; (b) Courants alternatifs et polyphasés. — Alimentation des lignes par un transport de force.

Caractéristique d'un tramway électrique. — Un tramway électriqiœ est caractérisé par Temploi de moteurs électriques^ généralement placés sous la caisse des voitures et actionnant les essieux soit directement, soit par Tintermédiaire de bielles, de chaînes ou d'engrenages.

La puissance du moteur électrique dépend de l'effort de traction à produire et de la vitesse à réaliser. La tendance actuelle est d'employer des moteurs puissants, afin de faciliter les démarrages et de permettre le maintien de la vitesse normale dans les parties les plus accidentées des voies.

Les moteurs les plus employés sont de 20 à 25 chevaux.

Maréchal. — Les Tramways électriques. 1

Si l'on veut disposer d'une puissance plils considérable, on se sert de deux moteurs, à raison d'un par essieu.

Deux moteurs peuvent être aussi nécessaires, quand la voiture doit fonctionner, non seulement comme automobile, mais encore comme voiture motrice. On accroche alors à l'automobile une ou plusieurs voitures ordinaires et Ton peut ainsi former de véritables trains.

On doit recommander d'être très large dans le choix des moteurs. Il faut, en effet, compter avec un accroissement possible du trafic (accroissement certain, d'ailleurs, quand on substitue la traction électrique à la traction à chevaux *) et avec une surcharge extraordinaire, comme il peut s'en produire à certains moments (fêtes, retour de courses, sortie des ateliers, etc.).

Aux Etats-Unis, on adopte, généralement, pour une automobile d'hiver de 50 places, 2 moteurs de 25 chevaux. En (•té, comme la voie est meilleure et que le matériel est plus léger (voitures découvertes), on se contente souvent d'un seul moteur de 25 chevaux.

Un moteur électrique ne peut fonctionner qu'à la condition d'être réuni à une source permanente d'électricité.

Si le tramway porte avec lui une batterie d'accumulateurs, l'alimentation se fait très simplement, en réunissant le moteur et la batterie, pôle à pôle.

Mais si la source d'électricité est constituée par une ou plusieurs dynamos installées dans une usine fixe, comme

' Au Havre, le trafic a augmenté de 70 p. 100; à Lyon, de 43 p. 100.

c'est le cas le plus fréquent, il faut prendre des dispositions spéciales, pour que la voiture puisse communiquer, d'une façon continue, pendant sa marche, avec la source d'électricité.

A cet effet, on emploie l'une des dispositions que nous allons examiner.

Tramways à conducteur aérien et trolley. — Le courant produit par l'usine ou station centrale est lancé dans un

Fig. 1. — Tramway à conducteur aérien et trolley.

conducteur en cuivre, en bronze siliceux ou plus rarement en acier, placé au-dessus ou sur le côté des voies (fig. 1).

Sur ce conducteur roule un trolley, c'est-à-dire une roulette en bronze qui est fixée au bout d'un long bras métallique, monté sur le toit de la voiture*. Un puissant ressort tend à ramener ce bras verticalement. Il en est empêché par le

* Quelquefois on a remplacé la roulette par un frotteur. Nous citerons plus loin des exemples (ch. m).

conducteur sur lequel il vient presser fortement. Par ce contact ainsi établi le courant entre dans la voiture. Il gagne le ou les moteurs par des câbles isolés et sort par les roues.

Dans le système à conducteur aérien, on prend ordinairement les rails comme conducteur de retour, pour ramener le courant à l'usine.

On s'évite ainsi un second conducteur et un second trolley K Mais il faut prendre des dispositions spéciales pour assurer la continuité du circuit. Dans ce but on complète les éclissages ordinaires (qui sont exclusivement combinés pour assurer la rigidité des voies), par des éclissages électriques^ en cuivre étamé. Si le courant est très intense, on adjoint même, aux rails, un conducteur continu, enfoui dans le sol, et auquel on relie les éclissages électriques.

On ne saurait trop conseiller d'assurer une continuité parfaite du circuit de retour.

S'il n'en était pas ainsi, le courant électrique pourrait revenir à l'usine en suivant les conduites d'eau ou de gaz et l'on aurait à craindre (du moins avec les courants continus qui sont de beaucoup les plus employés pour la traction des tramways) de graves actions électroly tiques.

