Application de la traction électrique dans les chemins de fer.
Origine et développement
L’utilisation de l’énergie électrique dans les véhicules moteurs des chemins de fer est étroitement liée aux découvertes et aux progrès réalisés dans le domaine des moteurs électriques. L’invention de la dynamo industrielle pour courants forts a permis d’utiliser l’électricité pour mouvoir un véhicule sur voie ferrée. Le premier service commercial de chemin de fer électrique fonctionne en 1879 et sert au transport des visiteurs dans l’enceinte de l’exposition industrielle de Berlin. La locomotive comporte une dynamo de 2,7 kW (3 ch) alimentée à partir d’un troisième rail central sous une tension continue de 150 V et peut remorquer trois wagons contenant une vingtaine de personnes à la vitesse de 12 km/h. Ce petit train possède déjà les organes essentiels des réseaux électrifiés actuels. Limitée jusqu’au début du xxe s. à la traction des tramways ou des automotrices, la traction électrique permet le développement des réseaux urbains ainsi que la création des chemins de fer métropolitains. Ces réalisations utilisent une alimentation en courant continu sous des tensions peu élevées (750 V au maximum). À partir de 1900, de nombreux systèmes d’alimentation sont essayés tant en Europe qu’aux États-Unis. Parmi les formes de courant et les tensions expérimentées, deux grands systèmes d’alimentation se distinguent : le courant continu et le courant monophasé à fréquence spéciale. La première électrification mondiale à grande échelle est réalisée aux États-Unis en 1916 entre Harlowton et Avery (705 km). En Europe, l’électrification des réseaux ne débute qu’après la Première Guerre mondiale, vers 1920. Elle se développe rapidement dans les régions où l’énergie électrique peut être produite à bon marché grâce à la houille blanche et plus lentement dans les contrées riches en gisements de charbon. Cependant, on reconnaît les performances obtenues en traction électrique et la bonne rentabilité de l’électrification des lignes à fort trafic. Le choix des systèmes obéit à des considérations diverses. En général, le courant continu est choisi lorsque l’électrification doit utiliser un réseau général d’alimentation d’énergie. Lorsque les compagnies estiment indispensable d’avoir la propriété de la fourniture et du transport du courant, elles choisissent souvent le courant monophasé à haute tension et à fréquence spéciale. En 1938, la longueur des lignes électrifiées atteint 17 600 km en Europe et environ 3 000 km aux États-Unis. Interrompue de 1939 à 1945, l’électrification des chemins de fer se poursuit activement après. À partir de 1955, la traction électrique prend un nouvel essor grâce à la réduction des investissements permise par l’alimentation directe des locomotives en courant monophasé à fréquence industrielle. Mis au point à la suite des progrès réalisés dans le domaine des redresseurs, ce système d’alimentation est exploité pour la première fois en France.
Différents systèmes d’électrification
Le courant continu
C’est le système le plus ancien et le plus répandu jusque vers 1960. Il fit son apparition en France en 1900. Son succès tient essentiellement aux caractéristiques du moteur série, qui offre un couple important au démarrage et peut supporter de fortes surcharges. Cet avantage est cependant réduit par la nécessité d’alimenter la ligne sous la tension de fonctionnement des moteurs, c’est-à-dire sous une tension relativement faible. Malgré les fortes sections des rails de contact, les valeurs adoptées dans les premières électrifications (500 à 750 V) ne permettaient pas d’alimenter sur de longs trajets des locomotives puissantes, sans chutes de tension prohibitives. Pour limiter ces pertes, la tension d’alimentation fut élevée progressivement ; mais les tentatives pour utiliser des valeurs supérieures à 3 000 V ne furent pas concluantes. Pratiquement, les réseaux choisirent des tensions allant de 1 000 à 3 000 V, les plus répandues étant 1 500 V et 3 000 V. Néanmoins, le transport d’une puissance importante sous ces tensions nécessite des conducteurs de forte section ainsi que des sous-stations d’alimentation nombreuses et coûteuses. Distantes de 10 à 30 km selon les circonstances, les sous-stations, alimentées par le courant industriel à haute tension, comportent obligatoirement un transformateur abaisseur de tension et un redresseur. Pour cette conversion, les machines tournantes (commutatrices) utilisées dans les premières électrifications ont été remplacées par des redresseurs statiques, d’abord à vapeur de mercure, puis à semi-conducteurs. Des progrès importants ont également été réalisés dans l’appareillage, et les sous-stations les plus récentes fonctionnent d’une façon entièrement automatique. Cependant, l’emploi de locomotives puissantes entraîne des pertes quelquefois importantes, et la tension d’utilisation des moteurs de traction subit de ce fait des variations qui nuisent au rendement global du système.
Le courant alternatif triphasé
Ce système a connu un certain succès au début du xxe s., puisque la vitesse de 200 km/h a été dépassée en 1903 par une automotrice électrique alimentée par trois conducteurs aériens sur la ligne d’essai Marienfelde-Zossen en Allemagne. Malgré quelques applications intéressantes en Europe et aux États-Unis entre 1902 et 1908, ce système ne connaîtra pas d’évolution en raison des inconvénients provenant de la présence de deux ou trois conducteurs aériens le long des lignes et des difficultés que présentent le réglage de la vitesse ainsi que celui du couple des moteurs de traction. Cependant, la facilité avec laquelle se fait la récupération d’énergie dans les descentes a été quelquefois utilisée dans les chemins de fer de montagne, particulièrement en Italie. Néanmoins, le moteur asynchrone a été employé dans des systèmes mixtes où le courant triphasé est produit sur l’engin lui-même au moyen d’un convertisseur tournant alimenté en courant alternatif monophasé ou en courant continu.