Les conducteurs aériens, si l'on veut qu'ils n'aient pas un aspect très choquant, ne doivent pas avoir un diamètre supérieur à 8 à 9 millimètres.

La résistance qu'ils offrent au passage du courant est loin d*être négligeable. On sait que lorsqu'un courant électrique

* Une ou deux lignes seulement sont à deux trolleys.

d'intensité I (évaluée en ampères] passe dans un conducteur de résistance R (laquelle s'évalue en ohms) il se produit une perte de voltage égale à RI.

Pour que, sur une ligne donnée, la tension soit sensiblement constante en tous les points et, d'autre part, pour n'avoir pas à augmenter le diamètre des conducteurs aériens (car la résistance d'un conducteur décroît quand son diamètre augmente), on est conduit, dès que le courant à écouler I est considérable, à alimenter le fil aérien de distance en distance par des feeders, conducteurs de gros diamètres qui relient directement à Tusine la section à alimenter.

Ces feeders peuvent se placer sur le côté des voies et être constitués par des cables nus, montés sur isolateurs. Mais, dans la traversée des villes, on exige ordinairement (môme aux Etats-Unis) qu'ils soient cachés sous la chaussée ou sous les trottoirs. Le mieux, alors, est de les constituer par des câbles armés et isolés.

Quand le réseau est très chargé, des feeders de retour peuvent également être nécessaires. On verra plus loin quelles sont les dispositions à prendre, pour assurer un bon retour du courant.

Tramways à conducteur aérien et archet.— Ce système, qui est surtout employé en Allemagne, ne diffère du précédent que par le mode de captation du courant.

Le trolley est remplacé par un cadre métallique (fig. 2) dont le montant supérieur appuie constamment contre le. conducteur aérien. Au frottement de roulement on substitue

ainsi un frottement de glissement. L'usure produite est certainement plus considérable; mais nous indiquerons ultt^rieure ment comment on peut atténuer les inconvénients qui en résultent.

, L'avantage principal de l'archet, c'est qu'il dispense

d'établir les conducteurs aériens parailèlenient à l'axe dos voies. Aussi, dans les courbes, peut-on substituer aux tracés sensiblement curvilignes qui s'imposent avec le trolley, un tracé formé de longs éléments droits coïncidant avec les côtés d'un polygone inscrit ou circonscrit à la courbe. On diminue ainsi notablement le nombre des haubans tendeurs et des poteaux.

La construction des aiguillages et des croisements se trouve aussi sensiblement facilitée.

Tramways à conducteurs souterrains. — Dans ce système les conducteurs, qui distribuent le courant, sont placés, sur isolateurs, dans un caniveau construit sous la chaussée. Ce caniveau est ouvert suivant une fente longitudinale par laquelle passe la pièce qui doit amener le courant à la voiture.

Les conducteurs étant souterrains, leur diamètre importe peu. Aussi adopte-t-on, le plus souvent, par raison d'économie, des conducteurs en fer auxquels on donne des formes appropriées aux pièces qui doivent les supporter. De même, on peut profiter de l'espace disponible dans le caniveau pour y installer un conducteur de retour. Les actions électrolytiques, dues aux fuites du courant, sont alors complètement évitées.

La prise de courant se fait soit par frottement, soit par roulement. Il faut, avec deux conducteurs, deux trotteurs ou deux trolleys. Le courant, partant du conducteur positif, ou d'aller, va par un fil isolé dans la voiture ; il traverse le moteur et par un autre fil isolé est ramené au conducteur négatif ou de retour.

Avec le caniveau souterrain il faut évidemment que la rainure soit indéformable. Il est indispensable, en outre, d'assurer une évacuation rapide de Teau, de la neige et des produits du balayage.

Tramways à conducteurs interrompus établis au niveau

du soL — Le conducteur servant à la distribution du courant ne peut être établi au niveau du sol qu'autant que Ton a pris des dispositions spéciales pour empêcher toute déperdition de Télectricité.

On doit aussi se préoccuper de rendre tout contact impossible entre les conducteurs, quand ils sont en charge, et les passants.

A cet effet, le conducteur proprement dit est complètement caché sous la chaussée ou sous les trottoirs. Par une série de branchements, également souterrains, il communique avec des plots ou des pavés métalliques, isolés, arasés à 1 ou 2 centimètres au-dessus du sol et placés à demeure entre les voies. Sous la voiture un long frotteur est disposé de manière à glisser sur les plots ou les pavés ; sa longueur est telle que lorsqu'il quitte Tune des pièces de contact il est déjà, par son autre extrémité, sur la pièce suivante.

On conçoit que si, par un artifice quelconque, on met les plots ou les pavés en charge au moment où ils sont couverts par la voiture et à ce moment-là seulement, on satisfera à la double condition énoncée plus haut.

On arrive à ce résultat à l'aide de dislribiUeurs qui sont placés sous chaussée ou sous trottoirs et qui peuvent commander un ou plusieurs contacts.

Dans ce système le courant fait retour à l'usine par les rails. Mais rien ne serait plus facile, en employant doubles plots ou doubles pavés, que d'envoyer le courant de retour dans un conducteur spécial.

On désigne souvent les tramways à conducteur établi au

niveau du sol sous le nom de tramways à contacts électromagnétiques. C'est en effet à l'aide d'électro-aimants que les distributeurs mettent les conducteurs en charge au moment voulu. Mais il pourrait en être autrement.

Tramways à accumulateurs. — Nous avons déjà indiqué ce système. C'est évidemment l'un des plus simples que l'on puisse imaginer, Il permet en outre d'appliquer la traction électrique, sans grandes dépenses d'infrastructure, aux lignes «le tramways fonctionnant avec des chevaux. Si les voies sont très résistantes elles pourront môme être conservées telles quelles.

Mais les accumulateurs ont certains inconvénients qui ont jusqu'ici restreint beaucoup leur emploi.

Toutefois, à la suite de progrès récents réalisés dans leur fabrication, plusieurs installations intéressantes viennent d'être effectuées.

Systèmes mixtes. — On peut, sur une même ligne, adopter telle ou telle combinaison des systèmes que nous venons d'examiner.

Ainsi, dans les villes où l'on est absolument hostile au trolley, on emploiera, pour les lignes venant de la banlieue, le fil aérien jusque dans les faubourgs et l'on marchera au delà avec des conducteurs souterrains. 11 suffira de s'arrêter quelques secondes, au point de passage, pour accrocher aux voitures le frotteur ou la roulette qui doivent prendre le courant sur les conducteurs souterrains (Washington). On a même combiné des appareils qui se mettent

instantanément en place, sans qu'il soit nécessaire d'arrêter la voiture (Berlin).

On pourrait également recourir dans ce cas à la traction par accumulateurs, en chargeant ceux-ci extra-muros avec le courant même de la ligne à trolley (Hanovre, Dresde).

De même on peut, en employant simultanément le système à trolley et la traction par accumulateurs, éviter les inconvénients que présentent les conducteurs aériens sur les places, dans les courbes, etc.

Soient, par exemple, deux grandes avenues rectilignes se croisant à angle droit. On marchera en alignement droit avec des câbles aériens. Et, pour franchir le coude brusque, formé par les avenues, on se servira d'une petite batterie d'accumulateurs que l'on chargera, avec le courant même de la ligne, dans les autres parties du tracé.

On pourrait aussi, dans des cas analogues, combiner le système des conducteurs aériens avec le système des conducteurs établis au niveau du sol, etc.

Courants employés pour la traction des tramways. — (a). Courants continus, — Les courants les plus employés pour la traction des tramways sont les courants continus. Leur distribution se fait à potentiel constant. La tension varie de 300 à 500 volts (350 volts à l'usine).

Avec un courant d'intensité I (en ampères) et de tension E (en volts) la puissance disponible à chaque instant est égale à ExI (en watts). On voit que, pour une intensité donnée, elle est proportionnelle à E. Comme d'autre part, d'après

ce que nous avjons vu plus haut, la perte en ligne RI ne dépend que de I (et non de E), on augmentera la puissance disponible, sans augmenter la perte en ligne, en augmentant la tension.

On ne dépasse pas 500 volts parce qu'au delà le courant deviendrait trop dangereux.

La perte en ligne généralement consentie est de 10 p. 100 delà puissance disponible. Avec les conducteurs ordinaire-

Fig. 3.

Alimentation d'une ligne de tramways par une distribution à trois fils.

ment employés on peut, sur un réseau peu chargé, distribuer du courant à 500 volts sur une longueur de 4 à 5 kilomètres.

Au delà, si Ton ne veut pas avoir recours à des feeders coûteux, il faut adopter le système à trois fils (Portland, Etats-Unis).

Soient deux dynamos produisant du courant à 500 vols (fig. 3). Réunissons le pôle positif de Tune au pôle négatif do l'autre (ce que Ton appelle monter les dynamos en série) et branchons sur le pôle commun et sur les pôles extrêmes trois conducteurs formant deux ponts sur lesquels on dis-

posera des appareils utilisateurs de courant (les moteurs des voitures, par exemple). Si Ton réunit le conducteur médian (fil neutre) à la terre, les fils extrêmes seront Tun à + 500 volts et l'autre à — SOO volts, et cependant on aura fabriqué du courant à 2 X 500 volts = 1000 volts. On pourra donc, de cette façon, augmenter sensiblement le rayon d'action de Tusine génératrice.

Le système s'applique, sur les tramways, en prenant les rails comme fil neutre et (si la ligne est, à double voie) l'un des conducteurs aériens comme fil positif à 500 volts et l'autre comme fil négatif à — 500 volts. On pourrait aussi diviser la ligne aérienne en une série de sections consécutives, alternativement à 500 volts et à — 500 volts.

Ce dernier système doit forcément être employé si la ligne est à voie unique à moins que, pour une même voie, on veuille adopter deux conducteurs et deux trolleys.

Les distributions à trois fils présentent d'autres avantages.

Si les moteurs sont également répartis sur chacun des ponts, le courant ira seulement d'un moteur à l'autre, sans faire retour à Tusine. Or c'est le cas le plus général des lignes de tramways, où l'on rencontre presque toujours autant de voitures montantes que de voitures descendantes. Il est clair que, dans ces conditions, le chemin suivi par le chemin de retour sera bien moins considérable que s'il lui fallait, comme dans une distribution ordinaire, revenir en totalité à Tusine. Les risques de décomposition, électrolytique, se trouveront, de cette façon, grandement diminués.

Si les ponts sont inégalement chargés, une certaine quan-

tité d'ëlectricité circulera entre les points où la consommation est inégale et Tusine. Mais elle sera peu importante, puisqu'elle sera égale à la différence des quantités d'électricité circulant dans chaque pont.

Lorsque, par suite de Téloignement de Tusine, le système à trois fils devient lui-même inapplicable, il faut avoir recours à un transport de force*. Nous examinerons ce cas un peu plus loin.

(b). Courants altetmatifs et polyphasés. — Dans un courant alternatif la tension varie, à chaque instant, suivant une loi sinusoïdale. Si E est la tension maxima, T la durée d'une variation complète (ce que Ton appelle période du courant), la tension est représentée à chaque instant / par l'expression

e = E sin

que Ton écrit souvent

^ = E sin Oit

en posant (0=-;=^.

On peut représenter graphiquement un courant alternatif de deux façons :

1^ On prend deux axes de coordonnées rectangulaires et l'on porte les tensions en ordonnée et les temps (mesurés en secondes) en abscisse. La courbe obtenue est alors une sinusoïde (fîg. 4).

2^ Considérons un cercle de rayon égal à E (fig. 5) et supposons qu'un rayon OA tourne autour du centre avec

* Il a été aussi fait quelquefois usage de suvvolleurs^ appareils qui relèvent la tension en différents points du réseau.

la vitesse angulaire to. Si nous comptons le temps à partir de la position OX, l'angle AOX sera égal h ^t, t étant le temps mis par le rayon mobile pour tourner de l'angle AOX. Abaissons AB perpendiculaire sur le diamètre YY' perpendiculaire lui-même à OX. On aura

OB == E sin wt

Donc OB représente, à l'instant t, la valeur de la tension du courant alternatif.

Par conséquent, on obtiendra les valeurs successives de e

Fig. 4. — Représentation graphique d'un courant alternatif.

Fig. 5. — Représentation d'un courant alternatif par un vecteur.

en faisant tourner OA = E autour de avec la vitesse angulaire co et en projetant OA sur YY'.

C'est ce qui constitue la représentation du courant alternatif par vecteur.

Cette représentation est très employée, car elle permet de composer deux tensions alternatives par la méthode du parallélogramme des forces.

Ainsi, soit à ajouter deux tensions alternatives, de môme période, OA^ et OA, (fig. 6). Menons le parallélogramme OAj RA, et projetons A^ A, et R sur YY'. On a OR^ =03^ + OB,. Donc OR est le vecteur de la tension résultante.' Dans un circuit à tension alternative l'intensité est ellemême alternative ; mais elle n'est pas en concordance de phase avec la tension. Le fait est dû à la self -induction du circuit. Soit I l'intensité maxima. On aura :

e ziz E sin w/ t nr I sin (&»t — o)

On peut également représenter cette intensité par un vec-

Fig. 6. — Composition des vecteurs. Fig. 7.— Décalage de l'intensité.

teur (fig. 7). On voit que ce vecteur sera en retard (ou décalé) de Tangle -f par rapport à la tension.

11 faut distinguer, dans une distribution de courants alternatifs, les valeurs moyennes et efficaces de la tension et de l'intensité. On a :

E moy. = 0,637 E E eflic. = 0,707 E

I moy. = 0,637 I I effic. = 0,707 I

Les instruments employés pour la mesure des courants alternatifs donnent généralement E effic. et I effic. Aussi sont-ce généralement ces valeurs, à Fexclusion de E et de 1 ou de E moy. et de I moy., que Ton considère dans une distribution à courant alternatif. Sauf indication contraire, un courant alternatif à 1 000 volts, par exemple, est un courant dont la tension efficace est de 1 000 volts.

Les intensités et les tensions efficaces peuvent se combiner par la méthode vectorielle puisqu'ils ne diffèrent de I et de E que par des facteurs constants.

La puissance moyenne disponible sur un réseau à courant

alternatif est .

P moy. = -^ E.I cos o = E efiic. X I cftic. cos o

Elle est donc moindre que s'il s'agissait d'un courant continu, puisque, dans ce cas, cette puissance serait égale à EL

C'est déjà là une première cause d'infériorité des courants alternatifs sur les courants continus.

Ils ont en outre le défaut de se prêter moins facilement à la transformation de l'énergie électrique en énergie mécanique. Ainsi les moteurs à courant alternatif iie démarrent pas généralement sous charge, vice rédhibitoire pour l'exploitation des tramways.

Mais on évite cet inconvénient en employant simultanément plusieurs courants alternatifs convenablement décalés. Ainsi, à Lugano (Suisse), la distribution se fait par courants triphasés, ensemble de trois courants alternatifs décalés d'un tiers de période.

Les vecteurs représentatifs sont, dans ce cas, trois droites égales OAj, OA,, OA3 faisant entre elles un angle de -^

(fig. 8).

On voit que la résultante OR de OAj et OA, est égale et directement opposée à OA3. Par conséquent, si Ion a (fig. 9) trois conducteurs A^, A^, A3, dans lesquels sont lancés des courants triphasés, en réunissant les conducteurs A^ à un même point 0, on aura en ce point une tension nulle et Ton n'aura pas besoin de conducteur de retour.

Pour distribuer des courants triphasés, trois conducteurs seulement sont nécessaires. On peut prendre les

rails pour Tun de ces conducteurs. Il Fig. 8. — Vecteurs d'un cou-

suffira alors d'installer, au-dessus de

chaque voie, deux conducteurs aériens. Dans ces conditions

il faudra également monter deux trolleys par voiture.

Fig. 9. — Distribution d'un courant triphasé.

On peut reprocher à cette disposition d'accentuer les inconvénients des conducteurs aériens. Mais on doit remarquer que le caniveau se prêterait parfaitement à Tutilisation

Maréchal. — Les Tramways électriques. 2

de courants triphasés. Les rails et les deux conducteurs souterrains formeraient alors les trois conducteurs nécessaires pour la distribution du courant.

On pourrait adopter une disposition analogue avec des courants biphasés, c'est-à-dire avec deux courants alternatifs décalés d'un quart de période. Les rails serviraient de fil de retour, car, dans ce cas, la résultante des courants n'est plus nulle.

Les courants alternatifs ne peuvent occasionner de décompositions électrolytiques*. Mais il faut prendre certaines précautions pour qu'ils n'influencent pas les réseaux téléphoniques ou télégraphiques situés dans le voisinage^

On doit en outre signaler qu'à tension égale les courants alternatifs sont plus dangereux que les courants continus. A Lugano la tension employée est de 400 volts. Cette tension nous paraît élevée. (En France on adopterait au maximum 150 volts ; mais cette tension limite est trop faible.)

Au sujet de cette tension nous avons une remarque à faire. Il ne s'agit pas (fig. 8) de la tension représentée par chaque vecteur. Il s'agit de la tension par rapport à la terre c'est-à-dire par rapport à Tun des conducteurs, A3 par exemple. Pour l'obtenir il faut retrancher OA^ ou OAj de 0\^* En appliquant toujours le parallélogramme des forces, nous prolongerons OAj en sens inverse, nous prendrons OA', = 0Aj5 et la résultante sera la diagonale OT du parallélogramme OA3 T A'j.

* Du moins avec les tensions généralement employées pour la traction des tramways.

A Lugano c'est donc T qui est égal à 400 volts. Chacun des courants alternatifs constitutifs du courant triphasé, considéré isolément, n'a au contraire qu'une tension égale.

OT

à A, = Yj- = 231 volts.

Alimentation des lignes par un transport de force. — Les transports de force peuvent s'exécuter soit avec des courants continus, soit avec des courants alternatifs simples ou polyphasés.

i® Transport de force par courant continu, — Pour utiliser le courant transporté, on se borne, dans ce cas, à abaisser sa tension.

Le transformateur se compose d'une dynamo réceptrice actionnant directement une dynamo génératrice produisant du courant continu à 500 volts.

On se trouve dans le cas d'une station centrale ordinaire, avec moteurs électriques, au lieu de moteurs à vapeur.

2^ Transport de force par courant alternatif, — Le courant alternatif à haute tension passe d'abord dans des transformateurs statiques qui abaissent sa tension, puis dans des convertisseurs, appareils constitués par un moteur synchrone et une dynamo à courant continu réunis ordinairement sur le même arbre.

Ces convertisseurs produisent du courant continu à 500 volts (Rome).

3** Transport de force par courants polyphasés, — Les courants polyphasés se prêtent très bien soit à leur uti-

lisation directe, soit à leur ti'ansformation en courants continus.

Dans le premier cas on n'aura qu'à abaisser leur tension à l'aide de transformateurs statiques, de manière à ne distribuer dans le réseau que des courants à 300 ou 400 volts (Lugano).

Dans le second, on prendra comme intermédiaire des transformateurs tournants qui donneront du courant continu à 500 volts (Nashua).

Le choix à faire entre ces différents systèmes dépend des circonstances locales et des considérations suivantes :

1° Les courants alternatifs à haute tension se produisent plus simplement que les courants continus dont l'action sur les isolants peut être rapidement nuisible ;

2*^ On peut avec des courants alternatifs, simples ou polyphasés, limiter la tension dans l'usine productrice de courant à 200 ou 300 volts et faire passer le courant, avant de le lancer dans la ligne à haute tension, dans des transformateurs statiques, appareils inertes qui élèvent la tension, sans qu'il soit besoin d'exercer sur eux une surveillance continue (Lowell, Etats-Unis) ;

3"* Si l'on a adopté une distribution par courants polyphasés, l'emploi d'un transport de force par courants polyphasés de même nature s'impose également, puisque de simples transformateurs statiques permettront de passer, du courant transporté par la ligne, au courant distribué dans le réseau.

Les transports de force sont de plus en plus employés pour

DISPOSITIONS GENERALES 2i

la traction des tramways. Ils donnent la possibilité d'utiliser, comme stations génératrices, des usines hydrauliques produisant Ténergie à très bas prix.

On peut aussi, de cette façon, alimenter avec une même usine plusieurs réseaux voisins, et bénéficier ainsi de l'économie que procure toujours la production en grand de Ténergie électrique.